渦輪轉(zhuǎn)子H形葉片葉尖間隙測(cè)量

陳洪敏，韓 偉，熊 兵，郭光輝

(中國(guó)燃?xì)鉁u輪研究院，四川 江油 621703)

1 引言

燃?xì)廨啓C(jī)葉尖間隙對(duì)其性能有很大影響，間隙過(guò)大會(huì)使葉尖泄漏增大，降低燃?xì)廨啓C(jī)性能；而間隙過(guò)小將引發(fā)葉尖與機(jī)匣碰磨，影響燃?xì)廨啓C(jī)安全。如何設(shè)計(jì)、控制最佳葉尖間隙，對(duì)提高燃?xì)廨啓C(jī)性能、保障其安全非常重要[1]。合理設(shè)計(jì)間隙或主動(dòng)控制間隙的關(guān)鍵在于了解葉尖間隙的實(shí)際變化情況，掌握其變化規(guī)律，驗(yàn)證理論計(jì)算與設(shè)計(jì)的合理性，這對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)研制過(guò)程中的優(yōu)化設(shè)計(jì)和試驗(yàn)安全具有重要的工程價(jià)值。因此，需要對(duì)葉尖間隙進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，為改進(jìn)設(shè)計(jì)、找出最佳葉尖間隙提供依據(jù)。傳統(tǒng)的葉尖間隙測(cè)量方法有放電探針?lè)?、渦電流法、X射線(xiàn)測(cè)量法、超聲波測(cè)量法、微波測(cè)量法、電容法、光學(xué)法等[1～5]。

現(xiàn)代燃?xì)廨啓C(jī)中采用H形凹腔冷卻渦輪葉片，一個(gè)葉片將形成兩個(gè)間隙值，增加了葉尖間隙測(cè)量的難度。本文利用從ROTADATA公司引進(jìn)的電容型葉尖間隙測(cè)量系統(tǒng)(CAPLONG)，通過(guò)自編算法，成功分離了H形葉片的葉盆間隙和葉背間隙，可同時(shí)測(cè)量、記錄和顯示葉盆與葉背間隙，并將其應(yīng)用于工程實(shí)際中。

2 葉尖間隙測(cè)量設(shè)備

測(cè)量系統(tǒng)為中國(guó)燃?xì)鉁u輪研究院引進(jìn)的電容型葉尖間隙測(cè)量系統(tǒng)，屬于調(diào)頻式，其基本原理是基于探頭端面與轉(zhuǎn)子葉尖所形成的電容變化進(jìn)行間隙測(cè)量[6]。兩電極之間間隙變化將引起電容變化，進(jìn)而引起振蕩頻率(即載波頻率)變化，利用這一變化信號(hào)對(duì)原載波信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，輸出調(diào)頻信號(hào)，再通過(guò)解調(diào)調(diào)頻信號(hào)，將頻率變化轉(zhuǎn)換為電壓變化，最后測(cè)量該電壓即可實(shí)現(xiàn)葉尖間隙的間接測(cè)量。

使用時(shí)，發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)不能正確測(cè)量H形葉片的葉尖間隙值。H形葉片具有單葉片雙間隙的特點(diǎn)，葉背和葉盆通過(guò)探針時(shí)各自都會(huì)產(chǎn)生一個(gè)波峰(圖1)。

通過(guò)分析H形葉片葉尖間隙原始信號(hào)的特征，設(shè)計(jì)新算法將葉盆間隙值和葉背間隙值從原始信號(hào)中分離，并通過(guò)校準(zhǔn)，分別獲得葉盆間隙擬合系數(shù)和葉背間隙擬合系數(shù)，最終實(shí)現(xiàn)了H形葉片的葉尖間隙測(cè)量。同時(shí)，還利用葉盆間隙和葉背間隙的差值變化監(jiān)測(cè)葉片的彎曲程度，結(jié)合多個(gè)探針的間隙變化數(shù)據(jù)計(jì)算轉(zhuǎn)子的輪盤(pán)軸心軌跡，這些新功能極大地增加了葉尖間隙測(cè)量系統(tǒng)的應(yīng)用價(jià)值。

本葉尖間隙測(cè)量系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo)：測(cè)量范圍為0.05～2.50 mm，適用環(huán)境溫度最高為1100℃，典型精度為±0.025 mm(0～1.50 mm 范圍)、±0.05 mm(1.50～2.50 mm范圍)。

3 葉尖間隙測(cè)量方案

本次試驗(yàn)的單級(jí)渦輪試驗(yàn)件共73個(gè)轉(zhuǎn)子葉片，文中所有間隙值均以相對(duì)量δ′=(間隙值δ/葉高h(yuǎn))×100%表示。采用同軸光電傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)同一葉片鎖相測(cè)量，四支探針均布在單級(jí)高壓渦輪機(jī)匣上進(jìn)行葉尖間隙測(cè)量，如圖2所示。探針安裝結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖3所示。

為實(shí)現(xiàn)葉尖間隙的精確測(cè)量，試驗(yàn)前使用三坐標(biāo)檢驗(yàn)裝置對(duì)探針回縮值進(jìn)行了測(cè)量，裝配時(shí)測(cè)量了初始間隙值(平均值)，結(jié)果如表1所示。

4 測(cè)量結(jié)果分析

表1 各探針位置的初始間隙值Table 1 Initial tip clearance

試驗(yàn)在中國(guó)燃?xì)鉁u輪研究院渦輪綜合試驗(yàn)器上進(jìn)行，開(kāi)展了相對(duì)間隙1.0%、1.4%和3.4%三種不同設(shè)計(jì)間隙(通過(guò)改變機(jī)匣涂層厚度實(shí)現(xiàn))的試驗(yàn)。三次試驗(yàn)的進(jìn)口壓力、進(jìn)口總溫(常溫進(jìn)氣)和膨脹比均相同。數(shù)據(jù)處理結(jié)果中的葉背間隙、葉盆間隙分別指葉片葉背側(cè)和葉盆側(cè)壁面測(cè)得的葉尖間隙，并分別以S、P表示。文中下標(biāo)max、min、mean，分別表示一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)周期中間隙的最大值、最小值和平均值。Smean-Pmean可反映葉片的彎曲過(guò)程。

4.1 試驗(yàn)過(guò)程葉尖間隙變化

圖4為設(shè)計(jì)間隙1.4%下，整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中四支探針葉尖間隙值等相位平均處理后的時(shí)間歷程。從圖中可看出，各間隙變化隨轉(zhuǎn)速N變化的趨勢(shì)一致，轉(zhuǎn)速升高過(guò)程中，間隙成下降趨勢(shì)；轉(zhuǎn)速下降過(guò)程中，間隙成上升趨勢(shì)；轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后，由于機(jī)匣與轉(zhuǎn)子的熱穩(wěn)定不一致，間隙仍有緩慢變化；試驗(yàn)結(jié)束進(jìn)入停車(chē)狀態(tài)，轉(zhuǎn)速逐漸降低為零時(shí)，間隙又恢復(fù)到初始狀態(tài)。從Smean-Pmean曲線(xiàn)可看出，起動(dòng)和停車(chē)過(guò)程，葉片具有明顯的彎曲過(guò)程。起動(dòng)時(shí)由于轉(zhuǎn)速較低，葉片受離心力較小而氣動(dòng)力較大，在氣動(dòng)力作用下發(fā)生彎曲。對(duì)于渦輪葉片，彎曲方向是從葉盆向葉背彎曲，所以葉背側(cè)相比葉盆側(cè)更加遠(yuǎn)離機(jī)匣，Smean-Pmean增大。當(dāng)轉(zhuǎn)速上升到一定時(shí)，離心力增大，離心力與葉片內(nèi)應(yīng)力之和與氣動(dòng)力接近，葉片不再繼續(xù)彎曲。隨著轉(zhuǎn)速的進(jìn)一步上升，離心力增大，但同時(shí)氣動(dòng)力也在增大，兩者增大量抵消，所以葉片彎曲變化較小。降速時(shí)，氣動(dòng)力消失，葉片主要在彎曲應(yīng)力作用下恢復(fù)到初始位置，彎曲程度減小，Smean-Pmean減小。

4.2 試驗(yàn)異常時(shí)間隙變化

從圖4中還看出，兩豎線(xiàn)標(biāo)記之間的間隙大幅跳動(dòng)，試驗(yàn)出現(xiàn)異常，即設(shè)計(jì)間隙1.4%的試驗(yàn)過(guò)程中，在折合轉(zhuǎn)速0.90左右時(shí)，葉尖間隙出現(xiàn)異常，間隙最小值減小幅度較大，平均值也在減小，而最大值變化不明顯，可能是輪盤(pán)軸心動(dòng)態(tài)移動(dòng)所致。從圖5中可看出，四支探針?biāo)鶞y(cè)葉尖間隙同時(shí)出現(xiàn)有規(guī)律的正弦波動(dòng)。由于各探針相互間的安裝角度相差90°，所以各探針測(cè)得的間隙變化也可觀(guān)察到90°的相位差。由于該系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到了試驗(yàn)異常時(shí)的間隙變化，并及時(shí)報(bào)警，通過(guò)采取降速措施，退出了異常狀態(tài)，避免了重大事故發(fā)生，起到了安全監(jiān)測(cè)作用。

圖5 渦輪工作異常時(shí)葉尖間隙變化Fig.5 Tip clearance graph when the turbine is in abnormal state

圖6 1號(hào)探針間隙變化過(guò)程Fig.6 Changes of tip clearance measured by probe 1

圖7 2號(hào)探針間隙變化過(guò)程Fig.7 Changes of tip clearance measured by probe 2

圖6～圖9是四支探針測(cè)量得到的葉背、葉盆間隙。從圖中可看出，間隙開(kāi)始異常時(shí)，2號(hào)探針的平均間隙稍增大，3號(hào)探針的平均間隙稍減小，1號(hào)和4號(hào)探針的平均間隙急劇減小，說(shuō)明輪盤(pán)軸心偏向左邊位置(以圖1為參考)；所有探針的最小間隙均急劇減小，說(shuō)明轉(zhuǎn)子自轉(zhuǎn)的同時(shí)，其輪盤(pán)軸心也在繞轉(zhuǎn)動(dòng)中心轉(zhuǎn)動(dòng)；試驗(yàn)異常時(shí)1號(hào)探針的最小間隙為0.2%，有發(fā)生碰磨的危險(xiǎn)。此后開(kāi)始降速，所有間隙慢慢變大，并在折合轉(zhuǎn)速0.86左右退出異常狀態(tài)。

4.3 試驗(yàn)異常時(shí)的軸心軌跡

由于葉尖間隙測(cè)量相當(dāng)于葉片徑向位移測(cè)量，假設(shè)不考慮機(jī)匣、葉片和輪盤(pán)的加工誤差，機(jī)匣內(nèi)壁橫截面為圓形，所有葉片葉尖的周向連線(xiàn)為圓形，且工作過(guò)程中機(jī)匣均勻膨脹及葉片均勻伸長(zhǎng)(即所有葉片葉尖的周向連線(xiàn)仍為圓形)，則通過(guò)間隙數(shù)據(jù)，可分析出輪盤(pán)軸心軌跡的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

以1號(hào)探針為X軸、2號(hào)探針為Y軸合成軸心軌跡。試驗(yàn)異常時(shí)該輪盤(pán)軸心軌跡見(jiàn)圖10、圖11。從圖中可看出，該運(yùn)動(dòng)為同步正進(jìn)動(dòng)，相對(duì)于正常狀態(tài)，主要表現(xiàn)在軌跡幅值明顯增大，即轉(zhuǎn)子彎曲或偏心加大。

4.4 性能點(diǎn)間隙隨轉(zhuǎn)速的變化

從圖12中可明顯看到，相同設(shè)計(jì)間隙下，葉尖間隙隨著折合轉(zhuǎn)速的增大呈減小趨勢(shì)。由于外環(huán)機(jī)匣壁溫變化不大，機(jī)匣膨脹量較小，說(shuō)明轉(zhuǎn)子葉片在離心力作用下伸長(zhǎng)是導(dǎo)致間隙減小的主要原因。

從圖13可看到，機(jī)匣壁溫與設(shè)計(jì)間隙大小關(guān)系緊密。設(shè)計(jì)間隙3.4%時(shí)，壁溫最高，說(shuō)明此時(shí)葉尖與機(jī)匣間的流動(dòng)損失最大。設(shè)計(jì)間隙1.4%比1.0%的壁溫低，說(shuō)明設(shè)計(jì)間隙1.4%時(shí)葉尖與機(jī)匣間的流動(dòng)損失最小，且折合轉(zhuǎn)速0.80以后壁溫與轉(zhuǎn)速呈正比關(guān)系。

圖14說(shuō)明間隙越小效率越高，設(shè)計(jì)間隙3.4%與1.0%的效率差異較大，在折合轉(zhuǎn)速0.80時(shí)效率差為2.1%，充分說(shuō)明間隙設(shè)計(jì)對(duì)效率、性能的重要影響。在大多數(shù)轉(zhuǎn)速下，設(shè)計(jì)間隙1.0%的效率比1.4%的高，最高效率差值達(dá)0.5%；在折合轉(zhuǎn)速0.90時(shí)，設(shè)計(jì)間隙1.0%與1.4%的效率相同。結(jié)合圖13可以說(shuō)明，間隙流動(dòng)損失只是影響渦輪級(jí)效率的因素之一，雖然設(shè)計(jì)間隙1.4%時(shí)間隙內(nèi)流動(dòng)損失最小，但其間隙泄漏流量仍比設(shè)計(jì)間隙1.0%時(shí)的大，做功的有效流量稍小，綜合起來(lái)，設(shè)計(jì)間隙1.0%時(shí)的級(jí)效率略高。

5 結(jié)論

(1)渦輪進(jìn)口常溫氣體性能試驗(yàn)中，葉尖間隙隨著轉(zhuǎn)速的增大呈減小趨勢(shì)，且H形葉片的葉背和葉盆間隙變化趨勢(shì)一致。

(2)起動(dòng)和停車(chē)過(guò)程中葉片彎曲變化較大，但達(dá)到一定轉(zhuǎn)速后葉片彎曲程度趨于穩(wěn)定。

(3)葉尖間隙測(cè)試系統(tǒng)實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地捕獲了試驗(yàn)件試驗(yàn)異常狀態(tài)，并及時(shí)報(bào)警，避免了事故的發(fā)生；通過(guò)分析數(shù)據(jù)，繪制軸心軌跡，確定異?，F(xiàn)象為同步正進(jìn)動(dòng)。

(4)本研究中，單級(jí)渦輪轉(zhuǎn)子在間隙1.4%左右時(shí)，間隙內(nèi)流動(dòng)的損失最小。

[1]馮 池，畢思明.基于激光三角測(cè)量法的葉尖間隙測(cè)量研究[J].汽輪機(jī)技術(shù)，2011，53(4)：267—270.

[2]馬玉真，王新華.差動(dòng)式光纖傳感器在葉尖間隙測(cè)量中的應(yīng)用[J].濟(jì)南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2006，20(1)：67—69.

[3]賈智偉，姜 濤，李應(yīng)紅.基于調(diào)頻電容式技術(shù)的運(yùn)動(dòng)間隙的測(cè)量[J].計(jì)量技術(shù)，2002，(12)：27—29.

[4]劉麗華，孫正鼐，劉玉智，等.用于汽輪機(jī)動(dòng)靜間隙測(cè)量的光纖傳感系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].光電子，2003，14(3)：277—280.

[5]張 娜，黃春峰.航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉尖間隙測(cè)量技術(shù)[J].航空制造技術(shù)，2010，(13)：41—45.

[6]張 劍.葉尖間隙對(duì)渦輪性能影響的計(jì)算與試驗(yàn)研究[J].燃?xì)鉁u輪試驗(yàn)與研究，2012，25(2)：33—36.