高转速下原位加热系统设备研发及验证.pdf

2023年第5期2023年10 月设备研究高转速下原位加热系统设备研发及验证铸造设备与工艺FOUNDRYEQUIPMENTANDTECHNOLOGYD0I:10.16666/ki.issn1004-6178.2023.05.003Oct.2023No5陈传勇1，瞿明敏3,赵建江3，韦华3.4,宣海军1（1.浙江大学能源工程学院，浙江杭州3 10 0 2 7;2.浙江海骆航空科技有限公司，浙江湖州3 13 2 19；3.浙江大学建筑工程学院，浙江杭州3 10 0 58;4.浙江大学超重力研究中心，浙江杭州3 10 0 58)摘要：为解决目前常规材料性能测试设备无法在高温-高转速耦合条件下测试材料性能的关键难题，本文在理论设计基础上，研制出满足高速旋转实验台原位加热需求的电磁感应加热线圈，在不同工况下进行了静态和动态性能测试，通过对比静态、动态试样实测温度和计算温度，验证电磁感应线圈设计方法可行性。测试结果表明，在给定的电流、频率和功率下，感应线圈可以将试样加热到10 0 0,达到预期设计指标；在电流、功率和频率保持不变的情况下，无论静态加热还是在动态加热均可给感应线圈内的试样施加一个稳定的温度载荷，且均温带位置稳定，均温带温度与设定温度偏差不超过10.通过三组高温-高转速作用下高温合金试样的蠕变实验，验证了研发的感应线圈与高速旋转试验台配合具备开展长时稳定高温-高转速耦合作用下材料或部件性能测试的能力。关键词：原位加热；高转速-高温耦合作用；温度分布；均温带；高转速蠕变实验中图分类号：TG115In-situ Heating System Equipment Development and Validation under the High-speedCHEN Chuan-yong,QU Ming-min?,ZHAO Jian-jiang,WEI Hua3-4,XUAN Hai-jun!(1.College of Energy Engineering,Zhejiang University,Hangzhou Zhejiang 310027,China;2.Zhejiang HIRO Aeronautics Technology Co.Ltd.,Huzhou Zhejiang 313219,China;3.College of Ciwil Engineering and Architecture,Zhejiang University,Hangzhou Zhejiang 310058China;4.Center for Hypergrawity Experimental and Interdisciplinary Research,Zhejiang University,Hangzhou Zhejiang 310058,China)Abstract:In order to solve the key problem that the conventional material property testing equipment cannot be used to testmechanical properties of the samples under the high-temperature and high-speed rotating coupling conditions,an electromagneticinduction heating system is developed to meet the in-situ heating requirement of a high-speed rotating experimental platform.Thedeveloped induction heating system are tested under the static and dynamic working conditions,and the measured and calculatedtemperatures of the heated samples under the static and dynamic conditions are compared to verify the feasibility of the reporteddesign method.The results show that when the specific current,frequency and power are given,the induction coil can be able to heatthe sample to the expected temperature of 1 ooo C.Under the condition that current,power and frequency remain unchanged,a stabletemperature load is applied to the sample inside the induction coil both during the static and dynamic heating when the uniformtemperature zone can be formed.The deviation between the real temperature and the target temperature is no more than io C at theuniform temperature zone of the tested sample.Three sets of creep experiments of the samples under the high-temperature and high-speed rotating coupling conditions are designed to verify that the developed induction coil,in conjunction with a high-speed rotatingexperimental platform,has the long-term stable ability to conduct mechanical properties of materials or components under the high-temperature and high-speed rotating coupling conditions.Key words:in-situ heating,coupling effect of high-speed rotating and high temperature,temperature distribution,uniformtemperature zone,high-speed rotating creep experiment文献标识码：ASpinning Condition文章编号：16 7 4-6 6 94(2 0 2 3)0 5-0 0 0 8-0 6收稿日期：2 0 2 3-0 6-13作者简介：陈传勇（198 9-）,男，山东泰安市人，助理研究员，博士，研究方向为极端环境发动机部件力学性能测试评价技术。通讯作者：宣海军（197 7-）,男，浙江绍兴市人，教授，博士，研究方向为航空发动机结构安全与验证。基金项目：中国航空发动机集团产学研合作项目（HFZL2020CXY003）8航空发动机是一种具有严酷气动负荷、机械负荷且要求耐久性工作特征的热动力机械，其可靠性和寿命直接影响飞机的飞行安全。航空发动机寿命在很大程度上取决于涡轮热端部件的寿命，所以国2023年第5期内外均很重视航空发动机涡轮热端部件可靠性和寿命的研究1。服役时涡轮工作叶片绕发动机轴线高速旋转，承受高温、高压、高转速、交变负载等耦合加载条件。调研表明 2,在正常服役条件下，平均有12%的涡轮叶片在发动机半寿命大修时报废，导致叶片故障的原因主要有热疲劳在内的低循环疲劳、振动引起的高循环疲劳、高温长时间载荷作用下的蠕变变形和蠕变应力断裂、高温燃气冲刷腐蚀和氧化以及外物损伤等。据维修部门对某型发动机涡轮转子叶片报废率的统计结果，超温及铸造缺陷和外物打伤，占总报废叶片的7 2%.除此之外，发动机服役过程中还经常遇到反常服役状态，如燃烧室积油起火、起动喷嘴油压过低、油体雾化不良、涡轮出口周向温度不均等，致使超温与应力耦合使涡轮叶片断裂占发动机零部件失效事故的7 0%以上 3。研究表明 4-：随着超温温度升高，单晶合金中相快速长大，甚至部分相回溶，导致体积分数降低，单晶合金性能退化，更为严重的是，超温尤其过烧在进一步加剧合金氧化和性能退化的同时，使合金基体发生初熔，降低叶片承载能力，再与交变应力耦合势必急剧降低叶片疲劳寿命。虽然涡轮叶片超温服役持续时间很短，大约几秒钟到几分钟，但由于其严重损伤单晶合金的微观结构，致使其力学性能急剧退化,进而容易诱发灾难性事故 7-8。虽然国内开展了多种高温合金短时超温、热暴露、长期时效后叶片组织的演化规律及性能退化等研究，但以往研究中利用传统力学试验获得的数据具有很大的局限性。目前我国航空发动机涡轮叶片用单晶合金材料的性能数据主要来自实验室标准试样的等（恒）温力学性能数据，虽然标准试样等（恒）温力学性能数据在一定程度上能为叶片可靠性设计提供设计依据，但由于服役时叶片的温度、应力状态和标准试样明显不同，致使这些基于等（恒）温条件下标准试样的力学性能数据及其寿命预测模型不能直接用来评估超温服役条件下涡轮叶片的结构强度19;通常情况下,研究超温对合金性能影响时，先对试样进行超温处理，然后再进行恒温蠕变试验，由于超温处理和恒温变试验是分开进行的，在蠕变加载前的保温阶段，由于高温，超温组织会发生不同程度的恢复，使获得的性能数据不能完全反映超温对合金性能的影响；航空发动机服役过程中，通常经历停车、慢车、巡航等不同的飞行工况，所以涡轮叶片的工作温度是不断变化的，恒温蠕变过程与叶片服役过程的温度变化存在明显陈传勇，瞿明敏，赵建江，韦华，宣海军：高转速下原位加热系统设备研发及验证1000的加热需求。在感应加热过程中，一方面由于试样温度高，且与感应线圈铜管的间距很小，必然会对感应铜管有较强的反向加热作用;另一方面,铜管表面的电流密度很大，加之铜管本身有一定的电阻，容易产生电阻热；所以感应加热时必须通过水冷机对铜管进行冷却。根据叶片最高加热温度，确定水冷机的制冷量为3 2 kW，水箱容积为150 L.根据计算结果，感应线圈采用6 mmx8mm矩形铜管,其结构原理如图1所示。由于在使用过程中，铜管表面电流密度很大，为了确保试验安全，在铜管表面缠绕玻纤带，借此将铜管与外界环境绝缘。上/下感应线圈在竖直段弯折之后，绕制成一个圆，然后将两个线圈固定到电木板上面。上下两个电木板之间的距离通过螺栓进行调节，借此来调整上/下感应线圈与叶片之间的间距。铸造设备与工艺差异，变温蠕变更适合用来试样遭遇超温后的蠕变行为；超温有时与疲劳应力相耦合,加速叶片疲劳失效，但国内这方面研究报道不多，主要原因为未能开发出在高转速-高温条件下进行超温的材料性能测试设备。为此，研发一套能够给模拟高速旋转试样或叶片施加高温载荷的试验平台，为开展高温-高转速耦合作用下材料或部件性能提供设备支撑。1感应加热系统感应加热系统由加热单元、夹持装置和测控单元组成，其中加热单元主要功能是在给高转速叶片施加温度载荷，夹持装置主要功能是将加热单元固定在高速旋转试验台上，测控单元主要功能是校温和测温。1.1加热单元加热单元包括电源主机、变压器、水冷机、电缆、上感应线圈、下感应线圈、试样和轮盘组成。电源主机和变压器为感应线圈提供高频交流电。三相交流电经过电源主机后，被转换成一定频率的交流电，然后再经过变压器将电流放大后通过电缆与上/下感应线圈连接。根据仿真模拟结果，为了将试样加热至10 0 0，推荐的感应频率为3 5kHz，变压后的感应电流为10 0 0 A，考虑到实际功率损耗等问题，设计主机额定输出功率为40 kW的感应电源,电流调节范围0 110 A,变压器对电源主机输出电流放大18 倍.试验时，通过电源控制面板调节电源主机的输出电流，满足对高温合金试样2 5Oct.2023No5试验时，试样安装在轮盘上，轮盘与立式转子高速旋转试验台的连接轴相连，连接轴通过法兰与高速旋转试验器主轴相连。通过控制离心主机转速，调控施加在试样上的离心应力载荷。通过感应加热，给高速旋转的叶片施加温度载荷，实现高转速-高温耦合作用下叶片性能的测试。1145铸造设备与工艺数误差小于2 以内，并保温3 0 min确定好试样材料的发射率后，关掉感应加热系统，拆卸掉焊接在试样上的热电偶；根据试样加热段的目标温度，确定感应线圈的电流、频率和功率；根据施加的离心载荷，确定试验转速，然后依次启动加热系统和高速旋转试验台主机，开始试验。为了确保温度场的均匀性和控温精度，上/下感应线圈距离试样的间距为3 mm.温度标定过程中，试样加热后的实物图见图2 b）所示。1062023年第5期智能温控系统1控温柜红外测温仪供电柜1-高速旋转试验器试验腔盖；2-支撑杆；3-试样；4-感应线圈；5-电木板；6-调节螺栓；7-水冷机;8-电源主机;9-变压器；10-法兰板；11-高速旋转试验器主轴图1感应加热系统的工作原理示意图1.2夹持装置如图1所示，夹持装置由支撑杆、电木板及调节螺栓组成。支撑杆连接至高速旋转试验机的试验腔盖，电木板穿过支撑杆，使用调节螺栓将电木板固定在支撑杆上，使用调节螺栓将支撑杆与电木板连接在一起。在上/下感应线圈上均布3 个支撑杆，以方便调节上/下感应线圈与离心机高速旋转试验器主轴的中轴线，使其中轴线与轮盘的中轴线相一致，以减少轮盘偏心产生的振动，同时确保对试样相同半径的位置施加相同的温度载荷。1.3测控单元如图2 a)所示，测控单元由红外测温仪、热电偶、智能温控系统和控温柜组成。试验时试样不仅温度高，而且尺寸小，采用测温快速灵敏、精度高的红外测温仪对叶片特征部位进行非接触测温，同时通过热电偶对相同位置校温，确保测温的准确性。红外测温仪的测温范围为50 0 10 0 0,温度精度为2,红外线最小光斑尺寸为0.6 mmli-14,为了确保控温精度，需要通过热电偶与红外测温仪温度对标来确定试样材料的红外发射率。具体实验过程为：试样固定不动，将标定热电偶焊接在试样上，通过滑环，与地面智能温控系统相连，红外测温仪的红外线照射在热电偶位置，启动感应加热系统；当热电偶到达目标温度后，比较红外测温仪和热电偶温度数值，调节红外测温仪的发射率，使得两者读10腔盖感应线圈福a）感应加热系统的测控单元原理示意图b）试样加热后的实物图图2 感应加热系统的测控单元2感应加热系统的试验验证2.1试样的温度分布图3 为试样及其测温点位置示意图。共设计14个测温点，其中点1至点7 在试样中轴线上，沿离心加速度方向从点7 到点1，各点之间的径向距离为5mm,点1到试样自由端面的距离为1mm.为了验证感应加热温度在试样内部分布的均匀性，设计了距离试样中轴线12 mm的点8 至点14,其中点8距离试样边缘1mm.分两个阶段测试,第一阶段,施加小电流，测试研发设备的可靠性，第二阶段,增加电流，确认设定的试样点1 点3 对应位置能否达到设定的10 0 0，借此来验证关于感应加热系统设2023年第5期计方案的可行性，同时通过实测温度与模拟仿真温度的对比，验证计算模拟的可靠性。1mm12mm旋转轴1 mmi5mm0000试样下方感应线圈轮盘图3 试样及其温度检测位置的示意图第一阶段测试,输出电流为2 0 A,频率为3 5kHz，上/下线圈与试样之间间距分别为5mm，设定温度为3 40.实测温度与计算温度见表1.由图4a)可以看到，由于点1和点3 正好处于上/下感应线圈之间,所以在点1和点3 之间形成一个15mm的均温带，实测温度与设定温度偏差在5以内；处于上/下感应线圈之外的其他点，通过热传导依次加热，所以在点1-点3 均温带后各点温度随距离呈近似的线性降低。位于试样中轴线上的点1至点5的实测温度与计算温度的偏差小于5；在距离感应线圈较远的点6 和点7 的实测温度与计算温度偏差比较大，超过10.位于试样边缘的点8 至点14总体规律与中轴线上各点的分布基本一致，但由于空气对流的影响，点8 至点10 的实测温度与设定温度偏差最高为2 0，且温度均匀性不及中轴线上陈传勇，瞿明敏，赵建江，韦华，宣海军：高转速下原位加热系统设备研发及验证上方感应线圈0000铸造设备与工艺89390360-330300270240210180150110010009008002./70060050040010点1-点7 实测温度点1-点7 计算温度点8-点14实测温度点8-点14计算温度12a)第一阶段测试89一点1-点7 实测温度点1-点7 计算温度点8-点14实测温度点8-点14计算温度231134Point10114Point12512513613614147的点1至点3 的温度分布。对比中轴线和边缘各点实测温度和计算温度发现，总体上，在感应线圈内的测温点的实测温度与计算温度的相对误差比较小，感应线圈之外各点的实测温度和计算温度偏差显著增加。第二阶段测试，将输出电流增加到55.7 A，频率不变,上/下线圈与试样之间的间距减小到3 mm，设定温度为10 0 0.实测温度与计算温度见表2.对比图4a)和4b)可以看到,增加电流,降低线圈与试样间距,能显著地提高试样的加热温度。与第一阶段测试规律相同,在点1和点3 之间形成一个15mm的均温带，实测温度与设定温度的偏差在10 以内,均温带之后各点温度也呈线性降低。与第一阶段不同的是，虽然实测温度均略低于计算温度，但实测温度与计算温度之间偏差明显缩小，相对误差从第一阶段的最高7.2 2%降低到3.3 2%，意味着增b)第二阶段测试图4试样各位置对应的实测温度和计算温度加电流、降低线圈与试样间距可显著地提高感应加热系统的加热效率。对比表1和表2 实测与计算温度，基本可以验证关于感应加热温度计算模型的可行性，但计算精度需进一步提高。根据图4的实测结果，可以看出，在感应线圈工作条件稳定的情况下，可以给感应线圈内的试样施加一个稳定的温度载荷，从而使研发的感应线圈再配合高速旋转试验台，具备开展高温-高转速耦合作用下材料或部件性能测试的能力。2.2高转速-高温下试样的性能测试将感应加热系统、轮盘和试样安装到立式高速旋转试验台上，上/下线圈与试样的间距为3 mm.将.11:Oct.2023No5表1第一阶段测试时的实测温度与计算温度对比试验温度计算温度测试点1 T1-T21/T1/T2/1341234333364310529262517223833993241032011298122761324514221铸造设备与工艺表2 第二阶段测试时的实测温度与计算温度的对比相对误差试验温度计算温度测试点I T1-T21/IT1-T2/T1(%)T1/342.51.5340.52.5332.13.9315.15.1291.50.5265.514.5239.116.1341.12.1340.416.4332.512.5315.217.2290.614.6265.620.6239.818.82023年第5期相对误差T2/I T1-T2/T1(%)0.4410.7321.1631.6540.1755.7867.2270.6285.0693.91105.77115.29128.41138.51149901 000996910820707604980995993903811698596988.51 005990.3925.1825.4717.5617.1974.2998.7991.8924.5819.2715.6615.81.55.05.715.15.410.513.15.83.71.221.58.217.619.80.150.500.571.660.661.492.170.590.370.122.381.012.523.32K型热电偶焊接至试样上，关闭高速旋转试验器腔盖,抽至2 0 0 Pa,调节电源主机的电流,将试样加热温度设定为8 7 4，保温6 0 min后，试样温度分布见图5a)和图5b).可以看到，在温度稳定后，在试样感应加热区形成约10 mm的均温带，但在感应线圈两端的试样温度略低于均温带。温度校核完成后，启动高速旋转试验器，使其转速达到2 0 0 0 0 r/min并保持恒定，直到试样断裂。实验时高速旋转试验器主轴最大振动为3 1m.20000r/min实验过程中，试样均温带温度与设定温度的偏差见图5c).对比发现，实验过程中均温带温度与设定温度之间的偏差不超过10，和2.1部分的测试结果基本一致，从而验证了研制的感应线圈无论在静态加热还是在动态加热均具有良好的加热性能，且均温带位置稳定，均温带温度与设定温度偏差不超过10.为进一步验证该系统的实验能力，设计了三组高温一高转速耦合作用下的蠕变实验，即8 2 0 B0000rpm,820/3 3 50 0 r p m 和8 2 0/3 6 40 0 rpm，直到试样断裂为止。图6 a)为试样加热到8 2 0 时的实物图，图6b）、6 c)和6 d)是试样断裂后的实物图,可以发现，三组试样断裂位置基本一样,均在均温带，且试样在断裂前发生了颈缩。试验过程中试验器稳定运行时间超过10 0 h，进一步验证研发的感应线圈与高速旋转试验台配合，可以开展高温-高转速耦合作用下材料或部件的性能测试。温度/900-867875881881882883883876866860850842a）静态保温时试样实测温度121588010860840感应线圈宽度82080078076074072005101520153035距离/mmb）温度沿径向的分布图5静态与动态保温试样温度分布情况均温带5%/0-5-10-15+02c）2 0 0 0 0 r/m i n 时均温带的温度分布874.感应线圈宽度一46距离/mm81012142023年第5期陈传勇，瞿明敏，赵建江，韦华，宣海军：高转速下原位加热系统设备研发及验证铸造设备与工艺参考文献：1】陈传勇，卢志辉，瞿明敏,等.高转速下原位加热系统理论设计J.铸造设备与工艺,2 0 2 3(4):10-17.2 J.Cormier,M.Jouiad,F.Hamon,et al.Very high temperature creepbehavior of a single crystal Ni-based superalloy under complexa）加热到8 2 0 试样c)820/3 3 50 0 r p m图6 高温-高转速作用下加热的试样及其断裂的实物图3结论1）研制出满足实验台原位加热高速旋转叶片需要的感应线圈，额定加热温度达到10 50.2）试样加热温度场的测试结果表明，在电流、功率和频率保持不变的情况下，可以给感应线圈内的试样施加一个稳定的温度载荷，从而验证了研制的感应线圈无论在静态还是在动态均具有良好的加热性能，且均温带位置稳定，均温带温度与设定温度偏差不超过10.3）通过三组高温-高转速作用下的蠕变实验，验证了研发的感应线圈与高速旋转试验台配合，具备开展长时高温-高转速耦合作用下材料或部件性能测试的能力，解决目前常规材料性能测试设备无法在高温-高转速耦合条件下测试材料性能的关键难题。(上接第7 页）3结语随着消失模铸造工艺发展越来越成熟，且消失模铸造车间具有投资较小，产品适应性强的特点，消失模铸造项目也越来越多,针对消失模铸造工程设计的要求越来越高。在消失模铸造工程设计时特别注意几点：1）制模车间应特别注意其火灾危险性等级对工程设计和工程造价的影响。在工程设计之初，可以与当地的消防主管部门沟通好，以便于后b)820/3 0 0 0 0 r p md)820/3 6 40 0 r p mthermal cycling conditions J.Philosophical Magazine Letters,2010,90(8):611-620.3 J.Blachnio.Analysis of causes of decohesion of a gas turbineblade made of EI 867-WD alloy J.Aircraft 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4.12陈可中，谭翔，董建杰，等红外测温仪的设计 J.电子测量技术,2 0 0 7(10):11-14.13 3王中训，于澎.红外测温仪的设计J.煤矿机械，2 0 0 6(2)：195-197.期可以尽快完成项目的消防验收等工作；2）模束浇注应在负压条件下进行，要建立真空泵房并合理设置真空点；3）砂处理工部应就近设置冷却设备，提供循环冷却水，以有效冷却高温砂。目前制模车间的自动化程度均较低，今后的工程设计需重点关注如何提高制模车间的自动化水平。参考文献：1车建明分析消失模铸造与砂型铸造的工艺研究及成效对比J.山东工业技术,2 0 17(9):2 2.13