燃?xì)廨啓C(jī)渦輪葉片冷卻試驗(yàn)技術(shù)

■ 周靈敏 王博 魏佳明 莊達(dá)明 李祎曼/杭州汽輪動(dòng)力集團(tuán)有限公司

燃?xì)廨啓C(jī)渦輪葉片冷卻設(shè)計(jì)在初始階段一般采用數(shù)值計(jì)算方法，由于渦輪葉片流動(dòng)和傳熱機(jī)理復(fù)雜，設(shè)計(jì)結(jié)果存在較大的不確定性，需要開(kāi)展一系列的冷卻試驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)程序的修正和結(jié)果驗(yàn)證，才能保證渦輪冷卻葉片在燃?xì)廨啓C(jī)中的安全可靠運(yùn)行。

高溫渦輪冷卻葉片設(shè)計(jì)是燃?xì)廨啓C(jī)的核心技術(shù)，其難點(diǎn)之一是如何準(zhǔn)確預(yù)測(cè)葉片溫度場(chǎng)，滿足工程需要。高溫渦輪葉片冷卻設(shè)計(jì)流程如圖1所示，通過(guò)葉片內(nèi)部和外部的數(shù)值計(jì)算獲得內(nèi)外邊界條件，最后通過(guò)流體計(jì)算軟件進(jìn)行葉片的導(dǎo)熱計(jì)算，從而獲得葉片溫度場(chǎng)。由于流動(dòng)和傳熱機(jī)理復(fù)雜，計(jì)算結(jié)果存在較大的不確定性，為了獲得準(zhǔn)確的溫度結(jié)果和校準(zhǔn)設(shè)計(jì)工具，需要在葉片設(shè)計(jì)的不同階段開(kāi)展不同的冷卻試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，主要冷卻試驗(yàn)有流量試驗(yàn)、內(nèi)換熱系數(shù)試驗(yàn)、外換熱系數(shù)試驗(yàn)、氣膜有效度試驗(yàn)、綜合冷效試驗(yàn)和整機(jī)試驗(yàn)。這些冷卻試驗(yàn)的開(kāi)展需要循序漸進(jìn)，在不同設(shè)計(jì)階段及時(shí)對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行修正和驗(yàn)證，從而保證渦輪冷卻葉片開(kāi)發(fā)能夠順利進(jìn)行。

葉片流量試驗(yàn)

冷卻設(shè)計(jì)驗(yàn)證的第一個(gè)試驗(yàn)是流量試驗(yàn)，為了驗(yàn)證冷卻設(shè)計(jì)的流量和阻力計(jì)算是否合理。如果冷卻空氣的流量能夠得到保證，冷卻設(shè)計(jì)就不會(huì)偏離設(shè)計(jì)預(yù)期太遠(yuǎn)。圖2為流量系統(tǒng)公司葉片流量試驗(yàn)臺(tái)，主要進(jìn)行試驗(yàn)件壓力和質(zhì)量流量測(cè)量，其最大流量測(cè)量范圍為0.908kg/s，測(cè)量精度為±0.48%，重復(fù)測(cè)量精度為±0.25%。

葉片流量試驗(yàn)時(shí)，先將大氣通過(guò)壓縮機(jī)進(jìn)行壓縮，壓縮過(guò)的空氣再依次經(jīng)過(guò)儲(chǔ)氣罐、冷卻式/吸附式干燥機(jī)和過(guò)濾器，隨后進(jìn)入到試驗(yàn)段。試驗(yàn)段有穩(wěn)壓設(shè)備和測(cè)量設(shè)備，待測(cè)葉片連接在試驗(yàn)段下游。試驗(yàn)中需要監(jiān)測(cè)大氣溫度和壓力，試驗(yàn)件進(jìn)口溫度、壓力以及流量等，通過(guò)改變進(jìn)入葉片供氣口的壓力，進(jìn)行多個(gè)供氣壓力工況下的測(cè)試，即可得到冷卻空氣的流量特性。該流量特性和設(shè)計(jì)相比對(duì)，即可對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行一定的修正。

圖1 高溫渦輪葉片冷卻設(shè)計(jì)流程

圖2 流量系統(tǒng)公司的葉片流量試驗(yàn)臺(tái)

圖3 葉片流量試驗(yàn)系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

圖3為筆者所在團(tuán)隊(duì)參考流量系統(tǒng)公司的葉片流量試驗(yàn)臺(tái)所搭建的試驗(yàn)系統(tǒng)，成本降低了50%。將流量試驗(yàn)結(jié)果與流量系統(tǒng)公司的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，兩者流量偏差在1%以內(nèi)。

內(nèi)換熱系數(shù)試驗(yàn)

完成流量試驗(yàn)后，可根據(jù)該冷氣流量開(kāi)展內(nèi)換熱系數(shù)試驗(yàn)。在冷氣流量正確的前提下，內(nèi)換熱系數(shù)試驗(yàn)的測(cè)試可以獲得冷氣側(cè)的換熱條件。內(nèi)換熱系數(shù)試驗(yàn)的方法主要有熱電偶配合電加熱器的間接測(cè)量、薄膜熱通量計(jì)的間接測(cè)量、瞬態(tài)液晶（TLC）顯影測(cè)量以及穩(wěn)態(tài)液晶測(cè)量等。

其中，TLC顯影測(cè)量是比較新的測(cè)量方法，試驗(yàn)系統(tǒng)簡(jiǎn)單，使用較多，它的基本原理是在透明的葉片內(nèi)側(cè)涂上TLC涂料，換熱系數(shù)不同的位置涂料變色的速度不同，因此可以通過(guò)瞬態(tài)液晶的變色情況來(lái)推算換熱系數(shù)。該試驗(yàn)的主要測(cè)試設(shè)備有透明的試驗(yàn)件、TLC涂料、總溫探針、總壓探針、LED光源、高速攝像機(jī)以及圖像處理程序等。試驗(yàn)在大氣環(huán)境中進(jìn)行，進(jìn)入冷卻通道的空氣一般需要加熱，與當(dāng)?shù)卮髿庑纬梢欢夭钜约ぐl(fā)液晶顯示。

液晶試驗(yàn)可以在靜止試驗(yàn)臺(tái)和旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)臺(tái)中開(kāi)展。圖4為伊格納斯等人的靜止試驗(yàn)臺(tái)和法畢帕索等人的旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)臺(tái)，其內(nèi)換熱雷諾數(shù)（Re）分別可以達(dá)到200000和60000，換熱系數(shù)的最大試驗(yàn)誤差分別為7.3%和10%。圖5為宋伊婉等人的試驗(yàn)件和試驗(yàn)時(shí)液晶的變色情況，可以看出，液晶作為一種影像化的測(cè)量手段，可以直觀顯示出葉片內(nèi)壁面的換熱系數(shù)的分布情況，優(yōu)勢(shì)明顯。

外換熱系數(shù)試驗(yàn)

葉片燃?xì)鈧?cè)換熱系數(shù)的計(jì)算目前主要是依賴邊界層程序或者經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式計(jì)算，但存在著轉(zhuǎn)捩預(yù)測(cè)不準(zhǔn)、無(wú)法考慮真實(shí)葉型等缺點(diǎn)，因此必須進(jìn)行外換熱系數(shù)試驗(yàn)。

葉片外換熱系數(shù)試驗(yàn)主要采用基于薄膜熱通量計(jì)的直接測(cè)量方法和基于熱流量間接計(jì)算的間接測(cè)量方法。薄膜熱通量計(jì)可以測(cè)量獲得風(fēng)洞中葉片表面的熱通量，配合熱電偶測(cè)得的葉片表面金屬溫度，使用簡(jiǎn)單公式計(jì)算即可得到葉片的外換熱系數(shù)。而間接方法，則是通過(guò)熱電偶獲得金屬溫度，再通過(guò)二維溫度計(jì)算得到葉片位置的熱流密度，從而計(jì)算獲得外換熱系數(shù)。

圖4 葉片內(nèi)換熱試驗(yàn)靜止試驗(yàn)臺(tái)和旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)臺(tái)

圖5 葉片通道試驗(yàn)件和液晶變色圖

圖6 葉片外換熱試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖

綜合來(lái)看，外換熱試驗(yàn)難度較高但可以實(shí)現(xiàn)，如索拉公司、美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）等很早就開(kāi)展了葉片外換熱系數(shù)試驗(yàn)，圖6為索拉公司外換熱系數(shù)試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖。哈爾濱工程大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)、西安交通大學(xué)等高校也有類(lèi)似試驗(yàn)臺(tái)，但測(cè)試結(jié)果在公開(kāi)文獻(xiàn)中不多見(jiàn)。因此，在新的渦輪葉片開(kāi)發(fā)中，外換熱試驗(yàn)的工作還須進(jìn)一步研究。

葉片氣膜有效度試驗(yàn)

氣膜有效度試驗(yàn)是通過(guò)獲得葉片表面的氣膜有效度分布，從而獲得葉片的外部換熱溫度。雖然有大量文獻(xiàn)和數(shù)據(jù)可參考，但對(duì)新設(shè)計(jì)的葉片，氣膜試驗(yàn)是必不可少的。目前常用的氣膜有效度的測(cè)量方法有使用熱電偶配合加熱器測(cè)量、壓力敏感漆技術(shù)（PSP）、瞬態(tài)熱敏液晶技術(shù)（TLC）、穩(wěn)態(tài)熱敏液晶技術(shù)等。其中，PSP技術(shù)是最簡(jiǎn)單且目前使用最多的技術(shù)。清華大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)、西安交通大學(xué)、上海交通大學(xué)、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)等都使用過(guò)PSP技術(shù)，并積累了較多的試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)。試驗(yàn)用到的設(shè)備和儀器包括風(fēng)洞試驗(yàn)臺(tái)、試驗(yàn)件、熱電偶、壓力探針、高速攝像機(jī)、圖像分析和處理程序以及試驗(yàn)氣體（CO2或者N2）等。

PSP測(cè)量氣膜有效度試驗(yàn)包括以下步驟：通過(guò)測(cè)量風(fēng)洞中葉片表面靜壓等參數(shù)，計(jì)算、驗(yàn)證風(fēng)洞和葉片的氣動(dòng)特性，驗(yàn)證完成后再開(kāi)始?xì)饽ぴ囼?yàn)；給試驗(yàn)葉片提供冷卻空氣和測(cè)量氣體（一般為CO2或者N2），通過(guò)攝像機(jī)拍攝葉片表面的氣體濃度分布；對(duì)圖像進(jìn)行后處理和數(shù)據(jù)分析。圖7為清華大學(xué)通過(guò)PSP測(cè)量氣膜有效度的試驗(yàn)臺(tái)。

圖7 氣膜試驗(yàn)臺(tái)

圖8 高溫葉片綜合冷效試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖

綜合冷效試驗(yàn)

以上試驗(yàn)只關(guān)注了葉片內(nèi)側(cè)或葉片外側(cè)，且大多采用了簡(jiǎn)化的葉片模型，如采用了直葉片、使用了葉片中間截面參數(shù)、忽略了一些細(xì)節(jié)特征等。這些試驗(yàn)可以較為快速且安全地獲得數(shù)據(jù)，抓住了主要矛盾，但無(wú)法從整體上檢驗(yàn)或校準(zhǔn)葉片的冷卻設(shè)計(jì)。因此，往往更受重視的是葉片的綜合冷效試驗(yàn)，因?yàn)樗梢灾苯訖z驗(yàn)葉片的冷卻效果。

GE航空集團(tuán)、西門(mén)子公司和索拉公司都建設(shè)了綜合冷效試驗(yàn)臺(tái)，采用真實(shí)的燃燒室、渦輪葉片以及二次空氣系統(tǒng)，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行在真實(shí)工況下，用于考核真實(shí)工況下葉片冷卻設(shè)計(jì)的可靠性。此外，綜合冷效試驗(yàn)臺(tái)還可以在高溫模擬工況下開(kāi)展試驗(yàn)，獲得模擬工況下葉片表面溫度分布，建立真實(shí)工況和高溫工況的相似準(zhǔn)則，以降低掛片試驗(yàn)的成本和風(fēng)險(xiǎn)。西安交通大學(xué)在建的高溫葉片綜合冷效試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖8所示。試驗(yàn)系統(tǒng)主要由高壓供氣系統(tǒng)、燃燒室—環(huán)形葉柵—排氣系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)測(cè)量監(jiān)視控制系統(tǒng)構(gòu)成。

綜合冷效試驗(yàn)是綜合檢驗(yàn)葉片冷卻有效性的難度最大的部件級(jí)試驗(yàn)之一。目前東方汽輪機(jī)廠的G50、北京華清燃?xì)廨啓C(jī)與煤氣化聯(lián)合循環(huán)工程技術(shù)有限公司的CGT-60F等均開(kāi)展了此項(xiàng)試驗(yàn)。總體來(lái)看，受試驗(yàn)臺(tái)流量能力的限制，地面燃?xì)廨啓C(jī)冷效試驗(yàn)都采用了一定的降溫?；呗?。

整機(jī)試驗(yàn)

在真實(shí)的燃?xì)廨啓C(jī)中，渦輪葉片的工作環(huán)境、供氣環(huán)境和試驗(yàn)的差別往往比較大。即使是綜合冷效試驗(yàn)也有一定的近似。因此，在燃?xì)廨啓C(jī)整機(jī)設(shè)計(jì)、裝配完成后，還需要進(jìn)行整機(jī)試驗(yàn)。整機(jī)試驗(yàn)的項(xiàng)目非常多，和葉片冷卻設(shè)計(jì)相關(guān)的主要是供氣系統(tǒng)試驗(yàn)和葉片專(zhuān)項(xiàng)試驗(yàn)。供氣系統(tǒng)試驗(yàn)一般需要在腔室或者葉片相應(yīng)位置，布置壓力或者溫度測(cè)點(diǎn)，通過(guò)分析可以得到葉片供氣系統(tǒng)的信息，由此得到葉片供氣的相關(guān)參數(shù)。葉片專(zhuān)項(xiàng)試驗(yàn)主要是葉片溫度的測(cè)量，可以使用示溫漆、熱電偶、熱晶體、光學(xué)高溫計(jì)等方法測(cè)溫，配合二次空氣系統(tǒng)參數(shù)的測(cè)量結(jié)果，可以分析得到葉片的冷氣流量、詳細(xì)的溫度分布等結(jié)果。

整機(jī)試驗(yàn)是葉片冷卻設(shè)計(jì)的最終檢驗(yàn)，但測(cè)試難度也是最大的，需要綜合考慮多方面因素。目前，在燃?xì)廨啓C(jī)的開(kāi)發(fā)中，整機(jī)試驗(yàn)都是必不可少的，渦輪葉片冷卻試驗(yàn)更是重中之重，但成本很高，難度極大，在國(guó)內(nèi)的重型燃?xì)廨啓C(jī)開(kāi)發(fā)中尚未有完成此項(xiàng)試驗(yàn)的廠家或案例。

結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)渦輪葉片冷卻試驗(yàn)進(jìn)行了詳細(xì)介紹，在不同設(shè)計(jì)階段需要采用不同的冷卻試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，例如，利用流量試驗(yàn)臺(tái)驗(yàn)證渦輪葉片冷卻設(shè)計(jì)的流量和沿程壓力分布，通過(guò)TLC內(nèi)換熱系數(shù)試驗(yàn)獲得冷氣側(cè)的換熱條件，通過(guò)外換熱系數(shù)試驗(yàn)和PSP氣膜有效度試驗(yàn)獲得燃?xì)鈧?cè)的換熱條件，通過(guò)綜合冷效試驗(yàn)從整體上檢驗(yàn)和校準(zhǔn)葉片的冷卻效果。另外，冷卻試驗(yàn)過(guò)程中需要注意很多問(wèn)題，例如，流量試驗(yàn)件增材制造的精度問(wèn)題、動(dòng)葉旋轉(zhuǎn)效應(yīng)影響、燃?xì)饬鞯乐芷谛詥?wèn)題等，但這些問(wèn)題都可以通過(guò)后續(xù)的整機(jī)試驗(yàn)進(jìn)一步解決，最終保證渦輪葉片安全可靠地運(yùn)行。