某工業(yè)型燃?xì)廨啓C(jī)箱裝體超溫試驗(yàn)研究

吳一鳴，魏昌淼，周 拓

(中國(guó)船舶集團(tuán)有限公司第七〇三研究所無錫分部，江蘇 無錫 214151)

燃?xì)廨啓C(jī)具有緊湊的結(jié)構(gòu)布局、良好的燃油經(jīng)濟(jì)指標(biāo)、較高的熱效率、良好的可靠度與長(zhǎng)久的使用壽命等優(yōu)勢(shì)，被廣泛應(yīng)用于航空、航海、陸航等軍用國(guó)防領(lǐng)域，同時(shí)廣泛應(yīng)用于聯(lián)合發(fā)電、能源供給、冶金等領(lǐng)域，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域也得到長(zhǎng)足發(fā)展[1-3]。現(xiàn)代燃?xì)廨啓C(jī)一般安裝于箱裝體內(nèi)，作為一個(gè)裝置單元提供給用戶。燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行時(shí)，壓氣機(jī)、燃燒室、渦輪機(jī)匣表面溫度均較高,熱量通過對(duì)流、輻射傳遞到箱裝體內(nèi)。長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行會(huì)造成箱裝體內(nèi)溫度較高，如果不能充分的冷卻會(huì)造成燃?xì)廨啓C(jī)振動(dòng)傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器、燃油電磁閥等控制、測(cè)量元器件故障。

某工業(yè)型燃?xì)廨啓C(jī)利用燃?xì)廨啓C(jī)的排氣動(dòng)能引射空氣,在箱裝體內(nèi)建立連續(xù)的空氣流 ,空氣在排氣道中與燃?xì)廨啓C(jī)的排氣混合,實(shí)現(xiàn)對(duì)箱裝體的冷卻[4]。高溫氣體從排氣蝸殼出口噴出，進(jìn)入混合管，并在混合管內(nèi)入口區(qū)域形成負(fù)壓區(qū)，周圍環(huán)境中的冷空氣從引射口(箱裝體與排氣蝸殼的間隙)被卷吸到混合管中與高溫氣體進(jìn)行混合，引射原理如圖1[5]所示。該冷卻方式不另外消耗能源，被廣泛應(yīng)用于燃?xì)廨啓C(jī)箱裝體[6]。

圖1 引射原理圖

某工業(yè)型燃?xì)廨啓C(jī)在實(shí)際運(yùn)行過程中，出現(xiàn)了箱裝體超溫報(bào)警故障。針對(duì)該情況，本文從箱裝體內(nèi)部冷卻出發(fā)，進(jìn)行試驗(yàn)研究及分析。

1 箱裝體超溫故障

某工業(yè)型燃?xì)廨啓C(jī)為防止箱裝體空氣溫度過高，在燃燒室上方設(shè)置了超溫報(bào)警熱電偶。當(dāng)該處溫度大于150 ℃時(shí)，控制系統(tǒng)將發(fā)出超溫報(bào)警信號(hào)。

經(jīng)過分析，多臺(tái)機(jī)組超溫報(bào)警故障均發(fā)生在70%功率以上工況。燃?xì)廨啓C(jī)高于70%功率以上運(yùn)行時(shí)，機(jī)匣表面溫度較高，若引射冷卻空氣較少將造成箱裝體內(nèi)環(huán)境溫度過高。

根據(jù)燃?xì)廨啓C(jī)箱裝體通用技術(shù)要求[7]，對(duì)冷卻空氣量進(jìn)行計(jì)算。

沿發(fā)動(dòng)機(jī)軸向長(zhǎng)度各表面進(jìn)行對(duì)流換熱計(jì)算：

(1)

沿發(fā)動(dòng)機(jī)軸向長(zhǎng)度各表面進(jìn)行輻射散熱計(jì)算：

(2)

式中：q21為輻射換熱量，W；C為輻射系數(shù)，取5.67 W/(m2·K4)；TE為沿發(fā)動(dòng)機(jī)軸向長(zhǎng)度各部位表面絕對(duì)溫度，TE=tE+273，K；TC為箱裝體允許空氣的極限絕對(duì)溫度，TC=tC+273，K。

總散熱量為對(duì)流換熱量與輻射換熱量之和：

Q=q11+q21

(3)

冷卻空氣流量：

(4)

式中:Q為發(fā)動(dòng)機(jī)總散熱量，W；G為冷卻空氣量，kg/s；CP為空氣比熱，取1 005 J/(kg·℃)；t0為環(huán)境溫度，℃。

根據(jù)燃?xì)廨啓C(jī)額定工況下各部位表面溫度及各部位的尺寸，根據(jù)箱體設(shè)計(jì)取冷卻空氣出口溫度限值為120 ℃，各換熱量計(jì)算如表1所示。

表1 換熱計(jì)算

取環(huán)境溫度為30 ℃，由公式(4)求得額定工況下燃?xì)廨啓C(jī)所需冷卻空氣流量G為8.58 kg/s，與燃?xì)廨啓C(jī)箱裝體所需冷卻空氣流量設(shè)計(jì)值一致。因此本次箱裝體引射冷卻空氣量需大于8.58 kg/s才能滿足箱裝體出口空氣溫度小于120 ℃的要求。

2 箱裝體空氣溫度試驗(yàn)研究

某工業(yè)型燃?xì)廨啓C(jī)工作系統(tǒng)圖及溫度測(cè)量界面如圖2所示。

圖2 燃?xì)廨啓C(jī)工作系統(tǒng)圖及溫度測(cè)量圖

針對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)超溫報(bào)警進(jìn)行了溫度測(cè)量試驗(yàn)，根據(jù)燃?xì)廨啓C(jī)結(jié)構(gòu)組成，對(duì)壓氣機(jī)截面、燃燒室截面、動(dòng)力渦輪截面進(jìn)行溫度測(cè)量，如圖2所示。以B-B截面為例，從進(jìn)氣往排氣端看，左上角為B1處溫度測(cè)點(diǎn)，順時(shí)針依次為B2、B3、B4、B5、B6、B7、B8處溫度測(cè)點(diǎn)。在燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行70%功率時(shí)，燃?xì)廨啓C(jī)超溫報(bào)警熱電偶測(cè)量溫度150.2 ℃，燃?xì)廨啓C(jī)控制系統(tǒng)發(fā)出超溫報(bào)警信號(hào)；燃?xì)廨啓C(jī)穩(wěn)定運(yùn)行100%功率時(shí)，超溫報(bào)警熱電偶測(cè)量溫度為172.4 ℃，實(shí)時(shí)測(cè)量引射空氣流量為5.4 kg/s，小于8.58 kg/s。因此本次超溫故障是由于冷卻空氣量不足造成。

如何提升引射空氣流量是工程技術(shù)人員面對(duì)的重要問題。從冷卻空氣引射原理出發(fā)，主要從引射管路、排氣管路方面來研究引射空氣量不足的原因。試驗(yàn)主要包含三個(gè)方面：1)排氣管與排氣蝸殼出口對(duì)中情況對(duì)引射的影響試驗(yàn)；2)排氣管煙氣處理裝置阻力調(diào)整對(duì)引射的影響試驗(yàn)；3)引射空氣管路阻力調(diào)整對(duì)引射的影響試驗(yàn)。

2.1 排氣管與排氣蝸殼出口對(duì)中情況對(duì)引射的影響試驗(yàn)

該型燃?xì)廨啓C(jī)原安裝狀態(tài)為排氣蝸殼出口中心與排氣管對(duì)中偏差95 mm。為研究排氣蝸殼出口中心與排氣管對(duì)中情況對(duì)引射的影響，進(jìn)行了對(duì)中偏差120 mm、對(duì)中偏差0 mm的引射試驗(yàn)，如圖3至圖5所示。

圖3 排氣管與排氣蝸殼出口對(duì)中偏差95 mm

圖4 排氣管與排氣蝸殼出口對(duì)中偏差120 mm

圖5 排氣管與排氣蝸殼出口對(duì)中偏差0 mm

對(duì)每種對(duì)中情況分別進(jìn)行試驗(yàn)，以10%功率為一檔，從空載逐級(jí)升功率，直至升至100%功率，記錄試驗(yàn)全程截面數(shù)據(jù)。對(duì)箱裝體內(nèi)各典型截面進(jìn)行壓力(負(fù)壓)測(cè)量，100%功率下負(fù)壓數(shù)據(jù)如圖6所示。對(duì)箱裝體內(nèi)截面溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以燃燒室截面B-B為例，100%功率下B-B截面的溫度數(shù)據(jù)如圖7所示。

圖6 對(duì)中試驗(yàn)各截面壓力(負(fù)壓)測(cè)量值

圖7 對(duì)中試驗(yàn)下B-B截面溫度對(duì)比圖

該工業(yè)型燃?xì)廨啓C(jī)利用燃?xì)廨啓C(jī)的排氣動(dòng)能引射空氣,在固定的進(jìn)、排氣及引射系統(tǒng)中，箱裝體內(nèi)壓力(負(fù)壓)表征著引射空氣量的大小。箱裝體負(fù)壓越大，引射空氣量越大，箱裝體內(nèi)空氣溫度越低；箱裝體負(fù)壓越小，引射空氣量越小，箱裝體內(nèi)空氣溫度越高。在100%功率下，通過空氣流量計(jì)測(cè)得的冷卻空氣流量及壓力變送器測(cè)量的箱裝體平均負(fù)壓值如表2所示。

分析表2及圖6、圖7數(shù)據(jù)，可見排氣管與排氣蝸殼出口的對(duì)中變化，對(duì)箱裝體內(nèi)負(fù)壓影響較小，測(cè)量的冷卻空氣引射量基本一致，箱裝體出口溫度基本一致。

表2 100%功率排氣管對(duì)中試驗(yàn)參數(shù)表

2.2 排氣管煙氣處理裝置阻力調(diào)整對(duì)引射的影響試驗(yàn)

除原型煙氣處理裝置，另有A和B兩種不同流阻的煙氣處理裝置用于本次試驗(yàn)。對(duì)每種煙氣處理裝置分別進(jìn)行試驗(yàn)，100%功率下箱裝體內(nèi)負(fù)壓數(shù)據(jù)如圖8所示，B-B截面的溫度數(shù)據(jù)如圖9所示。

圖8 不同型煙氣處理裝置試驗(yàn)各截面壓力(負(fù)壓)測(cè)量值

圖9 不同型煙氣處理裝置試驗(yàn)下B-B截面溫度對(duì)比圖

通過測(cè)量冷卻空氣引射量及圖8、圖9數(shù)據(jù)可知100%功率下，原型煙氣處理裝置箱裝體負(fù)壓約-340 Pa，B-B截面平均溫度為78 ℃，冷卻空氣引射量為5.4 kg/s；煙氣處理裝置A箱裝體負(fù)壓約-760 Pa，B-B截面平均溫度為63 ℃，冷卻空氣引射量為8.3 kg/s；煙氣處理裝置B箱裝體負(fù)壓約-1 300 Pa，B-B截面平均溫度為53 ℃，冷卻空氣引射量為11.5 kg/s。

通過上述試驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析，可知煙氣處理裝置對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)箱裝體引射空氣量影響較大。優(yōu)化煙氣處理裝置，減少流阻可較大程度上提高引射量，B型煙氣處理裝置可以滿足引射流量大于8.58 kg/s的要求。

2.3 引射空氣管路阻力調(diào)整對(duì)引射的影響試驗(yàn)

為研究引射空氣管路對(duì)引射空氣流量的影響，采用了改變引射管路阻力來進(jìn)行試驗(yàn)。如圖10所示，將引射管路從中部全部斷開，燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行時(shí)，引射空氣不通過原過濾器、上部管路、下部管路進(jìn)入箱裝體，而是通過下部管路直接進(jìn)入箱裝體內(nèi)。

圖10 引射管路阻力調(diào)整試驗(yàn)原理圖

對(duì)引射管路進(jìn)行調(diào)整，對(duì)原引射管路、引射管路全拆(引射空氣直接從下部管路進(jìn)入)、引射管路遮擋50%情況分別進(jìn)行試驗(yàn)。100%功率下箱裝體B-B截面的溫度數(shù)據(jù)如圖11所示。記錄額定功率引射管路阻力調(diào)整試驗(yàn)參數(shù)，如表3所示。

圖11 引射管路阻力調(diào)整試驗(yàn)B-B截面溫度對(duì)比圖

表3 額定功率引射管路阻力調(diào)整試驗(yàn)參數(shù)表

根據(jù)圖11、表3數(shù)據(jù)，可看到引射管路全拆(引射空氣直接從下部管路進(jìn)入)、引射管路遮擋50%、原引射管路，B1處溫度分別為47 ℃、73 ℃、97 ℃。原引射管路、引射管路遮擋50%、引射管路全拆引射空氣量測(cè)量流量分別為5.4 kg/s、6.7 kg/s、8.1 kg/s，可見引射管路阻力對(duì)引射量影響較大。

3 總結(jié)

從冷卻空氣引射原理出發(fā)，對(duì)某工業(yè)型燃?xì)廨啓C(jī)在運(yùn)行過程中出現(xiàn)的箱裝體超溫報(bào)警故障進(jìn)行分析，進(jìn)行了三方面的試驗(yàn)：1)調(diào)整排氣管與排氣蝸殼出口對(duì)中情況，試驗(yàn)排氣管與排氣蝸殼出口對(duì)中值變化對(duì)引射空氣量的影響，表明排氣管與排氣蝸殼出口對(duì)中對(duì)箱裝體內(nèi)負(fù)壓影響較小、對(duì)箱裝體內(nèi)環(huán)境溫度影響也較小，即對(duì)引射空氣量影響較小。2)調(diào)整排氣管煙氣處理裝置阻力，試驗(yàn)排氣管煙氣處理裝置阻力對(duì)引射的影響，表明煙氣處理裝置對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)箱裝體引射空氣量影響較大，采用優(yōu)化的煙氣處理裝置，減少流阻，較大程度上提高空氣引射量。3)調(diào)整引射空氣管路阻力，試驗(yàn)引射空氣管路阻力對(duì)引射的影響，表明引射管路阻力對(duì)引射空氣量影響較大，采用優(yōu)化引射裝置、降低引射阻力，可提高引射空氣量。