透平葉片材質(zhì)抗沖蝕能力熱態(tài)綜合實(shí)驗(yàn)研究

黃新友， 鄭凌翔， 張志英， 魯嘉華

(上海工程技術(shù)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 上海 201620)

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透平葉片材質(zhì)抗沖蝕能力熱態(tài)綜合實(shí)驗(yàn)研究

黃新友， 鄭凌翔， 張志英， 魯嘉華

(上海工程技術(shù)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 上海 201620)

對基材鋼(1Cr12Mo、X20Cr13、2Cr12NiMo1W1V)、C1(長城1號)涂層、表面處理工藝(6 min與12 min鋼丸強(qiáng)化)三類6種不同氣輪機(jī)葉片材質(zhì)在200～600 ℃的不同沖角條件下的沖蝕率進(jìn)行了沖蝕實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明：葉片因沖蝕的失重均隨沖蝕顆粒質(zhì)量呈線性變化； 15°～25°沖角沖蝕率最大，90°沖蝕率最??；實(shí)驗(yàn)基材的沖蝕率隨實(shí)驗(yàn)溫度提高呈先下降后升高趨勢；2Cr12NiMo1W1V在200℃與300℃的沖蝕率高于另兩種材質(zhì)，耐沖蝕性差，但在400℃實(shí)驗(yàn)溫度且沖角>40°狀態(tài)下沖蝕率低于另兩種材質(zhì)；鋼丸強(qiáng)化表面處理工藝對于提升實(shí)驗(yàn)材質(zhì)抗沖蝕特性無明顯優(yōu)勢；C1涂層的沖蝕率隨溫度升高呈先升高后降低趨勢，在高溫條件下具有良好的抗沖蝕特性。

透平； 葉片； 氣固兩相； 熱態(tài)沖蝕； 沖蝕率

0 引 言

透平廣泛用在冶金、石油、化工等工業(yè)領(lǐng)域中，作為含塵高溫高壓氣體能量再利用的動力裝置，并且有效地抑制NOx的排放。然而,含塵高溫氣固兩相流體以松散的小顆粒按一定的速度和角度對材料表面進(jìn)行沖蝕所造成的損耗，不僅會破壞葉片型線,導(dǎo)致其氣動性能下降，更是嚴(yán)重威脅了葉片的強(qiáng)度安全，引發(fā)危險事故，已成為電力、機(jī)械、航空、化工等行業(yè)材料破壞或設(shè)備失效的重要原因之一[1-2]。

國內(nèi)外對葉片沖蝕已開展許多研究[3-9]，但由于實(shí)驗(yàn)條件限制，實(shí)驗(yàn)結(jié)論仍處于需要進(jìn)一步論證和探究的階段。本研究研制熱態(tài)沖蝕實(shí)驗(yàn)風(fēng)洞，對透平葉片常用的材質(zhì)、表面處理工藝及涂層進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，探究其在不同沖角、溫度下的沖蝕現(xiàn)象，試圖進(jìn)一步揭示它們的沖蝕特性，從而為優(yōu)選葉片材質(zhì)及處理工藝提供進(jìn)一步的依據(jù)。

1 沖蝕實(shí)驗(yàn)風(fēng)洞

熱態(tài)沖蝕實(shí)驗(yàn)風(fēng)洞設(shè)計(jì)成開環(huán)系統(tǒng),如圖1所示，由電加熱器、穩(wěn)定段、實(shí)驗(yàn)段、熱交換器、除塵器和引風(fēng)機(jī)構(gòu)成。采用引風(fēng)機(jī)，設(shè)計(jì)成負(fù)壓系統(tǒng)，避免了正壓系統(tǒng)下[10-11]由于風(fēng)洞內(nèi)壓強(qiáng)大于外界大氣壓，實(shí)驗(yàn)顆粒不能很好地進(jìn)入流道與氣流混合，而必須依靠旁路來助推顆粒進(jìn)入風(fēng)洞引起氣固兩相混合比的不穩(wěn)定性。同時確保風(fēng)洞內(nèi)高溫氣體不會透過縫隙外泄，引發(fā)危險。

1-電加熱器， 2-星形加料閥， 3-收縮噴嘴， 4-穩(wěn)定段， 5-實(shí)驗(yàn)段， 6-熱交換器， 7-旋風(fēng)除塵器， 8-引風(fēng)機(jī)

圖1 沖蝕實(shí)驗(yàn)風(fēng)洞系統(tǒng)示意簡圖

沖蝕顆粒首先由星形加料閥進(jìn)入管道與加熱氣流混合,然后經(jīng)穩(wěn)定段與空氣混合均勻速度穩(wěn)定，在實(shí)驗(yàn)段沖蝕試件。隨后經(jīng)換熱器對氣流進(jìn)行冷卻，由除塵器過濾出其中顆粒。最后將氣流排入空氣中完成整個實(shí)驗(yàn)過程。實(shí)驗(yàn)風(fēng)洞中風(fēng)道的橫截面積在縮段開始有收縮，面積收縮比約為1∶17.36，確保帶顆粒的氣流進(jìn)入實(shí)驗(yàn)段后有足夠的沖蝕速度。穩(wěn)定段長度與直徑比為129∶1，確保顆粒在沖蝕前有足夠的距離與氣流混合均勻、溫度相同、速度穩(wěn)定。

實(shí)驗(yàn)風(fēng)洞用電加熱器對氣流加熱，由自控裝置控制溫度。電加熱器具有升降溫速率快、效率高、機(jī)械性好、安全性高、空氣潔凈無污染等優(yōu)點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)風(fēng)洞采用星形給料機(jī)將顆粒加入到風(fēng)道內(nèi)，氣密性好，顆粒由自身重力和引風(fēng)負(fù)壓共同作用下，均勻進(jìn)入風(fēng)洞與氣流混合。實(shí)驗(yàn)段的試件夾具可繞軸360°旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)無級全沖角調(diào)節(jié)。

為采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，風(fēng)洞共采用13個溫度傳感器、10個壓力變送器、1個流量計(jì)、1個壓力風(fēng)速儀以及1個液位計(jì)，信號由計(jì)算機(jī)采集、處理并存儲顯示。反應(yīng)實(shí)驗(yàn)條件的星形給料機(jī)的可調(diào)轉(zhuǎn)速(控制顆粒流率)、試件沖角同步顯示。

2 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

2.1 實(shí)驗(yàn)材質(zhì)選用

本實(shí)驗(yàn)研究包括3種常用基材鋼材質(zhì)、C1(長城1號)涂層試件及鋼丸強(qiáng)化試件，其中基材鋼的牌號分別為：1Cr12Mo、X20Cr13、2Cr12NiMo1W1V，實(shí)驗(yàn)材質(zhì)主要參數(shù)如表1所示。

2.2 顆粒選用

選用的實(shí)驗(yàn)顆粒類型為石英砂，因?yàn)橥钙焦べ|(zhì)中以含煤飛灰居多，表2是美國Virginia 西部金斯頓煤礦煤飛灰的成分分析(%)[12]:SiO254.39, Al2O328.58, Fe2O310.08, TiO20.47, CaO 1.28, MgO 1.04, Na2O 0.20, K2O 2.09, SO31.03, P2O50.06, 未確定0.78。SiO2是最主要的成分，故選用石英砂顆粒作為實(shí)驗(yàn)的顆粒具有代表性。由顯微觀察可知，石英砂顆粒外貌為多棱體，與實(shí)際生產(chǎn)過程中的煤煙灰含塵顆粒性狀相似，含塵氣流中一般顆粒直徑分布在5～135 μm。本實(shí)驗(yàn)采用d=74 μm的石英砂。

表1 實(shí)驗(yàn)材質(zhì)主要參數(shù)

2.3 實(shí)驗(yàn)顆粒速度估算

實(shí)驗(yàn)中顆粒速度需要通過估算求得。假定顆粒是球型的，并只考慮顆粒與氣體之間的速度滑移導(dǎo)致的Stokes阻力[13]。在顆粒濃度較低，忽略顆粒間相互碰撞[14]以及顆粒對氣體相的能量輸運(yùn)[15](單向耦合)，根據(jù)多相流體動力學(xué)知識，得到一維顆粒動量方程：

(1)

式中:tp是顆粒馳豫時間；vp是顆粒速度；vg是氣體速度；Rep是顆粒雷諾數(shù)；f(Rep)是較高雷諾數(shù)時，對阻力系數(shù)的修正關(guān)系式,分別表示為:

將式(1)改寫成對空間坐標(biāo)的表達(dá)式，有:

(2)

式中,x代表實(shí)驗(yàn)裝置中顆粒的流動方向。

將顆粒流道簡化為圖2所示形狀，根據(jù)出口端所測的氣體速度、管道尺寸和其他相關(guān)參數(shù)，采用龍格-庫塔法對方程(1)進(jìn)行數(shù)值求解，得到顆粒于管道出口處的沖擊速度。表2列出了石英砂顆粒在實(shí)驗(yàn)工況下的沖擊速度估算值。

圖2 顆粒流道簡化示意圖(mm)

2.4 兩相氣流均勻性有效范圍

材料受固體顆粒沖蝕后的失重與顆粒流率及其均勻性關(guān)系極大，如果所取定的沖蝕面積太大，因顆粒離開噴管之后所呈的擴(kuò)散性，將導(dǎo)致試件邊緣受沖蝕程度即試件失重呈衰減分布;而沖蝕面積過小，沖蝕失重計(jì)量對天平精度要求極高，兩種情況下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果都不能準(zhǔn)確反映材質(zhì)的沖蝕特性。因此確定顆粒分布均勻性區(qū)域尤為重要。

本實(shí)驗(yàn)臺顆粒噴口直徑為2.4 cm，試件距噴口7 cm。經(jīng)標(biāo)定，顆粒流率均勻性隨面積變化如圖3所示。由圖可知，沖蝕面積約為1.5 cm2的范圍內(nèi)，顆粒的流率基本上為常數(shù)，而當(dāng)沖蝕面積>2.0 cm2后，流率隨面積增大而明顯下降。綜合上述因素，試件受沖蝕區(qū)域取直徑為1.5 cm(面積為1.76 cm2)的圓形。為使沖蝕實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有可比性，計(jì)算沖蝕率時將面積除去，即為單位面積沖蝕率。

圖3 顆粒流率均勻性隨沖蝕面積的變化關(guān)系

2.5 粒當(dāng)量質(zhì)量和試件當(dāng)量失重?fù)Q算

如圖4所示，當(dāng)試件夾具調(diào)整到?jīng)_角小于90°后，試件的被沖蝕面積在垂直面上的投影面積減少，實(shí)際中沖蝕到試件的顆粒數(shù)量減少，不同沖角下測得的材料失重不具有可比性。為了解決這一矛盾有兩種方法：

(1) 顆粒當(dāng)量質(zhì)量的概念[16]。參照圖4，假設(shè)沖角為90°時，沖擊試件的顆粒質(zhì)量為m，則沖角為α?xí)r，實(shí)際只有msinα質(zhì)量的顆粒沖擊到試件上。所以90°沖角時，若每次實(shí)驗(yàn)所用顆粒質(zhì)量為m，則其他沖角下的顆粒質(zhì)量應(yīng)為m/sinα。

(2) 當(dāng)量失重的概念[16]，即沖角小于90°時，每次實(shí)驗(yàn)并不追加顆粒質(zhì)量，而是將試件的失重進(jìn)行換算。若在某一沖角α下稱得的失重為n，則當(dāng)量失重為n/sinα，即用b/sinα與90°時的失重進(jìn)行比較。

圖4 試件位置示意圖

本實(shí)驗(yàn)采用了當(dāng)量失重?fù)Q算方法。其優(yōu)點(diǎn)在于用較少的顆粒質(zhì)量和較少的實(shí)驗(yàn)時間，且不同角度的沖蝕實(shí)驗(yàn)在相同時間內(nèi)完成，可比性更高。

2.6 沖蝕率計(jì)算

將已加工好的試件放入丙酮溶液用超聲波震蕩儀清洗、烘干后，再用精度為0.01 mg的電子天平秤得試件的原始質(zhì)量，記為m0。然后將試件放入位于實(shí)驗(yàn)段可360°旋轉(zhuǎn)的實(shí)驗(yàn)座內(nèi)。在0°～90°內(nèi)選擇一個角度固定，然后進(jìn)行沖蝕實(shí)驗(yàn)。每完成一個沖蝕實(shí)驗(yàn)工況，重復(fù)以上清洗、烘干、稱重過程，秤得目前試件質(zhì)量m1。

試件的失重

(6)

當(dāng)量失重

(7)

試件單位面積失重

(8)

式中，S1是試件沖蝕面積。

為保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性，并考察累積失重與顆粒累積質(zhì)量之間的關(guān)系，每個沖角下的實(shí)驗(yàn)重復(fù)6次。本次實(shí)驗(yàn)顆粒對試件的沖蝕結(jié)果分析主要體現(xiàn)在試件在沖蝕前后質(zhì)量的變化以及此變化與沖蝕顆粒質(zhì)量的比值，并把該比值定義為沖蝕率(z)：

(9)

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 溫度對沖蝕率的影響

由圖5可知，最大沖蝕率出現(xiàn)在α=15°～25°，最小沖蝕率出現(xiàn)在90°沖角，與沖蝕理論相符。3種材質(zhì)都是200℃時沖蝕率大于300℃，而400℃時沖蝕率又明顯大于200℃。這一現(xiàn)象具有一定的合理性。因?yàn)橐延醒芯勘砻?，一般塑性材料的沖蝕率隨溫度的變化大體可分為[17]：① 隨溫度升高沖蝕率減小，達(dá)到最小值后又隨溫度升高而增大；② 低于門檻溫度時沖蝕率相差不大，超過這一溫度后，沖蝕率隨溫度升高迅速增大；③ 沖蝕率則始終隨溫度升高而增大。在本實(shí)驗(yàn)條件下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了第一種現(xiàn)象，由此可見,不同材質(zhì)具有自身沖蝕率最優(yōu)溫度，在此溫度下材質(zhì)的沖蝕率最低，抗沖蝕特性最好。

(a) X20Cr13

圖5 不同溫度沖蝕率對比

3.2 相同條件不同材質(zhì)沖蝕率對比

圖6表明,2Cr12NiMo1W1V在200℃與300℃的沖蝕率均高于另兩種材質(zhì)，耐沖蝕性較差，在400℃沖角>40°時又表現(xiàn)出優(yōu)于兩種材質(zhì)的耐沖蝕特性。200～400℃，1Cr12Mo表現(xiàn)出由沖蝕率高于X20Cr13到?jīng)_蝕率低于X20Cr13的一個變化過程。由此可見，每種材質(zhì)都具有自己的沖蝕率較優(yōu)溫度，沖蝕率較優(yōu)溫度并不意味著在此溫度下本材質(zhì)的沖蝕率最低，而是在此溫度下與其他材質(zhì)相比本材質(zhì)的耐沖蝕性更好。這為實(shí)驗(yàn)條件下氣輪機(jī)葉片的選材提供幫助。

(a) 200℃

圖6 3種材質(zhì)沖蝕率對比

3.3 相同條件基材與鋼丸強(qiáng)化沖蝕率對比

由圖7知，鋼丸噴射以后，表面強(qiáng)度雖然發(fā)生了變化，但仍呈塑性材料的特征。對實(shí)驗(yàn)材質(zhì)1Cr12Mo而言，鋼丸強(qiáng)化表面處理工藝對于提升其抗沖蝕特性的效果不明顯，甚至處理后材質(zhì)的耐沖蝕特性有所下降；強(qiáng)化時間長短于沖蝕率改變無明顯效果；相比之下，隨實(shí)驗(yàn)溫度升高強(qiáng)化材質(zhì)耐沖蝕特性有所提高，接近基材沖蝕率。

(a) 300℃

圖7 基材與強(qiáng)化試件

3.4 涂層材質(zhì)沖蝕率特性

由圖8可見，C1(長城1號)涂層的沖蝕率隨溫度變化表現(xiàn)出先升高后降低的特性，可見熱障涂層具有與不同于金屬材質(zhì)的沖蝕特性；高溫條件下C1涂層表現(xiàn)出良好的耐沖蝕特性，隨溫度升高沖蝕率是否繼續(xù)降低尚需要更多實(shí)驗(yàn)探究；在實(shí)驗(yàn)溫度下，C1(長城1號)涂層尚沒表現(xiàn)出優(yōu)于實(shí)驗(yàn)基材的抗沖蝕特性，但C1(長城1號)涂層的溫度上限為870℃是否于高溫條件下表現(xiàn)出由于普通基材的耐沖蝕特性尚需更多實(shí)驗(yàn)積累。

圖8 C1涂層沖蝕率特性曲線

4 結(jié) 語

在自行研制的氣固兩相熱態(tài)沖蝕實(shí)驗(yàn)風(fēng)洞中，通過改變沖蝕角度和溫度對基材鋼(1Cr12Mo、X20Cr13、2Cr12NiMo1W1V)、C1(長城1號)涂層、表面處理工藝(6 min與12 min鋼丸強(qiáng)化)3類6種不同氣輪機(jī)葉片材質(zhì)進(jìn)行了沖蝕特性實(shí)驗(yàn)。得出如下結(jié)論：① 全部實(shí)驗(yàn)材質(zhì)在不同沖角、溫度下質(zhì)量累積損失均隨沖蝕顆粒的質(zhì)量呈線性變化；② 15°～25°沖角之間沖蝕率最大，90°沖角沖蝕率最小，均呈塑性材質(zhì)特征；③ 實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)溫度升高沖蝕率先降低后升高，不同材質(zhì)具有自身沖蝕率最優(yōu)溫度，在此溫度下材質(zhì)的沖蝕率最低，抗沖蝕特性最好；④ 材質(zhì)2Cr12NiMo1W1V在200℃與300℃的沖蝕率均高于另兩種材質(zhì)耐沖蝕性，在400℃沖角>40°時又表現(xiàn)出優(yōu)于另兩種材質(zhì)的耐沖蝕特性；⑤ 200～400℃，1Cr12Mo表現(xiàn)出由沖蝕率高于X20Cr13到?jīng)_蝕率低于X20Cr13的一個變化過程；⑥ 對實(shí)驗(yàn)材質(zhì)1Cr12Mo而言，鋼丸強(qiáng)化表面處理工藝對于提升其抗沖蝕特性的效果不明顯；⑦ C1(長城1號)涂層的沖蝕率隨溫度變化表現(xiàn)出先升高后降低的特性；⑧ 在實(shí)驗(yàn)溫度下，C1(長城1號)涂層尚沒表現(xiàn)出優(yōu)于實(shí)驗(yàn)基材的耐沖蝕特性。C1涂層的沖蝕率是否繼續(xù)隨溫度的升高而降低，以及何時表現(xiàn)出優(yōu)于普通基材的耐沖蝕特性，尚需要更多的實(shí)驗(yàn)探究。關(guān)于不同顆粒速度和顆粒性狀對本實(shí)驗(yàn)研究結(jié)論的影響也有待進(jìn)一步深入。

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Hot Experimental Investigation of Anti-erosion Ability on Turbine Blade Material

HUANGXin-you,ZHENGLing-xiang,ZHANGZhi-ying,LUJia-hua

(1. College of Mechanical Engineering, Shanghai University of Engineering Science, Shanghai 201620, China)

In this paper, experiments for substrate steel, thermal barrier coatings and surface treatment under different temperature and different angle of attack were completed. It reveals the true anti-erosion properties of materials under quasi real conditions. The substrate steel (1Cr12Mo, X20Cr13, 2Cr12NiMo1W1V), thermal barrier coatings (C1 coating), surface treatment (6 min, 12 min shot and strengthening) six different gas turbine blades materials were tested for the erosion rate under different angles of attack at 200-600 ℃. Experimental results showed that: accumulating mass loss of materials all linearly vary with the particle quality. Within 15°-25°, the erosion rate reaches the highest; when the attack angle is 90 °, the erosion rate is the lowest. Substrate steel erosion rate shows a trend from decline to rise by the experimental temperature increasing. Each material has its own optimal temperature of erosion rate, at this temperature the erosion rate is lowest. The erosion rate of material 2Cr12NiMo1W1V is higher than the other two materials at 200℃ and 300℃, it has poor resistance to erosion. Treatment for steel shot surface has no obvious advantage to improve the experiment material erosion resistant. C1 coating erosion rate shows a trend from rise to decline with experimental temperature increasing. Under higher temperature it shows good anti- erosion function.

gas turbine; turbine blades; gas-solid; hot erosion; erosion rate

2015-11-13

上海市教委085工程項(xiàng)目(JR0901)

黃新友(1989-)，男，山東青島人，碩士生，主要研究方向?yàn)橥钙綗釕B(tài)氣動實(shí)驗(yàn)。

Tel.:18201751263; E-mail:huangxinyou37@163.com

魯嘉華(1960-)，男，上海人，教授，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)橥钙綑C(jī)械氣動熱力學(xué)及多相流體力學(xué)的數(shù)值實(shí)驗(yàn)研究。

Tel.:18621643786; E-mail:ljh-gcd@163.com

TK 472

A

1006-7167(2016)09-0028-05