渦輪葉片輻照晶體測溫安裝方式建模及仿真

張曉乾, 李 欣, 黃漫國, 姚劍飛*

(1.北京化工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,北京 100029; 2.北京化工大學(xué) 高端機(jī)械裝備健康監(jiān)控與自愈化北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100029; 3.北京化工大學(xué) 發(fā)動機(jī)健康監(jiān)控及網(wǎng)絡(luò)化教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100029;4.航空工業(yè)北京長城航空測控技術(shù)研究所,北京 101111; 5.狀態(tài)監(jiān)測特種傳感技術(shù)航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 101111)

航空發(fā)動機(jī)的渦輪葉片工作溫度測量是一個(gè)技術(shù)難題,也是近年來研究的熱點(diǎn)。當(dāng)前多項(xiàng)研究成果表明,輻照晶體測溫技術(shù)是在高溫高壓流場環(huán)境下渦輪葉片表面溫度測量較為理想的方法[1]。與利用光電轉(zhuǎn)換和熱電偶等傳統(tǒng)葉片溫度測量方式不同,輻照晶體測溫技術(shù)具有體積小、質(zhì)量輕、測溫部位廣和測溫精度高等優(yōu)點(diǎn)[2],且無須引線及供電,可在復(fù)雜的典型結(jié)構(gòu)件上進(jìn)行測溫。

國外的輻照晶體高溫測量技術(shù)發(fā)展較快,李楊等[3]概述了俄羅斯庫爾恰托夫研究所晶體測溫技術(shù)的情況,其研發(fā)的晶體測溫傳感器廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域。庫爾恰托夫研究所研發(fā)的第1代晶體測溫傳感器材料為中子輻照后的金剛石,第2代晶體測溫傳感器材料為中子輻照后的碳化硅,其測溫傳感器尺寸為邊長約為0.3～0.5 mm的立方體,測溫范圍為200～1 400 ℃,經(jīng)過試驗(yàn)測得傳感器誤差約為15 ℃。Volinsky等[4]提到俄羅斯在“暴風(fēng)雪”號航天飛機(jī)表面先后安裝了83 顆和114顆輻照晶體,測得了整個(gè)機(jī)身的溫度分布云圖,并為改良結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了關(guān)鍵數(shù)據(jù)。Annerfeldt等[5]介紹了美國的LG TechLink公司成功將均勻晶體溫度傳感器(Uniform Crystal Temperature Sensor,UCTS)應(yīng)用到真實(shí)的發(fā)動機(jī)環(huán)境中進(jìn)行高精度溫度測量,該傳感器由碳化硅制成,其外觀尺寸為0.2 mm×0.2 mm×0.38 mm,測溫范圍為150～1 400 ℃,測溫精度為±3.3 ℃,試驗(yàn)表明UCTS在惡劣的發(fā)動機(jī)環(huán)境中存活率超過95%。Shukin等[6]簡述了德國西門子公司在燃?xì)廨啓C(jī)葉片上使用碳化硅輻照晶體進(jìn)行測溫試驗(yàn),在一個(gè)渦輪葉片上安裝了90個(gè)晶體測溫傳感器,根據(jù)測得的結(jié)果繪制了葉片溫度梯度圖,并通過測溫?cái)?shù)據(jù)對燃?xì)廨啓C(jī)部件進(jìn)行了改進(jìn)。在國內(nèi),張志學(xué)等[7]和Ruan等[8]對中子輻照后6H-SiC晶體的物性、退火特性和溫度判讀方法進(jìn)行了相關(guān)研究,進(jìn)一步提高了輻照晶體的測溫精度。李楊等[9]分別在渦輪轉(zhuǎn)子葉片緣板和葉盆上安裝了測溫晶體,并以100%存活率成功獲得測點(diǎn)精確的溫度值。本文主要開展了輻照晶體在發(fā)動機(jī)渦輪葉片測溫中的有限元仿真研究,?；撕娇瞻l(fā)動機(jī)渦輪葉片復(fù)雜的工況條件,建立了輻照晶體表面粘貼和開槽封膠2種安裝方式的模型,對晶體傳感器在渦輪葉片上的安裝方式對溫度測量的影響進(jìn)行了分析,為晶體傳感器在發(fā)動機(jī)渦輪葉片測溫的實(shí)際應(yīng)用提供了理論和方法支撐。

1 輻照晶體測溫原理

輻照晶體測溫技術(shù)主要是基于輻照效應(yīng)下晶體溫度的記憶效應(yīng)及其輻照缺陷在高溫下復(fù)原的性質(zhì)發(fā)展起來的一種測溫技術(shù)[10]。晶體材料為SiC單晶體,經(jīng)過中子輻照后,晶格內(nèi)部會出現(xiàn)空位、空洞、層錯(cuò)、位錯(cuò)等大量非平衡缺陷,同時(shí)也會影響晶體的電學(xué)等宏觀物理性能,并且輻照劑量越大,晶體晶格從有序轉(zhuǎn)變到無序的程度就越嚴(yán)重,輻照缺陷濃度也越大[11]。而晶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)缺陷在高溫退火時(shí)會隨著溫度的升高漸漸消除或演變回復(fù)到未輻照時(shí)的水平,且消除結(jié)構(gòu)缺陷主要取決于退火時(shí)的最高溫度和退火時(shí)間。

晶體經(jīng)歷的最高溫度與缺陷回復(fù)程度具有對應(yīng)的函數(shù)關(guān)系,可通過檢測缺陷濃度得到晶體在一定時(shí)間內(nèi)所經(jīng)歷的最高溫度。雖然殘余缺陷濃度通常難以用常規(guī)測試方法來確定,但輻照缺陷濃度可通過晶體的多種宏觀物理性能表征,即晶體的宏觀物理性能與退火溫度也有著對應(yīng)的函數(shù)關(guān)系[12]。晶格間距、硬度、電阻率、熱導(dǎo)率等晶體參數(shù)都可以通過X射線衍射儀進(jìn)行測量并用于反映殘余缺陷濃度,從而可獲取晶體所經(jīng)歷的最高溫度值。

2 輻照晶體安裝方式建模

渦輪葉片的結(jié)構(gòu)主要包括葉身、榫頭、緣板、冷卻通道等。采用SolidWorks軟件建立渦輪葉片三維模型,如圖1所示。

圖1 發(fā)動機(jī)渦輪葉片

2.1 輻照晶體-渦輪葉片模型

通過對渦輪葉片進(jìn)行有限元仿真發(fā)現(xiàn),最大應(yīng)力出現(xiàn)在吸力面中間,此部位附近的熱應(yīng)力和溫度與壓力面相比也較大[13]。因此,將晶體傳感器安裝在渦輪葉片的吸力面。針對表面粘貼和開槽封膠2種安裝方式,考慮發(fā)動機(jī)渦輪葉片的基本受力情況,建立了表面粘貼和開槽封膠2種安裝方式的晶體傳感器-渦輪葉片結(jié)構(gòu)有限元模型,如圖2所示。

圖2 輻照晶體傳感器的2種安裝方式

表面粘貼式模型使用基于SiO2的耐高溫高強(qiáng)度膠 (如Resbond 906 )將晶體傳感器粘貼在發(fā)動機(jī)渦輪葉片表面,輻照晶體傳感器的尺寸為0.2 mm×0.2 mm×0.35 mm,密封膠及傳感器整體假定為一個(gè)半球體,直徑為1 mm,可選擇的安裝位置有葉身冷卻氣膜孔背面和葉片尾緣中間部位,以及緣板的偏中心位置,如圖3所示。

圖3 輻照晶體傳感器表面粘貼式模型

開槽封膠式安裝所構(gòu)建的模型如圖4所示。圓柱形凹槽的直徑和深度均為0.7 mm,凹槽底部放入輻照晶體傳感器后,整個(gè)槽孔填充滿耐高溫密封膠直至與葉身表面持平。為方便對比分析,晶體傳感器安裝的位置與表面粘貼式模型相同。

圖4 輻照晶體傳感器開槽封膠式模型

通過SolidWorks繪制出渦輪葉片進(jìn)行流場分析的流道,在渦輪葉片上斜拉一個(gè)角度為5°的梯形,包裹整個(gè)葉身,與緣板相切且與冷卻通道相連接,如圖5所示。將模型保存為ANSYS Workbench可以讀入的x_t格式的Parasolid文件,以便后續(xù)導(dǎo)入分析。

圖5 發(fā)動機(jī)渦輪葉片流場和冷卻通道

2.2 流場分析

將建好的晶體傳感器-渦輪葉片模型導(dǎo)入ANSYS Workbench,劃分好流體域和固體域,設(shè)置流體域網(wǎng)格Element Size為0.05 mm,Growth Rate為1.1,并為流體域的各個(gè)面命名[14](如inlet、outlet、sym等)。

選用四面體劃分網(wǎng)格,網(wǎng)格整體最大尺寸不超過1 mm,對高溫膠和晶體傳感器進(jìn)行局部加密處理,網(wǎng)格最大尺寸不超過0.1 mm。

溫度區(qū)間設(shè)置為1 500～2 100 K,假定流場中氣體壓力和流速均保持穩(wěn)定且氣體分子間的作用力忽略不計(jì)[15],葉片轉(zhuǎn)速設(shè)定為10 000 r/min,在CFX-per中選擇湍流模型為Shear Stress Transport(SST)模型,壁面類型為光滑無滑移。設(shè)定流場邊界條件入口壓力為10 MPa,入口溫度為1 500 K起,出口壓力為0.2 MPa,迭代次數(shù)為2 000步。

2.3 流-固耦合分析

考慮渦輪葉片在工作時(shí)受到的離心力、熱應(yīng)力、氣動力及其耦合作用,根據(jù)發(fā)動機(jī)渦輪葉片的實(shí)際工況,結(jié)合ANSYS Workbench的各類求解器進(jìn)行流-固耦合分析,如圖6所示。

圖6 流-固耦合分析平臺

2.4 結(jié)構(gòu)場分析

結(jié)構(gòu)場分析時(shí),因渦輪葉片的榫頭與渦輪盤榫槽直接接觸,葉片的徑向、周向位移被限制,且其實(shí)際約束情況較復(fù)雜,故對渦輪葉片榫頭的下端與渦輪盤連接面施加了固定約束。模型整體網(wǎng)格最大尺寸不超過0.25 mm,局部加密處理的網(wǎng)格最大尺寸不超過0.05 mm。

3 數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

3.1 表面粘貼式

通過有限元耦合計(jì)算,得到了1 500～2 100 K變溫工作狀態(tài)下發(fā)動機(jī)渦輪葉片的整體溫度場云圖和晶體傳感器的溫度場云圖,1 500 K工作溫度狀態(tài)下的計(jì)算結(jié)果如圖7所示。在葉片尾緣處安裝的晶體傳感器溫度最高,達(dá)到了1 178.67 K,緣板處安裝的晶體傳感器溫度略低,而氣膜孔背面附近安裝的晶體傳感器溫度卻大幅降低,僅748.78 K。

圖7 表面粘貼式晶體傳感器溫度(1 500 K)

對粘貼于渦輪葉片表面的半球形高溫膠和內(nèi)部晶體傳感器變形進(jìn)行分析,1 500 K工作溫度狀態(tài)下的分析結(jié)果如圖8所示。受離心力的影響,變形最大部位出現(xiàn)在葉尖。通過對比分析,高溫膠與晶體傳感器變形量差別微小,且與其位置附近葉身的變形極為接近,故可認(rèn)為兩者的變形是由渦輪葉片在工作狀態(tài)下葉身微弱的變形造成的,且不在開槽封膠式分析結(jié)果中過多贅述。

圖8 表面粘貼式變形結(jié)果(1 500 K)

高溫膠在3個(gè)位置的應(yīng)力如圖9所示,在半球形高溫膠邊緣側(cè)出現(xiàn)了遠(yuǎn)超其他部位的極大應(yīng)力值,即應(yīng)力集中現(xiàn)象。在1 500～2 100 K變溫工作狀態(tài)下,分別采集各位置的半球形高溫邊緣側(cè)和球身中部的應(yīng)力值進(jìn)行對比,結(jié)果如圖10所示。綜合比較可知,在氣膜孔背面的半球形高溫膠所受應(yīng)力最大,緣板處半球形高溫膠所受應(yīng)力次之,葉片尾椽處半球形高溫膠所受應(yīng)力最小。

圖9 表面粘貼式高溫膠應(yīng)力結(jié)果

圖10 變溫工作狀態(tài)下各位置半球形高溫膠邊緣和球身中部的應(yīng)力對比圖(表面粘貼式)

1 500 K工作溫度狀態(tài)下葉片尾緣附近安裝的晶體傳感器應(yīng)力結(jié)果如圖11所示。晶體傳感器為長方體結(jié)構(gòu),緊貼渦輪葉片表面的邊角處應(yīng)力集中較為明顯。在1 500～2 100 K變溫工作狀態(tài)下采集各位置晶體傳感器應(yīng)力數(shù)據(jù)進(jìn)行對比,結(jié)果如圖12所示。晶體傳感器與渦輪葉片接觸部位的應(yīng)力和晶體傳感器被粘貼膠包裹部位的應(yīng)力相比差值較大,約為500 MPa。綜合來看,氣膜孔背面安裝的晶體傳感器所受應(yīng)力最大,隨溫度上升的趨勢也最為明顯,緣板處與葉片尾緣處安裝的晶體傳感器所受應(yīng)力變化趨勢相近,但葉片尾椽處安裝的晶體傳感器應(yīng)力最小。

圖11 表面粘貼式葉片尾緣附近安裝的晶體傳感器應(yīng)力

圖12 變溫工作狀態(tài)下各位置晶體傳感器邊緣側(cè)和中部的應(yīng)力對比圖(表面粘貼式)

3.2 開槽封膠式

與表面粘貼式分析類似,1 500 K工作溫度狀態(tài)下的計(jì)算結(jié)果如圖13所示。對比可知葉片尾緣處安裝的晶體傳感器溫度最高,為1 114.83 K;緣板處安裝的晶體傳感器溫度次之,為951.94 K;氣膜孔背面安裝的晶體傳感器溫度最低,為627.35 K。

圖13 開槽封膠式晶體傳感器溫度(1 500 K)

1 500 K工作溫度下,高溫膠的應(yīng)力分析結(jié)果如圖14所示。在高溫膠的邊緣側(cè)即與渦輪葉片表面填平并接觸的部位應(yīng)力最大,高于密封膠中間部位100 MPa左右,也存在應(yīng)力集中現(xiàn)象。在1 500 ～2 100 K變溫工作狀態(tài)下,分別采集各位置高溫膠邊緣側(cè)和中部的應(yīng)力值進(jìn)行對比,結(jié)果如圖15所示。對于高溫膠邊緣側(cè)的應(yīng)力,葉片尾緣處最大,氣膜孔背面處次之,緣板處最小;對于高溫膠球身中部的應(yīng)力,氣膜孔背面處最大,緣板處次之,葉片尾緣處最小,且各位置高溫膠隨渦輪葉片工作溫度的提升變化很小,增長趨勢幾乎成一條水平的直線。

圖14 開槽封膠式高溫膠應(yīng)力結(jié)果

圖15 變溫工作狀態(tài)下各位置高溫膠邊緣和球身中部的應(yīng)力對比圖(開槽封膠式)

1 500 K工作溫度狀態(tài)下葉片尾緣附近安裝的晶體傳感器應(yīng)力結(jié)果如圖16所示。與表面粘貼式應(yīng)力結(jié)果相比,該方式下的應(yīng)力明顯減小,應(yīng)力集中現(xiàn)象也略微減弱。在1 500～2 100 K變溫工作狀態(tài)下采集各位置晶體傳感器應(yīng)力數(shù)據(jù)進(jìn)行對比,如圖17所示。晶體傳感器邊緣側(cè)應(yīng)力高于中部30～70 MPa,且各位置晶體傳感器的應(yīng)力隨渦輪葉片工作溫度的增加變化得十分平緩。不論是晶體傳感器的邊緣側(cè)還是中部,氣膜孔背面安裝的晶體傳感器應(yīng)力最大,葉片尾緣處安裝的晶體傳感器應(yīng)力次之,緣板處安裝的晶體傳感器應(yīng)力最低。

圖16 開槽封膠式葉片尾緣附近安裝的晶體傳感器應(yīng)力

圖17 變溫工作狀態(tài)下各位置晶體傳感器邊緣側(cè)和中部的應(yīng)力對比圖(開槽封膠式)

3.3 對比分析

綜合表面粘貼式和開槽封膠式安裝方法,渦輪葉片緣板處安裝的晶體傳感器結(jié)果較為理想。為進(jìn)一步探究葉片葉身的安裝結(jié)果,現(xiàn)將2種安裝方式在尾緣處和氣膜孔背面的溫度、應(yīng)力數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行對比,變溫工作區(qū)間為原本設(shè)置的1 500～2 100 K,結(jié)果如圖18和圖19所示。

圖18 2種安裝方式晶體傳感器的溫度對比圖

圖19 2種安裝方式晶體傳感器的應(yīng)力對比圖

由圖18可知,表面粘貼式安裝與開槽封膠式安裝相比,晶體傳感器溫度要高,兩者溫差區(qū)間在50～120 K,即表面粘貼式安裝測得的溫度數(shù)據(jù)更為準(zhǔn)確,而開槽封膠式安裝會對晶體傳感器的測溫引入一定誤差,所以在后期試驗(yàn)時(shí)要對輻照晶體的測溫結(jié)果進(jìn)行必要的補(bǔ)償。

由圖19可知,表面粘貼式安裝在渦輪葉片葉身尾緣處和氣膜孔背面的晶體傳感器應(yīng)力遠(yuǎn)大于開槽封膠式安裝,結(jié)合前面對2種安裝方式高溫膠應(yīng)力的對比分析可知,表面粘貼式安裝的晶體傳感器和高溫膠所受應(yīng)力較大,更容易發(fā)生損壞脫落現(xiàn)象,即表面粘貼式安裝的牢靠性不如開槽封膠式安裝。

4 結(jié)束語

針對發(fā)動機(jī)渦輪葉片吸力面的緣板處、葉片尾緣處和氣膜孔背面3個(gè)安裝位置,?；溯椪站w傳感器在渦輪葉片工況下的安裝條件,仿真分析了表面粘貼式和開槽封膠式2種安裝方法下的溫度和應(yīng)力。在1 500～2 100 K變溫工況下,通過分析對比高溫膠和輻照晶體傳感器的溫度和應(yīng)力數(shù)據(jù)可知,表面粘貼式安裝方式要比開槽封膠式安裝方式測溫精度高,但表面粘貼式的密封膠應(yīng)力更大,即高溫膠受到高溫沖擊的強(qiáng)度更大,更容易發(fā)生脫落現(xiàn)象。研究結(jié)果可為采用輻照晶體測量航空發(fā)動機(jī)渦輪葉片溫度的試驗(yàn)測試提供支撐。