透平葉片熱態(tài)沖蝕實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

鄭凌翔， 黃新友， 張志英， 張銀君， 魯嘉華

(1. 上海工程技術(shù)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 上海 201620；2. 河池學(xué)院 物理與機(jī)電工程學(xué)院， 廣西 宜州 546300)

?

透平葉片熱態(tài)沖蝕實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

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(shù)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 上海 201620；2. 河池學(xué)院 物理與機(jī)電工程學(xué)院， 廣西 宜州 546300)

設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種用于實(shí)驗(yàn)研究透平葉片沖蝕成因、沖蝕行為和規(guī)律的中高溫、低馬赫數(shù)(Ma<0.3)負(fù)壓風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。采用引風(fēng)機(jī)提供負(fù)壓環(huán)境，空氣電加熱器對(duì)氣流進(jìn)行可變溫加熱，翅片管式換熱器對(duì)二相流降溫，袋式除塵器回收沖蝕顆粒，并使用監(jiān)控PC機(jī)通過DIGATTOT串口服務(wù)器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集和試驗(yàn)系統(tǒng)監(jiān)控。經(jīng)測試,系統(tǒng)最高溫度可達(dá)750℃，氣固兩相流顆粒濃度可調(diào)，沖蝕速度可調(diào)，可0°～90°任意沖角調(diào)節(jié)。系統(tǒng)通過了溫度、速度穩(wěn)定性測試以及換熱器性能測試。

熱態(tài)沖蝕； 負(fù)壓； 氣固兩相； 數(shù)據(jù)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(duì)材料表面進(jìn)行沖擊所造成的一種材料損耗現(xiàn)象或過程現(xiàn)象，普遍存在于電力、機(jī)械、鋼鐵、航空、化工等行業(yè)，已成為材料破壞或設(shè)備失效的重要原因之一[1-3]。從20世紀(jì)90年代至今，國內(nèi)外基于透平氣固兩相流動(dòng)的葉片沖蝕研究取得了諸多進(jìn)展[4-8]，但是這些成果大多是基于數(shù)值模擬，數(shù)值模擬中所作的假定和簡化往往跟實(shí)際情況相比存在一些誤差。國內(nèi)外在開展數(shù)值模擬的同時(shí)，盡管也進(jìn)行了一些實(shí)驗(yàn)研究并取得了相應(yīng)的成果，如劉觀偉等建立了高溫、高速?zèng)_蝕實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，并進(jìn)行了一些透平葉片的沖蝕實(shí)驗(yàn)研究[9-16]，但是現(xiàn)階段沖蝕實(shí)驗(yàn)研究范圍依然比較狹窄，尤其關(guān)于煙氣輪機(jī)葉片針對(duì)不同葉片表面處理工藝下抗沖蝕特性的系統(tǒng)性實(shí)驗(yàn)研究還十分缺乏。

沖蝕實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)關(guān)鍵是相對(duì)真實(shí)地模擬出葉片的工作環(huán)境，從而能夠在擬真實(shí)工況下研究葉片的沖蝕特性，如氣固兩相氣流的均勻與穩(wěn)定性，扭曲型面受沖蝕的工況實(shí)現(xiàn)，氣固兩相流體噴口與試件面積匹配，高溫條件下實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的測量與傳輸以及監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)是本文的重點(diǎn)研究對(duì)象。

1 沖蝕實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文采用負(fù)壓氣流驅(qū)動(dòng)，電加熱器對(duì)氣流加熱，高溫負(fù)壓顆粒添加，煙氣冷卻，以及數(shù)字監(jiān)控，建成了具有通用性和寬參數(shù)范圍的中高溫、低馬赫數(shù)(Ma<0.3)熱態(tài)負(fù)壓風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。系統(tǒng)的整體框架如圖1所示，系統(tǒng)設(shè)計(jì)為負(fù)壓系統(tǒng)，由引風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中流體的定向流動(dòng)。外界空氣經(jīng)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(jìn)行加速，加速后的氣固二相流經(jīng)直段穩(wěn)定，穩(wěn)定的氣固二相流進(jìn)入實(shí)驗(yàn)段沖蝕試件，沖蝕后的氣固兩相流經(jīng)熱交換機(jī)冷卻后在袋式除塵器進(jìn)行氣固分離，形成符合排放要的氣體最后由引風(fēng)機(jī)排出。煙氣輪機(jī)工作的高溫?zé)煔鉁囟燃s為650℃，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)最高溫度可達(dá)750℃。為了減少系統(tǒng)煙氣熱量損失和確保實(shí)驗(yàn)安全，在管道外部包裹200～300 mm的硅酸鋁隔熱材料，當(dāng)管道內(nèi)部煙氣溫度達(dá)到750℃時(shí)，經(jīng)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(shí)驗(yàn)段， 7-熱交換器， 8-冷卻水箱， 9-袋式除塵器， 10-引風(fēng)機(jī)

圖1 沖蝕實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)框架

為了保證風(fēng)洞系統(tǒng)能夠耐高溫抗氧化，風(fēng)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(qiáng)度特別好，可在苛酷的條件下使用；加工硬化性優(yōu)(無磁性)。引風(fēng)機(jī)為系統(tǒng)的動(dòng)力源，為沖蝕風(fēng)洞系統(tǒng)提供負(fù)壓環(huán)境，驅(qū)動(dòng)空氣從加熱器進(jìn)氣口進(jìn)入管道，并以一定的速度在管道中流動(dòng)，引風(fēng)電機(jī)通過一臺(tái)變頻器實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速，可調(diào)節(jié)電機(jī)的輸入頻率、流體的流速，使之滿足不同沖蝕條件下的實(shí)驗(yàn)。設(shè)備的性能參數(shù)：功率7.5 kW，額定轉(zhuǎn)速1 650 r /min，極限壓力49 kPa，最大進(jìn)口流量4 m3/min。

換熱系統(tǒng)由換熱器、水箱、水泵、管路以及儀表傳感器組成，確保實(shí)驗(yàn)后的含塵氣體至除塵器前達(dá)到安全溫度。在換熱系統(tǒng)中加入水箱，水泵從水箱抽水進(jìn)入換熱器，換熱器流出的水再次進(jìn)入水箱，當(dāng)水箱水溫過高時(shí)進(jìn)水電磁閥開啟，冷水進(jìn)入水箱，同時(shí)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(shí)驗(yàn)用水。換熱器采用翅片管式換熱器，其主要優(yōu)點(diǎn)是單位體積所具有的傳熱面積大，傳熱效果好，結(jié)構(gòu)堅(jiān)固。設(shè)計(jì)換熱面積25 m2，水泵功率0.75 kW，流量4 m3/h，水箱體積設(shè)計(jì)為2.5 m3。

負(fù)壓系統(tǒng)的最大好處是確保微米級(jí)的顆粒在穩(wěn)定段前能順利進(jìn)入風(fēng)洞，并與氣流充分均勻地混合，達(dá)到要求工況下含塵氣流的效果。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(jìn)入風(fēng)洞的缺陷；同時(shí)，管道內(nèi)的空氣被強(qiáng)制排出到外界，管道內(nèi)的空氣為主動(dòng)排風(fēng)，循環(huán)更加高效；傳統(tǒng)的正壓系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)用顆粒由于風(fēng)道內(nèi)的壓強(qiáng)大于外界大氣，粒子不能很好地進(jìn)入流道內(nèi)的流體之中，并且空氣變?yōu)楸粍?dòng)排風(fēng)，不利于管道內(nèi)的空氣循環(huán)。

2 沖蝕實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

建立穩(wěn)定的氣固兩相流場是實(shí)驗(yàn)的根本保障，關(guān)鍵是顆粒物是否能夠勻速進(jìn)入管道與氣流混合形成穩(wěn)定濃度的氣固二相氣流。加塵系統(tǒng)由顆粒漏斗和星型加料閥組成，如圖2所示。加料閥內(nèi)部結(jié)構(gòu)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(jī)驅(qū)動(dòng)。加塵時(shí)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)滾軸轉(zhuǎn)動(dòng)，落入半球形凹槽的微小顆粒物隨著滾軸轉(zhuǎn)入下方后在自身重力和系統(tǒng)負(fù)壓產(chǎn)生的吸力雙重作

圖2 加塵系統(tǒng)

圖3 星型加料閥內(nèi)部結(jié)構(gòu)

用下進(jìn)入風(fēng)洞系統(tǒng)。由于每次落入凹槽的顆粒物數(shù)量相同，因此整個(gè)落沙過程是均勻的。通過調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速可調(diào)節(jié)微小顆粒物進(jìn)入系統(tǒng)的速度，從而調(diào)節(jié)氣固二相流的濃度。

在沖蝕實(shí)驗(yàn)過程中，沖擊到試件表面的含塵氣流速度不能發(fā)生衰減，否則試件表面不同區(qū)域?qū)⒊惺懿煌俣群腿芏鹊念w粒沖蝕，這樣將無法根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出正確的結(jié)論。根據(jù)無限空間射流理論可知，射流核心區(qū)的氣流速度與噴口保持一致未發(fā)生衰減。對(duì)于沖蝕實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)來說,試件的沖蝕面應(yīng)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(jù)噴口的直徑計(jì)算出射流核心區(qū)的空間位置，然后根據(jù)噴口距離、試件的距離計(jì)算得出。無限空間射流的結(jié)構(gòu)如圖4所示。射流的湍流脈動(dòng)造成射流與周圍介質(zhì)發(fā)生質(zhì)量和動(dòng)量交換，使射流質(zhì)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(qū)域稱為射流核心區(qū)，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(qū)域逐漸擴(kuò)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(nèi)。圖中:x0表示極點(diǎn)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(qū)長度;R為射流斷面半徑。

圖4 射流結(jié)構(gòu)及速度分布

根據(jù)實(shí)驗(yàn)，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(kuò)散角，并且有：

(1)

式中，a為湍流系數(shù)，圓斷面射流的湍流系數(shù)a=0.08，對(duì)應(yīng)的擴(kuò)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(dòng)量守恒，即任意斷面處的動(dòng)量等于出口處的動(dòng)量：

(3)

根據(jù)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(dāng)um=u0時(shí)，可以得到射流核心長度：

sn=0.671r0/a

(6)

本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)選取噴口半徑r0=12 mm，根據(jù)式(6)得射流核心長度:

sn=0.671×0.012/0.08=0.100 7 (m)

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

0.014 4 (m)

圖5 核心區(qū)示意圖

由上述計(jì)算結(jié)果，受沖蝕實(shí)驗(yàn)的試件沖蝕面取為直徑15 mm的圓。

試件座的設(shè)計(jì)需要考慮兩方面因素：① 能夠進(jìn)行多角度旋轉(zhuǎn)，實(shí)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(zhuǎn)過程中相對(duì)于噴口位置不發(fā)生改變，即試件沖蝕面幾何中心應(yīng)在轉(zhuǎn)軸的軸線上；③ 系統(tǒng)為熱態(tài)沖蝕實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，試件應(yīng)便于直接從夾具中取出和裝入，否則將嚴(yán)重影響實(shí)驗(yàn)效率。試件及試件座的設(shè)計(jì)如圖6、7所示。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中轉(zhuǎn)軸左端與角度卡盤上角度調(diào)節(jié)手柄相連，轉(zhuǎn)動(dòng)角度調(diào)節(jié)手柄即可帶動(dòng)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)過相應(yīng)的角度，卡盤上有18個(gè)相位孔，可進(jìn)行0°～90°沖蝕角度調(diào)節(jié)。

圖6 轉(zhuǎn)軸、試件座裝配前

圖7 轉(zhuǎn)軸、試件座裝配后

數(shù)據(jù)采集監(jiān)控系統(tǒng)如圖8所示，包括多種類型多個(gè)傳感器、多個(gè)控制對(duì)象。為了實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)對(duì)各部件的實(shí)時(shí)監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集，我們使用RS485通信協(xié)議將所有部件連入DIGATTO T系列串口服務(wù)器。工業(yè)控制計(jì)算機(jī)通過雙絞線與DIGATTO T系列串口服務(wù)器相連，采用TCP/IP協(xié)議登錄串口服務(wù)器，因此工業(yè)控制計(jì)算機(jī)便可通過串口服務(wù)器實(shí)時(shí)獲取各傳感器采集信息，并對(duì)相應(yīng)控制對(duì)象進(jìn)行控制。

圖8 數(shù)據(jù)采集監(jiān)控硬件系統(tǒng)

圖中DIGATTO T系列串口服務(wù)器是一款基于TCP/IP協(xié)議的通訊服務(wù)器，攜帶16個(gè)RS485串行口，并還有一個(gè)100M/10M自適應(yīng)的以太口，所有串行數(shù)據(jù)可以通過以太口進(jìn)行收發(fā)。系統(tǒng)中溫度采集使用電阻溫度計(jì)和熱電偶溫度計(jì)，熱電阻傳感器型號(hào)為Pt100，電阻溫度計(jì)用于低溫測量，如換熱器進(jìn)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(shí)驗(yàn)段溫度以及換熱器進(jìn)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(shí)，開啟向水箱注入冷水，ADAM4050為數(shù)字量輸入輸出模塊并帶有RS485通信接口。接近開關(guān)和ADAM4080用于測量落沙電機(jī)轉(zhuǎn)速，ADAM4080為32位計(jì)數(shù)器，并帶有RS485通訊接口，可測量接近開關(guān)的頻率從而計(jì)算出電機(jī)轉(zhuǎn)速并反饋至計(jì)算機(jī)。翻柱液位計(jì)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(shù)字量輸入模塊帶有RS485通信接口，用于測量角度調(diào)節(jié)卡盤的位置，從而識(shí)別當(dāng)前的沖蝕角度并反饋至計(jì)算機(jī)。其余模塊均帶有RS485通訊接口直接與串口服務(wù)器相連。壓力風(fēng)速儀檢測端與畢托管相連，用于測量管道氣體流速，型號(hào)為DP10000-T1。

為了確保風(fēng)洞系統(tǒng)能夠達(dá)到實(shí)驗(yàn)所需各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)(主要包括實(shí)驗(yàn)段內(nèi)溫度、氣流速度、顆粒濃度)以及讓實(shí)驗(yàn)結(jié)果更具說服力，測點(diǎn)的布局也十分關(guān)鍵，傳感器的安放位置主要考慮兩點(diǎn)： ① 是否為系統(tǒng)運(yùn)行重要參數(shù)或?yàn)閷?shí)驗(yàn)過程的控制變量的監(jiān)測點(diǎn)；② 裝入傳感器后是否擾動(dòng)氣流(如：用于氣流穩(wěn)定的直段部分不應(yīng)裝入溫度傳感器)。

數(shù)據(jù)采集監(jiān)控軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要考慮風(fēng)洞系統(tǒng)運(yùn)行安全、高效、穩(wěn)定、節(jié)能、人機(jī)交互友好等方面因素，其中安全性最為重要。本系統(tǒng)采用MCGS組態(tài)軟件進(jìn)行組態(tài)，通用監(jiān)控系統(tǒng)(Monitor and Generated System,MCGS)是一套基于Windows系統(tǒng)的、用于快速構(gòu)造和生成上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的組態(tài)軟件系統(tǒng)。監(jiān)控界面如圖9所示，整個(gè)界面按照實(shí)際現(xiàn)場布局情況繪制，采用動(dòng)態(tài)畫面顯示各部分運(yùn)行狀態(tài)(如引風(fēng)機(jī)開啟，則管道中立刻出現(xiàn)流動(dòng)氣流并且氣流顏色隨溫度變化，當(dāng)水泵開啟后管路立刻出現(xiàn)水流，落沙機(jī)開啟后立刻出現(xiàn)物料流入管道)，界面中實(shí)時(shí)顯示各個(gè)傳感器檢測數(shù)值。在控制界面設(shè)置加熱溫度、風(fēng)機(jī)頻率控件以及相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)輸入選項(xiàng)。當(dāng)溫度接近實(shí)驗(yàn)溫度時(shí)，界面有字幕閃動(dòng)提醒實(shí)驗(yàn)人員準(zhǔn)備落沙，當(dāng)水箱溫度、實(shí)驗(yàn)段溫度、爐膛溫度超過報(bào)警溫度時(shí)，電加熱器自動(dòng)停止加熱并報(bào)警。實(shí)驗(yàn)過程中，系統(tǒng)自動(dòng)將傳感器采集的數(shù)據(jù)保存至數(shù)據(jù)庫中，方便實(shí)驗(yàn)者后期對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的查看和整理，MCGS默認(rèn)使用Microsoft Access數(shù)據(jù)庫作為歷史存盤數(shù)據(jù)庫，用數(shù)據(jù)庫技術(shù)來管理和維護(hù)存盤數(shù)據(jù)。

圖9 數(shù)據(jù)采集監(jiān)控硬件系統(tǒng)

3 系統(tǒng)性能測試

本沖蝕系統(tǒng)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(zhì)的沖蝕特性，沖蝕建成后，進(jìn)行了沖蝕溫度穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)、沖蝕速度穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)。

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(jìn)行沖蝕實(shí)驗(yàn)各20次，每次實(shí)驗(yàn)待溫度、風(fēng)速穩(wěn)定后間隔1 min記錄1次,溫度數(shù)據(jù)記錄3次，每次實(shí)驗(yàn)持續(xù)4 min。當(dāng)溫度設(shè)定為200℃時(shí)實(shí)際溫度曲線如圖11所示，當(dāng)設(shè)定為300℃時(shí)實(shí)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(shí)驗(yàn)段內(nèi)溫度誤差基本穩(wěn)定在±4℃以內(nèi)，溫度穩(wěn)定性良好。兩種溫度情況下對(duì)應(yīng)的風(fēng)速分別如圖13、14所示，速度誤差在±0.2 m/s以內(nèi)波動(dòng)，速度穩(wěn)定性良好。

圖10 設(shè)定溫度200℃對(duì)應(yīng)實(shí)驗(yàn)段實(shí)際溫度曲線

圖11 設(shè)定溫度300℃對(duì)應(yīng)實(shí)驗(yàn)段實(shí)際溫度曲線

圖12 200℃設(shè)定風(fēng)速8 m/s對(duì)應(yīng)實(shí)際風(fēng)速曲線

在完成相關(guān)性能測試后，在該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)上進(jìn)行了多個(gè)工況的沖蝕實(shí)驗(yàn)，其中包括1Cr12Mo基材(該材料適用于450℃以下的汽輪機(jī)葉片、壓氣機(jī)導(dǎo)向葉片)的沖蝕實(shí)驗(yàn)。沖蝕顆粒選用200目石英砂，顆粒速度設(shè)定為82 m/s，分別在200℃和300℃溫度，10°～90°，9個(gè)角度下進(jìn)行沖蝕實(shí)驗(yàn)，將獲取的沖蝕實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采用4次多項(xiàng)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(xiàn)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(shè)定風(fēng)速8 m/s對(duì)應(yīng)實(shí)際風(fēng)速曲線

圖14 1Cr12Mo基材200℃與300℃下的沖蝕曲線

4 結(jié) 論

(1) 設(shè)計(jì)了一種用于負(fù)壓風(fēng)洞系統(tǒng)的加塵裝置，該裝置氣密性良好，能夠?qū)㈩w粒物勻速送入風(fēng)洞系統(tǒng)中，避免了正壓系統(tǒng)下氣固兩相流場不容易均勻穩(wěn)定和高溫氣流容易外泄的缺陷。

(2) 根據(jù)無限空間射流結(jié)構(gòu)模型，以給定的噴口直徑為基礎(chǔ)，計(jì)算出試件沖蝕面積大小，克服了在過大實(shí)驗(yàn)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(xié)議和串口服務(wù)器的數(shù)據(jù)采集監(jiān)控系統(tǒng)，并使用MCGS組態(tài)軟件完成了上位機(jī)交互軟件設(shè)計(jì)，提升了實(shí)驗(yàn)效率和高溫條件下數(shù)據(jù)采集的安全性，滿足了數(shù)據(jù)處理與實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析比對(duì)的要求。

(4) 通過對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性測試和實(shí)際對(duì)1Cr12Mo材質(zhì)的沖蝕實(shí)驗(yàn)表明，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在關(guān)鍵參數(shù)實(shí)現(xiàn)上達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。

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

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

[3] 劉志江，李續(xù)軍，劉向民. 超臨界壓力汽輪機(jī)固體顆粒侵蝕的表面硬化處理技術(shù)[J]. 中國電力，2004,37(2): 25-28.

[4] Kawagishi H，Kawassaki S，Ikeda K，etal．Protective design and blade coating against solid particle erosion of first-stage turbine nozzles[C]∥ASME Power Division，1990(10)：23-29．

[5] Hamed A, Tabakoff W, Rivir R B,etal. Turbine Blade Surface Deterioration by Erosion[J]. Journal of Turbomachinery, 2005，127(7)：445-452.

[6] 戴麗萍，俞茂錚，王賢鋼，等. 超臨界汽輪機(jī)再熱第一級(jí)葉片固粒沖蝕特性的數(shù)值分析[J]. 熱能動(dòng)力學(xué)工程，2004，19(4)：347-350，435-436.

[7] 魯嘉華. 氣固兩相透平內(nèi)顆粒湍流擴(kuò)散的Lagarange數(shù)值模擬[J]. 熱能動(dòng)力工程， 2003，18(5)：454-458.

[8] 魯嘉華. 粘性流場下透平機(jī)械葉片沖蝕的數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)研究[D]. 上海：上海理工大學(xué)，2002.

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

[10] 王順森，劉觀偉，毛靖儒，等. 汽輪機(jī)噴嘴固粒沖蝕模化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和測試方法[J]. 中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2007，25(11)：103-108.

[11] 偶國富，饒 杰，章利特，等. 一種激波驅(qū)動(dòng)的新型固粒沖蝕實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)[J]. 摩擦學(xué)報(bào)，2012，32(5): 466-471.

[12] 蔡柳溪，王順森，毛靖儒，等. 高參數(shù)汽輪機(jī)噴嘴材料抗固體顆粒沖蝕機(jī)制研究[J]. 中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2014， 34(11): 1822-1828.

[13] 王光存，李劍峰，賈秀杰，等. 離心壓縮機(jī)葉輪材料FV520B沖蝕規(guī)律和機(jī)理的研究[J]. 機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2014，50(19): 182-190.

[14] 朱二雷，汪劉應(yīng)，劉 顧. 鎳-鉻基及其復(fù)合涂層的沖蝕磨損性能研究[J]. 材料熱處理技術(shù)，2011， 40(16): 131-134.

[15] 董 剛. 材料沖蝕行為及機(jī)理研究[D]. 杭州：浙江工業(yè)大學(xué)，2014.

[16] 馬志宏，李金國，李運(yùn)澤，等. 氣固射流加沙方式中顆粒速度場及濃度場的實(shí)驗(yàn)研究[J]. 應(yīng)用力學(xué)學(xué)報(bào)，2005，22(4)：507-510.

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(xiàng)目(JR0901)

鄭凌翔(1990-)，男，湖北鐘祥人，碩士生，研究方向?yàn)橥钙綗釕B(tài)氣動(dòng)實(shí)驗(yàn)。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?yàn)槎嘞嗔黧w動(dòng)力學(xué)的數(shù)值分析與驗(yàn)驗(yàn)研究。

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

TP 271.3

A

1006-7167(2016)03-0064-06