基于示温漆的高压涡轮导向器表面温度测试

熊庆荣，石小江，徐芳，钟明

(中国燃气涡轮研究院，四川江油621703)

基于示温漆的高压涡轮导向器表面温度测试

熊庆荣，石小江，徐芳，钟明

(中国燃气涡轮研究院，四川江油621703)

掌握涡轮导向器温度场测试方法及准确的温度场分布，对于涡轮导向器的设计、改进具有重要的理论价值和实用价值。利用不可逆示温漆，测量了高压涡轮导向器在最大工况下的表面温度。结果表明：喷涂在高压涡轮导向器表面的不可逆示温漆，在高温、高压下附着牢靠，等温线清晰；成功录取了整个高压涡轮导向器的表面温度及温度场分布，可为该型发动机高压涡轮导向器的热应力与寿命分析提供数据支撑。

航空发动机；涡轮导向器；表面温度测试；温度场分布；示温漆；等温线

1 引言

航空发动机高压涡轮导向器是高热负荷零件，燃烧室所排出的高温燃气会使其材料性能下降，并引起热应力和热变形，进而使涡轮导向器产生裂纹、变形、烧蚀等故障，危及发动机安全。因此，测量高压涡轮导向器表面温度及温度场分布具有十分重要的意义[1～4]。测试涡轮导向器表面温度场分布常用以下两种方法：一是通过测试涡轮后温度T4*分布，来推算或估算涡轮导向器的温度分布，但T4*温度场分布不能完全代表导向器区域的温度场分布[2]；二是在涡轮导向器上焊接热电偶测量，但使用热电偶测试时，焊接要避开冷却气膜孔，焊接数量受限，引线困难，且干扰气流流动。示温漆是一种温度传感特种涂料，特别适用于一般温度传感器无法或难以测量的场合，被广泛应用于航空发动机热端部件、旋转件、复杂构件表面等的温度测量。本文采用中国燃气涡轮研究院自行研制的示温漆[5～7]，在整机试验状态下对高压涡轮导向器表面温度及温度场分布进行了测试。

2 示温漆测试方法

示温漆是一种温度敏感涂料，涂敷在物体表面，检测物体的受热及温度状况。其在特定温度范围内呈现特定颜色，通过颜色变化来指示物体表面温度及温度分布，从而实现间接测温的目的。示温漆的选择一般根据试验件温度分布的大致范围确定。图1是涡轮导向器数值模拟计算温度场分布云图，本文选择的示温漆型号及温度范围如表1所示。目前，示温漆判读温度的方法一般采用人工判读法，刘国杰等[8～9]对示温漆测试判读误差进行了分析，给出的精度为±(5～20)℃。国内大都采用颜色进行标定和判读，这种标定和判读误差为±50℃以上。中国燃气涡轮研究院对示温漆的标定和判读基于等温线进行，采用热电偶对示温漆变色后两种颜色之间的分界线进行标定校准，即对等温线进行标定校准和判读，判读精度可达±10℃。示温漆峰值恒温3 min标准试片等温线标定温度如图2所示。

图1 涡轮导向器温度场云图Fig.1 The temperature field distribution of turbine nozzle

表1 示温漆型号及温度范围Table 1 The temperature range and kinds of temperature-sensitive paint

图2 标准试片等温线温度值Fig.2 The temperature of standard model

3 高压涡轮导向器表面温度测试

高压涡轮导向器表面温度测试试验在室内地面试车台进行。试车台如图3所示，由进气防尘网、流量管、发动机、发动机安装架、排气扩压气、试车控制系统、数据采集系统等组成。试验时，发动机起动后在慢车状态停留5 min，接着在最大状态停留3 min，最后回到慢车状态停留5 min后停车，冷却后分解进行温度判读。测试发动机的技术状态见表2。

图3 涡轮导向器试验试车台Fig.3 The turbine nozzle test rig

表2 发动机技术状态Table 2 Engine technology conditions

4 结果及分析

4.1 判读结果

涡轮导向器实际安装位置(区域1在正上方)和试验后示温漆变色情况见图4，试验前示温漆型号及颜色见图5，试验后区域1～6判读分别见图6～图11。

图4 涡轮导向器安装位置及示温漆变色情况Fig.4 The location of nozzle and temperature-sensitive paint

图5 涡轮导向器试验前颜色Fig.5 The original color of turbine nozzle

图6 区域1试验后图片Fig.6 The color picture of region1 after test

4.2 结果分析

(1)从图6～图11可看出，涡轮导向器6个区域的温度分布不同，如涡轮导向器排气边尾缘处最高温度大于890℃(图7(e))，最低温度在765℃以下(图9(c))。说明涡轮导向器周向温度不均匀，这主要是由于火焰筒出口温度不均所致。

(2)低温区温度分布见图6中635℃、685℃等温线温度，图7中500℃、610℃、650℃等温线温度，图8中680℃等温线温度，图9(b)中550℃、610℃、650℃等温线温度，图10中710℃等温线温度。该区域外端是涡轮导向器安装固定边，内端是涡轮导向器铰支端，不直接面对高温燃气气流，两端与机匣相联，加之机匣冷却气流的冷却作用，使得其表面温度较低。

(3)高温区温度分布见图6中835℃、855℃等温线温度，图7中805℃、840℃、890℃等温线温度，图9中765℃、906℃等温线温度，图10中850℃等温线温度。最高温度出现在涡轮导向器前缘，见图11(a)中960℃等温线温度，该区域位于涡轮导向器前缘中部左右，直接面对高温燃气气流，承受最高燃气温度，同时也承受着由于燃烧室混合流动造成的自由流高湍流度[10]。虽然压力面有冷却气膜孔，但由于导向叶片前后缘较薄，热惯性较小，受热速度快，在导向叶片内产生很大的温度梯度，使前后缘产生很大的热应力，因此该区域温度高于其他区域温度。

(4)图8中用单变色示温漆，目的是为了观测高压涡轮导向叶片表面温度是否达到或超过该温度。对于用几个叶片做成一组的导向叶片，在温度场测试中效果不好，应尽量不用或少用。

(5)此次试验，发动机最大状态峰值时间与示温漆校准标定的峰值时间相同，示温漆等温线判读精度为±10℃，示温漆测试判读结果与图1中的温度场云图吻合较好。

图7 区域2试验后图片Fig.7 The color picture of region 2 after test

图8 区域3试验后图片Fig.8 The color picture of region 3 after test

图9 区域4试验后图片Fig.9 The color picture of region4 after test

5 结束语

高压涡轮导向叶片的工作环境十分恶劣，除受较大的气动力与不稳定的脉动负荷外，还处于高温燃气的包围中，温度高，冷热变化大，温度严重不均，叶片表面温度是评估其热疲劳强度的重要参数，必需测量所有导向叶片的表面温度才能得出其温度场分布。本文利用中国燃气涡轮研究院研制的不可逆示温漆，成功录取了整个高压涡轮导向器的表面温度及温度场分布，取得了较好的效果。随着多变色不可逆示温漆校准标定精度的提高，研发出温度跨度大、间隔小、色差明显、变色温度高的多变色不可逆示温漆，用于航空发动机热端部件、旋转件、复杂构件表面等的温度测量，相比其他测试方法会更具优势。

图10 区域5试验后图片Fig.10 The color picture of region 5 after test

图11 区域6试验后图片Fig.11 The color picture of region 6 after test

[1]隋俊友，张锦，刘兴洲.涡扇发动机涡轮导向器故障分析[J].推进技术，2000，21(1)：36—38.

[2]徐可君.涡轮导向叶片故障分析及对策[J].航空工程与维修，1999，(1)：28—29.

[3]许文锋，朱惠人，张丽.带冷却的涡轮叶片温度场耦合计算工程方法研究[J].汽轮机技术，2008，50(3)：201—203.

[4]Duboue J M，Liamis N，Pate L.Recent Advances in Aero⁃thermalTurbineDesignandAnalysis[R].AIAA 2000-3355，2000.

[5]熊庆荣，石小江，侯敏杰，等.基于等温线辨识的单变色不可逆示温漆及制造涂层的方法：中国，ZL 200910124283.X[P].2012-03-14.

[6]熊庆荣，石小江，侯敏杰，等.基于等温线辨识的七变色不可逆示温漆及制造涂层的方法：中国，ZL 200910124284.4[P].2012-03-14.

[7]熊庆荣，石小江，侯敏杰，等.基于等温线辨识的五变色不可逆示温漆及制造涂层的方法：中国，ZL 200910124285.9[P].2012-03-14.

[8]刘国杰.特种功能性涂料[M].北京：化学工业出版社，2002：58—69.

[9]张兴，薛秀生，陈斌，等.示温漆在发动机测试中的应用与研究[J].测控技术，2008，27(1)：18—20.

[10]戴萍，林枫.燃气轮机叶片气膜冷却研究进展[J].热能动力工程，2009，24(1)：1—6.

Surface Temperature Measurement of Turbine Nozzle Based on Temperature-Sensitive Paint

XIONG Qing-rong，SHI Xiao-jiang，XU Fang，ZHONG Ming
(China Gas Turbine Establishment，Jiangyou 621703，China)

The testing methods and precise distribution of temperature fields of turbine nozzle are of practi⁃cal and theoretical significance for the design and improvement of turbine nozzle.Temperature-sensitive paint was adopted to measure the surface temperature of HPT nozzle under maximum operating conditions. The test results proved that the temperature-sensitive paint can adhere to turbine nozzle firmly in the course of experiment with clear isotherm;the temperature field distribution of turbine nozzle was measured successfully,which could be helpful to analyze the thermal stress and life of the turbine nozzle.

aero-engine；turbine nozzle；surface temperature measurement；temperature field distribution；temperature-sensitive paint；isotherm

V231.1；TK311

：A

：1672-2620(2014)03-0044-05

2013-10-18；

：2014-06-16

熊庆荣(1959-)，男，贵州修文人，高级工程师，主要从事发动机测试技术研究。