通用暖風(fēng)機高原耐久性試驗故障分析與排除

李俊 鐘華 劉劍飛 高懷斌

1 陸軍研究院特種勤務(wù)研究所

2 西安科技大學(xué)機械工程學(xué)院

0 引言

部隊暖風(fēng)機的研制歷程已經(jīng)歷20 多年，研制開發(fā)了不同規(guī)格的平原型、高原型暖風(fēng)機[1]，滿足不同使用面積的帳篷、活動房使用，解決了部隊冬季在不同地域、不同海拔高度野外取暖問題。由于平原暖風(fēng)機在高海拔區(qū)域不能正常使用，根據(jù)部隊要求，暖風(fēng)機進行了統(tǒng)型，形成了通用暖風(fēng)機系列，可以在不同地域使用。通用暖風(fēng)機是一種通過燃燒輕柴油或煤油，加熱空氣送熱風(fēng)取暖的設(shè)備[2]，除用于取暖外，還可用于通風(fēng)換氣。本文就新開發(fā)的通用暖風(fēng)機在高原耐久性試驗過程中出現(xiàn)的故障問題做以分析，并給出解決思路與方法，供大家參考。

1 暖風(fēng)機的結(jié)構(gòu)和工作原理

1.1 暖風(fēng)機組成及結(jié)構(gòu)

暖風(fēng)機由回風(fēng)管，煙囪，殼體，送風(fēng)管，供油系統(tǒng)，燃燒器，控制系統(tǒng)，燃燒換熱器和風(fēng)機等部分組成，見圖1。

圖1 暖風(fēng)機構(gòu)造

1.2 暖風(fēng)機工作原理

開機后，燃燒器電機運轉(zhuǎn)，與電機同軸的風(fēng)機、油泵同時工作，點火電極開始打火。13 s 左右，供油電磁閥打開，高壓油經(jīng)油嘴霧化噴出與風(fēng)機提供的空氣混合，被點火電極產(chǎn)生的電火花點燃并在燃燒室燃燒。燃燒產(chǎn)生的高溫?zé)煔?，從燃燒室底部的兩個出煙口流進換熱器，經(jīng)換熱后再流經(jīng)煙囪排出。換熱室內(nèi)感溫探頭溫度上升45 ℃左右，送風(fēng)機啟動將帳篷外空氣或帳篷內(nèi)循環(huán)空氣送進換熱室，流過換熱器和燃燒室外側(cè)被加熱，被加熱的熱風(fēng)經(jīng)送風(fēng)管送入帳篷內(nèi)的熱風(fēng)分配管網(wǎng)，由分配管網(wǎng)均勻地分送到帳篷內(nèi)各部位加熱空氣取暖。暖風(fēng)機在運行過程中，由控制系統(tǒng)自動控制。暖風(fēng)機用于取暖的工作原理見圖2。

圖2 暖風(fēng)機供熱原理圖

2 故障現(xiàn)象與分析

2.1 耐久性試驗中燃燒器停機

試驗地點在青海省格爾木市，海拔2800 m，中午1:00 時開始啟機，運行到晚上19:00 時，通用暖風(fēng)機突然停機，再次啟動時，燃燒器不能啟動，按壓燃燒器復(fù)位按鈕，不能復(fù)位。大約10 min 后，再次按壓燃燒器復(fù)位按鈕，啟動暖風(fēng)機，運行正常，再過大約3 h 后，出現(xiàn)同樣現(xiàn)象。

2.2 故障分析

查找暖風(fēng)機使用說明書中常見故障與排除方法，亦未見該種情況。停機后檢查出風(fēng)口溫度，略高于環(huán)境溫度，與平常出風(fēng)口停機時溫度基本一致，說明運行過程中沒有出現(xiàn)過熱保護?？刂泼姘鍥]有故障代碼提示，說明暖風(fēng)機控制系統(tǒng)功能正常。燃燒器復(fù)位后，亦能正常工作，說明燃油系統(tǒng)暢通，沒有堵塞問題。燃燒器程序控制器能夠正常控制燃燒器，說明燃燒器程序控制器正常。燃燒器結(jié)構(gòu)示意圖見圖3。

通常情況下，燃燒器出現(xiàn)故障后，燃燒器程控器會自我保護，2 min 內(nèi)，按壓燃燒器復(fù)位按鈕，一般不能立即復(fù)位，需過2 min 后按壓才會復(fù)位。第二次停機后，過3 min 按壓燃燒器復(fù)位按鈕，沒有立即復(fù)位，說明燃燒器有異常。觸碰燃燒器電機，感覺發(fā)熱溫度比平時更高。用熱電偶測量電機溫度，各處溫度見表1。

圖3 燃燒器結(jié)構(gòu)示意圖

表1 燃燒器電機表面溫度分布

表1 中，靠左部分明顯高于其他部位，靠左部位靠近暖風(fēng)機前隔板，燃燒器電機該處溫度偏高，說明在該區(qū)域有外部熱源存在，通過觸摸前隔板溫度，發(fā)現(xiàn)前隔板溫度明顯偏高，測量最高溫度處達98 ℃，燃燒器電機距前隔板約10 cm，電機明顯受到輻射傳熱影響。該機在無錫（海拔10 m）運行了140 多小時，一直正常，運行環(huán)境溫度（26～34 ℃）遠高于在格爾木（-3～15 ℃）的環(huán)境溫度。暖風(fēng)機燃燒換熱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖見圖4。

圖4 暖風(fēng)機燃燒換熱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2.2.1 環(huán)境溫度下降對前隔板的影響

本機組的換熱可大致表述為圖5 所示的換熱網(wǎng)絡(luò)圖，其中tlk為進入的冷空氣溫度，tsl為換熱器上部換熱后的空氣溫度，txl為換熱器下部換熱后的空氣溫度，thk為熱風(fēng)送風(fēng)溫度。由于該機組采用變頻技術(shù)，送風(fēng)溫度thk為恒定值75 ℃。tsl和txl為并聯(lián)結(jié)構(gòu)，當環(huán)境溫度下降時，換熱器上部阻力小，tsl↓，txl↑，結(jié)果在前隔板兩側(cè)溫差增大，使底部向外側(cè)的傳熱量增加，前隔板溫度上升。

圖5 換熱網(wǎng)絡(luò)圖

2.2.2 氣壓下降對前隔板散熱的影響

海拔增高時，空氣密度會下降，空氣的密度可表述為：

自然對流散熱可表述為：

式中：tk為環(huán)境溫度；tw為前隔板外側(cè)壁面溫度。

在格爾木，空氣密度下降為海平面的72%，由于定壓比熱Cp基本不變，在環(huán)境溫度一定時，自然對流換熱能力亦下降72%。

2.2.3 氣壓下降對燃燒器電機散熱的影響

燃燒器運行時，電機會發(fā)熱，主要通過自然對流散熱，正常情況下會達到自然平衡，不會高于電機的過熱保護溫度。在高海拔地域，由于空氣密度降低，自然對流散熱能力下降，在同一環(huán)境溫度下，格爾木的自然對流散熱能力下降28%。

3 故障排除

燃燒器電機溫度上升產(chǎn)生過熱保護，是由于前隔板溫度升高，進而對燃燒器電機產(chǎn)生輻射傳熱，加之高原空氣密度降低，自我散熱能力下降所致，采取措施是切斷輻射，增加自然對流換熱能力，或進一步提高電機的耐高溫性能。由于提高燃燒器電機的耐高溫性能在現(xiàn)場無法實施，需后續(xù)在設(shè)計中提出更高要求，現(xiàn)場采取了阻隔熱輻射的措施，在燃燒器電機與前隔板之間增加了擋板，切斷了輻射傳熱，同時打開燃燒器室前蓋，盡量提高燃燒器電機的自然對流散熱能力。結(jié)果表明措施得當，再未出現(xiàn)燃燒器過熱現(xiàn)象。

4 結(jié)語

1）增加前隔板處保溫層的厚度，避免壁面溫度升高對燃燒器電機產(chǎn)生高溫輻射。

2）選用耐高溫的電機，提高燃燒器電機的過熱保護溫度，以避免高海地域拔使用時，電機自然散熱能力下降而出現(xiàn)的過熱保護現(xiàn)象。

3）設(shè)計時考慮燃燒器室散熱的需要，不能完全封閉，設(shè)計必要的氣流通道，滿足燃燒器室熱量的揮發(fā)與流出。

4）在低海拔區(qū)域或高海拔的低溫環(huán)境（-10 ℃以下），該種燃燒器電機過熱保護現(xiàn)象一般不會出現(xiàn)，設(shè)計中對前隔板的保溫估計不足，容易為未來運行出現(xiàn)故障帶來隱患。