基于示溫漆的高壓渦輪導向器表面溫度測試

熊慶榮，石小江，徐芳，鐘明

(中國燃氣渦輪研究院，四川江油621703)

基于示溫漆的高壓渦輪導向器表面溫度測試

熊慶榮，石小江，徐芳，鐘明

(中國燃氣渦輪研究院，四川江油621703)

掌握渦輪導向器溫度場測試方法及準確的溫度場分布，對于渦輪導向器的設計、改進具有重要的理論價值和實用價值。利用不可逆示溫漆，測量了高壓渦輪導向器在最大工況下的表面溫度。結果表明：噴涂在高壓渦輪導向器表面的不可逆示溫漆，在高溫、高壓下附著牢靠，等溫線清晰；成功錄取了整個高壓渦輪導向器的表面溫度及溫度場分布，可為該型發動機高壓渦輪導向器的熱應力與壽命分析提供數據支撐。

航空發動機；渦輪導向器；表面溫度測試；溫度場分布；示溫漆；等溫線

1 引言

航空發動機高壓渦輪導向器是高熱負荷零件，燃燒室所排出的高溫燃氣會使其材料性能下降，并引起熱應力和熱變形，進而使渦輪導向器產生裂紋、變形、燒蝕等故障，危及發動機安全。因此，測量高壓渦輪導向器表面溫度及溫度場分布具有十分重要的意義[1～4]。測試渦輪導向器表面溫度場分布常用以下兩種方法：一是通過測試渦輪后溫度T4*分布，來推算或估算渦輪導向器的溫度分布，但T4*溫度場分布不能完全代表導向器區域的溫度場分布[2]；二是在渦輪導向器上焊接熱電偶測量，但使用熱電偶測試時，焊接要避開冷卻氣膜孔，焊接數量受限，引線困難，且干擾氣流流動。示溫漆是一種溫度傳感特種涂料，特別適用于一般溫度傳感器無法或難以測量的場合，被廣泛應用于航空發動機熱端部件、旋轉件、復雜構件表面等的溫度測量。本文采用中國燃氣渦輪研究院自行研制的示溫漆[5～7]，在整機試驗狀態下對高壓渦輪導向器表面溫度及溫度場分布進行了測試。

2 示溫漆測試方法

示溫漆是一種溫度敏感涂料，涂敷在物體表面，檢測物體的受熱及溫度狀況。其在特定溫度范圍內呈現特定顏色，通過顏色變化來指示物體表面溫度及溫度分布，從而實現間接測溫的目的。示溫漆的選擇一般根據試驗件溫度分布的大致范圍確定。圖1是渦輪導向器數值模擬計算溫度場分布云圖，本文選擇的示溫漆型號及溫度范圍如表1所示。目前，示溫漆判讀溫度的方法一般采用人工判讀法，劉國杰等[8～9]對示溫漆測試判讀誤差進行了分析，給出的精度為±(5～20)℃。國內大都采用顏色進行標定和判讀，這種標定和判讀誤差為±50℃以上。中國燃氣渦輪研究院對示溫漆的標定和判讀基于等溫線進行，采用熱電偶對示溫漆變色后兩種顏色之間的分界線進行標定校準，即對等溫線進行標定校準和判讀，判讀精度可達±10℃。示溫漆峰值恒溫3 min標準試片等溫線標定溫度如圖2所示。

圖1 渦輪導向器溫度場云圖Fig.1 The temperature field distribution of turbine nozzle

表1 示溫漆型號及溫度范圍Table 1 The temperature range and kinds of temperature-sensitive paint

圖2 標準試片等溫線溫度值Fig.2 The temperature of standard model

3 高壓渦輪導向器表面溫度測試

高壓渦輪導向器表面溫度測試試驗在室內地面試車臺進行。試車臺如圖3所示，由進氣防塵網、流量管、發動機、發動機安裝架、排氣擴壓氣、試車控制系統、數據采集系統等組成。試驗時，發動機起動后在慢車狀態停留5 min，接著在最大狀態停留3 min，最后回到慢車狀態停留5 min后停車，冷卻后分解進行溫度判讀。測試發動機的技術狀態見表2。

圖3 渦輪導向器試驗試車臺Fig.3 The turbine nozzle test rig

表2 發動機技術狀態Table 2 Engine technology conditions

4 結果及分析

4.1 判讀結果

渦輪導向器實際安裝位置(區域1在正上方)和試驗后示溫漆變色情況見圖4，試驗前示溫漆型號及顏色見圖5，試驗后區域1～6判讀分別見圖6～圖11。

圖4 渦輪導向器安裝位置及示溫漆變色情況Fig.4 The location of nozzle and temperature-sensitive paint

圖5 渦輪導向器試驗前顏色Fig.5 The original color of turbine nozzle

圖6 區域1試驗后圖片Fig.6 The color picture of region1 after test

4.2 結果分析

(1)從圖6～圖11可看出，渦輪導向器6個區域的溫度分布不同，如渦輪導向器排氣邊尾緣處最高溫度大于890℃(圖7(e))，最低溫度在765℃以下(圖9(c))。說明渦輪導向器周向溫度不均勻，這主要是由于火焰筒出口溫度不均所致。

(2)低溫區溫度分布見圖6中635℃、685℃等溫線溫度，圖7中500℃、610℃、650℃等溫線溫度，圖8中680℃等溫線溫度，圖9(b)中550℃、610℃、650℃等溫線溫度，圖10中710℃等溫線溫度。該區域外端是渦輪導向器安裝固定邊，內端是渦輪導向器鉸支端，不直接面對高溫燃氣氣流，兩端與機匣相聯，加之機匣冷卻氣流的冷卻作用，使得其表面溫度較低。

(3)高溫區溫度分布見圖6中835℃、855℃等溫線溫度，圖7中805℃、840℃、890℃等溫線溫度，圖9中765℃、906℃等溫線溫度，圖10中850℃等溫線溫度。最高溫度出現在渦輪導向器前緣，見圖11(a)中960℃等溫線溫度，該區域位于渦輪導向器前緣中部左右，直接面對高溫燃氣氣流，承受最高燃氣溫度，同時也承受著由于燃燒室混合流動造成的自由流高湍流度[10]。雖然壓力面有冷卻氣膜孔，但由于導向葉片前后緣較薄，熱慣性較小，受熱速度快，在導向葉片內產生很大的溫度梯度，使前后緣產生很大的熱應力，因此該區域溫度高于其他區域溫度。

(4)圖8中用單變色示溫漆，目的是為了觀測高壓渦輪導向葉片表面溫度是否達到或超過該溫度。對于用幾個葉片做成一組的導向葉片，在溫度場測試中效果不好，應盡量不用或少用。

(5)此次試驗，發動機最大狀態峰值時間與示溫漆校準標定的峰值時間相同，示溫漆等溫線判讀精度為±10℃，示溫漆測試判讀結果與圖1中的溫度場云圖吻合較好。

圖7 區域2試驗后圖片Fig.7 The color picture of region 2 after test

圖8 區域3試驗后圖片Fig.8 The color picture of region 3 after test

圖9 區域4試驗后圖片Fig.9 The color picture of region4 after test

5 結束語

高壓渦輪導向葉片的工作環境十分惡劣，除受較大的氣動力與不穩定的脈動負荷外，還處于高溫燃氣的包圍中，溫度高，冷熱變化大，溫度嚴重不均，葉片表面溫度是評估其熱疲勞強度的重要參數，必需測量所有導向葉片的表面溫度才能得出其溫度場分布。本文利用中國燃氣渦輪研究院研制的不可逆示溫漆，成功錄取了整個高壓渦輪導向器的表面溫度及溫度場分布，取得了較好的效果。隨著多變色不可逆示溫漆校準標定精度的提高，研發出溫度跨度大、間隔小、色差明顯、變色溫度高的多變色不可逆示溫漆，用于航空發動機熱端部件、旋轉件、復雜構件表面等的溫度測量，相比其他測試方法會更具優勢。

圖10 區域5試驗后圖片Fig.10 The color picture of region 5 after test

圖11 區域6試驗后圖片Fig.11 The color picture of region 6 after test

[1]隋俊友，張錦，劉興洲.渦扇發動機渦輪導向器故障分析[J].推進技術，2000，21(1)：36—38.

[2]徐可君.渦輪導向葉片故障分析及對策[J].航空工程與維修，1999，(1)：28—29.

[3]許文鋒，朱惠人，張麗.帶冷卻的渦輪葉片溫度場耦合計算工程方法研究[J].汽輪機技術，2008，50(3)：201—203.

[4]Duboue J M，Liamis N，Pate L.Recent Advances in Aero?thermalTurbineDesignandAnalysis[R].AIAA 2000-3355，2000.

[5]熊慶榮，石小江，侯敏杰，等.基于等溫線辨識的單變色不可逆示溫漆及制造涂層的方法：中國，ZL 200910124283.X[P].2012-03-14.

[6]熊慶榮，石小江，侯敏杰，等.基于等溫線辨識的七變色不可逆示溫漆及制造涂層的方法：中國，ZL 200910124284.4[P].2012-03-14.

[7]熊慶榮，石小江，侯敏杰，等.基于等溫線辨識的五變色不可逆示溫漆及制造涂層的方法：中國，ZL 200910124285.9[P].2012-03-14.

[8]劉國杰.特種功能性涂料[M].北京：化學工業出版社，2002：58—69.

[9]張興，薛秀生，陳斌，等.示溫漆在發動機測試中的應用與研究[J].測控技術，2008，27(1)：18—20.

[10]戴萍，林楓.燃氣輪機葉片氣膜冷卻研究進展[J].熱能動力工程，2009，24(1)：1—6.

Surface Temperature Measurement of Turbine Nozzle Based on Temperature-Sensitive Paint

XIONG Qing-rong，SHI Xiao-jiang，XU Fang，ZHONG Ming
(China Gas Turbine Establishment，Jiangyou 621703，China)

The testing methods and precise distribution of temperature fields of turbine nozzle are of practi?cal and theoretical significance for the design and improvement of turbine nozzle.Temperature-sensitive paint was adopted to measure the surface temperature of HPT nozzle under maximum operating conditions. The test results proved that the temperature-sensitive paint can adhere to turbine nozzle firmly in the course of experiment with clear isotherm;the temperature field distribution of turbine nozzle was measured successfully,which could be helpful to analyze the thermal stress and life of the turbine nozzle.

aero-engine；turbine nozzle；surface temperature measurement；temperature field distribution；temperature-sensitive paint；isotherm

V231.1；TK311

：A

：1672-2620(2014)03-0044-05

2013-10-18；

：2014-06-16

熊慶榮(1959-)，男，貴州修文人，高級工程師，主要從事發動機測試技術研究。