透平葉片熱態沖蝕實驗系統設計與實現

鄭凌翔， 黃新友， 張志英， 張銀君， 魯嘉華

(1. 上海工程技術大學 機械工程學院， 上海 201620；2. 河池學院 物理與機電工程學院， 廣西 宜州 546300)

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透平葉片熱態沖蝕實驗系統設計與實現

鄭凌翔1， 黃新友1， 張志英1， 張銀君2， 魯嘉華1

(1. 上海工程技術大學 機械工程學院， 上海 201620；2. 河池學院 物理與機電工程學院， 廣西 宜州 546300)

設計并實現了一種用于實驗研究透平葉片沖蝕成因、沖蝕行為和規律的中高溫、低馬赫數(Ma<0.3)負壓風洞實驗系統。采用引風機提供負壓環境，空氣電加熱器對氣流進行可變溫加熱，翅片管式換熱器對二相流降溫，袋式除塵器回收沖蝕顆粒，并使用監控PC機通過DIGATTOT串口服務器進行實驗數據采集和試驗系統監控。經測試,系統最高溫度可達750℃，氣固兩相流顆粒濃度可調，沖蝕速度可調，可0°～90°任意沖角調節。系統通過了溫度、速度穩定性測試以及換熱器性能測試。

熱態沖蝕； 負壓； 氣固兩相； 數據通信； MCGS

0 引 言

固體顆粒沖蝕(Solid Particle Erosion, SPE)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一種材料損耗現象或過程現象，普遍存在于電力、機械、鋼鐵、航空、化工等行業，已成為材料破壞或設備失效的重要原因之一[1-3]。從20世紀90年代至今，國內外基于透平氣固兩相流動的葉片沖蝕研究取得了諸多進展[4-8]，但是這些成果大多是基于數值模擬，數值模擬中所作的假定和簡化往往跟實際情況相比存在一些誤差。國內外在開展數值模擬的同時，盡管也進行了一些實驗研究并取得了相應的成果，如劉觀偉等建立了高溫、高速沖蝕實驗系統，并進行了一些透平葉片的沖蝕實驗研究[9-16]，但是現階段沖蝕實驗研究范圍依然比較狹窄，尤其關于煙氣輪機葉片針對不同葉片表面處理工藝下抗沖蝕特性的系統性實驗研究還十分缺乏。

沖蝕實驗系統的設計關鍵是相對真實地模擬出葉片的工作環境，從而能夠在擬真實工況下研究葉片的沖蝕特性，如氣固兩相氣流的均勻與穩定性，扭曲型面受沖蝕的工況實現，氣固兩相流體噴口與試件面積匹配，高溫條件下實驗數據的測量與傳輸以及監控系統設計是本文的重點研究對象。

1 沖蝕實驗系統設計

本文采用負壓氣流驅動，電加熱器對氣流加熱，高溫負壓顆粒添加，煙氣冷卻，以及數字監控，建成了具有通用性和寬參數范圍的中高溫、低馬赫數(Ma<0.3)熱態負壓風洞實驗系統。系統的整體框架如圖1所示，系統設計為負壓系統，由引風機驅動系統中流體的定向流動。外界空氣經電加熱器加熱后在星形加料閥處混入微小顆粒物形成氣固二相流，氣固二相流在收縮噴嘴處進行加速，加速后的氣固二相流經直段穩定，穩定的氣固二相流進入實驗段沖蝕試件，沖蝕后的氣固兩相流經熱交換機冷卻后在袋式除塵器進行氣固分離，形成符合排放要的氣體最后由引風機排出。煙氣輪機工作的高溫煙氣溫度約為650℃，實驗系統最高溫度可達750℃。為了減少系統煙氣熱量損失和確保實驗安全，在管道外部包裹200～300 mm的硅酸鋁隔熱材料，當管道內部煙氣溫度達到750℃時，經測量外包最高溫度不超過45℃。

1-空氣電加熱器， 2-星形加料閥， 3-顆粒料斗， 4-收縮噴嘴， 5-直管段， 6-實驗段， 7-熱交換器， 8-冷卻水箱， 9-袋式除塵器， 10-引風機

圖1 沖蝕實驗系統框架

為了保證風洞系統能夠耐高溫抗氧化，風洞管道選用316不銹鋼18Cr-12Ni-2.5Mo, 因添加Mo，故其耐蝕性、耐大氣腐蝕性和高溫強度特別好，可在苛酷的條件下使用；加工硬化性優(無磁性)。引風機為系統的動力源，為沖蝕風洞系統提供負壓環境，驅動空氣從加熱器進氣口進入管道，并以一定的速度在管道中流動，引風電機通過一臺變頻器實現變頻調速，可調節電機的輸入頻率、流體的流速，使之滿足不同沖蝕條件下的實驗。設備的性能參數：功率7.5 kW，額定轉速1 650 r /min，極限壓力49 kPa，最大進口流量4 m3/min。

換熱系統由換熱器、水箱、水泵、管路以及儀表傳感器組成，確保實驗后的含塵氣體至除塵器前達到安全溫度。在換熱系統中加入水箱，水泵從水箱抽水進入換熱器，換熱器流出的水再次進入水箱，當水箱水溫過高時進水電磁閥開啟，冷水進入水箱，同時熱水從頂部溢流口流出，相比直接用自來水然后排出，可減少實驗用水。換熱器采用翅片管式換熱器，其主要優點是單位體積所具有的傳熱面積大，傳熱效果好，結構堅固。設計換熱面積25 m2，水泵功率0.75 kW，流量4 m3/h，水箱體積設計為2.5 m3。

負壓系統的最大好處是確保微米級的顆粒在穩定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。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；同時，管道內的空氣被強制排出到外界，管道內的空氣為主動排風，循環更加高效；傳統的正壓系統實驗用顆粒由于風道內的壓強大于外界大氣，粒子不能很好地進入流道內的流體之中，并且空氣變為被動排風，不利于管道內的空氣循環。

2 沖蝕實驗系統實現

建立穩定的氣固兩相流場是實驗的根本保障，關鍵是顆粒物是否能夠勻速進入管道與氣流混合形成穩定濃度的氣固二相氣流。加塵系統由顆粒漏斗和星型加料閥組成，如圖2所示。加料閥內部結構如圖3所示，有一根直徑80 mm的滾軸，滾軸上均勻分布直徑9 mm的半球形凹槽，滾軸由電機驅動。加塵時，電機驅動滾軸轉動，落入半球形凹槽的微小顆粒物隨著滾軸轉入下方后在自身重力和系統負壓產生的吸力雙重作

圖2 加塵系統

圖3 星型加料閥內部結構

用下進入風洞系統。由于每次落入凹槽的顆粒物數量相同，因此整個落沙過程是均勻的。通過調節電機的轉速可調節微小顆粒物進入系統的速度，從而調節氣固二相流的濃度。

在沖蝕實驗過程中，沖擊到試件表面的含塵氣流速度不能發生衰減，否則試件表面不同區域將承受不同速度和溶度的顆粒沖蝕，這樣將無法根據實驗結果得出正確的結論。根據無限空間射流理論可知，射流核心區的氣流速度與噴口保持一致未發生衰減。對于沖蝕實驗系統來說,試件的沖蝕面應全部位沖蝕面上承受相同速度和溶度的顆粒沖蝕。

試件的沖蝕面積需要根據噴口的直徑計算出射流核心區的空間位置，然后根據噴口距離、試件的距離計算得出。無限空間射流的結構如圖4所示。射流的湍流脈動造成射流與周圍介質發生質量和動量交換，使射流質量流量和斷面面積沿射流方向不斷增加，并使射流主體速度逐漸降低。噴口附近速度保持射流出口速度u0的區域稱為射流核心區，其余部分稱為邊界層。以射流核心消失的斷面為過渡面，將射流分為起始端和主體段，沿射流方向，主體段射流區域逐漸擴大，軸心上的速度um不斷降低，主體段完全處于射流邊界層內。圖中:x0表示極點Ma到噴口的長度；r0為噴口半徑；s為射流長度；sn為射流核心區長度;R為射流斷面半徑。

圖4 射流結構及速度分布

根據實驗，射流有以下基本特征。

(1) 射流邊界基本上是直線。圖中α稱為擴散角，并且有：

(1)

式中，a為湍流系數，圓斷面射流的湍流系數a=0.08，對應的擴散角約為15°。

(2) 射流各斷面處的速度分布具有相似特征，可以表示為

(2)

(3) 射流各斷面上動量守恒，即任意斷面處的動量等于出口處的動量：

(3)

根據幾何相似，圓斷面射流有：

(4)

由式(2)和(3)得:

積分后得到圓斷面射流的軸心速度為:

(5)

當um=u0時，可以得到射流核心長度：

sn=0.671r0/a

(6)

本實驗系統選取噴口半徑r0=12 mm，根據式(6)得射流核心長度:

sn=0.671×0.012/0.08=0.100 7 (m)

據此可以確定射流核心區的范圍，如圖5所示。取試件至噴口的距離L=0.04 m(實際測量值)，根據相似三角形邊長關系可以求出L處核心區截面直徑：

0.014 4 (m)

圖5 核心區示意圖

由上述計算結果，受沖蝕實驗的試件沖蝕面取為直徑15 mm的圓。

試件座的設計需要考慮兩方面因素：① 能夠進行多角度旋轉，實際葉片為扭曲狀，不同位置承受不同角度的沖蝕磨損；② 需要保證試件安裝后其幾何中心在旋轉過程中相對于噴口位置不發生改變，即試件沖蝕面幾何中心應在轉軸的軸線上；③ 系統為熱態沖蝕實驗系統，試件應便于直接從夾具中取出和裝入，否則將嚴重影響實驗效率。試件及試件座的設計如圖6、7所示。實驗系統中轉軸左端與角度卡盤上角度調節手柄相連，轉動角度調節手柄即可帶動轉軸轉過相應的角度，卡盤上有18個相位孔，可進行0°～90°沖蝕角度調節。

圖6 轉軸、試件座裝配前

圖7 轉軸、試件座裝配后

數據采集監控系統如圖8所示，包括多種類型多個傳感器、多個控制對象。為了實現計算機對各部件的實時監控和數據采集，我們使用RS485通信協議將所有部件連入DIGATTO T系列串口服務器。工業控制計算機通過雙絞線與DIGATTO T系列串口服務器相連，采用TCP/IP協議登錄串口服務器，因此工業控制計算機便可通過串口服務器實時獲取各傳感器采集信息，并對相應控制對象進行控制。

圖8 數據采集監控硬件系統

圖中DIGATTO T系列串口服務器是一款基于TCP/IP協議的通訊服務器，攜帶16個RS485串行口，并還有一個100M/10M自適應的以太口，所有串行數據可以通過以太口進行收發。系統中溫度采集使用電阻溫度計和熱電偶溫度計，熱電阻傳感器型號為Pt100，電阻溫度計用于低溫測量，如換熱器進水口、出水口溫度以及換熱器后管道溫度。熱電偶為K型熱電偶，用于高溫測量，如電加熱器爐膛溫度、實驗段溫度以及換熱器進氣口溫度。SPW測量顯示儀用于測量和顯示溫度、壓力信息，支持RS485通信。電磁閥用于水箱水溫過高時，開啟向水箱注入冷水，ADAM4050為數字量輸入輸出模塊并帶有RS485通信接口。接近開關和ADAM4080用于測量落沙電機轉速，ADAM4080為32位計數器，并帶有RS485通訊接口，可測量接近開關的頻率從而計算出電機轉速并反饋至計算機。翻柱液位計和ADAM4017用于水箱水位的測量，ADAM4017為8通道模擬量輸入模塊帶有RS485通信接口。ADAM4051為16路隔離數字量輸入模塊帶有RS485通信接口，用于測量角度調節卡盤的位置，從而識別當前的沖蝕角度并反饋至計算機。其余模塊均帶有RS485通訊接口直接與串口服務器相連。壓力風速儀檢測端與畢托管相連，用于測量管道氣體流速，型號為DP10000-T1。

為了確保風洞系統能夠達到實驗所需各項參數指標(主要包括實驗段內溫度、氣流速度、顆粒濃度)以及讓實驗結果更具說服力，測點的布局也十分關鍵，傳感器的安放位置主要考慮兩點： ① 是否為系統運行重要參數或為實驗過程的控制變量的監測點；② 裝入傳感器后是否擾動氣流(如：用于氣流穩定的直段部分不應裝入溫度傳感器)。

數據采集監控軟件系統的設計主要考慮風洞系統運行安全、高效、穩定、節能、人機交互友好等方面因素，其中安全性最為重要。本系統采用MCGS組態軟件進行組態，通用監控系統(Monitor and Generated System,MCGS)是一套基于Windows系統的、用于快速構造和生成上位機監控系統的組態軟件系統。監控界面如圖9所示，整個界面按照實際現場布局情況繪制，采用動態畫面顯示各部分運行狀態(如引風機開啟，則管道中立刻出現流動氣流并且氣流顏色隨溫度變化，當水泵開啟后管路立刻出現水流，落沙機開啟后立刻出現物料流入管道)，界面中實時顯示各個傳感器檢測數值。在控制界面設置加熱溫度、風機頻率控件以及相關實驗數據輸入選項。當溫度接近實驗溫度時，界面有字幕閃動提醒實驗人員準備落沙，當水箱溫度、實驗段溫度、爐膛溫度超過報警溫度時，電加熱器自動停止加熱并報警。實驗過程中，系統自動將傳感器采集的數據保存至數據庫中，方便實驗者后期對實驗數據的查看和整理，MCGS默認使用Microsoft Access數據庫作為歷史存盤數據庫，用數據庫技術來管理和維護存盤數據。

圖9 數據采集監控硬件系統

3 系統性能測試

本沖蝕系統主要用于研究不同溫度、不同速度、不同沖蝕顆粒條件下不同材質的沖蝕特性，沖蝕建成后，進行了沖蝕溫度穩定性實驗、沖蝕速度穩定性實驗。

測試過程中,選取了200℃和300℃，加速前氣流速度均為8 m/s(加速噴嘴加速比為1∶17)情況下進行沖蝕實驗各20次，每次實驗待溫度、風速穩定后間隔1 min記錄1次,溫度數據記錄3次，每次實驗持續4 min。當溫度設定為200℃時實際溫度曲線如圖11所示，當設定為300℃時實際溫度曲線如圖12所示，從圖11和12可以看出,兩種情況下實驗段內溫度誤差基本穩定在±4℃以內，溫度穩定性良好。兩種溫度情況下對應的風速分別如圖13、14所示，速度誤差在±0.2 m/s以內波動，速度穩定性良好。

圖10 設定溫度200℃對應實驗段實際溫度曲線

圖11 設定溫度300℃對應實驗段實際溫度曲線

圖12 200℃設定風速8 m/s對應實際風速曲線

在完成相關性能測試后，在該實驗系統上進行了多個工況的沖蝕實驗，其中包括1Cr12Mo基材(該材料適用于450℃以下的汽輪機葉片、壓氣機導向葉片)的沖蝕實驗。沖蝕顆粒選用200目石英砂，顆粒速度設定為82 m/s，分別在200℃和300℃溫度，10°～90°，9個角度下進行沖蝕實驗，將獲取的沖蝕實驗數據采用4次多項式擬合生成如圖14沖蝕曲線。由曲線可以看出，1Cr12Mo基材最大沖蝕率出現在20°～25°沖蝕角之間，而200℃下的沖蝕率略高300℃下的沖蝕率，與材料理論沖蝕特性一致。

圖13 300℃設定風速8 m/s對應實際風速曲線

圖14 1Cr12Mo基材200℃與300℃下的沖蝕曲線

4 結 論

(1) 設計了一種用于負壓風洞系統的加塵裝置，該裝置氣密性良好，能夠將顆粒物勻速送入風洞系統中，避免了正壓系統下氣固兩相流場不容易均勻穩定和高溫氣流容易外泄的缺陷。

(2) 根據無限空間射流結構模型，以給定的噴口直徑為基礎，計算出試件沖蝕面積大小，克服了在過大實驗面積上因氣固兩相流體分布非均勻性引起的沖蝕率誤判。

(3) 建立了基于RS485通訊協議和串口服務器的數據采集監控系統，并使用MCGS組態軟件完成了上位機交互軟件設計，提升了實驗效率和高溫條件下數據采集的安全性，滿足了數據處理與實驗結果分析比對的要求。

(4) 通過對系統穩定性測試和實際對1Cr12Mo材質的沖蝕實驗表明，實驗系統在關鍵參數實現上達到了預期目標。

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Design and Implementation of Turbine Blade Hot Erosion Experiment System

ZHENGLing-xiang1,HUANGXing-you1,ZHANGZhi-ying1,ZHANGYin-jun2,LUJia-hua1

(1. College of Mechanical Engineering, Shanghai University of Engineering Science, Shanghai 201620, China;2. College of Physics and Mechanical Electronic Engineering, Hechi University, Yizhou 546300, China)

This paper proposes a design and implementation of thermal and negative-pressure wind tunnel testing system for middle-to-high temperature and low Mach number (Ma<0.3). Draft fan is used to build negative pressure environment, air heater is used to heat airflow, finned-tube heat exchanger is used to cool two-phase flow, dust collector is used to recycle erosion particle and PC is used for experimental data acquisition and test system monitoring via the serial port server DIGATTOT. System framework and the inhalating approach of dust are introduced. The distance from spout to erosion surface is computed, and data acquisition and control unit are introduced. PC and DIGATTOT series serial server are used for telnet communication, the communication of server with all the sensors and control elements is completed by RS485 serial interface. PC interface is completed by using industrial configuration software MCGS. After testing, the maximum temperature of the system reaches 750℃, gas-solid flow particulate concentrations and erosion speed are all adjustable. The angle of attack can be arbitrarily adjusted with the range of 0°-90°. By the temperature, velocity and heat stability tests, the experiment station has reached the design target.

hot erosion; negative-pressure; gas-solid; data communication; MCGS

2015-06-04

上海市教委085工程項目(JR0901)

鄭凌翔(1990-)，男，湖北鐘祥人，碩士生，研究方向為透平熱態氣動實驗。Tel.: 13248251786; E-mail：lingxiang817@sina.com

魯嘉華(1960-)，男，上海人，博士，教授，主要研究方向為多相流體動力學的數值分析與驗驗研究。

Tel.: 021-67791007; E-mail: lujiahua@ sues. edu.cn

TP 271.3

A

1006-7167(2016)03-0064-06