CN112326491A - 一种燃气轮机透平叶片热障涂层高温冲蚀测试装置及测试方法 - Google Patents

一种燃气轮机透平叶片热障涂层高温冲蚀测试装置及测试方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种燃气轮机透平叶片热障涂层高温冲蚀测试装置及测试方法，其中高温冲蚀测试装置包括高温喷枪系统、测试系统、冷却系统、中控系统以及除尘系统。使用本发明提供的测试装置及测试方法，可最大程度模拟燃气轮机透平叶片工作状态下的高温冲蚀环境，模拟固体粒子冲击到热障涂层表面的位置、速度以及相对于涂层表面的角度，以及冲击到热障涂层表面的粒子反弹后，以不同的运动状态冲击热障涂层的其他位置或者其他叶片表面，对涂层产生多次冲蚀磨损等的服役环境。测试结果可为研究热障涂层使用寿命、热障涂层材料选取等提供可靠的试验依据。

Description

一种燃气轮机透平叶片热障涂层高温冲蚀测试装置及测试 方法
技术领域
本发明属于燃气轮机透平叶片防护涂层技术领域，具体涉及一种燃气轮机透平叶片热障涂层高温冲蚀测试装置及测试方法。
背景技术
热障涂层技术已广泛应用于燃气轮机透平叶片，通过在叶片基体合金表面涂覆高温隔热防护涂层，达到降低基体合金温度、防止叶片高温腐蚀、延长叶片使用寿命、提高燃气轮机效率等目的。热障涂层体系结构复杂，服役环境极其恶劣。在服役过程中，不仅受到热应力作用，而且在一些燃烧不充分或采用高炉煤气作为燃料的情况下，燃气中夹杂的固体粒子经燃烧室加速后高速冲击到透平叶片热障涂层表面，对涂层表面造成冲蚀磨损，使涂层发生减薄、密实、脱落等失效，最终导致涂层热障性能不足而丧失对热端部件的防护功能。因此，研究燃气轮机透平叶片热障涂层高温冲蚀的破坏机制是非常必要的。
为研究燃气轮机透平叶片热障涂层冲蚀的破坏机制，评价热障涂层抵抗高温冲蚀的能力，需要模拟固体粒子在高温下的冲蚀环境。但是，由于燃气中固体粒子大小不一导致粒子在燃气通道中的运动轨迹、运动状态也不一样，透平叶片几何形状复杂且保持高速旋转造成固体粒子冲击到热障涂层表面的位置、速度以及相对于涂层表面的角度各不相同，并且冲击到叶片表面的粒子反弹后还会以不同的运动状态冲击热障涂层的其他位置，对涂层产生多次冲蚀磨损，以上因素均是模拟燃气轮机透平叶片热障涂层高温冲蚀工况需解决的难题。
发明内容
本发明的目的是提供一种燃气轮机透平叶片热障涂层高温冲蚀测试装置及测试方法，通过模拟燃气轮机透平叶片工作状态下的高温冲蚀环境，对热障涂层进行高温冲蚀性能测试，试验结果为研究热障涂层使用寿命、热障涂层材料选择等提供了可靠的依据。
本发明采用如下技术方案来实现的：
一种燃气轮机透平叶片热障涂层高温冲蚀测试装置，包括高温喷枪系统、测试系统、冷却系统、中控系统以及除尘系统；其中，高温喷枪系统安装在基座上，包括压缩空气储罐、燃油储罐、混合室、燃烧室以及扩展形喷嘴，混合室一端部设有1个压缩空气入口、2个燃料入口，顶部设有固体粒子入口，两个燃油储罐分别通过燃料流量调节器连接至混合室的对应燃料入口，混合室的固体粒子入口处设置有固体粒子流量控制阀；燃料入口安装有多孔雾化喷嘴；燃烧室为空腔结构，燃烧室一端部与混合室连接，另一端部插入扩展形喷嘴中，燃烧室和扩展形喷嘴外部设有环形冷却水管道；
测试系统包括透平叶片、旋转轴和电机；旋转轴两端固定在基座上，旋转轴周向平均设有多个叶片固定安装孔，透平叶片通过叶片固定安装孔夹持在旋转轴上；中控系统用于控制电机开启，电机用于带动旋转轴使透平叶片旋转；整个测试系统位于可开闭的试验台石英罩内，试验台石英罩一侧面与扩展形喷嘴连接，顶部与除尘系统连接；
冷却系统包括冷却水源、气体换热器、液体换热器、压缩空气管道以及冷却水管道；压缩空气储罐的出口分为两路，一路通过气体质量流量控制器与混合室的压缩空气入口相通，一路通过气体压力和流量控制器与气体换热器的入口连通，气体换热器的出口分为6路，分别与旋转轴一侧面的6个冷却气体通道的入口连通；冷却水源设有冷却水出口与冷却水入口，冷却水出口通过冷却水管道与液体换热器的入口连通，液体换热器的出口分为两路，一路与燃烧室和扩展形喷嘴外部设有环形冷却水管道连通，一路与旋转轴空心腔的冷却水入口连通；高温喷枪系统和测试系统的所有的冷却水出口与冷却水源的冷却水入口连通。
本发明进一步的改进在于，旋转轴周向平均设有6个叶片固定安装孔。
本发明进一步的改进在于，旋转轴的一侧面设有6个冷却气体通道，6个冷却气体通道分别与6个叶片固定安装孔相通，为透平叶片的冷却通道提供冷却气体。
本发明进一步的改进在于，旋转轴的6个叶片固定安装孔内部为柔性零件夹持设计，能够调整透平叶片相对旋转轴轴心的倾斜角度，倾斜角度范围为15°～90°。
本发明进一步的改进在于，电机的转速范围为0～3600r/min。
本发明进一步的改进在于，燃烧室内部腔室设有自动点火器。
本发明进一步的改进在于，燃烧室内壁上装有弹簧式热电偶，测量燃烧室内部火焰温度。
本发明进一步的改进在于，气体换热器出口安装有铂铑热电偶，用于测量通入旋转轴冷却气体通道的冷却气体温度。
一种燃气轮机透平叶片热障涂层高温冲蚀测试方法，包括以下步骤：
步骤1，打开冷却水源出口，调节压力调节器，使流入燃烧室和扩展形喷嘴外部的冷却水管道以及旋转轴空心腔的冷却水流速度为0.2-0.8m/s；
步骤2，打开压缩空气储罐和燃油储罐，调节气体质量流量控制器和燃料流量调节器使混合室内的空燃比达到最佳；调节气体压力和流量控制器，使通入旋转轴冷却气体通道的压缩空气流量为0-150m/s、压力为0-5MPa；打开混合室顶部的固体粒子入口，调节固体粒子流量控制阀，使通入燃烧室的固体粒子流量为0-10g/min；
步骤3，将透平叶片安装在旋转轴上，根据试验需要调整叶片倾斜角度，插上中控系统和电机的电源，点击中控系统上的“开始”按钮，透平叶片开始旋转，转速从0r/min逐渐升到3600r/min，同时燃烧室点火、试验开始计时，通过红外测温仪，实时测量喷嘴出口、透平叶片热障涂层表面以及旋转轴表面的温度。
本发明至少具有如下有益的技术效果：
本发明提供的燃气轮机透平叶片热障涂层高温冲蚀测试装置及测试方法，可最大程度模拟燃气轮机透平叶片工作状态下的高温冲蚀环境，模拟固体粒子冲击到热障涂层表面的位置、速度以及相对于涂层表面的角度，以及冲击到热障涂层表面的粒子反弹后，以不同的运动状态冲击热障涂层的其他位置或者其他叶片表面，对涂层产生多次冲蚀磨损等的服役环境。测试结果可为研究热障涂层使用寿命、热障涂层材料选取等提供可靠的试验依据。
附图说明
图1为本发明一种燃气轮机透平叶片热障涂层高温冲蚀测试装置的整体结构示意图。
图2为本发明一种燃气轮机透平叶片热障涂层高温冲蚀测试装置的局部结构示意图。
附图标记说明：
1.压缩空气储罐；2.燃油储罐；3.混合室；4.燃烧室；5.扩展形喷嘴；6.基座；7.压缩空气入口；8.燃料入口；9.固体粒子入口；10.多孔雾化喷嘴；11.环形冷却水管道；12.透平叶片；13.旋转轴；14.电机；15.叶片固定安装孔；16.试验台石英罩；17.冷却水源；18.气体换热器；19.液体换热器；20.冷却气体通道；21.冷却水入口；22.自动点火器；23.弹簧式热电偶；24.压力调节器；25.气体质量流量控制器；26.燃料流量调节器；27.气体压力控制器；28.固体粒子流量控制阀。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细的说明，但本发明不局限于以下的实施例。
如图1和图2所示，本发明提供的一种燃气轮机透平叶片热障涂层高温冲蚀测试装置，包括高温喷枪系统、测试系统、冷却系统、中控系统以及除尘系统；其中，高温喷枪系统安装在基座6上，包括压缩空气储罐1、燃油储罐2、混合室3、燃烧室4以及扩展形喷嘴5，混合室3一端部设有1个压缩空气入口7、2个燃料入口8，顶部设有固体粒子入口9，两个燃油储罐2分别通过燃料流量调节器26连接至混合室3的对应燃料入口8，混合室3的固体粒子入口9处设置有固体粒子流量控制阀28；燃料入口安装有多孔雾化喷嘴10；燃烧室4为空腔结构，燃烧室一端部与混合室3连接，另一端部插入扩展形喷嘴5中，燃烧室和扩展形喷嘴外部设有环形冷却水管道11；测试系统包括透平叶片12、旋转轴13和电机14；旋转轴13两端固定在基座6上，旋转轴13周向平均设有多个叶片固定安装孔15，透平叶片通过叶片固定安装孔15夹持在旋转轴13上；中控系统用于控制电机14开启，电机14用于带动旋转轴13使透平叶片旋转，转速范围为0～3600r/min；整个测试系统位于可开闭的试验台石英罩16内，试验台石英罩16一侧面与扩展形喷嘴5连接，顶部与除尘系统连接；冷却系统包括冷却水源17、气体换热器18、液体换热器19、压缩空气管道以及冷却水管道；压缩空气储罐的出口分为两路，一路通过气体质量流量控制器25与混合室的压缩空气入口7相通，一路通过气体压力控制器27与气体换热器18的入口连通，气体换热器18的出口分为6路，分别与旋转轴一侧面的6个冷却气体通道20的入口连通；冷却水源设有冷却水出口与冷却水入口，冷却水出口通过冷却水管道与液体换热器19的入口连通，液体换热器19的出口分为两路，一路与燃烧室和扩展形喷嘴外部设有环形冷却水管道11连通，一路与旋转轴空心腔的冷却水入口21连通；高温喷枪系统和测试系统的所有的冷却水出口与冷却水源的冷却水入口连通。
旋转轴13周向平均设有6个叶片固定安装孔15，旋转轴13的一侧面设有6个冷却气体通道20，6个冷却气体通道分别与6个叶片固定安装孔15相通，为透平叶片的冷却通道提供冷却气体，旋转轴13的6个叶片固定安装孔内部为柔性零件夹持设计，能够调整透平叶片相对旋转轴轴心的倾斜角度，倾斜角度范围为15°～90°。
其中燃烧室内部腔室设有自动点火器22，燃烧室内壁上装有弹簧式热电偶23，测量燃烧室内部火焰温度。
气体换热器18出口安装有铂铑热电偶，用于测量通入旋转轴冷却气体通道的冷却气体温度。
本发明提供的一种燃气轮机透平叶片热障涂层高温冲蚀测试方法，包括：
首先，打开冷却水源出口，调节压力调节器24，使流入燃烧室和扩展形喷嘴外部的环形冷却水管道11以及旋转轴空心腔的冷却水流速度为0.2-0.8m/s，最优选择是环形冷却水管道内冷却水流速度为0.42m/s，旋转轴空心腔的冷却水流速度为0.65m/s；
其次，打开压缩空气储罐1和燃油储罐2，调节气体质量流量控制器25和燃料流量调节器26，使混合室内的空燃比达到14.7:1；调节气体压力控制器27，使通入旋转轴冷却气体通道的压缩空气流速为0-150m/s、压力为0-5MPa，根据第1级透平动叶片气动传热计算分析，最优选择是压缩空气流量为98m/s、压力为1.4MPa；打开混合室顶部的固体粒子入口，调节固体粒子流量控制阀，使通入燃烧室的固体粒子流量为0-10g/min，最优选择为2g/min，固体粒子直径范围为10-600μm。
最后，间隔相同距离，围绕旋转轴13一周圈，将6个透平叶片安装在旋转轴13上，根据试验需要，分别调整叶片倾斜角度为15°、30°、45°、60°、75°以及90°；插上中控系统和电机的电源，点击中控系统上的“开始”按钮，透平叶片开始旋转，同时燃烧室点火、试验开始计时，通过电机14控制，使旋转轴13的转速在30min内从0r/min上升到3600r/min，通过红外测温仪，实时测量喷嘴出口、透平叶片热障涂层表面以及旋转轴表面的温度，实时反馈中控系统。

Claims (9)

1.一种燃气轮机透平叶片热障涂层高温冲蚀测试装置，其特征在于，包括高温喷枪系统、测试系统、冷却系统、中控系统以及除尘系统；其中，
高温喷枪系统安装在基座(6)上，包括压缩空气储罐(1)、燃油储罐(2)、混合室(3)、燃烧室(4)以及扩展形喷嘴(5)，混合室(3)一端部设有1个压缩空气入口(7)、2个燃料入口(8)，顶部设有固体粒子入口(9)，两个燃油储罐(2)分别通过燃料流量调节器(26)连接至混合室(3)的对应燃料入口(8)，混合室(3)的固体粒子入口(9)处设置有固体粒子流量控制阀(28)；燃料入口安装有多孔雾化喷嘴(10)；燃烧室(4)为空腔结构，燃烧室一端部与混合室(3)连接，另一端部插入扩展形喷嘴(5)中，燃烧室和扩展形喷嘴外部设有环形冷却水管道(11)；
测试系统包括透平叶片(12)、旋转轴(13)和电机(14)；旋转轴(13)两端固定在基座(6)上，旋转轴(13)周向平均设有多个叶片固定安装孔(15)，透平叶片通过叶片固定安装孔(15)夹持在旋转轴(13)上；中控系统用于控制电机(14)开启，电机(14)用于带动旋转轴(13)使透平叶片旋转；整个测试系统位于可开闭的试验台石英罩(16)内，试验台石英罩(16)一侧面与扩展形喷嘴(5)连接，顶部与除尘系统连接；
冷却系统包括冷却水源(17)、气体换热器(18)、液体换热器(19)、压缩空气管道以及冷却水管道；压缩空气储罐的出口分为两路，一路通过气体质量流量控制器(25)与混合室的压缩空气入口(7)相通，一路通过气体压力和流量控制器(27)与气体换热器(18)的入口连通，气体换热器(18)的出口分为6路，分别与旋转轴一侧面的6个冷却气体通道(20)的入口连通；冷却水源设有冷却水出口与冷却水入口，冷却水出口通过冷却水管道与液体换热器(19)的入口连通，液体换热器(19)的出口分为两路，一路与燃烧室和扩展形喷嘴外部设有环形冷却水管道(11)连通，一路与旋转轴空心腔的冷却水入口(21)连通；高温喷枪系统和测试系统的所有的冷却水出口与冷却水源的冷却水入口连通。
2.根据权利要求1所述的一种燃气轮机透平叶片热障涂层高温冲蚀测试装置，其特征在于，旋转轴(13)周向平均设有6个叶片固定安装孔(15)。
3.根据权利要求2所述的一种燃气轮机透平叶片热障涂层高温冲蚀测试装置，其特征在于，旋转轴(13)的一侧面设有6个冷却气体通道(20)，6个冷却气体通道分别与6个叶片固定安装孔(15)相通，为透平叶片的冷却通道提供冷却气体。
4.根据权利要求2所述的一种燃气轮机透平叶片热障涂层高温冲蚀测试装置，其特征在于，旋转轴(13)的6个叶片固定安装孔内部为柔性零件夹持设计，能够调整透平叶片相对旋转轴轴心的倾斜角度，倾斜角度范围为15°～90°。
5.根据权利要求1所述的一种燃气轮机透平叶片热障涂层高温冲蚀测试装置，其特征在于，电机(14)的转速范围为0～3600r/min。
6.根据权利要求1所述的一种燃气轮机透平叶片热障涂层高温冲蚀测试装置，其特征在于，燃烧室内部腔室设有自动点火器(22)。
7.根据权利要求1所述的一种燃气轮机透平叶片热障涂层高温冲蚀测试装置，其特征在于，燃烧室内壁上装有弹簧式热电偶(23)，测量燃烧室内部火焰温度。
8.根据权利要求1所述的一种燃气轮机透平叶片热障涂层高温冲蚀测试装置，其特征在于，气体换热器(18)出口安装有铂铑热电偶，用于测量通入旋转轴冷却气体通道的冷却气体温度。
9.一种燃气轮机透平叶片热障涂层高温冲蚀测试方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，打开冷却水源出口，调节压力调节器(24)，使流入燃烧室和扩展形喷嘴外部的冷却水管道以及旋转轴空心腔的冷却水流速度为0.2-0.8m/s；
步骤2，打开压缩空气储罐和燃油储罐，调节气体质量流量控制器(25)和燃料流量调节器(26)，使混合室内的空燃比达到最佳；调节气体压力和流量控制器(27)，使通入旋转轴冷却气体通道的压缩空气流量为0-150m/s、压力为0-5MPa；打开混合室顶部的固体粒子入口，调节固体粒子流量控制阀(28)，使通入燃烧室的固体粒子流量为0-10g/min；
步骤3，将透平叶片安装在旋转轴上，根据试验需要调整叶片倾斜角度，插上中控系统和电机的电源，点击中控系统上的“开始”按钮，透平叶片开始旋转，转速从0r/min逐渐升到3600r/min，同时燃烧室点火、试验开始计时，通过红外测温仪，实时测量喷嘴出口、透平叶片热障涂层表面以及旋转轴表面的温度。
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