水蒸汽發(fā)生器氧系統(tǒng)故障分析及健康監(jiān)測

竇雙慶，王宏亮，王 軍，張慧君

（1.西安航天動力試驗(yàn)技術(shù)研究所陜西西安710100；2.西安航天動力研究所,陜西西安710100）

水蒸汽發(fā)生器氧系統(tǒng)故障分析及健康監(jiān)測

竇雙慶1，王宏亮1，王 軍2，張慧君1

（1.西安航天動力試驗(yàn)技術(shù)研究所陜西西安710100；2.西安航天動力研究所,陜西西安710100）

氧供應(yīng)系統(tǒng)是水蒸汽發(fā)生器裝置的重要組成部分，氧供應(yīng)系統(tǒng)的狀態(tài)對水蒸汽發(fā)生器裝置工作可靠性有很大影響。從發(fā)生器氧系統(tǒng)故障案例入手，重點(diǎn)分析了水蒸汽發(fā)生器氧氣系統(tǒng)冷態(tài)調(diào)試與熱試車的數(shù)據(jù)，定位了由于氧系統(tǒng)狀態(tài)異常導(dǎo)致水蒸汽發(fā)生器發(fā)生故障的原因，提出了保障發(fā)生器氧系統(tǒng)健康狀態(tài)的監(jiān)測方法與保障措施。分析表明，為確保氧系統(tǒng)健康狀態(tài)，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注調(diào)試時氧氣壓力變化獨(dú)立性以及熱試車壓力曲線與歷次試車狀態(tài)的一致性。

水蒸汽發(fā)生器；氧系統(tǒng)；故障分析；健康監(jiān)測

0 引言

水蒸汽發(fā)生器主要由發(fā)生器、點(diǎn)火器、點(diǎn)火器酒精供應(yīng)系統(tǒng)、點(diǎn)火器氧氣供應(yīng)系統(tǒng)、發(fā)生器酒精供應(yīng)系統(tǒng)、發(fā)生器液氧供應(yīng)系統(tǒng)、軟化水供應(yīng)系統(tǒng)、吹除系統(tǒng)及蒸汽輸送系統(tǒng)等幾部分組成。發(fā)生器采用前后分區(qū)燃燒組織方式，頭部主要為液氧和酒精燃燒，產(chǎn)生高溫燃?xì)?，后半?yún)^(qū)引入軟化水，與高溫燃?xì)膺M(jìn)行摻混，產(chǎn)生蒸汽供給噴射系統(tǒng)[1-5]。

故障數(shù)據(jù)分析是設(shè)備健康狀態(tài)的基礎(chǔ)，有利于深入開展故障預(yù)防、故障檢測和故障修復(fù)，因此研究人員將重點(diǎn)集中在故障數(shù)據(jù)的分析研究上[6-11]，針對不同的故障現(xiàn)象有針對性實(shí)施健康管理方法，以保證設(shè)備的可靠工作狀態(tài)。

水蒸汽發(fā)生器裝置對高空模擬試驗(yàn)系統(tǒng)至關(guān)重要，因此發(fā)生器健康狀態(tài)分析具有重要的研究意義和應(yīng)用價值。本文重點(diǎn)針對水蒸汽發(fā)生器氧系統(tǒng)出現(xiàn)的故障和試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，提出改進(jìn)措施、預(yù)防方案，以保證發(fā)生器的健康工作。

1 發(fā)生器氧系統(tǒng)單向閥組成

發(fā)生器由火炬點(diǎn)火器、噴注器、燃燒室和混合室等幾部分構(gòu)成。工作原理為利用液氧酒精燃燒產(chǎn)生高溫燃?xì)?，然后將水注入，使水蒸發(fā)形成高溫水蒸汽。液氧酒精通過火炬點(diǎn)火器點(diǎn)燃，噴注器中心是火炬點(diǎn)火器。

圖1 氧系統(tǒng)單向閥組成Fig.1 One-way valves of oxygen supply system

單向閥起到將供應(yīng)介質(zhì)和吹除氮?dú)飧綦x的作用。在發(fā)生器工作時，發(fā)生器噴前壓力高于氮?dú)獯党龎毫Γ瑔蜗蜷y處于關(guān)閉狀態(tài)，供應(yīng)介質(zhì)無法進(jìn)入吹除管路。當(dāng)單向閥失效尤其是氧路單項(xiàng)閥失效時，將產(chǎn)生較大的安全風(fēng)險。發(fā)生器的氧系統(tǒng)單向閥系統(tǒng)組成如圖1所示。

2 氧系統(tǒng)故障分析與健康監(jiān)測方法

2.1 液氧吹除單向閥常開隱患

XX300次試驗(yàn)過程中，發(fā)生器最初顯示啟動正常，在60 s左右發(fā)生器身部出現(xiàn)較大振動，125 s液氧吹除管路接口處冒出大量白氣，160 s時氧氣孔板前壓力傳感器被擊穿，隨后實(shí)施緊急關(guān)機(jī)。

此次試車發(fā)生器啟動時的氧氣壓力pyq1，點(diǎn)火酒精壓力pdj1，液氧壓力pfy1及酒精壓力pfj1在5 s出現(xiàn)了劇烈振蕩（如圖2）。點(diǎn)火路的氧氣壓力pyq1，點(diǎn)火酒精壓力pdj1發(fā)生波動的時間早于發(fā)生器主路的軟化水壓力pspq1、液氧壓力pfy1及酒精壓力 pfj1波動，說明故障首先應(yīng)出現(xiàn)在點(diǎn)火器內(nèi)部，進(jìn)而擴(kuò)大到整個發(fā)生器。圖2中可以看出，在60 s左右氧氣壓力超出傳感器量程（8 MPa），導(dǎo)致傳感器擊穿損壞。在60 s后點(diǎn)火酒精的壓力曲線粗糙度也明顯增大，發(fā)生器工作不穩(wěn)定，最終在 170 s對發(fā)生器實(shí)施了緊急停車。

圖2 發(fā)生器非正常啟動相關(guān)參數(shù)壓力曲線Fig.2 Abnormal start pressure curves of the generator

對發(fā)生器工作數(shù)據(jù)和錄像進(jìn)行分析后，認(rèn)為發(fā)生本次事故的主要原因?yàn)橐貉醮党穯蜗蜷y泄漏，導(dǎo)致液氧進(jìn)入點(diǎn)火器的氧氣吹除路后進(jìn)入點(diǎn)火器，并經(jīng)由點(diǎn)火導(dǎo)管吹入發(fā)生器，形成富氧環(huán)境，引起發(fā)生器頭部富氧燒蝕。

為避免單向閥泄漏的情況再次發(fā)生，對發(fā)生器閥門控制程序進(jìn)行改進(jìn)：在發(fā)生器點(diǎn)火后，關(guān)閉液氧路的吹除閥，使吹除路處于關(guān)閉狀態(tài)，從而杜絕了燃?xì)鈴囊貉醮党龁蜗蜷y進(jìn)入發(fā)生器頭部的可能性。依次類推，對酒精路也采取了同樣的措施，同時避免了酒精路出現(xiàn)相同的故障。

2.2 氧氣吹除閥常關(guān)的隱患

XX36次試驗(yàn)在發(fā)生器3 000 s工作過程中蒸汽壓力、溫度數(shù)據(jù)正常，關(guān)機(jī)段發(fā)生器身部出現(xiàn)較大振動，試后分解檢查發(fā)生器相應(yīng)管路，發(fā)現(xiàn)發(fā)生器氧氣管路存在少量積碳。發(fā)生器關(guān)機(jī)段的壓力曲線如圖3中所示。液氧壓力pfy1下降正常，但氧氣壓力pyq1在關(guān)機(jī)后1.46 s出現(xiàn)1.806 MPa的壓力峰值，氧氣壓力維持1.168 MPa約0.75 s，分析認(rèn)為此在關(guān)機(jī)段氧氣管路內(nèi)發(fā)生爆燃。

圖3 發(fā)生器關(guān)機(jī)段的壓力曲線Fig.3 Pressure curves in cutoff duration of generator

結(jié)合以上分析，將發(fā)生器閥門控制程序修改為：使點(diǎn)火酒精氧氣吹除路始終處于打開狀態(tài)，杜絕了在關(guān)機(jī)段管路殘存酒精從液氧吹除單向閥進(jìn)入氧氣管路的可能性，提高了發(fā)生器工作穩(wěn)定性。

2.3 液氧吹除單向閥內(nèi)漏

XX-011次試驗(yàn)為2組發(fā)生器聯(lián)合試驗(yàn)，監(jiān)視畫面顯示液氧管路附近有白色氣體冒出，發(fā)生器在59 s時實(shí)施緊急停車，試后檢查發(fā)現(xiàn)氧吹除管路外部有掛霜現(xiàn)象，試驗(yàn)畫面中出現(xiàn)的白色氣體應(yīng)來自液氧吹除管路。

該次試驗(yàn)發(fā)生器參數(shù)測量壓力曲線見圖4，氣吹除路壓力pyc1在13.6 s出現(xiàn)了明顯的波動，其壓力值并沒有穩(wěn)定在吹除系統(tǒng)的1.50 MPa，而是隨液氧壓力pfy1，酒精壓力ptj1持續(xù)上升至2 MPa，最終實(shí)施了緊急關(guān)機(jī)。結(jié)合試后吹除管路外部的掛霜現(xiàn)象和數(shù)據(jù)曲線分析，認(rèn)定導(dǎo)致本次事故的原因是液氧單向閥內(nèi)漏，液氧反向進(jìn)入氧吹除路，導(dǎo)致氧吹除路壓力pyc1和氧氣路壓力pyq1升高。對該組發(fā)生器液氧吹除單向閥進(jìn)行分解檢查，發(fā)現(xiàn)單向閥密封面發(fā)生鼓包，導(dǎo)致密封失效，造成液氧內(nèi)漏。

為提高液氧吹除路的可靠性，對發(fā)生器液氧吹除路進(jìn)行工藝改造。將液氧吹除路的單向閥數(shù)量增加至2個，且2個吹除單向閥串聯(lián)連接。此方法可提高液氧吹出路的密封可靠性，大大降低因單向閥不密封導(dǎo)致發(fā)生器事故的風(fēng)險。

圖4 發(fā)生器相關(guān)參數(shù)壓力曲線Fig.4 Relevant ressure curves of generator

2.4 液氧串腔

XX50次試驗(yàn)為兩組發(fā)生器聯(lián)合工作，其中一臺發(fā)生器在程序啟動至14 s左右時工作異常，試驗(yàn)臺對發(fā)生器系統(tǒng)實(shí)施了緊急關(guān)機(jī)。

調(diào)取XX50試驗(yàn)發(fā)生器液氧系統(tǒng)液流調(diào)試數(shù)據(jù)曲線如圖5。圖5中顯示發(fā)生故障的發(fā)生器液氧調(diào)試過程中，液氧壓力上升后，氧氣、酒精及點(diǎn)火酒精壓力均出現(xiàn)了明顯的上升。此現(xiàn)象說明該發(fā)生器內(nèi)部的氧腔與燃料腔之間發(fā)生泄漏，造成在熱試過程中，液氧進(jìn)入到酒精腔，導(dǎo)致發(fā)生器工作異常。

圖5 發(fā)生器液氧冷調(diào)數(shù)據(jù)曲線Fig.5 LOX debugging data curves of generator before test

XX50-2次試驗(yàn)，發(fā)生器噴注盤上頂約7.9 s左右出現(xiàn)漏火現(xiàn)象，約13.5 s控制臺實(shí)施緊急關(guān)機(jī)，發(fā)生器工作壓力曲線見圖6。

圖6 XX50-2發(fā)生器壓力曲線Fig.6 Pressure curves of generator in XX50-2 test

事故發(fā)生后對發(fā)生器進(jìn)行分解檢查，發(fā)現(xiàn)發(fā)生器的噴注器液氧腔與酒精腔的隔離中底釬焊縫開裂，導(dǎo)致液氧進(jìn)入酒精腔，酒精腔壓力急劇升高，造成發(fā)生器上頂焊縫開裂。對發(fā)生器結(jié)構(gòu)進(jìn)行了相應(yīng)的改進(jìn)，增加了噴注盤的隔離中底厚度。

經(jīng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)研究認(rèn)為，在發(fā)生器液氧系統(tǒng)調(diào)試數(shù)據(jù)分析過程中，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注氧氣壓力、酒精壓力及點(diǎn)火酒精壓力變化過程的獨(dú)立性，液氧調(diào)試時應(yīng)只有氧壓力升高，酒精、點(diǎn)火酒精路的壓力均應(yīng)不變。同樣在酒精系統(tǒng)調(diào)試時，液氧、氧氣壓力均應(yīng)維持不變。如果發(fā)生器不進(jìn)行冷態(tài)液流調(diào)試，則可進(jìn)行液氧腔的吹氣增壓試驗(yàn)，同時監(jiān)測酒精腔的壓力變化情況，確保無串腔現(xiàn)象，以此檢查發(fā)生器氧腔與酒精腔的密封隔離性。

通過液氧與酒精冷調(diào)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，可準(zhǔn)確判斷發(fā)生器氧腔與酒精腔的密封隔離性，為提高發(fā)生器可靠工作提供了保障。

3 結(jié)論

從發(fā)生器的試車故障中發(fā)現(xiàn)，氧系統(tǒng)的健康狀態(tài)對發(fā)生器是否能正常工作至關(guān)重要，氧系統(tǒng)所涉及到的單向閥門密封性、噴注器焊縫強(qiáng)度及供應(yīng)管路連接密封性都對試驗(yàn)的順利進(jìn)行造成影響。因此，在試驗(yàn)前，需要針對氧系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)調(diào)試以及對過往數(shù)據(jù)充分對比分析以確保狀態(tài)健康。

本文的研究工作為水蒸汽發(fā)生器的可靠工作和維護(hù)提供了數(shù)據(jù)分析支持,通過對數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確分析保證了發(fā)生器的健康工作狀態(tài)，在水蒸汽發(fā)生器的使用壽命周期中發(fā)揮了重要的作用。試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析健康監(jiān)測的主要方法如下：

1） 發(fā)生器液氧系統(tǒng)調(diào)試數(shù)據(jù)分析中，重點(diǎn)關(guān)注氧氣壓力、酒精壓力及點(diǎn)火酒精壓力的變化獨(dú)立性，液氧調(diào)試時應(yīng)只有氧氣壓力出現(xiàn)變化，而酒精、點(diǎn)火酒精路的壓力均應(yīng)不變；

2） 在試驗(yàn)前，應(yīng)進(jìn)行液氧腔的吹氣試驗(yàn)，通過液氧腔與酒精腔壓力變化獨(dú)立性確保液氧腔與酒精腔無串腔現(xiàn)象，排除發(fā)生器中底釬焊縫存在泄漏的可能；

3）加強(qiáng)熱試車數(shù)據(jù)與發(fā)生器冷調(diào)數(shù)據(jù)對比分析，例如壓力和管路充填時間的重復(fù)性的對比和相關(guān)性分析，保障發(fā)生器的健康狀態(tài)；

4）分析發(fā)生器熱試車壓力曲線的正確性和歷次試車狀態(tài)的一致性，發(fā)現(xiàn)異?，F(xiàn)象并進(jìn)行故障診斷，以便采取相應(yīng)措施提高發(fā)生器系統(tǒng)的工作可靠性。

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（編輯：馬 杰）

Fault analysis and health monitoring of oxygen system for water vapor generator

DOU Shuangqing1,WANG Hongliang1,WANG Jun2,ZHANG HuiJun1
（1.Xi’an Aerospace Propulsion Test Technology Institute,Xi’an 710100,China; 2.Xi’an Aerospace Propulsion Institute,Xi’an 710100,China）

As the key component of the water vapor generator,the oxygen supply system’s health status has a great influence on the working stability of the generator.Based on analysis of seveval failure cases of oxygen system,the test and experiment data of the oxygen supply system for the generator is studied emphatically.The reason for the failures of the generator due to the oxygen system worked abnormally is analyzed,and some health monitoring methods and safeguard measures are proposed to improve the stability of the oxygen supply system.The experimental results indicate that, in order to effectively ensure the health status of oxygen supply system,the oxygen pressure variation independence during the debugging process,and coincidence of previous data during the experimental process and pressure curves in heat run need to be concerned.

water vapor generator;oxygen system;fault analysis;health monitoring

V433-34

A

1672-9374(2016)06-0095-05

2015-11-26；

2016-04-01

竇雙慶（1969—），女，高級工程師，研究領(lǐng)域?yàn)橐后w火箭發(fā)動機(jī)試驗(yàn)測量與控制