基于MCGS的葉片熱態(tài)沖蝕試驗系統(tǒng)設(shè)計

張 瑞， 張 浩， 魯嘉華

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

基于MCGS的葉片熱態(tài)沖蝕試驗系統(tǒng)設(shè)計

張 瑞， 張 浩， 魯嘉華

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

為滿足熱態(tài)沖蝕試驗過程中高效性、安全性以及試驗條件穩(wěn)定性的要求，設(shè)計了基于MCGS組態(tài)軟件二次開發(fā)的熱態(tài)負(fù)壓沖蝕試驗系統(tǒng)。采用空氣電加熱器對氣流加熱，變頻引風(fēng)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(jié)合試驗系統(tǒng)硬件設(shè)計，通過 MCGS組態(tài)軟件對其監(jiān)控系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計，裝有MCGS組態(tài)軟件的工控機通過Telnet協(xié)議登陸串口服務(wù)器，對試驗系統(tǒng)進(jìn)行實時監(jiān)控并進(jìn)行試驗數(shù)據(jù)采集。運行試驗表明，該系統(tǒng)具有人機界面友好、運行安全、高效、性能穩(wěn)定、操作簡單等特點，實現(xiàn)了試驗條件控制、系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控、動畫顯示、歷史數(shù)據(jù)輸出等功能，滿足不同沖蝕條件下對不同材質(zhì)的沖蝕特性試驗。

MCGS； 監(jiān)控； 數(shù)據(jù)采集； 熱態(tài)沖蝕

0 引 言

20世紀(jì)90年代至今，國內(nèi)外學(xué)者關(guān)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(shù)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(shè)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(xiàn)了多種能夠進(jìn)行關(guān)于氣固兩相沖蝕試驗研究的試驗系統(tǒng)[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(tǒng)，在一定程度上可進(jìn)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(tǒng)在實驗過程中存在氣固兩相氣流不穩(wěn)定或?qū)嶒灄l件不穩(wěn)定現(xiàn)象，試驗可靠性受到一定的影響。

研制葉片熱態(tài)沖蝕試驗系統(tǒng)的關(guān)鍵在于能夠相對真實地模擬出葉片的實際工作環(huán)境，而其中最為重要的是試驗過程中氣固兩相氣流的穩(wěn)定性和均勻性以及所設(shè)定試驗條件如風(fēng)速、溫度、固體顆粒的濃度等達(dá)到預(yù)期的精準(zhǔn)性和數(shù)據(jù)采集的可靠性，同時也要考慮試驗系統(tǒng)運行過程中的安全性、高效性和節(jié)能性。針對以上要點，本文以MCGS(Monitor and Control Generated System)組態(tài)軟件為開發(fā)平臺，設(shè)計一套新型的熱態(tài)負(fù)壓沖蝕試驗系統(tǒng)，通過人機交互，使試驗研究所設(shè)定的試驗條件更易實現(xiàn)，更易控制，試驗條件更加穩(wěn)定，從而能確保試驗結(jié)果的實用價值。

1 葉片熱態(tài)沖蝕試驗系統(tǒng)的硬件設(shè)計

1.1 系統(tǒng)設(shè)計方案

沖蝕試驗系統(tǒng)設(shè)計成空氣電加熱器加熱，變頻引風(fēng)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(shù)(Ma<0.3)負(fù)壓風(fēng)洞沖蝕系統(tǒng)。空氣電加熱器工作溫度最高可達(dá)750 ℃，升溫速率快，達(dá)10 ℃/min，溫度調(diào)節(jié)方便，穩(wěn)定性好且對環(huán)境無污染；變頻引風(fēng)機通過變頻調(diào)速，從而控制氣固兩相流流速，進(jìn)而實現(xiàn)不同氣固兩相流體速度下的沖蝕試驗。另外，變頻引風(fēng)為沖蝕試驗系統(tǒng)提供負(fù)壓環(huán)境，避免試驗加塵過程中顆粒下落不穩(wěn)定的現(xiàn)象，提高氣固兩相流濃度的穩(wěn)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(xiàn)氣體的無害排放。沖蝕實驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如1所示，整個系統(tǒng)可分為入口段、穩(wěn)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(jìn)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(shè)計成16∶1。葉片熱態(tài)沖蝕試驗時，為了確保沖蝕試驗系統(tǒng)能夠較為準(zhǔn)確地達(dá)到實驗所需的實驗條件，參數(shù)測點布置應(yīng)當(dāng)考慮：① 測點所處位置應(yīng)是實驗條件穩(wěn)定區(qū)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(fēng)機

圖1 沖蝕試驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計方案的要求，設(shè)計數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)，系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2 所示，根據(jù)沖蝕試驗系統(tǒng)硬件功能的不同，可將整個沖蝕系統(tǒng)分為集中管理監(jiān)控層和現(xiàn)場測控執(zhí)行層[10]。

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

(1) 集中管理監(jiān)控層。集中管理監(jiān)控層包括安裝MCGS組態(tài)軟件開發(fā)應(yīng)用程序的工控機和串口服務(wù)器，是沖蝕系統(tǒng)監(jiān)控和測量的關(guān)鍵部分，負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)現(xiàn)場測試執(zhí)行層來達(dá)到實驗所要求的條件以及采集實驗過程中各種數(shù)據(jù)并將其保存在數(shù)據(jù)庫中，方便后期查看和整理。系統(tǒng)采用DIGATTO T系列串口服務(wù)器，攜帶16個RS-485串行口，通過RS-485通信協(xié)議將所有現(xiàn)場測控執(zhí)行層的傳感器、控制件連入串口服務(wù)器，工控機通過Telnet協(xié)議登陸串口服務(wù)器，進(jìn)而控制現(xiàn)場測試執(zhí)行層的傳感器、控制件。型號為DP1000-T1的智能壓力風(fēng)速儀具有RS-232串行通信接口，可與工控機進(jìn)行通信，用于測量系統(tǒng)管道內(nèi)氣固兩相流體流速并反饋至工控機。

(2) 現(xiàn)場測控執(zhí)行層。根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計方案，現(xiàn)場測控執(zhí)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(fēng)機變頻器、水泵控制柜等來達(dá)到實驗過程中所要求的試驗條件。試驗過程中，根據(jù)試驗系統(tǒng)裝置各位置的傳感器測得的實時數(shù)據(jù)(見圖1)調(diào)節(jié)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(jìn)而控制系統(tǒng)管道內(nèi)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(nèi)水的流量從而控制系統(tǒng)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(diào)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(fēng)機的頻率進(jìn)而控制系統(tǒng)管道內(nèi)的風(fēng)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(zhì)量的損失。此外，系統(tǒng)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(tài)沖蝕試驗系統(tǒng)的軟件設(shè)計

2.1 MCGS組態(tài)軟件介紹

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

2.2 試驗系統(tǒng)組態(tài)過程

MCGS開發(fā)環(huán)境由主控窗口、設(shè)備窗口、用戶窗口、實時數(shù)據(jù)庫和運行策略五部分組成，根據(jù)前面沖蝕試驗系統(tǒng)硬件的設(shè)計，運用MCGS組態(tài)軟件對該系統(tǒng)進(jìn)行組態(tài)設(shè)計，具體組態(tài)過程如下所示。

(1) 主控窗口組態(tài)。對菜單組態(tài)即運行環(huán)境菜單進(jìn)行設(shè)置和定義以及對腳本程序進(jìn)行編寫，其中包括主界面、發(fā)塵系統(tǒng)、熱交換系統(tǒng)、抽風(fēng)系統(tǒng)、新實驗、實驗前參數(shù)輸入、報警設(shè)置、報警查詢、數(shù)據(jù)查詢、轉(zhuǎn)化Excel、退出系統(tǒng)等項菜單屬性設(shè)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(nèi)存屬性、系統(tǒng)參數(shù)、存盤參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。啟動屬性設(shè)置如圖5所示。

圖5 啟動屬性設(shè)置

(2) 設(shè)備窗口組態(tài)。 設(shè)備窗口是MCGS系統(tǒng)的重要組成部分，通過設(shè)備窗口將組態(tài)系統(tǒng)與外部硬件設(shè)備連接起來，從而能夠使通過系統(tǒng)實時監(jiān)控外部設(shè)備的工作狀態(tài)并讀取實驗過程中的相關(guān)數(shù)據(jù)。MCGS組態(tài)軟件系統(tǒng)提供了典型的上百種的設(shè)備驅(qū)動程序，從中選擇適合本沖蝕試驗系統(tǒng)的硬件設(shè)備的驅(qū)動程序。對于沖蝕系統(tǒng)中智能壓力風(fēng)速儀、壓力變送器、XS分析天平、渦輪流量計，MCGS組態(tài)環(huán)境沒有提供了相應(yīng)的設(shè)備驅(qū)動程序，需要在設(shè)備工具箱內(nèi)增加相應(yīng)的新的設(shè)備，根據(jù)它們的驅(qū)動程序所在的路徑，安裝相應(yīng)的新增驅(qū)動程序。全部設(shè)備驅(qū)動程序安裝完畢后，分別對沖蝕試驗系統(tǒng)不同的硬件設(shè)備進(jìn)行屬性設(shè)置，其中包括設(shè)置設(shè)備構(gòu)件的基本屬性，建立設(shè)備通道和實時數(shù)據(jù)庫之間的連接，設(shè)備通道數(shù)據(jù)處理內(nèi)容的設(shè)置和硬件設(shè)備的調(diào)試。圖6和圖7分別為智能壓力風(fēng)速儀的基本屬性設(shè)置和通道連接設(shè)置。

圖6 基本屬性設(shè)置

(3) 用戶窗口組態(tài)。新建“主界面”“加塵系統(tǒng)”“熱交換系統(tǒng)”“抽風(fēng)系統(tǒng)”“報警設(shè)置”“報警查詢”“試驗前參數(shù)輸入”“設(shè)備通訊”“數(shù)據(jù)查詢”“參數(shù)確認(rèn)”“試驗后參數(shù)輸入”“實驗前參數(shù)輸入”“刪除確認(rèn)”“設(shè)置時間”“錯誤”等窗口，對于各個窗口，在動畫組態(tài)窗口內(nèi)，根據(jù)窗口所表達(dá)的內(nèi)容需要，插入相應(yīng)的原件設(shè)計動畫界面，并對各個窗口的窗口屬性進(jìn)行設(shè)置設(shè)置實現(xiàn)人機交互界面。

圖7 通道連接設(shè)置

(4) 實時數(shù)據(jù)庫組態(tài)。 實時數(shù)據(jù)庫是MCGS系統(tǒng)的核心，MCGS開發(fā)環(huán)境內(nèi)各個部分均以實時數(shù)據(jù)庫為公用區(qū)來交換數(shù)據(jù)，以此來實現(xiàn)各個部分的協(xié)調(diào)動作。根據(jù)沖蝕實驗系統(tǒng)設(shè)計，在實時數(shù)據(jù)庫窗口創(chuàng)建相應(yīng)的新增對象，并對其進(jìn)行基本屬性、存盤屬性、報警屬性等數(shù)據(jù)對象屬性進(jìn)行設(shè)置，在實時數(shù)據(jù)庫中，設(shè)置了10個字符型數(shù)據(jù)對象，60個開關(guān)型數(shù)據(jù)對象，106個數(shù)值型數(shù)據(jù)對象，其中字符型數(shù)值對象InputETime、InputSTime、InputUser1、InputUser2為系統(tǒng)內(nèi)建數(shù)據(jù)對象。

(5) 運行策略組態(tài)。根據(jù)沖蝕試驗系統(tǒng)正常工作要求，設(shè)置不同的運行策略。沖蝕實驗系統(tǒng)共計運用了啟動、退出、循環(huán)、事件、用戶5種不同的策略，其中用戶策略包括“單次查詢”“設(shè)置SV”“數(shù)據(jù)查詢”“新實驗”“轉(zhuǎn)Excel”；事件策略包括“天平測量”“實驗序號改變”等。在策略組態(tài)過程中，根據(jù)不同的運行策略配置策略構(gòu)件，對策略屬性進(jìn)行設(shè)置，對包括輸入策略行條件表達(dá)式，條件設(shè)置，內(nèi)容注釋在內(nèi)的策略行條件進(jìn)行設(shè)置，結(jié)合所設(shè)置的運行策略的特性，進(jìn)行相應(yīng)的存盤數(shù)據(jù)瀏覽構(gòu)件屬性設(shè)置或者編寫腳本程序。

2.3 試驗系統(tǒng)主要功能

完成沖蝕試驗系統(tǒng)組態(tài)后，在MCGS運行環(huán)境中可實現(xiàn)電加熱器啟停控制、引風(fēng)機頻率的設(shè)置、動畫顯示、系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控、報警設(shè)置、實驗前參數(shù)輸入、試驗后參數(shù)輸入、歷史數(shù)據(jù)查詢包括單次實驗數(shù)據(jù)查詢，所有實驗數(shù)據(jù)查詢、歷史數(shù)據(jù)輸出等功能。熱態(tài)沖蝕試驗系統(tǒng)運行環(huán)境如圖8所示。通過控制電加熱器啟停按鈕以及設(shè)置引風(fēng)機頻率來控制沖蝕試驗系統(tǒng)試驗段管道內(nèi)的溫度和風(fēng)速，當(dāng)達(dá)到實驗條件并相對穩(wěn)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(tǒng)監(jiān)控狀態(tài)，系統(tǒng)自動將其保存至歷史存盤數(shù)據(jù)庫。

圖8 沖蝕試驗系統(tǒng)運行環(huán)境

3 沖蝕系統(tǒng)試驗

經(jīng)多次試驗測試，本沖蝕試驗系統(tǒng)可實驗研究600 ℃及以下溫度，不同沖蝕條件下不同材質(zhì)的沖蝕特性，試驗過程(每次實驗持續(xù)時間約4 min)中試驗段溫度穩(wěn)定性良好，風(fēng)速穩(wěn)定性良好。通過本試驗系統(tǒng)已經(jīng)順利地完成了多種工況下不同材質(zhì)的熱態(tài)沖蝕試驗，從中選取GH738基材(該材料廣泛用于航空發(fā)動機轉(zhuǎn)動部件)為例，沖蝕顆粒選用200目石英砂；顆粒沖蝕速度設(shè)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(jìn)行沖蝕試驗。將獲取的沖蝕試驗數(shù)據(jù)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(shè)定實驗條件下的沖蝕特性曲線可較直觀地得出如下結(jié)論：① 實驗材質(zhì)在不同沖角、溫度下質(zhì)量累積損失均隨沖蝕顆粒的質(zhì)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(dá)到最小值后隨溫度的升高而增大，達(dá)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(jìn)行掃描，從微觀上分析不同條件下，GH738材質(zhì)的沖蝕形貌。圖10、11所示為GH738材質(zhì)于300 ℃、70°沖角、沖擊顆粒目數(shù)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(zhì) 200目顆粒下SEM沖蝕形貌

圖11 GH738材質(zhì) 500目顆粒下SEM沖蝕形貌

4 結(jié) 論

本文基于MCGS組態(tài)軟件，研究和設(shè)計了一種新的熱態(tài)沖蝕試驗系統(tǒng)。經(jīng)過超過300次沖蝕試驗表明：

(1) 系統(tǒng)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(zhì)的沖蝕特性的試驗研究。試驗研究所設(shè)定的試驗條件易實現(xiàn)、易控制；試驗過程中氣固兩相流穩(wěn)定、均勻，試驗條件穩(wěn)定，數(shù)據(jù)采集精確，試驗結(jié)果具有實用價值。

(2) 系統(tǒng)操作簡單，人機界面友好，性能穩(wěn)定，實驗效率高，系統(tǒng)設(shè)計為負(fù)壓系統(tǒng)為實驗人員消除了安全隱患。可對實驗溫度、風(fēng)速進(jìn)行實時控制，對系統(tǒng)狀態(tài)實時監(jiān)控，并可對歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢和輸出。

(3) 系統(tǒng)采用電加熱器加熱可流動空氣使系統(tǒng)管道內(nèi)升溫，利用板翅式換熱器內(nèi)循環(huán)水對高溫的氣固兩相流進(jìn)行降溫，袋式除塵器對冷卻后的氣固兩相流中的粉塵進(jìn)行回收利用，剩余氣體可直接排入空氣中，整個實驗過程節(jié)能、清潔，對環(huán)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(tài)氣動實驗。

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

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