基于MCGS的葉片熱態沖蝕試驗系統設計

張 瑞， 張 浩， 魯嘉華

(上海工程技術大學 機械工程學院， 上海 201620)

基于MCGS的葉片熱態沖蝕試驗系統設計

張 瑞， 張 浩， 魯嘉華

(上海工程技術大學 機械工程學院， 上海 201620)

為滿足熱態沖蝕試驗過程中高效性、安全性以及試驗條件穩定性的要求，設計了基于MCGS組態軟件二次開發的熱態負壓沖蝕試驗系統。采用空氣電加熱器對氣流加熱，變頻引風機提供氣流流動動力，星形給料閥添加沖蝕顆粒，翅片管式換熱器降溫，LCDM-4.5型袋式除塵器收集試驗顆粒。結合試驗系統硬件設計，通過 MCGS組態軟件對其監控系統和數據采集系統進行設計，裝有MCGS組態軟件的工控機通過Telnet協議登陸串口服務器，對試驗系統進行實時監控并進行試驗數據采集。運行試驗表明，該系統具有人機界面友好、運行安全、高效、性能穩定、操作簡單等特點，實現了試驗條件控制、系統狀態監控、動畫顯示、歷史數據輸出等功能，滿足不同沖蝕條件下對不同材質的沖蝕特性試驗。

MCGS； 監控； 數據采集； 熱態沖蝕

0 引 言

20世紀90年代至今，國內外學者關于基于氣固兩相流動的葉片沖蝕研究取得了諸多成果[1-5]，這些成果大多基于數值模擬得到，具有一定參考意義，但與實際情況有所差距，如顆粒圓球狀假設與多棱表面的出入對沖蝕效果的誤差；湍流模型不完善對L-E或E-E模型的影響等。與此同時，也出現了多種能夠進行關于氣固兩相沖蝕試驗研究的試驗系統[6-8]，如王順森等[9]研制的汽輪機噴嘴固粒沖蝕模塊試驗系統，在一定程度上可進行較為真實的高溫高速氣固兩相流沖蝕試驗。但這些試驗系統在實驗過程中存在氣固兩相氣流不穩定或實驗條件不穩定現象，試驗可靠性受到一定的影響。

研制葉片熱態沖蝕試驗系統的關鍵在于能夠相對真實地模擬出葉片的實際工作環境，而其中最為重要的是試驗過程中氣固兩相氣流的穩定性和均勻性以及所設定試驗條件如風速、溫度、固體顆粒的濃度等達到預期的精準性和數據采集的可靠性，同時也要考慮試驗系統運行過程中的安全性、高效性和節能性。針對以上要點，本文以MCGS(Monitor and Control Generated System)組態軟件為開發平臺，設計一套新型的熱態負壓沖蝕試驗系統，通過人機交互，使試驗研究所設定的試驗條件更易實現，更易控制，試驗條件更加穩定，從而能確保試驗結果的實用價值。

1 葉片熱態沖蝕試驗系統的硬件設計

1.1 系統設計方案

沖蝕試驗系統設計成空氣電加熱器加熱，變頻引風機提供氣流流動動力，星形給料閥添加顆粒，翅片管式換熱器降溫，LCDM-4.5型袋式除塵器收集實驗顆粒的中高溫、低馬赫數(Ma<0.3)負壓風洞沖蝕系統?？諝怆娂訜崞鞴ぷ鳒囟茸罡呖蛇_750 ℃，升溫速率快，達10 ℃/min，溫度調節方便，穩定性好且對環境無污染；變頻引風機通過變頻調速，從而控制氣固兩相流流速，進而實現不同氣固兩相流體速度下的沖蝕試驗。另外，變頻引風為沖蝕試驗系統提供負壓環境，避免試驗加塵過程中顆粒下落不穩定的現象，提高氣固兩相流濃度的穩定性，也可消除實驗過程中高溫氣體泄露對實驗人員的安全隱患；袋式除塵器作為干式濾塵裝置，將氣固兩相流中的固體顆粒分離出來，實現氣體的無害排放。沖蝕實驗系統結構圖如1所示，整個系統可分為入口段、穩定段、試驗段、冷卻過濾段和排出段，為保證實驗過程中氣流中的顆粒在進入試驗段后對實驗件有足夠的沖蝕速度，又兼顧試驗中兩相流體射流擴散均勻性范圍，管道橫截面積的收縮比設計成16∶1。葉片熱態沖蝕試驗時，為了確保沖蝕試驗系統能夠較為準確地達到實驗所需的實驗條件，參數測點布置應當考慮：① 測點所處位置應是實驗條件穩定區域(如氣固兩相流流速測點)；② 傳感器對實驗條件無影響或影響最小；③ 滿足測量要求前提下測點盡可能少。

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 沖蝕試驗系統結構圖

1.2 系統硬件設計

根據系統設計方案的要求，設計數據采集和控制系統，系統的硬件結構框圖如圖2 所示，根據沖蝕試驗系統硬件功能的不同，可將整個沖蝕系統分為集中管理監控層和現場測控執行層[10]。

圖2 系統硬件結構框圖

(1) 集中管理監控層。集中管理監控層包括安裝MCGS組態軟件開發應用程序的工控機和串口服務器，是沖蝕系統監控和測量的關鍵部分，負責調節現場測試執行層來達到實驗所要求的條件以及采集實驗過程中各種數據并將其保存在數據庫中，方便后期查看和整理。系統采用DIGATTO T系列串口服務器，攜帶16個RS-485串行口，通過RS-485通信協議將所有現場測控執行層的傳感器、控制件連入串口服務器，工控機通過Telnet協議登陸串口服務器，進而控制現場測試執行層的傳感器、控制件。型號為DP1000-T1的智能壓力風速儀具有RS-232串行通信接口，可與工控機進行通信，用于測量系統管道內氣固兩相流體流速并反饋至工控機。

(2) 現場測控執行層。根據系統設計方案，現場測控執行層的主要目的是通過控制該層的控制件，如電加熱器控制柜、引風機變頻器、水泵控制柜等來達到實驗過程中所要求的試驗條件。試驗過程中，根據試驗系統裝置各位置的傳感器測得的實時數據(見圖1)調節控制件。

其中，電加熱器控制柜被工控機用于控制電加熱器的啟停進而控制系統管道內的溫度，電加熱器控制柜如圖3所示；水泵控制柜用于控制翅片管式換熱器內水的流量從而控制系統冷卻過濾段中氣固兩相的溫度，水泵控制柜如圖4所示；RB600變頻調速器采用32位處理器，支持RS-485串口通信功能，擁有較高的運算速度和控制精度，用于控制引風機的頻率進而控制系統管道內的風速；XS分析天平帶有RS-232通信接口，精度為0.01 mg,用于測量并記錄試驗葉片質量的損失。此外，系統配套有KQ2200型超聲波清洗器用于去除試驗葉片上的顆粒。

圖3 電加熱器控制柜圖4 水泵控制柜

2 葉片熱態沖蝕試驗系統的軟件設計

2.1 MCGS組態軟件介紹

MCGS系統[11 -15]包括組態環境和運行環境兩部分，組態環境幫助用戶根據用戶自己的需求設計和構造自己的應用系統，運行環境則是按照用戶制定的方式運行組態環境中設計的組態工程，通過對工程的控制及處理，實現用戶在組態環境中設計的功能。本文中沖蝕試驗系統軟件設計采用的是MCGS組態軟件通用版6.2版。

2.2 試驗系統組態過程

MCGS開發環境由主控窗口、設備窗口、用戶窗口、實時數據庫和運行策略五部分組成，根據前面沖蝕試驗系統硬件的設計，運用MCGS組態軟件對該系統進行組態設計，具體組態過程如下所示。

(1) 主控窗口組態。對菜單組態即運行環境菜單進行設置和定義以及對腳本程序進行編寫，其中包括主界面、發塵系統、熱交換系統、抽風系統、新實驗、實驗前參數輸入、報警設置、報警查詢、數據查詢、轉化Excel、退出系統等項菜單屬性設置和腳本程序的編寫。對主控窗口屬性包括基本屬性、啟動屬性、內存屬性、系統參數、存盤參數進行設置。啟動屬性設置如圖5所示。

圖5 啟動屬性設置

(2) 設備窗口組態。 設備窗口是MCGS系統的重要組成部分，通過設備窗口將組態系統與外部硬件設備連接起來，從而能夠使通過系統實時監控外部設備的工作狀態并讀取實驗過程中的相關數據。MCGS組態軟件系統提供了典型的上百種的設備驅動程序，從中選擇適合本沖蝕試驗系統的硬件設備的驅動程序。對于沖蝕系統中智能壓力風速儀、壓力變送器、XS分析天平、渦輪流量計，MCGS組態環境沒有提供了相應的設備驅動程序，需要在設備工具箱內增加相應的新的設備，根據它們的驅動程序所在的路徑，安裝相應的新增驅動程序。全部設備驅動程序安裝完畢后，分別對沖蝕試驗系統不同的硬件設備進行屬性設置，其中包括設置設備構件的基本屬性，建立設備通道和實時數據庫之間的連接，設備通道數據處理內容的設置和硬件設備的調試。圖6和圖7分別為智能壓力風速儀的基本屬性設置和通道連接設置。

圖6 基本屬性設置

(3) 用戶窗口組態。新建“主界面”“加塵系統”“熱交換系統”“抽風系統”“報警設置”“報警查詢”“試驗前參數輸入”“設備通訊”“數據查詢”“參數確認”“試驗后參數輸入”“實驗前參數輸入”“刪除確認”“設置時間”“錯誤”等窗口，對于各個窗口，在動畫組態窗口內，根據窗口所表達的內容需要，插入相應的原件設計動畫界面，并對各個窗口的窗口屬性進行設置設置實現人機交互界面。

圖7 通道連接設置

(4) 實時數據庫組態。 實時數據庫是MCGS系統的核心，MCGS開發環境內各個部分均以實時數據庫為公用區來交換數據，以此來實現各個部分的協調動作。根據沖蝕實驗系統設計，在實時數據庫窗口創建相應的新增對象，并對其進行基本屬性、存盤屬性、報警屬性等數據對象屬性進行設置，在實時數據庫中，設置了10個字符型數據對象，60個開關型數據對象，106個數值型數據對象，其中字符型數值對象InputETime、InputSTime、InputUser1、InputUser2為系統內建數據對象。

(5) 運行策略組態。根據沖蝕試驗系統正常工作要求，設置不同的運行策略。沖蝕實驗系統共計運用了啟動、退出、循環、事件、用戶5種不同的策略，其中用戶策略包括“單次查詢”“設置SV”“數據查詢”“新實驗”“轉Excel”；事件策略包括“天平測量”“實驗序號改變”等。在策略組態過程中，根據不同的運行策略配置策略構件，對策略屬性進行設置，對包括輸入策略行條件表達式，條件設置，內容注釋在內的策略行條件進行設置，結合所設置的運行策略的特性，進行相應的存盤數據瀏覽構件屬性設置或者編寫腳本程序。

2.3 試驗系統主要功能

完成沖蝕試驗系統組態后，在MCGS運行環境中可實現電加熱器啟?？刂?、引風機頻率的設置、動畫顯示、系統狀態監控、報警設置、實驗前參數輸入、試驗后參數輸入、歷史數據查詢包括單次實驗數據查詢，所有實驗數據查詢、歷史數據輸出等功能。熱態沖蝕試驗系統運行環境如圖8所示。通過控制電加熱器啟停按鈕以及設置引風機頻率來控制沖蝕試驗系統試驗段管道內的溫度和風速，當達到實驗條件并相對穩定時，實驗人員通過星形加料閥添加固體顆粒，同時點擊“開始記錄”按鈕記錄系統監控狀態，系統自動將其保存至歷史存盤數據庫。

圖8 沖蝕試驗系統運行環境

3 沖蝕系統試驗

經多次試驗測試，本沖蝕試驗系統可實驗研究600 ℃及以下溫度，不同沖蝕條件下不同材質的沖蝕特性，試驗過程(每次實驗持續時間約4 min)中試驗段溫度穩定性良好，風速穩定性良好。通過本試驗系統已經順利地完成了多種工況下不同材質的熱態沖蝕試驗，從中選取GH738基材(該材料廣泛用于航空發動機轉動部件)為例，沖蝕顆粒選用200目石英砂；顆粒沖蝕速度設定為82 m/s，在試驗溫度分別為200 ～600 ℃，5個不同溫度，沖蝕角度為10°～90°，9個不同角度下進行沖蝕試驗。將獲取的沖蝕試驗數據通過4次多項式擬合生成如圖9所示的沖蝕特性曲線。通過該材料在設定實驗條件下的沖蝕特性曲線可較直觀地得出如下結論：① 實驗材質在不同沖角、溫度下質量累積損失均隨沖蝕顆粒的質量呈線性變化；② 試驗溫度范圍沖蝕率隨溫度的升高減小，達到最小值后隨溫度的升高而增大，達到最大值后隨溫度的升高而減小，500 ℃時GH738沖蝕率最大；③ 15°～30°沖角之間GH738沖蝕率最大，90°沖角沖蝕率最小。

圖9 GH738基材的沖蝕曲線

通過采用日立掃描電子顯微鏡S-3400N對已試驗的試件進行掃描，從微觀上分析不同條件下，GH738材質的沖蝕形貌。圖10、11所示為GH738材質于300 ℃、70°沖角、沖擊顆粒目數分別為200和500下的SEM沖蝕形貌。從圖中可看到，受200目顆粒沖擊的試件表面所形成的擠壓唇500目的深度更深，且200目顆粒沖擊的試件表面的塊狀和片狀切屑相對于500目的要少的多，符合絕熱剪切理論[16]。

圖10 GH738材質 200目顆粒下SEM沖蝕形貌

圖11 GH738材質 500目顆粒下SEM沖蝕形貌

4 結 論

本文基于MCGS組態軟件，研究和設計了一種新的熱態沖蝕試驗系統。經過超過300次沖蝕試驗表明：

(1) 系統能夠滿足600 ℃及以下溫度，不同溫度、不同固體顆粒、 不同氣固兩相流(不同流速、不同顆粒濃度)、不同沖角下對不同材質的沖蝕特性的試驗研究。試驗研究所設定的試驗條件易實現、易控制；試驗過程中氣固兩相流穩定、均勻，試驗條件穩定，數據采集精確，試驗結果具有實用價值。

(2) 系統操作簡單，人機界面友好，性能穩定，實驗效率高，系統設計為負壓系統為實驗人員消除了安全隱患?？蓪嶒灉囟?、風速進行實時控制，對系統狀態實時監控，并可對歷史數據進行查詢和輸出。

(3) 系統采用電加熱器加熱可流動空氣使系統管道內升溫，利用板翅式換熱器內循環水對高溫的氣固兩相流進行降溫，袋式除塵器對冷卻后的氣固兩相流中的粉塵進行回收利用，剩余氣體可直接排入空氣中，整個實驗過程節能、清潔，對環境無污染。

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DesignofBladeHotErosionTestSystemBasedonMCGS

ZHANGRui,ZHANGHao,LUJiahua

(College of Mechanical Engineering， Shanghai University of Engineering Science， Shanghai 201620, China)

In order to meet the requirements of efficiency, safety and stability of test conditions in hot erosion test. A hot negative-pressure erosion test system is designed based on secondary development of MCGS. An air heater is used to heat airflow, variable frequency induced draft fan is used to provide air flow power, feeder valve is used to add eroded particles, finned-tube heat exchanger is used to cool two-phase flow, LCDM-4.5 bag filter is used to collect test particles. Combined with the hardware design of the test system, the monitoring system and data acquisition system are designed through the MCGS configuration software. The IPC with the MCGS which logs in the serial server monitors the test system through the Telnet protocol in real time collect the test data. The operation test shows that the system has a friendly man-machine interface, safe operation, high efficiency, stable performance, simple operation and so on, it implements the test conditions control, system status monitoring, animation display, historical data output and other functions. It can be used to experimentally study the erosion characteristics of different materials under different erosion conditions.

MCGS; monitoring; data acquisition; hot erosion

TP 271.3

A

1006-7167(2017)11-0082-05

2017-03-15

上海市教委085工程項目(JR0901)

張 瑞(1992-)，男，河南商丘人，碩士生，主要研究方向為透平熱態氣動實驗。

Tel: 18800236173; E-mail: zhangruifuture@sina.com

魯嘉華(1960-)，男，上海人，教授，碩士生導師，主要研究方向為透平機械氣動熱力學及多相流體力學的數值實驗。

Tel.:021-67791007; E-mail:ljh-gcd@163.com