燃氣輪機渦輪葉片冷卻試驗測試技術

■ 王博 周靈敏 魏佳明 莊達明 戴斌 吳宏超 / 杭州汽輪動力集團有限公司

渦輪葉片冷卻設計的各項驗證試驗是燃氣輪機整機測試前需要完成的基本任務。這些驗證試驗會用到多種測試技術，葉片設計人員掌握這些測試技術的原理、儀器和使用方法，可以為葉片冷卻設計的驗證和產品的研制成功提供基礎支撐。

燃氣輪機渦輪葉片冷卻設計的驗證，需要經過一系列循序漸進的試驗，一般分為流量試驗、內換熱系數試驗、氣膜有效度試驗、外換熱系數試驗、冷效試驗、整機試驗等。燃氣輪機研發中的這些試驗需要用到多種試驗測試技術，主要分為常規流場測量技術、葉片溫度測量技術、傳熱組合量的測量等幾類。其中，流場測量是各項冷卻試驗測試的基礎，葉片溫度測量是冷卻試驗的核心，其他物理量的測量則是為了測量一些組合物理量，如熱流密度、換熱系數、氣膜有效度等。為了達到試驗目的，順利完成試驗任務，選擇合適的測量技術至關重要。

常規流場測量技術

渦輪葉片的各項驗證試驗都需要測量流場的基本參數，其中，流量、壓力、流場溫度、湍流度等參數是最基本的測量物理量。流體流量和壓力的測量已經非常成熟，不再贅述。流場的溫度測量方法也很多，葉片溫度測量所使用的大部分技術和手段都可用于流場溫度的測量（在葉片溫度測量技術中詳細敘述）。流場湍流度的測量相對復雜，且一般需要經過數據處理和換算，目前常用的手段有脈動壓力傳感器、激光多普勒測速（LDV）、熱線風速儀（hot wire anemometer）和粒子圖像測速（PIV）技術等，其中熱線風速儀使用最為廣泛。熱線風速儀主要有恒溫式和恒流式兩種，常用的是恒溫式。熱線風速儀有很多的生產廠家，但可用于流動細節和機理研究、可測量較高脈動頻率的較少。目前的技術還是用于測量較為宏觀的參數，這對于試驗而言也已經足夠。熱線風速儀的國際知名廠商主要有美國的提賽環科儀器（TSI）公司和丹麥的丹迪動態（Dantec）公司，它們的典型產品性能如表1所示。

筆者所在團隊在與國內高校合作的氣膜有效度試驗中，使用了丹迪動態公司的熱線風速儀。從實際使用經驗來看，其測試效果良好，但熱線很細導致其組裝難度較大，容易損壞。

表1 熱線風速儀性能

葉片溫度測量技術

葉片溫度的測量是冷卻試驗的核心。溫度測量技術可以分為兩大類，接觸式測量和非接觸式測量。目前，用于葉片試驗的接觸式測量手段主要有熱電偶、示溫漆、晶體和光纖測溫等，非接觸式測量手段則主要是紅外線、光學高溫計等。熱電偶的測量技術已經非常成熟，文中不再贅述，僅介紹示溫漆、晶體、光學高溫計測溫。

示溫漆測溫

示溫漆測溫是直接將變色涂料涂覆在被測件表面，利用測溫涂層隨表面溫度變化而發生顏色改變來獲得葉片表面峰值溫度分布，達到測溫目的。示溫漆分為可逆和不可逆兩種類型，燃氣輪機測溫中一般使用不可逆的示溫漆。示溫漆的優點是可以測量物體表面連續分布的溫度場，且試驗周期短，使用簡單、方便，無測試引線；缺點是精度有限，不能提供實時測量數據及只能顯示最高溫度。示溫漆測溫流程如圖1所示，在利用示溫漆進行溫度測量時，首先根據測試溫度范圍，選取示溫漆相應的類型，并制作標準樣片；然后對被測零部件表面進行吹砂、清潔等工藝處理，將示溫漆噴涂于待測表面，經常溫下一天或放入烘箱數小時烘烤的干燥固化后再進行示溫漆試驗；試驗后，將被測件變色結果與標準樣片進行比對，從而獲得被測表面的溫度分布。

在20世紀50年代，英國羅羅公司就已經廣泛采用示溫漆測量渦輪葉片的表面溫度分布情況，測溫范圍為240 ～1600℃，判讀精度達±20℃。美國熱漆溫度技術（TPTT）公司生產的示溫漆等溫線測量精度達±17℃。國內相關的試驗團隊已經完全掌握了示溫漆試驗的整個流程，且積累了一定的測試經驗。

圖1 示溫漆測溫流程

圖2 晶體安裝圖[1]

圖3 經過晶體校準后的第一級靜子葉片和轉子葉片溫度分布[2]

晶體測溫

美國、德國以及俄羅斯等國家在晶體測溫技術這一領域都有較深入的研究，并將其應用于燃氣輪機渦輪葉片的溫度測量。晶體測溫原理是原始晶體在高溫作用下其內部晶體結構會產生變化，從而出現晶體缺陷，而高溫環境對該晶體缺陷可以復原，所以通過檢測晶體晶格的缺陷程度，并查找其與所測溫度之間的關系曲線，即可得到對應的高溫環境溫度。

晶體安裝示意圖如圖2所示，在被測葉片表面打好小孔，將輻射過的晶體埋入，用高溫黏結劑封裝，待黏結劑干燥后，在其表面焊接薄金屬壓片進行封口。晶體測溫技術的優點有尺寸小、質量輕、無引線、精度高等，缺點在于只能測試變化過程中的最高溫度且不能實現在線測試，特別是在被測物表面開孔埋設晶體時需要對被測件進行強度評估。晶體測溫范圍為300 ～1450℃，測溫精度達±5℃。

西門子公司在SGT-800燃氣輪機研發過程中，通過在其第一級靜子葉片和轉子葉片葉身上安裝90個晶體傳感器，測得了精確的葉片溫度分布。圖3給出了第一級靜子葉片和轉子葉片晶體測點位置和經過晶體校準后的溫度分布云圖。

光學高溫計測溫

光學高溫計主要應用于燃氣輪機渦輪轉子葉片的溫度測量，可以實時提供葉片表面連續的溫度數據。但其主要缺點是需要提前獲知葉片表面發射率，用來計算葉片表面溫度，同時其精度受到葉片周圍其他部件表面反射的影響。

光學高溫計原理是利用光的輻射強度來測量葉片表面的溫度，通過光電探測器將輻射強度轉為電信號，根據輻射水平推導出葉片表面溫度。高溫計探針結構如圖4所示，主要包括光學系統、傳輸系統和探測系統。光學系統通過反光鏡及其到測量葉片表面的距離來確定測量區域，傳輸系統將光學信號傳輸到外面的探測器中，探測系統主要部件為一個光電二極管，可以將輻射信號轉換成電信號。

光學高溫計已經廣泛應用于燃氣輪機渦輪轉子葉片的溫度測量中。西門子公司在V84.3A的研發過程中使用光學高溫計對第一級轉子葉片表面溫度進行了測量，并研究了不同波長對溫度測量結果的影響，如圖5所示。高溫計在使用時需要考慮的主要問題是高溫計在真實狀態下的標定、安裝和操作空間是否足夠等問題。

圖4 高溫計探針結構示意圖

圖5 不同波長的光學高溫計下溫度測量值[3]

表2 熱通量計性能參數

傳熱組合量的測量

傳熱學常用的一些宏觀量都是組合物理量，其測量方法和原理往往比較復雜。但這種測量可以為葉片的設計和驗證提供更為有用和詳細的信息。

熱流密度測量

對于一些外換熱系數試驗或者內換熱系數試驗，還需要測量熱流密度。目前熱流密度主要使用金屬或者合金的薄膜熱通量計來測量，國際上常用的薄膜熱通量計已經較多，如日本京都電子（KEM）公司的TM1、TR2、TR6等型號，法國坎普泰克（Captec）公司的HS-9010、HS-30等型號，適用于低溫葉片試驗；美國國際熱儀器（iTi）公司的HT-50、C-3500等型號，可適用于高溫的葉片試驗，具體如表2所示。國內也在不斷開發各種熱流量計，但大多局限于小規模應用，實現商用的不多。熱流密度的測量可以大大簡化換熱系數的測量，但由于引線和信號導出困難等原因，在葉片內表面的使用很少。

氣膜有效度測量

氣膜有效度是葉片冷卻設計的關鍵參數之一，雖然有大量文獻可供參考，但對于新設計的葉片，氣膜有效度仍需通過試驗確定。早期的氣膜有效度試驗需要將主流燃氣加熱到一定溫度，供入冷氣，測量壁面的絕熱溫度，再計算氣膜有效度。這種測量方法需要一定的高溫或者中溫條件，測試系統比較復雜，測量真實葉型難度較大。20世紀90年代，壓力敏感漆（PSP）技術開始用于測量葉片的氣膜有效度[4]，該技術使氣膜有效度的測量在常溫下即可實現，測量系統更為簡單，且測量精度高、可重復性好。經過30年的發展，壓力敏感漆技術已經成為氣膜冷卻試驗研究的主要手段。西北工業大學、清華大學、西安交通大學等科研機構已具備PSP的試驗能力。PSP原材料早期依賴于國外進口，價格昂貴，最近十幾年來，我國已經研制出了國產化的壓力敏感漆涂料，并用于試驗。圖6為美國得克薩斯州農工大學的氣膜試驗件，其表面已噴涂了壓力敏感漆，該試驗對0.8的氣膜有效度測量不確定度為1%，對0.07的氣膜有效度測量不確定度為10.3%。

筆者所在團隊正在開發的燃氣輪機的氣膜有效度測量使用了PSP技術，測量結果顯示，試驗值和預測值較為接近。該試驗是葉片冷卻設計最重要的試驗之一，為冷卻葉片的開發提供了寶貴的數據庫。

圖6 壓力敏感漆測試氣膜試驗件[5]

換熱系數測量

一些種類的液晶材料在不同溫度下將顯示出不同的顏色，因此可以用來測量溫度。但其可測的溫度值一般較低，大部分液晶的測溫范圍在-20 ～120℃，美國豪爾科斯特（Hallcrest）公司研制的SPN/R30C20W型液晶，其有效測溫范圍為30 ～60℃。研究人員將穩態液晶用于氣膜有效度和換熱系數的測量，但依然存在熱損失估計不準、標定嚴格、試驗周期長的問題。使用瞬態液晶（TLC）技術則可以避免這些問題。目前瞬態液晶已經被廣泛用于測量換熱系數，其優點是可以方便地測量真實葉片的內表面換熱系數，并能夠在較低的溫度下完成試驗，試驗難度大大降低。目前，西北工業大學、清華大學等具備該試驗能力，在高換熱系數工況下，西北工業大學的葉片內換熱系數測量不確定度在10%以下。

筆者所在研發團隊也使用了TLC技術測量真實葉片的內換熱系數。測量結果顯示，公開文獻的關聯式計算值和試驗值量級接近，但實際數值還有一定偏差。這對葉片的冷卻設計提出了一定的不確定度的要求。

結束語

燃氣輪機渦輪葉片冷卻設計需要經過多項試驗進行驗證，而常用的測試手段是這些試驗的基礎，為燃氣輪機渦輪葉片的設計和開發提供了保障。基于筆者所在研發團隊的經驗，使用熱線風速儀、壓力敏感漆、瞬態液晶等技術可以測量并獲得想要的數據，且精度較好。使用晶體、示溫漆、光學高溫計等，還沒有完整的試驗結果，但從已有的試驗結果和研究文獻來看，其準確度也比較高。 簡言之，目前的傳感器和測量技術能滿足葉片研發中的試驗任務，但旋轉狀態下的測試技術、燃氣輪機整機環境下的測試、高溫高壓下的連續在線監測、基于真實環境的更加精確的標定技術等，還有待于進一步發展。