傅 駿， 丁志穎， 魯嘉華

(上海工程技術(shù)大學(xué) 機械工程學(xué)院， 上海 201620)

0 引 言

含塵透平出現(xiàn)在整體煤氣化(IGCC)、增壓流化床(PFBC)聯(lián)合循環(huán)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(yè)上得到了廣泛應(yīng)用。同時作為工業(yè)過程余熱再利用系統(tǒng)中的關(guān)鍵裝置，對提升企業(yè)能源利用效率起到了重要作用。改革開放30 年來，累計生產(chǎn)的煙氣輪機共節(jié)電約275×108kW·h，價值約合138億元，經(jīng)濟效益非?？捎^[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(xiàn)象或過程現(xiàn)象。含塵工質(zhì)雖在進入透平前已經(jīng)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(chǎn)生較大程度的磨損和破壞，這種現(xiàn)象普遍存在于電力、機械、鋼鐵、航空、化工等行業(yè)之中，已成為產(chǎn)品氣動性能下降和設(shè)備失效的重要原因之一[2-3]。從而對機組經(jīng)濟性和安全性帶來嚴(yán)重影響。

國內(nèi)外關(guān)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(shù)值模擬研究[10-11]。由于氣固兩相流的復(fù)雜性，數(shù)值模擬研究存在明顯的缺陷，而關(guān)于沖蝕試驗的范圍現(xiàn)階段仍較窄，目標(biāo)分散，對葉片材質(zhì)、涂層、表面處理工藝等抗沖蝕性能的了解仍相當(dāng)有限。本文設(shè)計出一種有效的試驗系統(tǒng)，對持續(xù)開展葉片在復(fù)雜工況下抗沖蝕磨損的試驗研究具有現(xiàn)實意義。

1 熱態(tài)試驗風(fēng)洞系統(tǒng)的設(shè)計

風(fēng)洞試驗系統(tǒng)由加塵系統(tǒng)、熱交換系統(tǒng)和引風(fēng)系統(tǒng)等機械系統(tǒng)組成，并配用相應(yīng)的控制系統(tǒng)對試驗數(shù)據(jù)和儀器進行控制和數(shù)據(jù)實時采集。

加塵系統(tǒng)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(shè)計要求，空氣電加熱器為工作溫度可達450℃，設(shè)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(diào)節(jié)方便，穩(wěn)定性好。顆粒加料器選用星形給料閥，給料轉(zhuǎn)速可調(diào)節(jié)，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(wěn)定。

熱交換系統(tǒng)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(fēng)系統(tǒng)為整個試驗系統(tǒng)提供氣流流動的動力，引風(fēng)電機通過一臺變頻器實現(xiàn)變頻調(diào)速，調(diào)節(jié)風(fēng)道內(nèi)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(fēng)系統(tǒng)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(fēng)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(fēng)系統(tǒng)下，顆粒由于風(fēng)洞內(nèi)氣壓大于外界大氣壓而難以進入風(fēng)洞的缺陷[12]。主要設(shè)備的性能參數(shù)如下。引風(fēng)機：功率7.5 kW，轉(zhuǎn)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(shè)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(tǒng)由入口段、穩(wěn)定段、試驗段、降溫段和排出段構(gòu)成，系統(tǒng)示意圖如圖1所示。風(fēng)道的橫截面積在穩(wěn)定段入口處收縮，前后橫截面積的收縮比設(shè)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(wěn)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(tài)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(nèi)設(shè)計有18個相應(yīng)卡位，如圖2所示。試件與氣流噴嘴之間的距離亦可調(diào)節(jié)[13]，以適應(yīng)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(tǒng)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(fēng)機排入大氣。

圖1 熱態(tài)試驗風(fēng)洞系統(tǒng)示意圖

圖2 沖蝕角度調(diào)節(jié)卡盤

本試驗系統(tǒng)的試驗條件為Ma<0.3，試驗系統(tǒng)提供的穩(wěn)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(zhì)，粒徑0.02～0.20 mm范圍內(nèi)的粒子可進行沖蝕試驗。

2 試驗臺控制系統(tǒng)

由于整個系統(tǒng)中有多個儀表、多個采集模塊,以及天平、流量計、液位計、風(fēng)速儀等多數(shù)量、多類型、多種協(xié)議規(guī)約的通訊設(shè)備，鑒于這種情況，系統(tǒng)選用一個串口服務(wù)器，將這些設(shè)備按類型、按規(guī)約協(xié)議、按數(shù)量分區(qū)連接控制；然后再將服務(wù)器通過TCP/IP協(xié)議與PC上位機進行通訊連接。

監(jiān)控主機采用工業(yè)自動化現(xiàn)場使用較多的知名品牌(臺灣研華)主機；上位監(jiān)控軟件平臺為國內(nèi)使用范圍較廣的組態(tài)軟件(MCGS)，同時結(jié)合現(xiàn)場設(shè)備的布局、安裝、使用的特點，開發(fā)出合適、實用、方便的監(jiān)控分析系統(tǒng)(監(jiān)控組態(tài)界面如圖3所示)。

本試驗監(jiān)控系統(tǒng)主要采集了如下傳感器類型的數(shù)據(jù)：壓力(8路)、溫度(10路)、流量(1個)、液位計(1個)、壓力風(fēng)速儀(1個)、天平重量數(shù)據(jù)(1個)等，各種傳感器類型數(shù)據(jù)的詳細(xì)描述如下。

圖3 熱態(tài)沖蝕試驗系統(tǒng)MCGS組態(tài)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(shù)模轉(zhuǎn)換器若干, 把測量系統(tǒng)中的壓力和溫度的模擬量信號轉(zhuǎn)換為數(shù)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(wù)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(yīng)的儀表，有些儀表帶有RS-485通訊接口可通過串口服務(wù)器與計算機通訊，有些則需要通過帶有通訊功能的數(shù)模轉(zhuǎn)換器再與服務(wù)器相連。

選用ADAM4520、ADAM4050、ADAM4017、ADAM4080、ADAM4051各1臺。其中，ADAM4520 為RS-232轉(zhuǎn)RS-485轉(zhuǎn)換器模塊，由于選用的壓力風(fēng)速儀的通訊輸出為RS-232接口，因此通過ADAM4520串口協(xié)議轉(zhuǎn)換器把風(fēng)速儀的通訊輸出轉(zhuǎn)為RS-485接口并與串口服務(wù)器相接；ADAM4050 為數(shù)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(wù)器相接而和計算機通訊；ADAM4080 32位計數(shù)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(zhuǎn)速，輸出結(jié)果通過串口服務(wù)器與計算機通訊；ADAM4051提供16路隔離數(shù)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(nèi)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(nèi)可調(diào)節(jié)角度，以達到?jīng)_蝕試驗在0°～90°范圍內(nèi)進行。

需要說明的有兩點：① 通過調(diào)節(jié)氣流噴嘴與試件之間的節(jié)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(jié)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(dǎo)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(jù)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(shù)；f(Rep)是較高雷諾數(shù)時，對阻力系數(shù)的修正關(guān)系式。分別表為:

將式(4)改寫成對空間坐標(biāo)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(jié)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(zhì)量與沖蝕試驗后的質(zhì)量。稱重儀器選用精度為0.01 mg的天平，為了消除環(huán)境因素及人為因素對稱重的誤差影響，每次稱重反復(fù)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(fù)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(zhì)量濃度為0.22%，試驗段氣流速度為130 m/s，溫度為300℃，環(huán)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(zhì)的沖蝕特性。

3.2 沖蝕質(zhì)量損失

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

Δm=m0-m

(6)

式中：m0為試件沖蝕前的質(zhì)量；m為試件沖蝕后的質(zhì)量；Δm為試件沖蝕后的質(zhì)量損失。

多次測量相同條件下沖蝕后的質(zhì)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(zhì)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(shù)值模擬提供理論依據(jù)。

4 沖蝕試驗結(jié)果及分析

試驗重點觀察累積顆粒沖蝕下的材質(zhì)失重。為了保證試驗數(shù)據(jù)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(shù)平均值，并對試驗數(shù)據(jù)進行最小二乘法擬合。圖5是X20Cr13基材在不同沖蝕角度下質(zhì)量累積損失隨沖蝕顆粒質(zhì)量變化的特性曲線。結(jié)果表明，X20Cr13在上述工況下，熱態(tài)沖蝕后的質(zhì)量累積損失與石英砂質(zhì)量之間存在線性相關(guān)關(guān)系，隨著石英砂質(zhì)量的增加，失重越發(fā)明顯。圖6是經(jīng)過表面鋼丸強化后的X20Cr13試件質(zhì)量累積損失與沖蝕顆粒質(zhì)量之間的關(guān)系曲線，亦為材質(zhì)失重隨沖蝕顆粒質(zhì)量增加而增加的線性相關(guān)關(guān)系。

圖5 基材試件累積失重與顆粒質(zhì)量的關(guān)系

圖7為不同沖蝕角度下，基材與強化試件累積質(zhì)量損失與各沖蝕角度之間的關(guān)系曲線?；馁|(zhì)量損失的最大角度出現(xiàn)在30°左右，而強化試件最大質(zhì)量損失出現(xiàn)在攻角為20°左右，兩種試件均呈塑性材質(zhì)的特性。在25°～40°范圍內(nèi)，強化試件較基材沖蝕質(zhì)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(zhì)抗沖蝕能力接近。

圖6 強化試件累積失重與顆粒質(zhì)量的關(guān)系

圖7 不同沖角下試件失重曲線

5 結(jié) 語

試驗表明，該試驗風(fēng)洞系統(tǒng)達到設(shè)計要求，其參數(shù)穩(wěn)定，調(diào)節(jié)方便，環(huán)保安全，噪聲達標(biāo)，可以滿足一般工況下的燃?xì)馔钙綑C械中葉片的熱態(tài)抗沖蝕能力試驗研究?；谠撛囼烇L(fēng)洞的沖蝕試驗為選用更為優(yōu)質(zhì)的葉片基材、表面強化工藝和葉片涂層提供了有效的手段。

[1] 盧鵬飛,冀江,楊龍文. 中國催化裂化煙氣輪機自主創(chuàng)新三十年的回顧[J]. 中外能源，2008, 13(S1):8-10.

LU Peng-fei,JI Jiang,YANG Long-wen. The review of independent innovation of China flue gas turbine in catalytic cracking for three decades[J]. Sino-global Energy, 2008, 13(S1):8-10.

[2] ALLEN C,BALL A. A review of the performance of engineering materials under prevalent tribological and wear situations in South Africa industries[J]. Tribology International, 1996, 29(2):105-116.

[3] 馬 穎,任 峻,李遠(yuǎn)東,等. 沖蝕磨損研究的進展[J]. 蘭州理工大學(xué)學(xué)報，2005, 31(1):21-25.

MA Ying,REN Jun,LI Yuan-dong. Development of research on erosion of materials[J]. Journal of Lanzhou University of Technology, 2005, 31(3):21-25.

[4] Tabakoff W,Hamed A,Beacher B. Investigation of gas particle flow in an erosion wind tunnel[J]. Wear, 1983, 86:73-88.

[5] Hamed A. An investigation in the variance in particle surface interactions and their effects in gas turbines[J]. J Eng of Gas Turbines and Power, 1991, 114(2):235-241.

[6] Tabakoff W,Metwally M， Hamed A. High-temperature coatings for protection against turbine deterioration[Z]. J Eng Gas Turbines Power, 1995, 117(1), 146-151.

[7] Hamed A， Kuhn T P. Effects of variational particle restitution characteristics on turbomachinery erosion[J]. J Eng Gas Turbines Power, 1995, 117(3), 432-440.

[8] 伊景海,馬才芬,郝 慶，等. 氣固兩相沖動式平面葉柵表面壓力分布的試驗研究[J]．工程熱物理學(xué)報，1993，14(2)：159-162.

YI Jing-hai,MA Cai-fen,HAO Qing，etal. Experimental investigation of effect of particles on blade pressure distribution in impulse cascade flow[J]. Journal of Engineering Thermophysics, 1993, 14(2):159-162.

[9] 劉觀偉. 汽輪機葉片材料抗固粒沖蝕磨損能力的試驗研究[J]. 工程熱物理學(xué)報,2007,28(4):622-624.

LIU Guan-wei. Experimental investigation on solid particle erosion resistance of blade materials used in steam turbine[J]. Journal of Engineering Thermophysics, 2007,28(4):622-624.

[10] 張 莉,鄭玉婷. 汽輪機調(diào)節(jié)級固體顆粒沖蝕的數(shù)值模擬[J]. 汽輪機技術(shù)，2013, 55(1)：31-34.

ZHANG Li,ZHENG Yu-ting. The numerical simulation on the solid particle erosion in the control stage of the steam turbine[J]. Turbine Technology, 2013, 55(1):31-34.

[11] 魯嘉華,凌志光,張志英. 帶粒燃?xì)鉁u輪中顆粒隨機軌道模型的簡化與分析[J]. 內(nèi)燃機工程，2005，26(3):77-81.

LU Jia-hua,LING Zhi-guang,ZHANG Zhi-ying. Simplification and validity of stochastic trajectory model of particles in particle-laden gas turbine[J]. Chinese Internal Combustion Engine Engineering, 2005, 26(3):77-81.

[12] 魯嘉華. 粘性流場下透平機械葉片沖蝕的數(shù)值模擬與試驗研究[D]. 上海：上海理工大學(xué),2002.

[13] 魯嘉華,張志英. 一種熱態(tài)風(fēng)洞沖蝕試驗的試件固定裝置[P]. 中國專利: ZL201010548839.2. 2013-06-05.

[14] PENG Zheng-biao,Elham Doroodchi,Geoffrey Evans. DEM simulation of aggregation of suspended nanoparticles[J]. Powder Technology, 2010, 204(1):91-102.

[15] 王順森,毛靖儒,豐鎮(zhèn)平. 高參數(shù)汽輪機調(diào)節(jié)級噴嘴防治顆粒沖蝕技術(shù)及其優(yōu)化機制[C]∥中國動力工程學(xué)會透平專業(yè)委員會2010年學(xué)術(shù)研討會論文集. 2010:179-189.

WANG Shun-sen,MAO Jing-ru,FENG Zhen-ping. Erosion technologies and optimization mechanism on anti-solid particle of nozzles of high-parameters steam turbines[C]∥The Academic Symposium of Turbine Professional Committee of China Power Engineering Society on 2010:179-189.