葉片沖蝕熱態試驗風洞系統研制

傅 駿， 丁志穎， 魯嘉華

(上海工程技術大學 機械工程學院， 上海 201620)

0 引 言

含塵透平出現在整體煤氣化(IGCC)、增壓流化床(PFBC)聯合循環等新型能源動力裝置中，其較高的可靠性及較大的效率使其在工業上得到了廣泛應用。同時作為工業過程余熱再利用系統中的關鍵裝置，對提升企業能源利用效率起到了重要作用。改革開放30 年來，累計生產的煙氣輪機共節電約275×108kW·h，價值約合138億元，經濟效益非常可觀[1]。

固體顆粒沖蝕是指固體以松散的小顆粒，按一定的速度和角度對材料表面進行沖擊所造成的材料損耗現象或過程現象。含塵工質雖在進入透平前已經過濾掉大直徑顆粒，但是進入透平后仍然含有5 μm以上的微小顆粒，會對透平葉片產生較大程度的磨損和破壞，這種現象普遍存在于電力、機械、鋼鐵、航空、化工等行業之中，已成為產品氣動性能下降和設備失效的重要原因之一[2-3]。從而對機組經濟性和安全性帶來嚴重影響。

國內外關于含塵透平葉片抗沖蝕能力的研究分為試驗研究[4-9]和數值模擬研究[10-11]。由于氣固兩相流的復雜性，數值模擬研究存在明顯的缺陷，而關于沖蝕試驗的范圍現階段仍較窄，目標分散，對葉片材質、涂層、表面處理工藝等抗沖蝕性能的了解仍相當有限。本文設計出一種有效的試驗系統，對持續開展葉片在復雜工況下抗沖蝕磨損的試驗研究具有現實意義。

1 熱態試驗風洞系統的設計

風洞試驗系統由加塵系統、熱交換系統和引風系統等機械系統組成，并配用相應的控制系統對試驗數據和儀器進行控制和數據實時采集。

加塵系統由空氣電加熱器、顆粒加料器組成。為達到所需要的高溫氣體，并且滿足空氣干燥無水分、不燃燒、不爆炸、安全的設計要求，空氣電加熱器為工作溫度可達450℃，設計壓力1 MPa的電阻合金絲制電加熱器，其效率可達90%以上，且升溫、降溫速率快，達10℃/s，溫度調節方便，穩定性好。顆粒加料器選用星形給料閥，給料轉速可調節，以控制氣固兩相流濃度。每次試驗之前，用干燥箱對顆粒進行除潮烘干處理，使顆粒無黏滯阻塞，確保氣體含塵濃度穩定。

熱交換系統由換熱器以及水泵組成，確保試驗段后的含塵氣體溫度至除塵器前達到安全的溫度。

引風系統為整個試驗系統提供氣流流動的動力，引風電機通過一臺變頻器實現變頻調速，調節風道內的含塵氣流速度和濃度，使之滿足不同沖蝕條件下的試驗。采用引風系統的最大好處是確保微米級的顆粒在試驗段前能順利進入風洞，并與氣流充分均勻地混合，達到要求工況下含塵氣流的效果。其較好地解決了在正壓送風系統下，顆粒由于風洞內氣壓大于外界大氣壓而難以進入風洞的缺陷[12]。主要設備的性能參數如下。引風機：功率7.5 kW，轉速1 650 r/min，極限壓力49 kPa，進口流量 4 m3/min。電加熱器：功率62 kW，設計壓力1 MPa，工作溫度0～450℃，升降溫速率10℃/s。干燥箱：功率1.5 kW，最高工作溫度300℃。水泵：功率0.75 kW，流量4 m3/h。

試驗系統由入口段、穩定段、試驗段、降溫段和排出段構成，系統示意圖如圖1所示。風道的橫截面積在穩定段入口處收縮，前后橫截面積的收縮比設計成16∶1，以滿足含塵氣流進入試驗段達到足夠的沖蝕速度。電加熱器對入口段空氣加熱，試驗用粒子在穩定段與氣體混合加熱并與氣體一并加速提升至試驗所需的沖蝕速度。在試驗段中，含塵氣流對試件進行熱態沖蝕，其中，試件的沖蝕角度在試驗段中通過專門的卡盤進行切換，在0～90°范圍內設計有18個相應卡位，如圖2所示。試件與氣流噴嘴之間的距離亦可調節[13]，以適應不同大小試件表面上氣固兩相流體覆蓋的均勻性。在降溫段，熱交換系統用以降低試驗氣流的溫度。含塵氣流進入除塵器除去顆粒后，獲得符合排放要求的氣流，通過引風機排入大氣。

圖1 熱態試驗風洞系統示意圖

圖2 沖蝕角度調節卡盤

本試驗系統的試驗條件為Ma<0.3，試驗系統提供的穩定沖蝕溫度可達400℃，不可壓縮氣流試驗段的速度可達156 m/s，對多種葉片材質，粒徑0.02～0.20 mm范圍內的粒子可進行沖蝕試驗。

2 試驗臺控制系統

由于整個系統中有多個儀表、多個采集模塊,以及天平、流量計、液位計、風速儀等多數量、多類型、多種協議規約的通訊設備，鑒于這種情況，系統選用一個串口服務器，將這些設備按類型、按規約協議、按數量分區連接控制；然后再將服務器通過TCP/IP協議與PC上位機進行通訊連接。

監控主機采用工業自動化現場使用較多的知名品牌(臺灣研華)主機；上位監控軟件平臺為國內使用范圍較廣的組態軟件(MCGS)，同時結合現場設備的布局、安裝、使用的特點，開發出合適、實用、方便的監控分析系統(監控組態界面如圖3所示)。

本試驗監控系統主要采集了如下傳感器類型的數據：壓力(8路)、溫度(10路)、流量(1個)、液位計(1個)、壓力風速儀(1個)、天平重量數據(1個)等，各種傳感器類型數據的詳細描述如下。

圖3 熱態沖蝕試驗系統MCGS組態界面

壓力變送器與溫度傳感器所采集的為模擬信號且元器件本身不帶有通訊模塊，因此選用ADAM的數模轉換器若干, 把測量系統中的壓力和溫度的模擬量信號轉換為數字信號，通過計算機通訊在人機界面上進行實時觀測。換熱器配有單獨的控制箱用以控制其運行和停止。所選用的變頻器、液位計以及流量計帶有RS-485通訊接口可與服務器直接相接。8個壓力變送器及10個溫度傳感器分別配有相應的儀表，有些儀表帶有RS-485通訊接口可通過串口服務器與計算機通訊，有些則需要通過帶有通訊功能的數模轉換器再與服務器相連。

選用ADAM4520、ADAM4050、ADAM4017、ADAM4080、ADAM4051各1臺。其中，ADAM4520 為RS-232轉RS-485轉換器模塊，由于選用的壓力風速儀的通訊輸出為RS-232接口，因此通過ADAM4520串口協議轉換器把風速儀的通訊輸出轉為RS-485接口并與串口服務器相接；ADAM4050 為數字量輸入與輸出模塊并帶有RS-485通訊接口，用以計算機控制為電加熱器提供電源的動力柜的運行與停止；ADAM4017為8通道模擬量輸入模塊并帶有RS-485通訊接口，用于不帶通訊功能的儀表與串口服務器相接而和計算機通訊；ADAM4080 32位計數器，并帶有RS-485通訊接口，可用于測量頻率，在本試驗臺中用以測量星形給料閥中給料電機的轉速，輸出結果通過串口服務器與計算機通訊；ADAM4051提供16路隔離數字量輸入，用以給定計算機儀器工作的反饋信息，如卡盤上試件的18個沖蝕角度等。

3 試驗方案

3.1 選用的試驗方案

利用線切割把試驗材料制成幾何尺寸為20 mm×20 mm×2 mm的試件，試驗時放入試驗段內的試件座，把試件固定，且不易損壞試件，露出約15 mm直徑的沖蝕面積。試件座在試驗段內可調節角度，以達到沖蝕試驗在0°～90°范圍內進行。

需要說明的有兩點：① 通過調節氣流噴嘴與試件之間的節距，可以保證試件受沖蝕的截面上含塵氣流覆蓋的均勻程度，節距因試件受沖蝕面積可作變化[12]。② 顆粒沖擊速度的估算：由于條件限制，在沖蝕試驗裝置中未能配備測量顆粒速度的儀器，因此顆粒速度只能通過顆粒動量方程進行估算，顆粒流道簡化圖如圖4所示[14]。

圖4 顆粒流道簡化示意圖

估算中，假定顆粒是球型的，只考慮顆粒與氣體之間的速度滑移導致的Stokes阻力。在顆粒濃度較低，忽略顆粒間相互碰撞及顆粒對氣體相的能量輸運(單向耦合)，根據文獻[14]，得到一維顆粒動量方程：

(1)

式中:tp是顆粒馳豫時間；vg是氣體速度；vp是顆粒速度；Rep是顆粒雷諾數；f(Rep)是較高雷諾數時，對阻力系數的修正關系式。分別表為:

將式(4)改寫成對空間坐標的表達式，有

(5)

式中,x代表試驗裝置中顆粒的流動方向。估算結果見表2。

表2 試驗段入口處顆粒速度估算值

試件沖蝕前后分別用超聲波清洗機清洗、吹干，并記錄試件試驗前的質量與沖蝕試驗后的質量。稱重儀器選用精度為0.01 mg的天平，為了消除環境因素及人為因素對稱重的誤差影響，每次稱重反復進行3次并求平均值，在相同試驗條件下(特定溫度、速度、攻角、顆粒粒徑性狀等)反復進行6次試驗。

含塵氣流中一般顆粒直徑分布在5～ 135 μm[15]，本試驗采用中位直徑為70 μm的石英砂顆粒。本文對氣輪機葉片常用基材X20Cr13，及其鋼丸表面強化處理后的試件進行對比試驗。含塵氣流中的顆粒質量濃度為0.22%，試驗段氣流速度為130 m/s，溫度為300℃，環境相對濕度≤35%。分別在9個沖蝕角度下試驗基材與強化工藝下材質的沖蝕特性。

3.2 沖蝕質量損失

本試驗臺在氣固兩相流體對葉片的沖蝕結果分析上主要體現在試件在沖蝕前后質量的變化，方程如下：

Δm=m0-m

(6)

式中：m0為試件沖蝕前的質量；m為試件沖蝕后的質量；Δm為試件沖蝕后的質量損失。

多次測量相同條件下沖蝕后的質量變化，可以繪制出試驗曲線，通過比較在不同工況下進行試驗所繪制的曲線，可以得出葉片質量減少即磨損和破壞達到最大時的工況條件(溫度、速度、沖蝕角度、粒子性狀和粒徑等)，為數值模擬提供理論依據。

4 沖蝕試驗結果及分析

試驗重點觀察累積顆粒沖蝕下的材質失重。為了保證試驗數據的可靠性，每個沖蝕角度做6次相同工況下的試驗，每次試驗稱重記錄3次，求其算術平均值，并對試驗數據進行最小二乘法擬合。圖5是X20Cr13基材在不同沖蝕角度下質量累積損失隨沖蝕顆粒質量變化的特性曲線。結果表明，X20Cr13在上述工況下，熱態沖蝕后的質量累積損失與石英砂質量之間存在線性相關關系，隨著石英砂質量的增加，失重越發明顯。圖6是經過表面鋼丸強化后的X20Cr13試件質量累積損失與沖蝕顆粒質量之間的關系曲線，亦為材質失重隨沖蝕顆粒質量增加而增加的線性相關關系。

圖5 基材試件累積失重與顆粒質量的關系

圖7為不同沖蝕角度下，基材與強化試件累積質量損失與各沖蝕角度之間的關系曲線。基材質量損失的最大角度出現在30°左右，而強化試件最大質量損失出現在攻角為20°左右，兩種試件均呈塑性材質的特性。在25°～40°范圍內，強化試件較基材沖蝕質量損失明顯減小，表明此強化工藝對提升抗沖蝕能力有幫助，其它沖角下，兩種材質抗沖蝕能力接近。

圖6 強化試件累積失重與顆粒質量的關系

圖7 不同沖角下試件失重曲線

5 結 語

試驗表明，該試驗風洞系統達到設計要求，其參數穩定，調節方便，環保安全，噪聲達標，可以滿足一般工況下的燃氣透平機械中葉片的熱態抗沖蝕能力試驗研究。基于該試驗風洞的沖蝕試驗為選用更為優質的葉片基材、表面強化工藝和葉片涂層提供了有效的手段。

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