燃?xì)廨啓C(jī)渦輪葉片冷卻試驗(yàn)測試技術(shù)

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

渦輪葉片冷卻設(shè)計(jì)的各項(xiàng)驗(yàn)證試驗(yàn)是燃?xì)廨啓C(jī)整機(jī)測試前需要完成的基本任務(wù)。這些驗(yàn)證試驗(yàn)會(huì)用到多種測試技術(shù)，葉片設(shè)計(jì)人員掌握這些測試技術(shù)的原理、儀器和使用方法，可以為葉片冷卻設(shè)計(jì)的驗(yàn)證和產(chǎn)品的研制成功提供基礎(chǔ)支撐。

燃?xì)廨啓C(jī)渦輪葉片冷卻設(shè)計(jì)的驗(yàn)證，需要經(jīng)過一系列循序漸進(jìn)的試驗(yàn)，一般分為流量試驗(yàn)、內(nèi)換熱系數(shù)試驗(yàn)、氣膜有效度試驗(yàn)、外換熱系數(shù)試驗(yàn)、冷效試驗(yàn)、整機(jī)試驗(yàn)等。燃?xì)廨啓C(jī)研發(fā)中的這些試驗(yàn)需要用到多種試驗(yàn)測試技術(shù)，主要分為常規(guī)流場測量技術(shù)、葉片溫度測量技術(shù)、傳熱組合量的測量等幾類。其中，流場測量是各項(xiàng)冷卻試驗(yàn)測試的基礎(chǔ)，葉片溫度測量是冷卻試驗(yàn)的核心，其他物理量的測量則是為了測量一些組合物理量，如熱流密度、換熱系數(shù)、氣膜有效度等。為了達(dá)到試驗(yàn)?zāi)康?，順利完成試?yàn)任務(wù)，選擇合適的測量技術(shù)至關(guān)重要。

常規(guī)流場測量技術(shù)

渦輪葉片的各項(xiàng)驗(yàn)證試驗(yàn)都需要測量流場的基本參數(shù)，其中，流量、壓力、流場溫度、湍流度等參數(shù)是最基本的測量物理量。流體流量和壓力的測量已經(jīng)非常成熟，不再贅述。流場的溫度測量方法也很多，葉片溫度測量所使用的大部分技術(shù)和手段都可用于流場溫度的測量（在葉片溫度測量技術(shù)中詳細(xì)敘述）。流場湍流度的測量相對復(fù)雜，且一般需要經(jīng)過數(shù)據(jù)處理和換算，目前常用的手段有脈動(dòng)壓力傳感器、激光多普勒測速（LDV）、熱線風(fēng)速儀（hot wire anemometer）和粒子圖像測速（PIV）技術(shù)等，其中熱線風(fēng)速儀使用最為廣泛。熱線風(fēng)速儀主要有恒溫式和恒流式兩種，常用的是恒溫式。熱線風(fēng)速儀有很多的生產(chǎn)廠家，但可用于流動(dòng)細(xì)節(jié)和機(jī)理研究、可測量較高脈動(dòng)頻率的較少。目前的技術(shù)還是用于測量較為宏觀的參數(shù)，這對于試驗(yàn)而言也已經(jīng)足夠。熱線風(fēng)速儀的國際知名廠商主要有美國的提賽環(huán)科儀器（TSI）公司和丹麥的丹迪動(dòng)態(tài)（Dantec）公司，它們的典型產(chǎn)品性能如表1所示。

筆者所在團(tuán)隊(duì)在與國內(nèi)高校合作的氣膜有效度試驗(yàn)中，使用了丹迪動(dòng)態(tài)公司的熱線風(fēng)速儀。從實(shí)際使用經(jīng)驗(yàn)來看，其測試效果良好，但熱線很細(xì)導(dǎo)致其組裝難度較大，容易損壞。

表1 熱線風(fēng)速儀性能

葉片溫度測量技術(shù)

葉片溫度的測量是冷卻試驗(yàn)的核心。溫度測量技術(shù)可以分為兩大類，接觸式測量和非接觸式測量。目前，用于葉片試驗(yàn)的接觸式測量手段主要有熱電偶、示溫漆、晶體和光纖測溫等，非接觸式測量手段則主要是紅外線、光學(xué)高溫計(jì)等。熱電偶的測量技術(shù)已經(jīng)非常成熟，文中不再贅述，僅介紹示溫漆、晶體、光學(xué)高溫計(jì)測溫。

示溫漆測溫

示溫漆測溫是直接將變色涂料涂覆在被測件表面，利用測溫涂層隨表面溫度變化而發(fā)生顏色改變來獲得葉片表面峰值溫度分布，達(dá)到測溫目的。示溫漆分為可逆和不可逆兩種類型，燃?xì)廨啓C(jī)測溫中一般使用不可逆的示溫漆。示溫漆的優(yōu)點(diǎn)是可以測量物體表面連續(xù)分布的溫度場，且試驗(yàn)周期短，使用簡單、方便，無測試引線；缺點(diǎn)是精度有限，不能提供實(shí)時(shí)測量數(shù)據(jù)及只能顯示最高溫度。示溫漆測溫流程如圖1所示，在利用示溫漆進(jìn)行溫度測量時(shí)，首先根據(jù)測試溫度范圍，選取示溫漆相應(yīng)的類型，并制作標(biāo)準(zhǔn)樣片；然后對被測零部件表面進(jìn)行吹砂、清潔等工藝處理，將示溫漆噴涂于待測表面，經(jīng)常溫下一天或放入烘箱數(shù)小時(shí)烘烤的干燥固化后再進(jìn)行示溫漆試驗(yàn)；試驗(yàn)后，將被測件變色結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)樣片進(jìn)行比對，從而獲得被測表面的溫度分布。

在20世紀(jì)50年代，英國羅羅公司就已經(jīng)廣泛采用示溫漆測量渦輪葉片的表面溫度分布情況，測溫范圍為240 ～1600℃，判讀精度達(dá)±20℃。美國熱漆溫度技術(shù)（TPTT）公司生產(chǎn)的示溫漆等溫線測量精度達(dá)±17℃。國內(nèi)相關(guān)的試驗(yàn)團(tuán)隊(duì)已經(jīng)完全掌握了示溫漆試驗(yàn)的整個(gè)流程，且積累了一定的測試經(jīng)驗(yàn)。

圖1 示溫漆測溫流程

圖2 晶體安裝圖[1]

圖3 經(jīng)過晶體校準(zhǔn)后的第一級靜子葉片和轉(zhuǎn)子葉片溫度分布[2]

晶體測溫

美國、德國以及俄羅斯等國家在晶體測溫技術(shù)這一領(lǐng)域都有較深入的研究，并將其應(yīng)用于燃?xì)廨啓C(jī)渦輪葉片的溫度測量。晶體測溫原理是原始晶體在高溫作用下其內(nèi)部晶體結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生變化，從而出現(xiàn)晶體缺陷，而高溫環(huán)境對該晶體缺陷可以復(fù)原，所以通過檢測晶體晶格的缺陷程度，并查找其與所測溫度之間的關(guān)系曲線，即可得到對應(yīng)的高溫環(huán)境溫度。

晶體安裝示意圖如圖2所示，在被測葉片表面打好小孔，將輻射過的晶體埋入，用高溫黏結(jié)劑封裝，待黏結(jié)劑干燥后，在其表面焊接薄金屬壓片進(jìn)行封口。晶體測溫技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)有尺寸小、質(zhì)量輕、無引線、精度高等，缺點(diǎn)在于只能測試變化過程中的最高溫度且不能實(shí)現(xiàn)在線測試，特別是在被測物表面開孔埋設(shè)晶體時(shí)需要對被測件進(jìn)行強(qiáng)度評估。晶體測溫范圍為300 ～1450℃，測溫精度達(dá)±5℃。

西門子公司在SGT-800燃?xì)廨啓C(jī)研發(fā)過程中，通過在其第一級靜子葉片和轉(zhuǎn)子葉片葉身上安裝90個(gè)晶體傳感器，測得了精確的葉片溫度分布。圖3給出了第一級靜子葉片和轉(zhuǎn)子葉片晶體測點(diǎn)位置和經(jīng)過晶體校準(zhǔn)后的溫度分布云圖。

光學(xué)高溫計(jì)測溫

光學(xué)高溫計(jì)主要應(yīng)用于燃?xì)廨啓C(jī)渦輪轉(zhuǎn)子葉片的溫度測量，可以實(shí)時(shí)提供葉片表面連續(xù)的溫度數(shù)據(jù)。但其主要缺點(diǎn)是需要提前獲知葉片表面發(fā)射率，用來計(jì)算葉片表面溫度，同時(shí)其精度受到葉片周圍其他部件表面反射的影響。

光學(xué)高溫計(jì)原理是利用光的輻射強(qiáng)度來測量葉片表面的溫度，通過光電探測器將輻射強(qiáng)度轉(zhuǎn)為電信號，根據(jù)輻射水平推導(dǎo)出葉片表面溫度。高溫計(jì)探針結(jié)構(gòu)如圖4所示，主要包括光學(xué)系統(tǒng)、傳輸系統(tǒng)和探測系統(tǒng)。光學(xué)系統(tǒng)通過反光鏡及其到測量葉片表面的距離來確定測量區(qū)域，傳輸系統(tǒng)將光學(xué)信號傳輸?shù)酵饷娴奶綔y器中，探測系統(tǒng)主要部件為一個(gè)光電二極管，可以將輻射信號轉(zhuǎn)換成電信號。

光學(xué)高溫計(jì)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于燃?xì)廨啓C(jī)渦輪轉(zhuǎn)子葉片的溫度測量中。西門子公司在V84.3A的研發(fā)過程中使用光學(xué)高溫計(jì)對第一級轉(zhuǎn)子葉片表面溫度進(jìn)行了測量，并研究了不同波長對溫度測量結(jié)果的影響，如圖5所示。高溫計(jì)在使用時(shí)需要考慮的主要問題是高溫計(jì)在真實(shí)狀態(tài)下的標(biāo)定、安裝和操作空間是否足夠等問題。

圖4 高溫計(jì)探針結(jié)構(gòu)示意圖

圖5 不同波長的光學(xué)高溫計(jì)下溫度測量值[3]

表2 熱通量計(jì)性能參數(shù)

傳熱組合量的測量

傳熱學(xué)常用的一些宏觀量都是組合物理量，其測量方法和原理往往比較復(fù)雜。但這種測量可以為葉片的設(shè)計(jì)和驗(yàn)證提供更為有用和詳細(xì)的信息。

熱流密度測量

對于一些外換熱系數(shù)試驗(yàn)或者內(nèi)換熱系數(shù)試驗(yàn)，還需要測量熱流密度。目前熱流密度主要使用金屬或者合金的薄膜熱通量計(jì)來測量，國際上常用的薄膜熱通量計(jì)已經(jīng)較多，如日本京都電子（KEM）公司的TM1、TR2、TR6等型號，法國坎普泰克（Captec）公司的HS-9010、HS-30等型號，適用于低溫葉片試驗(yàn)；美國國際熱儀器（iTi）公司的HT-50、C-3500等型號，可適用于高溫的葉片試驗(yàn)，具體如表2所示。國內(nèi)也在不斷開發(fā)各種熱流量計(jì)，但大多局限于小規(guī)模應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)商用的不多。熱流密度的測量可以大大簡化換熱系數(shù)的測量，但由于引線和信號導(dǎo)出困難等原因，在葉片內(nèi)表面的使用很少。

氣膜有效度測量

氣膜有效度是葉片冷卻設(shè)計(jì)的關(guān)鍵參數(shù)之一，雖然有大量文獻(xiàn)可供參考，但對于新設(shè)計(jì)的葉片，氣膜有效度仍需通過試驗(yàn)確定。早期的氣膜有效度試驗(yàn)需要將主流燃?xì)饧訜岬揭欢囟?，供入冷氣，測量壁面的絕熱溫度，再計(jì)算氣膜有效度。這種測量方法需要一定的高溫或者中溫條件，測試系統(tǒng)比較復(fù)雜，測量真實(shí)葉型難度較大。20世紀(jì)90年代，壓力敏感漆（PSP）技術(shù)開始用于測量葉片的氣膜有效度[4]，該技術(shù)使氣膜有效度的測量在常溫下即可實(shí)現(xiàn)，測量系統(tǒng)更為簡單，且測量精度高、可重復(fù)性好。經(jīng)過30年的發(fā)展，壓力敏感漆技術(shù)已經(jīng)成為氣膜冷卻試驗(yàn)研究的主要手段。西北工業(yè)大學(xué)、清華大學(xué)、西安交通大學(xué)等科研機(jī)構(gòu)已具備PSP的試驗(yàn)?zāi)芰?。PSP原材料早期依賴于國外進(jìn)口，價(jià)格昂貴，最近十幾年來，我國已經(jīng)研制出了國產(chǎn)化的壓力敏感漆涂料，并用于試驗(yàn)。圖6為美國得克薩斯州農(nóng)工大學(xué)的氣膜試驗(yàn)件，其表面已噴涂了壓力敏感漆，該試驗(yàn)對0.8的氣膜有效度測量不確定度為1%，對0.07的氣膜有效度測量不確定度為10.3%。

筆者所在團(tuán)隊(duì)正在開發(fā)的燃?xì)廨啓C(jī)的氣膜有效度測量使用了PSP技術(shù)，測量結(jié)果顯示，試驗(yàn)值和預(yù)測值較為接近。該試驗(yàn)是葉片冷卻設(shè)計(jì)最重要的試驗(yàn)之一，為冷卻葉片的開發(fā)提供了寶貴的數(shù)據(jù)庫。

圖6 壓力敏感漆測試氣膜試驗(yàn)件[5]

換熱系數(shù)測量

一些種類的液晶材料在不同溫度下將顯示出不同的顏色，因此可以用來測量溫度。但其可測的溫度值一般較低，大部分液晶的測溫范圍在-20 ～120℃，美國豪爾科斯特（Hallcrest）公司研制的SPN/R30C20W型液晶，其有效測溫范圍為30 ～60℃。研究人員將穩(wěn)態(tài)液晶用于氣膜有效度和換熱系數(shù)的測量，但依然存在熱損失估計(jì)不準(zhǔn)、標(biāo)定嚴(yán)格、試驗(yàn)周期長的問題。使用瞬態(tài)液晶（TLC）技術(shù)則可以避免這些問題。目前瞬態(tài)液晶已經(jīng)被廣泛用于測量換熱系數(shù)，其優(yōu)點(diǎn)是可以方便地測量真實(shí)葉片的內(nèi)表面換熱系數(shù)，并能夠在較低的溫度下完成試驗(yàn)，試驗(yàn)難度大大降低。目前，西北工業(yè)大學(xué)、清華大學(xué)等具備該試驗(yàn)?zāi)芰Γ诟邠Q熱系數(shù)工況下，西北工業(yè)大學(xué)的葉片內(nèi)換熱系數(shù)測量不確定度在10%以下。

筆者所在研發(fā)團(tuán)隊(duì)也使用了TLC技術(shù)測量真實(shí)葉片的內(nèi)換熱系數(shù)。測量結(jié)果顯示，公開文獻(xiàn)的關(guān)聯(lián)式計(jì)算值和試驗(yàn)值量級接近，但實(shí)際數(shù)值還有一定偏差。這對葉片的冷卻設(shè)計(jì)提出了一定的不確定度的要求。

結(jié)束語

燃?xì)廨啓C(jī)渦輪葉片冷卻設(shè)計(jì)需要經(jīng)過多項(xiàng)試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，而常用的測試手段是這些試驗(yàn)的基礎(chǔ)，為燃?xì)廨啓C(jī)渦輪葉片的設(shè)計(jì)和開發(fā)提供了保障。基于筆者所在研發(fā)團(tuán)隊(duì)的經(jīng)驗(yàn)，使用熱線風(fēng)速儀、壓力敏感漆、瞬態(tài)液晶等技術(shù)可以測量并獲得想要的數(shù)據(jù)，且精度較好。使用晶體、示溫漆、光學(xué)高溫計(jì)等，還沒有完整的試驗(yàn)結(jié)果，但從已有的試驗(yàn)結(jié)果和研究文獻(xiàn)來看，其準(zhǔn)確度也比較高。 簡言之，目前的傳感器和測量技術(shù)能滿足葉片研發(fā)中的試驗(yàn)任務(wù)，但旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下的測試技術(shù)、燃?xì)廨啓C(jī)整機(jī)環(huán)境下的測試、高溫高壓下的連續(xù)在線監(jiān)測、基于真實(shí)環(huán)境的更加精確的標(biāo)定技術(shù)等，還有待于進(jìn)一步發(fā)展。