■ 周靈敏 王博 魏佳明 莊達(dá)明 李祎曼/杭州汽輪動力集團(tuán)有限公司

燃?xì)廨啓C(jī)渦輪葉片冷卻設(shè)計在初始階段一般采用數(shù)值計算方法，由于渦輪葉片流動和傳熱機(jī)理復(fù)雜，設(shè)計結(jié)果存在較大的不確定性，需要開展一系列的冷卻試驗進(jìn)行設(shè)計程序的修正和結(jié)果驗證，才能保證渦輪冷卻葉片在燃?xì)廨啓C(jī)中的安全可靠運行。

高溫渦輪冷卻葉片設(shè)計是燃?xì)廨啓C(jī)的核心技術(shù)，其難點之一是如何準(zhǔn)確預(yù)測葉片溫度場，滿足工程需要。高溫渦輪葉片冷卻設(shè)計流程如圖1所示，通過葉片內(nèi)部和外部的數(shù)值計算獲得內(nèi)外邊界條件，最后通過流體計算軟件進(jìn)行葉片的導(dǎo)熱計算，從而獲得葉片溫度場。由于流動和傳熱機(jī)理復(fù)雜，計算結(jié)果存在較大的不確定性，為了獲得準(zhǔn)確的溫度結(jié)果和校準(zhǔn)設(shè)計工具，需要在葉片設(shè)計的不同階段開展不同的冷卻試驗進(jìn)行驗證，主要冷卻試驗有流量試驗、內(nèi)換熱系數(shù)試驗、外換熱系數(shù)試驗、氣膜有效度試驗、綜合冷效試驗和整機(jī)試驗。這些冷卻試驗的開展需要循序漸進(jìn)，在不同設(shè)計階段及時對設(shè)計結(jié)果進(jìn)行修正和驗證，從而保證渦輪冷卻葉片開發(fā)能夠順利進(jìn)行。

葉片流量試驗

冷卻設(shè)計驗證的第一個試驗是流量試驗，為了驗證冷卻設(shè)計的流量和阻力計算是否合理。如果冷卻空氣的流量能夠得到保證，冷卻設(shè)計就不會偏離設(shè)計預(yù)期太遠(yuǎn)。圖2為流量系統(tǒng)公司葉片流量試驗臺，主要進(jìn)行試驗件壓力和質(zhì)量流量測量，其最大流量測量范圍為0.908kg/s，測量精度為±0.48%，重復(fù)測量精度為±0.25%。

葉片流量試驗時，先將大氣通過壓縮機(jī)進(jìn)行壓縮，壓縮過的空氣再依次經(jīng)過儲氣罐、冷卻式/吸附式干燥機(jī)和過濾器，隨后進(jìn)入到試驗段。試驗段有穩(wěn)壓設(shè)備和測量設(shè)備，待測葉片連接在試驗段下游。試驗中需要監(jiān)測大氣溫度和壓力，試驗件進(jìn)口溫度、壓力以及流量等，通過改變進(jìn)入葉片供氣口的壓力，進(jìn)行多個供氣壓力工況下的測試，即可得到冷卻空氣的流量特性。該流量特性和設(shè)計相比對，即可對設(shè)計進(jìn)行一定的修正。

圖1 高溫渦輪葉片冷卻設(shè)計流程

圖2 流量系統(tǒng)公司的葉片流量試驗臺

圖3 葉片流量試驗系統(tǒng)簡圖

圖3為筆者所在團(tuán)隊參考流量系統(tǒng)公司的葉片流量試驗臺所搭建的試驗系統(tǒng)，成本降低了50%。將流量試驗結(jié)果與流量系統(tǒng)公司的試驗結(jié)果進(jìn)行對比，兩者流量偏差在1%以內(nèi)。

內(nèi)換熱系數(shù)試驗

完成流量試驗后，可根據(jù)該冷氣流量開展內(nèi)換熱系數(shù)試驗。在冷氣流量正確的前提下，內(nèi)換熱系數(shù)試驗的測試可以獲得冷氣側(cè)的換熱條件。內(nèi)換熱系數(shù)試驗的方法主要有熱電偶配合電加熱器的間接測量、薄膜熱通量計的間接測量、瞬態(tài)液晶（TLC）顯影測量以及穩(wěn)態(tài)液晶測量等。

其中，TLC顯影測量是比較新的測量方法，試驗系統(tǒng)簡單，使用較多，它的基本原理是在透明的葉片內(nèi)側(cè)涂上TLC涂料，換熱系數(shù)不同的位置涂料變色的速度不同，因此可以通過瞬態(tài)液晶的變色情況來推算換熱系數(shù)。該試驗的主要測試設(shè)備有透明的試驗件、TLC涂料、總溫探針、總壓探針、LED光源、高速攝像機(jī)以及圖像處理程序等。試驗在大氣環(huán)境中進(jìn)行，進(jìn)入冷卻通道的空氣一般需要加熱，與當(dāng)?shù)卮髿庑纬梢欢夭钜约ぐl(fā)液晶顯示。

液晶試驗可以在靜止試驗臺和旋轉(zhuǎn)試驗臺中開展。圖4為伊格納斯等人的靜止試驗臺和法畢帕索等人的旋轉(zhuǎn)試驗臺，其內(nèi)換熱雷諾數(shù)（Re）分別可以達(dá)到200000和60000，換熱系數(shù)的最大試驗誤差分別為7.3%和10%。圖5為宋伊婉等人的試驗件和試驗時液晶的變色情況，可以看出，液晶作為一種影像化的測量手段，可以直觀顯示出葉片內(nèi)壁面的換熱系數(shù)的分布情況，優(yōu)勢明顯。

外換熱系數(shù)試驗

葉片燃?xì)鈧?cè)換熱系數(shù)的計算目前主要是依賴邊界層程序或者經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式計算，但存在著轉(zhuǎn)捩預(yù)測不準(zhǔn)、無法考慮真實葉型等缺點，因此必須進(jìn)行外換熱系數(shù)試驗。

葉片外換熱系數(shù)試驗主要采用基于薄膜熱通量計的直接測量方法和基于熱流量間接計算的間接測量方法。薄膜熱通量計可以測量獲得風(fēng)洞中葉片表面的熱通量，配合熱電偶測得的葉片表面金屬溫度，使用簡單公式計算即可得到葉片的外換熱系數(shù)。而間接方法，則是通過熱電偶獲得金屬溫度，再通過二維溫度計算得到葉片位置的熱流密度，從而計算獲得外換熱系數(shù)。

圖4 葉片內(nèi)換熱試驗靜止試驗臺和旋轉(zhuǎn)試驗臺

圖5 葉片通道試驗件和液晶變色圖

圖6 葉片外換熱試驗臺結(jié)構(gòu)示意圖

綜合來看，外換熱試驗難度較高但可以實現(xiàn)，如索拉公司、美國國家航空航天局（NASA）等很早就開展了葉片外換熱系數(shù)試驗，圖6為索拉公司外換熱系數(shù)試驗臺結(jié)構(gòu)示意圖。哈爾濱工程大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)、西安交通大學(xué)等高校也有類似試驗臺，但測試結(jié)果在公開文獻(xiàn)中不多見。因此，在新的渦輪葉片開發(fā)中，外換熱試驗的工作還須進(jìn)一步研究。

葉片氣膜有效度試驗

氣膜有效度試驗是通過獲得葉片表面的氣膜有效度分布，從而獲得葉片的外部換熱溫度。雖然有大量文獻(xiàn)和數(shù)據(jù)可參考，但對新設(shè)計的葉片，氣膜試驗是必不可少的。目前常用的氣膜有效度的測量方法有使用熱電偶配合加熱器測量、壓力敏感漆技術(shù)（PSP）、瞬態(tài)熱敏液晶技術(shù)（TLC）、穩(wěn)態(tài)熱敏液晶技術(shù)等。其中，PSP技術(shù)是最簡單且目前使用最多的技術(shù)。清華大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)、西安交通大學(xué)、上海交通大學(xué)、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)等都使用過PSP技術(shù)，并積累了較多的試驗經(jīng)驗。試驗用到的設(shè)備和儀器包括風(fēng)洞試驗臺、試驗件、熱電偶、壓力探針、高速攝像機(jī)、圖像分析和處理程序以及試驗氣體（CO2或者N2）等。

PSP測量氣膜有效度試驗包括以下步驟：通過測量風(fēng)洞中葉片表面靜壓等參數(shù)，計算、驗證風(fēng)洞和葉片的氣動特性，驗證完成后再開始?xì)饽ぴ囼灒唤o試驗葉片提供冷卻空氣和測量氣體（一般為CO2或者N2），通過攝像機(jī)拍攝葉片表面的氣體濃度分布；對圖像進(jìn)行后處理和數(shù)據(jù)分析。圖7為清華大學(xué)通過PSP測量氣膜有效度的試驗臺。

圖7 氣膜試驗臺

圖8 高溫葉片綜合冷效試驗臺結(jié)構(gòu)示意圖

綜合冷效試驗

以上試驗只關(guān)注了葉片內(nèi)側(cè)或葉片外側(cè)，且大多采用了簡化的葉片模型，如采用了直葉片、使用了葉片中間截面參數(shù)、忽略了一些細(xì)節(jié)特征等。這些試驗可以較為快速且安全地獲得數(shù)據(jù)，抓住了主要矛盾，但無法從整體上檢驗或校準(zhǔn)葉片的冷卻設(shè)計。因此，往往更受重視的是葉片的綜合冷效試驗，因為它可以直接檢驗葉片的冷卻效果。

GE航空集團(tuán)、西門子公司和索拉公司都建設(shè)了綜合冷效試驗臺，采用真實的燃燒室、渦輪葉片以及二次空氣系統(tǒng)，長時間運行在真實工況下，用于考核真實工況下葉片冷卻設(shè)計的可靠性。此外，綜合冷效試驗臺還可以在高溫模擬工況下開展試驗，獲得模擬工況下葉片表面溫度分布，建立真實工況和高溫工況的相似準(zhǔn)則，以降低掛片試驗的成本和風(fēng)險。西安交通大學(xué)在建的高溫葉片綜合冷效試驗臺結(jié)構(gòu)如圖8所示。試驗系統(tǒng)主要由高壓供氣系統(tǒng)、燃燒室—環(huán)形葉柵—排氣系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)測量監(jiān)視控制系統(tǒng)構(gòu)成。

綜合冷效試驗是綜合檢驗葉片冷卻有效性的難度最大的部件級試驗之一。目前東方汽輪機(jī)廠的G50、北京華清燃?xì)廨啓C(jī)與煤氣化聯(lián)合循環(huán)工程技術(shù)有限公司的CGT-60F等均開展了此項試驗。總體來看，受試驗臺流量能力的限制，地面燃?xì)廨啓C(jī)冷效試驗都采用了一定的降溫?；呗浴?/p>

整機(jī)試驗

在真實的燃?xì)廨啓C(jī)中，渦輪葉片的工作環(huán)境、供氣環(huán)境和試驗的差別往往比較大。即使是綜合冷效試驗也有一定的近似。因此，在燃?xì)廨啓C(jī)整機(jī)設(shè)計、裝配完成后，還需要進(jìn)行整機(jī)試驗。整機(jī)試驗的項目非常多，和葉片冷卻設(shè)計相關(guān)的主要是供氣系統(tǒng)試驗和葉片專項試驗。供氣系統(tǒng)試驗一般需要在腔室或者葉片相應(yīng)位置，布置壓力或者溫度測點，通過分析可以得到葉片供氣系統(tǒng)的信息，由此得到葉片供氣的相關(guān)參數(shù)。葉片專項試驗主要是葉片溫度的測量，可以使用示溫漆、熱電偶、熱晶體、光學(xué)高溫計等方法測溫，配合二次空氣系統(tǒng)參數(shù)的測量結(jié)果，可以分析得到葉片的冷氣流量、詳細(xì)的溫度分布等結(jié)果。

整機(jī)試驗是葉片冷卻設(shè)計的最終檢驗，但測試難度也是最大的，需要綜合考慮多方面因素。目前，在燃?xì)廨啓C(jī)的開發(fā)中，整機(jī)試驗都是必不可少的，渦輪葉片冷卻試驗更是重中之重，但成本很高，難度極大，在國內(nèi)的重型燃?xì)廨啓C(jī)開發(fā)中尚未有完成此項試驗的廠家或案例。

結(jié)束語

本文對燃?xì)廨啓C(jī)渦輪葉片冷卻試驗進(jìn)行了詳細(xì)介紹，在不同設(shè)計階段需要采用不同的冷卻試驗進(jìn)行驗證，例如，利用流量試驗臺驗證渦輪葉片冷卻設(shè)計的流量和沿程壓力分布，通過TLC內(nèi)換熱系數(shù)試驗獲得冷氣側(cè)的換熱條件，通過外換熱系數(shù)試驗和PSP氣膜有效度試驗獲得燃?xì)鈧?cè)的換熱條件，通過綜合冷效試驗從整體上檢驗和校準(zhǔn)葉片的冷卻效果。另外，冷卻試驗過程中需要注意很多問題，例如，流量試驗件增材制造的精度問題、動葉旋轉(zhuǎn)效應(yīng)影響、燃?xì)饬鞯乐芷谛詥栴}等，但這些問題都可以通過后續(xù)的整機(jī)試驗進(jìn)一步解決，最終保證渦輪葉片安全可靠地運行。