劉 佳，田玉坤，宮永輝，何欽華，邱恒斌

(北京強(qiáng)度環(huán)境研究所，北京 100076)

1 引言

航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片的使用環(huán)境溫度高、氣動(dòng)載荷和振動(dòng)載荷大，而冷卻氣量小，存在被燒蝕的風(fēng)險(xiǎn)。另外，渦輪葉片在啟動(dòng)-停車的循環(huán)過程中，葉片的溫度梯度較大，會(huì)產(chǎn)生很大的熱應(yīng)力，導(dǎo)致葉片熱疲勞。因此，渦輪葉片表面普遍采用熱障涂層，以提高其工作溫度、抗腐蝕能力，減少冷卻用氣量和簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)。而發(fā)動(dòng)機(jī)在反復(fù)的啟停過程中，渦輪葉片表面熱障涂層與基體之間由于膨脹率等物性參數(shù)不一致，會(huì)導(dǎo)致熱障涂層存在失效風(fēng)險(xiǎn)[1-2]。因此，渦輪葉片熱沖擊疲勞的試驗(yàn)?zāi)M過程，對(duì)渦輪葉片的抗熱沖擊疲勞能力考核和熱障涂層驗(yàn)證具有重要意義。

近幾十年來(lái)，國(guó)內(nèi)外對(duì)渦輪葉片的研究工作漸進(jìn)深入，但相關(guān)研究多側(cè)重于數(shù)值仿真、熱沖擊仿真條件下渦輪葉片應(yīng)力場(chǎng)分析、損傷機(jī)理的形成及壽命評(píng)估和渦輪葉片的抗熱疲勞設(shè)計(jì)等。如Zaretsky等[3]通過對(duì)多個(gè)渦輪葉片故障進(jìn)行分類，使用Johnson-Weibull方法進(jìn)行壽命預(yù)測(cè)，總結(jié)出了可快速推算渦輪葉片壽命時(shí)長(zhǎng)的簡(jiǎn)化公式。Abu等[4]使用N/S破壞模型對(duì)典型渦輪葉片在熱機(jī)械疲勞環(huán)境下的使用壽命進(jìn)行校核，指出了影響渦輪葉片壽命的重要因子。Lee 等[5]評(píng)估了熱機(jī)械疲勞條件下熱氧化作用對(duì)鎳基渦輪葉片熱障涂層的影響。錢惠華等[6]以渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)高壓渦輪導(dǎo)向葉片裂紋故障為背景，通過推導(dǎo)出的導(dǎo)向葉片瞬態(tài)溫度場(chǎng)計(jì)算方法，得出了葉片的瞬態(tài)熱應(yīng)力分布與熱疲勞壽命。駱劍霞[7]使用四種湍流模型模擬渦輪導(dǎo)向葉片相同結(jié)構(gòu)尺寸的葉柵通道內(nèi)的流動(dòng)與換熱，并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。關(guān)鵬等[1]在渦輪導(dǎo)向葉片熱沖擊數(shù)值分析中，利用計(jì)算所得熱應(yīng)力及模態(tài)振型推斷出了葉片出現(xiàn)熱損傷的具體位置。段紅燕等[8]利用ANSYS軟件計(jì)算了渦輪葉片在溫度、離心及氣動(dòng)三種載荷耦合作用下的應(yīng)力分布，并進(jìn)行了低周疲勞壽命預(yù)測(cè)。

在渦輪葉片或類似體積相對(duì)較小試驗(yàn)件的熱沖擊疲勞或熱機(jī)械疲勞的加熱模擬過程中，加熱方式主要有燃?xì)庠囼?yàn)臺(tái)尾焰加熱[9]、高溫爐加熱[10]、火焰噴槍加熱[11-12]、激光加熱[13-14]和電磁感應(yīng)加熱[15-19]等。其中，國(guó)內(nèi)外多采用燃?xì)庠囼?yàn)臺(tái)尾焰或電磁感應(yīng)進(jìn)行加熱模擬。但燃?xì)庠囼?yàn)臺(tái)尾焰加熱準(zhǔn)備周期長(zhǎng)，涉及資源眾多，使用成本較高。而電磁感應(yīng)加熱時(shí)感應(yīng)器產(chǎn)生的強(qiáng)烈的電磁場(chǎng)會(huì)干擾附近的傳感器和振動(dòng)臺(tái)系統(tǒng)，不利于后期測(cè)試；加之渦輪葉片的結(jié)構(gòu)及熱邊界條件十分復(fù)雜，感應(yīng)線圈形狀難以確定，難以在渦輪葉片整體面積尺度上模擬實(shí)際的熱沖擊載荷。相比較而言，石英燈具有熱效率高、壽命長(zhǎng)、熱慣性小、便于電控的特點(diǎn)，非常適合模擬瞬變的氣動(dòng)加熱溫度；同時(shí)其尺寸小、功率大，便于根據(jù)不同試驗(yàn)產(chǎn)品加熱外形進(jìn)行拼接，在實(shí)現(xiàn)小體積試件局部溫度精準(zhǔn)控制的同時(shí)可以確保較大的加熱面積，所以由石英燈組成的輻射加熱器可以很好地模擬各種試驗(yàn)產(chǎn)品在運(yùn)行時(shí)的熱強(qiáng)度環(huán)境[20]。

渦輪葉片輻射熱沖擊疲勞過程實(shí)際模擬的難點(diǎn)在于多次循環(huán)的熱載荷升溫和降溫，并且熱載荷條件規(guī)定了嚴(yán)格的升溫和降溫速率。本文基于石英燈輻射加熱試驗(yàn)技術(shù)，著重闡述了輻射熱沖擊中的熱載荷控制過程，形成了整套安全可控的試驗(yàn)方法，可為后續(xù)相關(guān)試驗(yàn)的開展和葉片的改進(jìn)提供新的可行方法。

2 熱載荷條件及實(shí)現(xiàn)方法

2.1 熱載荷條件

由于渦輪葉片壁通常很薄，葉片內(nèi)外壁面溫度能快速達(dá)到穩(wěn)定平衡狀態(tài)，所以可以通過單一傳感器測(cè)點(diǎn)的溫度來(lái)表征熱沖擊疲勞環(huán)境載荷。具體要求渦輪葉片6個(gè)特征點(diǎn)處的測(cè)試溫度需符合熱載荷條件要求。渦輪葉片及其特征點(diǎn)位置如圖1 所示，熱載荷條件示意如圖2所示。

圖1 渦輪葉片特征點(diǎn)示意Fig.1 Schematic diagram of characteristic points for turbine blade

圖2 渦輪葉片輻射熱沖擊疲勞試驗(yàn)溫度載荷條件Fig.2 Schematic diagram of turbine blade thermal fatigue test temperature load condition

2.2 熱載荷條件熱沖擊過程的實(shí)現(xiàn)方法

輻射熱沖擊疲勞過程的完整實(shí)現(xiàn)需要進(jìn)行前期調(diào)試，以驗(yàn)證渦輪葉片特征點(diǎn)表面溫度實(shí)測(cè)值是否可以實(shí)現(xiàn)對(duì)熱載荷條件的有效跟隨。調(diào)試過程采用閉環(huán)溫度控制方式進(jìn)行。將溫度控制點(diǎn)以焊接方式布置在試驗(yàn)產(chǎn)品表面，在試驗(yàn)產(chǎn)品加熱過程中，通過溫度控制算法實(shí)現(xiàn)熱載荷條件的自動(dòng)跟隨。升溫的同時(shí)，在導(dǎo)向葉片內(nèi)部通入冷卻用氣，以盡可能真實(shí)地模擬導(dǎo)向葉片的工作狀況。

單個(gè)加熱分區(qū)熱試驗(yàn)閉環(huán)控制原理如圖3 所示。試驗(yàn)中，PV 為渦輪葉片特征點(diǎn)表面溫度實(shí)測(cè)值；SV為圖2中的熱載荷條件；U為經(jīng)過閉環(huán)控制算法計(jì)算后的控制器輸出，用以調(diào)節(jié)石英燈輻射加熱系統(tǒng)。

圖3 PID控制系統(tǒng)示意圖Fig.3 Diagram of PID control process

閉環(huán)控制采用PID 控制算法，即溫度控制算法根據(jù)熱載荷條件和渦輪葉片特征點(diǎn)表面溫度實(shí)測(cè)值的差值進(jìn)行運(yùn)算處理，得出用以驅(qū)動(dòng)石英燈輻射加熱系統(tǒng)的控制器輸出。對(duì)于特定的熱載荷條件，需要對(duì)控制過程中的PID參數(shù)進(jìn)行整定。得到滿足熱載荷升溫過程和高溫保持段平穩(wěn)性要求的PID調(diào)節(jié)參數(shù)，也是前期調(diào)試的目標(biāo)。

前期的仿真計(jì)算可以將渦輪葉片劃分為2個(gè)加熱分區(qū)[21]，如圖4 所示。選取兩處特征點(diǎn)表面溫度的實(shí)測(cè)值作為閉環(huán)溫度控制的反饋?zhàn)兞窟M(jìn)行石英燈輻射熱沖擊調(diào)試。調(diào)試表明，如果采用上述2 個(gè)加熱分區(qū)，圖1中渦輪6個(gè)特征點(diǎn)表面實(shí)測(cè)溫度在試驗(yàn)過程無(wú)法達(dá)到熱載荷條件設(shè)定的峰值，不能滿足試驗(yàn)要求。后續(xù)迭代分析和仿真計(jì)算表明，將渦輪葉片加熱區(qū)域隨形細(xì)分為4個(gè)(對(duì)應(yīng)圖1中的特征點(diǎn)1、3、4、6，每個(gè)加熱分區(qū)溫度閉環(huán)控制的反饋?zhàn)兞繉?duì)應(yīng)渦輪葉片特征點(diǎn)表面溫度實(shí)測(cè)值)，輻射熱沖擊過程中6 處特征點(diǎn)表面實(shí)測(cè)溫度可滿足熱載荷條件峰值。修改后的加熱分區(qū)示意如圖5所示。

圖4 渦輪葉片輻射熱沖擊疲勞試驗(yàn)初始加熱分區(qū)劃分Fig.4 Division of initial zone in radiation thermal shock fatigue test of turbine blade

圖5 修改后的加熱分區(qū)劃分Fig.5 Division of heating zone after modification

3 輻射熱沖擊疲勞試驗(yàn)控制技術(shù)

3.1 降溫過程的實(shí)現(xiàn)

渦輪葉片熱沖擊疲勞的實(shí)現(xiàn)需要連續(xù)進(jìn)行熱沖擊過程、高溫保持過程和降溫過程。如果不采用強(qiáng)制冷卻，渦輪葉片特征點(diǎn)表面溫度實(shí)測(cè)值在熱載荷條件的降溫段無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)定值的有效跟隨，在下一個(gè)循環(huán)熱沖擊升溫段到來(lái)時(shí)葉片表面還維持著較高溫度，無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)渦輪葉片的冷熱循環(huán)模擬，具體如圖6所示。

圖6 熱載荷條件調(diào)整前后對(duì)比Fig.6 Comparison of thermal load condition before and after adjustment

根據(jù)傳熱計(jì)算公式，當(dāng)冷卻介質(zhì)溫度為20°C且對(duì)流換熱系數(shù)約為1 000 W/(m2·K)時(shí)，葉片溫度在30 s 內(nèi)可降至50°C 以下。考慮到氣體的對(duì)流換熱系數(shù)不會(huì)高于250 W/(m2·K)，如果要實(shí)現(xiàn)熱載荷條件需求的冷卻速率，只能將冷卻介質(zhì)的溫度降低并進(jìn)行噴水冷卻。經(jīng)多次調(diào)試，通過在渦輪葉片中通入氣化后的液氮可以滿足上述冷卻速率要求。同時(shí)，對(duì)熱載荷條件進(jìn)行適應(yīng)性調(diào)整，通過加大PID控制過程的差值，盡快降低控制器輸出，使石英燈輻射加熱系統(tǒng)更快地減少加熱。改進(jìn)后的溫度控制點(diǎn)實(shí)測(cè)值(圖6 中藍(lán)色曲線)的降溫速率要快于預(yù)先設(shè)定曲線(圖6中紅色曲線)，符合試驗(yàn)要求。

試驗(yàn)調(diào)試過程中，對(duì)渦輪葉片進(jìn)行上述強(qiáng)制冷卻措施后發(fā)現(xiàn)，冷卻的空間均勻性和時(shí)間均勻性不能得到有效、可靠的保證。即在預(yù)定時(shí)間內(nèi)可以冷卻到規(guī)定溫度，但渦輪葉片特征點(diǎn)表面溫度實(shí)測(cè)值在到達(dá)熱載荷規(guī)定數(shù)值的強(qiáng)制降溫過程中會(huì)出現(xiàn)跳動(dòng)。而單純的PID溫度控制算法均為程序在線自動(dòng)控制，溫度實(shí)測(cè)值的反復(fù)跳動(dòng)會(huì)給上述算法輸入錯(cuò)誤信息，使得控制器的輸出產(chǎn)生震蕩，導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)石英燈輻射加熱器在較大范圍內(nèi)產(chǎn)生忽明忽暗的現(xiàn)象。這不僅影響試驗(yàn)過程平穩(wěn)的控制效果，更可能無(wú)法完成預(yù)先規(guī)定的循環(huán)次數(shù)的熱沖擊試驗(yàn)。如圖7所示，在熱載荷條件降溫段的100～130 s 期間，由單純的溫度控制算法計(jì)算得出的控制輸出(圖中MV)呈現(xiàn)出高頻震蕩現(xiàn)象。

圖7 熱沖擊冷卻過程控制器震蕩輸出Fig.7 Oscillation output of the controller during thermal shock cooling

3.2 溫度控制和控制器直接輸出驅(qū)動(dòng)分時(shí)聯(lián)合控制

針對(duì)上文中單純的溫度控制算法在冷卻降溫階段的不適應(yīng)和局限性，通過大量調(diào)試，最終選定采用溫度控制和控制器直接輸出驅(qū)動(dòng)分時(shí)聯(lián)合控制的方法，如圖8所示。在升溫和高溫保持階段，通過溫度控制，配合經(jīng)過整定的PID控制參數(shù)，以保證熱沖擊過程的升溫速率和高溫保持過程的穩(wěn)定性。在對(duì)渦輪葉片進(jìn)行氣化液氮和噴水強(qiáng)制冷卻降溫和低溫保持階段，不使用溫度控制，使用控制器直接輸出驅(qū)動(dòng)控制，以避免強(qiáng)制冷卻降溫過程溫度控制算法因接收跳動(dòng)的渦輪葉片特征點(diǎn)表面溫度實(shí)測(cè)值而引起的控制器震蕩輸出現(xiàn)象，和在不影響渦輪葉片降溫的前提下維持石英燈輻射加熱器的亮度，消除在下一個(gè)循環(huán)熱沖擊初始階段石英燈初期的遲滯和慣性，防止熱沖擊試驗(yàn)過程溫度自動(dòng)控制算法瞬間造成過大的控制器輸出，降低熱沖擊過程的危險(xiǎn)性?？刂扑惴▍⑴c過程與熱載荷條件的關(guān)系如圖9 所示，在高溫保持階段結(jié)束時(shí)刻由控制器輸出特定值，在熱沖擊升溫段開始時(shí)刻切換至溫度控制以保證下一熱沖擊過程升溫需求。

圖8 控制算法分時(shí)聯(lián)合應(yīng)用Fig.8 Time-sharing joint application of control algorithm

圖9 控制算法修改后的試驗(yàn)測(cè)試曲線Fig.9 Test curve of modified control algorithm

3.3 強(qiáng)制降溫過程的聯(lián)動(dòng)控制

在上述多循環(huán)熱沖擊及強(qiáng)制冷卻降溫過程中，石英燈輻射加熱器與渦輪葉片保持特定的位置和距離，以滿足升溫速率和高溫保持穩(wěn)定性的要求。在強(qiáng)制冷卻降溫階段，需進(jìn)行氣化液氮和噴水冷卻操作，渦輪葉片和石英燈輻射加熱器的相對(duì)關(guān)系需要改變。相比較而言，由于石英燈輻射加熱系統(tǒng)和相關(guān)冷卻系統(tǒng)的體積和質(zhì)量較大，管線和強(qiáng)電線纜繁多，無(wú)法實(shí)現(xiàn)較為輕易的移動(dòng)，所以將渦輪葉片按照石英燈排列方向進(jìn)行移動(dòng)。在熱載荷降溫階段，將渦輪葉片移出石英燈輻射加熱區(qū)域，進(jìn)入強(qiáng)制冷卻降溫區(qū)域?qū)ζ溥M(jìn)行冷卻操作。上述移動(dòng)過程通過液壓/電動(dòng)伺服裝置往復(fù)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)，如圖10 所示。氣化液氮和噴水冷卻介入和結(jié)束時(shí)刻與熱載荷條件之間的關(guān)系如圖11所示。

采用溫度控制和控制器直接輸出驅(qū)動(dòng)分時(shí)聯(lián)合控制的方法，完成了50個(gè)循環(huán)的渦輪葉片輻射熱沖擊和強(qiáng)制冷卻降溫過程。試驗(yàn)過程數(shù)據(jù)如圖12 所示，圖1 中渦輪葉片特征點(diǎn)表面溫度實(shí)測(cè)值在試驗(yàn)過程與試驗(yàn)熱載荷條件之間的關(guān)系如表1所示?？梢姡囼?yàn)過程升溫速率、峰值偏差和降溫速率均滿足試驗(yàn)要求，驗(yàn)證了控制技術(shù)的有效性；同時(shí)表明，基于石英燈的輻射加熱與氣化液氮和噴水強(qiáng)制冷卻的方法，可以完成渦輪葉片多循環(huán)的熱沖擊疲勞試驗(yàn)。由于特征點(diǎn)2位于葉片凹面且在兩個(gè)加熱分區(qū)的盲區(qū)附近，該點(diǎn)表面溫度實(shí)測(cè)值在高溫保持段與熱載荷對(duì)應(yīng)峰值條件相對(duì)誤差略大，為12.9%，后期可通過進(jìn)一步優(yōu)化石英燈加熱器設(shè)計(jì)來(lái)降低誤差。其余5個(gè)特征點(diǎn)表面溫度實(shí)測(cè)值在高溫保持段均能達(dá)到熱載荷條件峰值要求，峰值測(cè)試結(jié)果與熱載荷要求相對(duì)誤差不超過7.0%。

圖10 渦輪葉片輻射熱沖擊疲勞試驗(yàn)示意圖Fig.10 Schematic diagram of turbine blade radiation thermal shock test

圖11 強(qiáng)制冷卻降溫過程伺服運(yùn)動(dòng)控制曲線與熱載荷條件之間的關(guān)系Fig.11 The relationship between servo motion control curve during forced cooling process and thermal load condition

圖12 50循環(huán)熱沖擊試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)(前7個(gè)循環(huán))Fig.12 Data of 50 cycles thermal shock test(the first seven cycles)

4 結(jié)論

(1) 基于石英燈的輻射的熱沖擊疲勞試驗(yàn)，可以模擬多循環(huán)渦輪葉片的實(shí)際啟動(dòng)-停車過程；實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果中，大多數(shù)特征點(diǎn)的表面溫度實(shí)測(cè)值與設(shè)定熱載荷條件相對(duì)誤差不超過7.0%，驗(yàn)證了此方式的有效性。

表1 渦輪葉片特征點(diǎn)表面實(shí)測(cè)峰值與熱載荷條件對(duì)比Table 1 Comparison of thermal load condition and measured peak temperatures at the surface of characteristic points of turbine blades

(2) 石英燈輻射加熱過程中，單純應(yīng)用溫度PID控制算法并不能很好地滿足熱沖擊疲勞過程的要求，需要溫度控制和控制器直接驅(qū)動(dòng)控制分時(shí)聯(lián)合應(yīng)用。溫度控制可以保證熱沖擊過程的快速性，實(shí)現(xiàn)高溫段的平穩(wěn)控制；降溫段采用控制器直接驅(qū)動(dòng)控制，可以避免溫度控制在降溫階段造成的控制器輸出震蕩現(xiàn)象，同時(shí)消除石英燈輻射加熱系統(tǒng)在下一個(gè)循環(huán)熱沖擊初始階段從冷到熱的遲滯和慣性。

(3) 熱載荷的降溫過程不能靠渦輪葉片自然降溫完成，需使用氣化液氮和噴水強(qiáng)制冷卻，且此過程需使用伺服系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)渦輪葉片在輻射熱沖擊區(qū)域和強(qiáng)制冷卻區(qū)域的平移，伺服系統(tǒng)和強(qiáng)制冷卻系統(tǒng)的介入和結(jié)束時(shí)間需根據(jù)熱載荷條件確定。