渦輪葉片表面熱電偶集成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與影響

摘要:航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪轉(zhuǎn)子葉片工作在高溫,、高轉(zhuǎn)速、高氣動(dòng)負(fù)荷的極端惡劣環(huán)境下,在進(jìn)行表面溫度測(cè)量時(shí),熱電偶在葉片表面的集成防護(hù)尤為重要,熱電偶集成結(jié)構(gòu)各組件之間的結(jié)合強(qiáng)度決定了渦輪轉(zhuǎn)子及附加測(cè)量結(jié)構(gòu)能否安全穩(wěn)定運(yùn)行,。針對(duì)基于增材制造和火焰噴涂的渦輪葉片表面熱電偶集成結(jié)構(gòu),以涂層厚度,、熱電偶直徑及增材結(jié)構(gòu)形式作為設(shè)計(jì)參數(shù),共設(shè)計(jì)9種熱電偶集成結(jié)構(gòu),進(jìn)行有限元仿真和強(qiáng)度分析,研究各變量對(duì)組件結(jié)合面強(qiáng)度的影響。根據(jù)分析結(jié)果,從參數(shù)矩陣中選擇構(gòu)型,進(jìn)行熱電偶集成/防護(hù),并通過(guò)高速旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)驗(yàn)證了其應(yīng)用潛力,。
　　航空發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展是以熱端部件工作溫度的提高為主要特征的,使發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件運(yùn)行在盡可能高的溫度下,能夠獲得更高的推重比和更低的燃油消耗率,。然而,追求盡可能高的渦輪進(jìn)口溫度,給渦輪葉片的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度帶來(lái)了極大挑戰(zhàn),使超溫、蠕變損傷,、燒蝕等問(wèn)題更加惡化,嚴(yán)重限制發(fā)動(dòng)機(jī)的安全性和壽命,。通過(guò)測(cè)量渦輪葉片表面溫度,能夠?yàn)槿~片冷卻設(shè)計(jì)與優(yōu)化、熱疲勞和蠕變損傷研究等提供關(guān)鍵支持,。
　　渦輪葉片表面溫度測(cè)量方式可分為接觸式和非接觸式兩大類叩,，接觸式測(cè)量直接在被測(cè)試件表面布置傳感器,包括鎧裝熱電偶、薄膜熱電偶,、示溫晶體,、示溫漆等B-3],非接觸式測(cè)量主要是利用光學(xué)高溫計(jì)捕捉葉片的輻射,根據(jù)輻射通量、波長(zhǎng)等參數(shù)反求出表面溫度[+61,。基于鎧裝熱電偶的接觸式溫度測(cè)量是測(cè)試精度最高,、可靠性較好的方式,。美國(guó)國(guó)家航空航天局(NASA)格倫研究中心采用一一種微型鎧裝熱電偶進(jìn)行渦輪葉片溫度測(cè)量，測(cè)溫范圍為1089~1260K,并經(jīng)過(guò)450h的熱循環(huán)試驗(yàn)考核叨,。進(jìn)行了渦噴6發(fā)動(dòng)機(jī)I級(jí)渦輪盤的溫度測(cè)量研究,采用開(kāi)槽埋沒(méi)工藝敷設(shè)熱電偶,選用φ1的XA鎧裝熱電偶,為解決渦輪盤上熱偶絲的通道問(wèn)題,在渦輪盤中心,、壓氣機(jī)盤中心進(jìn)行了開(kāi)孔等一系列改裝,將渦輪盤上的熱偶絲引至壓氣機(jī)前帽罩內(nèi)。采用測(cè)溫片完成某航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子穩(wěn)態(tài)溫度測(cè)試,，測(cè)溫片通過(guò)黏結(jié)劑固定在被測(cè)件表面,試驗(yàn)結(jié)果表明傳感器安裝及引線可靠,具有較高的測(cè)量精度,。楊春華等呵在某改型發(fā)動(dòng)機(jī)上開(kāi)展了渦輪轉(zhuǎn)子溫度和應(yīng)力測(cè)試,，在渦輪葉片上加裝熱電偶,電信號(hào)經(jīng)引電器引出至測(cè)試系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)在額定狀態(tài)使用時(shí)間最長(zhǎng),，而起飛狀態(tài)溫度最高,利用測(cè)試結(jié)果對(duì)渦輪轉(zhuǎn)子件進(jìn)行壽命計(jì)算和評(píng)估,得到了真實(shí)的渦輪壽命件的壽命。
　　目前,渦輪葉片熱電偶固定方式主要是刻槽埋設(shè),隨著渦輪葉片結(jié)構(gòu)向空心薄壁,、氣冷或油冷方向發(fā)展,葉片璧厚僅有2~3mm,刻槽埋偶會(huì)給葉片結(jié)構(gòu)帶來(lái)嚴(yán)重的應(yīng)力集中,熱電偶集成結(jié)構(gòu)在高溫,、高轉(zhuǎn)速、高氣動(dòng)負(fù)荷環(huán)境下的可靠性成為制約測(cè)量的主要“瓶頸”,。采用了一種新型的熱電偶集成方法,通過(guò)在渦輪葉片表面增材制造形成凹槽放置熱電偶,并通過(guò)超聲速火焰噴涂對(duì)熱電偶形成覆蓋,在保證葉片結(jié)構(gòu)原有強(qiáng)度的基礎(chǔ)上完成表面熱電偶集成,。基于該方法,進(jìn)行渦輪葉片熱電偶集成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),通過(guò)有限元仿真研究熱電偶集成結(jié)構(gòu)的影響因素的變化規(guī)律,選擇方案,并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證,。
1熱電偶集成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
　　某型渦輪葉片目標(biāo)工作轉(zhuǎn)速高達(dá)21000r/min,，溫度達(dá)1050K,采用鎧裝熱電偶作為溫度傳感器,其外形如圖1所示,，鎧裝結(jié)構(gòu)可增加熱電偶抗拉伸強(qiáng)度,并保護(hù)熱電極免受發(fā)動(dòng)機(jī)高溫高壓燃?xì)鉀_刷和腐蝕。
 
　　熱電偶鎧裝段布置在渦輪葉片上,在葉片表面局部通過(guò)激光送粉沉積制造(LDM)方法增加材料,構(gòu)造熱電偶埋設(shè)引線的溝槽通道,避免了對(duì)渦輪葉片原有結(jié)構(gòu)的破壞,熱電偶埋設(shè)后,再通過(guò)超聲速火焰噴涂(HVOF)方法,在表面制備--層防護(hù)涂層,將熱電偶封裝在溝槽內(nèi)部,完成熱電偶集成/防護(hù),。熱電偶集成結(jié)構(gòu)三維模型如圖2所示,，包含渦輪葉片基底LDM結(jié)構(gòu)、熱電偶和表面涂層,。
 
　　為使渦輪葉片表面結(jié)構(gòu)改變引起的氣動(dòng)效率及溫度場(chǎng)影響處在較小的范圍內(nèi),，采用直徑D=1mm或0.5mm的鎧裝熱電偶。熱電偶直徑?jīng)Q定了LDM結(jié)構(gòu)的尺寸,，另外LDM結(jié)構(gòu)可選擇不同的形式,對(duì)于表面涂層,應(yīng)確保在離心力作用下將熱電偶可靠封裝在槽內(nèi),涂層厚度δ也存在多種選擇,。
　　就熱電偶結(jié)構(gòu)而言,考慮到其直徑引起的氣動(dòng)效率及結(jié)構(gòu)布局影響，采用直徑1mm或0.5mm的軟鎧裝熱電偶,。選用不同的熱電偶結(jié)構(gòu),，相應(yīng)的增材制造結(jié)構(gòu)尺寸將發(fā)生改變,另外增材制造部分與噴涂部分可選擇不同的接觸形式,包括方形槽、圓形槽和V形槽,。對(duì)于噴涂部分,需確保在離心力作用下熱電偶能可靠放置于槽內(nèi),其噴涂厚度存在多種選擇,。綜上所述，基于激光增材制造及超聲速火焰噴涂技術(shù)的熱電偶集成結(jié)構(gòu)存在多種組合形式,圖3為熱電偶直徑為0.5mm,、涂層厚度為0.05mm的幾種熱電偶集成方案,圖4為熱電偶直徑為1.0mm,、涂層厚度為0.05mm的幾種熱電偶集成方案;另外,基于直徑1.0mm的熱電偶方形槽集成方案,將涂層厚度分別設(shè)置為0.050mm、0.075mm,、0.085mm,、0.100mm共4種形式以研究涂層厚度對(duì)集成方案強(qiáng)度的影響。忽略氣動(dòng)效率,、加工成本等方面的影響,熱電偶集成方案的可行性主要在于各組件結(jié)合面強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求,以確保在使用過(guò)中渦輪葉片安全可靠運(yùn)轉(zhuǎn),。將對(duì)前述的幾種熱電偶集成方案進(jìn)行有限元仿真,對(duì)各組件結(jié)合面應(yīng)力進(jìn)行對(duì)比分析。
 
2有限元建模
　　建立熱電偶集成結(jié)構(gòu)有限元模型,有限元網(wǎng)格結(jié)構(gòu)如圖5所示,不同組件之間接觸面采用綁定約束,各組件材料參數(shù)見(jiàn)表1,。
　　仿真時(shí)在葉片根部施加位移約束;葉盤全局施加轉(zhuǎn)速21000r/min,。圖6為方形槽集成結(jié)構(gòu)下葉片Von-Mises等效應(yīng)力分布云圖，含熱電偶集成結(jié)構(gòu)的葉片與其余葉片整體應(yīng)力分布-.致,即熱電偶集成結(jié)構(gòu)的存在并未對(duì)渦輪葉片應(yīng)力分布產(chǎn)生影響,表明基于LDM和HVOF的熱電偶集成方法具有不改變?nèi)~片原有結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的優(yōu)點(diǎn),。
 
3影響因素分析
3.1增材結(jié)構(gòu)形式影響
　　決定熱電偶集成結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的關(guān)鍵是各組件的結(jié)合面強(qiáng)度,對(duì)于涂層部分,各增材結(jié)構(gòu)下的涂層與基體,、激光增材組織切向接觸面的XY平面切應(yīng)力分布云圖如圖7所示,最.大應(yīng)力均位于靠近葉根處的葉片接觸面處,方形槽結(jié)構(gòu)的最大切應(yīng)力為83.4MPa,圓形槽結(jié)構(gòu)的最大切應(yīng)力為.133MPa,V形槽結(jié)構(gòu)的最大剪切應(yīng)力為42.6MPa。圓形槽結(jié)構(gòu)下涂層部分的切應(yīng)力最大,V形槽結(jié)構(gòu)應(yīng)力最小,，與增材部分相互對(duì)應(yīng),。至于YZ平面的切應(yīng)力,圓形槽和V形槽結(jié)構(gòu)下涂層的應(yīng)力相較于方形槽結(jié)構(gòu)略大，如圖8所示,這與該集成方案下涂層的質(zhì)量較大有關(guān),。
 
　　在熱電偶直徑為0.5mm的三種集成方案中,V形槽結(jié)構(gòu)下增材部分和涂層部分的XY平面的切應(yīng)力均小于圓形槽和方形槽方案,但YZ平面的切應(yīng)力相對(duì)較大,。
3.2特征尺寸影響
　　為研究熱電偶特征尺寸對(duì)熱電偶集成結(jié)構(gòu)各組件結(jié)合強(qiáng)度的影響,將直徑為1.0mm的三種熱電偶集成方案進(jìn)行仿真分析,與3.1節(jié)中直徑為0.5mm的直接集成方案分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。熱電偶直徑1.0mm下三種集成方案涂層結(jié)構(gòu)的XY平面切應(yīng)力分布云圖如圖9所示,方形槽結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力為46.8MPa,圓形槽結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力為43.7MPa,V形槽結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力為49MPa,。涂層結(jié)構(gòu)的YZ平面切應(yīng)力分布云圖如圖10所示,，方形槽結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力為184.9MPa,圓形槽結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力為185.7MPa,V形槽結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力為213.9MPa,三種集成方案涂層結(jié)構(gòu)切應(yīng)力均從葉根到葉尖遞減,最大應(yīng)力均位于靠近葉根的葉片接觸面過(guò)渡處,。
 
　　熱電偶直徑1.0mm下三種集成方案的涂層部分XY平面切應(yīng)力均小于相對(duì)應(yīng)的熱電偶直徑0.5mm方案,且應(yīng)力差異性較小，YZ平面切應(yīng)力大于熱電偶直徑0.5mm方案,。
3.3涂層厚度影響
　　為研究涂層厚度對(duì)熱電偶集成結(jié)構(gòu)各組件結(jié)合強(qiáng)度的影響,基于直徑1.0mm熱電偶方形槽集成方案,將涂層厚度分別設(shè)置為0.050mm,、0.075mm、0.085mm,、0.100mm的4種形式進(jìn)行仿真分析,。
 
　　不同涂層厚度下涂層結(jié)構(gòu)的XY平面切應(yīng)力分布云圖如圖11所示，最大應(yīng)力分別為46.8MPa,、40.9MPa,、44.9MPa、41.2MPa,未見(jiàn)明顯規(guī)律,隨著涂層厚度的增加,涂層部分XY平面切應(yīng)力影響緩慢減小,。涂層結(jié)構(gòu)的YZ平面切應(yīng)力分布云圖如圖12所示,，最大應(yīng)力分別為184.9MPa、187.9MPa,、188.9MPa,、195.8MPa,隨著涂層厚度的增加,涂層質(zhì)量增加，YZ平面最大切應(yīng)力緩慢增加,。
 
　　可見(jiàn),涂層厚度對(duì)涂層部分XY平面切應(yīng)力的影響較小,，且未見(jiàn)明顯規(guī)律,可忽略。涂層厚度對(duì)涂層結(jié)構(gòu)Yz平面切應(yīng)力存在影響,隨著涂層厚度的增加,YZ平面最大切應(yīng)力增加,，但增加量較小,。
4強(qiáng)度校核與試驗(yàn)驗(yàn)證
　　根據(jù)優(yōu)化參數(shù),并考慮可實(shí)施性,選擇1.0mm鎧裝熱電偶,方形槽、涂層厚度0.1mm集成方案,各組件強(qiáng)度校核結(jié)果見(jiàn)表2,除表面防護(hù)涂層本身的屈服強(qiáng)度數(shù)據(jù)未知,，其他組件靜強(qiáng)度安全因數(shù)均大于手冊(cè)推薦的15[3),滿足設(shè)計(jì)要求。
 
　　按照該方案進(jìn)行渦輪葉片熱電偶集成,，如圖13所示,。通過(guò)高速旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)來(lái)對(duì)集成熱電偶的渦輪轉(zhuǎn)子的強(qiáng)度進(jìn)行最終驗(yàn)證14,將渦輪盤和旋轉(zhuǎn)工裝裝配在試驗(yàn)臺(tái)上,如圖14所示，對(duì)渦輪轉(zhuǎn)子和熱電偶進(jìn)行外觀檢查,對(duì)超轉(zhuǎn)試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行檢查,確認(rèn)完好開(kāi)展試驗(yàn),。試驗(yàn)轉(zhuǎn)速?gòu)?緩慢增加到21000r/min,保持5min,試驗(yàn)全程實(shí)時(shí)監(jiān)控試驗(yàn)臺(tái)振動(dòng),、溫度和其他工作參數(shù)。
 
 
　　試驗(yàn)轉(zhuǎn)速和振動(dòng)曲線如圖15所示,試驗(yàn)過(guò)程中振動(dòng)和滑油壓力等參數(shù)正常,渦輪轉(zhuǎn)子及熱電偶集成結(jié)構(gòu)完好,表明熱電偶集成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理,強(qiáng)度滿足要求,。
 
5結(jié)論
　　基于激光增材制造及超聲速火焰噴涂技術(shù)的渦輪葉片熱電偶集成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及影響因素分析方法,。選.擇涂層厚度、熱電偶直徑及增材部分結(jié)構(gòu)形式作為變量,設(shè)計(jì)9種結(jié)構(gòu)模型,進(jìn)行有限元仿真分析,研究這些變量對(duì)結(jié)合面強(qiáng)度的影響,。結(jié)果表明,熱電偶集成結(jié)構(gòu)未對(duì)渦輪葉片應(yīng)力分布產(chǎn)生影響,熱電偶直徑1.0mm集成方案優(yōu)于0.5mm方案,綜合對(duì)比下,，方形槽XY平面和YZ平面切應(yīng)力均較小,涂層厚度對(duì)切應(yīng)力影響不大。根據(jù)分析結(jié)果和可實(shí)施性,選擇1.0mm鎧裝熱電偶,、方形槽,、涂層厚度0.1mm方案進(jìn)行渦輪葉片熱電偶集成,進(jìn)行強(qiáng)度校核,并通過(guò)高速旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)驗(yàn)證,表明設(shè)計(jì)方案和分析結(jié)果滿足測(cè)量要求,。