CC BY
53
УДК 539.4
Н. Г. Бычков, А. Р. Лепешкин, А. В. Першин, Е. В. Петров, Ю. Г. Быков
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ РЕМОНТНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ОХЛАЖДАЕМЫХ ЛОПАТОК ГТД С ЖАРОСТОЙКИМИ ПОКРЫТИЯМИ ПРИ ИСПЫТАНИЯХ НА ТЕРМОУСТАЛОСТЬ С ИНДУКЦИОННЫМ НАГРЕВОМ
Разработана расчетно-экспериментальная методика оценки эффективности ремонтных технологий охлаждаемых лопаток ГТД с жаростойкими покрытиями при испытаниях на термоусталость с индукционным нагревом. Приведены результаты сравнительных термоусталостных испытаний сопловых и рабочих лопаток ГТД с жаростойкими покрытиями, отремонтированных по технологиям ГИП и ГЦП, и лопаток, не прошедших ремонт.
1 Формулирование проблемы
1.1 Постановка проблемы и ее связь с научно-практическими задачами
Лопатки турбин являются термонапряженными деталями горячего тракта газотурбинного двигателя (ГТД) и работают в широком диапазоне температур и нагрузок. Для никелевых жаропрочных сплавов, применяющихся при изготовлении лопаток ГТД, в качестве защитных покрытий используются алюминидные жаростойкие и теплозащитные керамические покрытия [1, 2]. Опыт эксплуатации ГТД показывает, что ресурс зависит от уровня повреждаемости лопатоктурбин. Во многих случаях повреждаемость связана с появлением забоин и других дефектов на поверхности лопаток. Кроме того, ресурс лопаток ограничивается работоспособностью жаростойкого покрытия. Лопатки с поврежденным в эксплуатации покрытием подлежат замене, при этом ресурс основного материала может быть не исчерпан.
Разработка ремонтных технологий охлаждаемых лопаток с жаростойкими покрытиями и восстановление их прочностных характеристик, а также разработка расчетно-экспериментальной методики оценки указанных ремонтных технологий являются сложными и актуальными проблемами.
Рассматривается возможность внедрения в ремонтные технологии горячего изостатического прессования (ГИП), что позволит значительно уменьшить литейную пористость, и тем самым за счет получения менее дефектной макроструктуры материала повысить термоусталостную и усталостную долговечности лопаток. ГИП отливок заключается в их всестороннем сжатии при оптимальных для каждого сплава значениях температуры, давления и времени их воздействия. Уплотнение отливки происходит в следующей последовательности 3]: пластическая деформация материала и
ползучесть в зоне несплошностей (пор, рыхлостей), смыкание поверхностей несплошностей и образование металлических связей в зоне контакта, развитие диффузионных процессов.
1.2 Постановка задачи исследования
По существующим технологиям лопатки по истечении определенного времени работы могут подвергаться восстановительному ремонту с целью продления срока их службы. Восстановительный ремонт лопаток заключается в удалении старого жаростойкого защитного покрытия, проведения термовакуумной обработки (ТВО) [4] или обработки поверхности пера лопатки электрокорундом [5] и нанесения нового защитного покрытия.
Введение в технологическую цепочку ГИП перед ТВО значительно повысило механические свойства лопаток [4]. Применение ГИП с последующей ТВО для лопаток с длительной наработкой не только ликвидирует приобретенные микронесплошнос-ти, но и восстанавливает саму структуру, приближая ее к первоначальному (исходному состоянию).
Целью данной работы является разработка рас-четно-экспериментальной методики оценки эффективности ремонтных технологий охлаждаемых лопаток ГТД с жаростойкими покрытиями, предусматривающей испытания на термоусталость с индукционным нагревом, проведение сравнительных термоусталостных испытаний сопловых и рабочих лопаток с жаростойкими покрытиями, как отремонтированных по технологиям ГИП с газоциркулярным нанесением покрытия (ГЦП), так и не подверженных ремонту.
2 Методика исследований
Для термоциклических испытаний лопаток ГТД и других элементов горячей части двигателя используется установка, разработанная и изготовленная в ЦИАМ на базе унифицированного высокоча-
© Н. Г. Бычков, А. Р. Лепешкин, А. В. Першин, Е. В. Петров, Ю. Г. Быков 2006 г.
/55Л/1727-0219 Вестникдвигателестроения № 2/2006
- 143 -
стотного генератора типа ВЧГ4-25/0,44 и сервогид-равлического нагружающего устройства Т14-184 [6]. Общий вид установки приведен на рис. 1.
В состав установки входят: высокочастотный генератор, индуктор [7], нагружающее устройство, маслонасосная станция, электрогидравлические автоматы пропорционального управления, системы водо- и воздухообеспечения, система управления термоциклом, синхронизированная с системой уп-
Рис. 1. Установка на базе ВЧГ4-25/0,44
равления нагрузкой.
Система воздушного охлаждения имеет два контура: внутренний контур обеспечивает непрерывное контролируемое охлаждение внутренней полости объекта, наружный контур обеспечивает обдув детали в полуцикле охлаждения. Система управления испытательной установки обеспечивает неизотермическое термомеханическое нагружение.
Основные характеристики установки: мощность 10 кВт, рабочая частота 440 кГц, максимальная растягивающая нагрузка 50 кН, максимальная температура нагрева объекта при использовании ХА термопар 1200 °С, при использовании ПР термопар 1600 °С, максимальный расход охлаждающего воздуха 30 г/сек.
Глубина проникновения основного тока электромагнитной индукции (80%) в разогреваемый материал на основе № менее 0,1мм.
Скорость нагрева лопаток ГТД во время испытаний можно изменять от 10 до 300 К/сек. При необходимости лопатки могут нагружаться растягивающей силой (имитирующей центробежную), изменяющейся синхронно с температурой. В случае испытаний небандажированных лопаток к ним приваривается технологическая полка.
Размещение лопатки в непосредственной близости от выходных шин обеспечивает сведение до минимума потерь высокочастотной энергии при ее передаче от ВЧГ в индуктор.
Важное значение для надежной оценки термоциклической прочности лопаток имеет воспроизве-
дение идентичных условий разогрева и охлаждения для всей партии испытываемых лопаток. Для этого после выполнения всех настроечных работ по получению заданного температурного поля положение лопатки относительно индуктора фиксировалось с помощью шаблона.
При сравнительных испытаниях всех лопаток данной партии захват после получения заданного температурного поля на контрольной лопатке уже не раскрепляется. Смена лопатки производится лишь перемещением ее в захвате при одной снятой ветви индуктора. После закрепления новой лопатки в захвате индуктор с помощью шаблона устанавливается практически в прежнее положение.
Геометрия индуктора рассчитывалась по заданному температурному полю по специальной методике. Окончательно форма индуктора дорабатывалась по результатам термометрирования при отладочных испытаниях.
3 Результаты исследований и их анализ
3.1 Результаты испытаний на термоусталость лопаток ГТД
На данной установке получены результаты испытаний на термоусталость рабочих и сопловых лопаток ГТД, не прошедших ремонт после наработки в эксплуатации, и лопаток после ремонта с использованием технологий ГИП и ГЦП. Во всех случаях трещина зарождалась на выходной кромке.
Среднее значение термоциклической долговечности Ыср сопловых лопаток после наработки в эксплуатации, не прошедших ремонта, составило при испытаниях по режиму Тт1п -оТтах = 485^1000 °С , Ыср = 141 цикл. Для р абочих лопаток при испытаниях по режиму 500^1050 °С - Ыср = 356 циклов, а для режима 475^950 °С -Ыср = 1831 цикл.
Анализ результатов проведенных исследований показывает, что термоциклическая долговечность сопловых лопаток при Ттах =1000 °С, прошедших после эксплуатационной наработки ремонт, возросла примерно в 4 раза по сравнению с лопатками без ремонта и достигла 587 циклов.
Для рабочих лопаток с Ттах= 1050 °С это отношение составило примерно 3,7 раза, а для Ттах =
950 °С - Прем / Пбез ремонта * 4,3 раза.
Максимальная расчетная величина полного размаха термических деформаций на выходной кромке рабочей лопатки для режима термоциклирова-ния 475^950 °С составила 0,61 %, а для режима 500^1050 °С соответственно 0,79 %.
Расчетные кривые малоцикловой усталости, определенные по формуле Мэнсона, представлены в координатах "деформации в цикле- число циклов до разрушения" ("Аее-р-Мр") на рис. 2 и 3. Там же нанесены экспериментальные точки, полученные в ЦИАМ при испытаниях рабочих лопаток тур-
бин на установке с высокочастотным индукционным нагревом. Кроме того, на этих же рисунках представлены результаты испытаний на термоусталость стандартных круглых образцов, проведенных ранее в ЦИАМ, при 7 = 950 и 1050 °С.
'е+р,
%
1,0
0,8
0,6 0,5 0,4 0,3
0,2
s
s ч V ► О О
10
10"
10
10
10
Рис. 2. Кривые термоусталости сплава ЖС6У, Tm
950
°С:
о - стандартные круглые образцы, А - экспериментальные данные испытания лопаток
Рис. 3. Кривые термоусталости сплава ЖС6У, 7тах=1050 °С: о - стандартные круглые образцы, А - экспериментальные данные испытания лопаток
Экспериментальные данные, полученные при испытаниях образцов и отремонтированных лопаток, по средним значениям близки:
Лрасч /Лэксп(950 °С) - М: Лрасч /Лэксп(1050 °С) - 1.
Нормативной документацией допускается трехкратный разброс [8].
Полученные кривые позволяют прогнозировать термоциклическую долговечность лопаток турбин из сплава ЖС6У при различных размахах термоциклических деформаций (по результатам испытаний круглых образцов) для максимальных температур в цикле 950......1050 °С.
Кроме того, в работе проделан анализ влияния последовательности нанесения слоев многокомпонентных покрытий на термоциклическую долговечность лопаток ГТД. Использование в качестве материала слоев специально подобранных сплавов может дать существенное возрастание термоциклического ресурса конструкции лопатки. Разработанный принцип формирования слоев заключается в том, что жаростойкое покрытие включает слои материалов, нанесенных на основное тело лопатки, при этом материалы смежных нанесенных слоев выбраны таким образом, чтобы коэффициент линейного расширения материала слоя, подвергающегося действию большей температуры, был ниже, чем коэффициент у материала с меньшей температурой [9]. Результаты испытаний лопаток ГТД с жаростойкими покрытиями, имеющих разный состав слоев с известными коэффициентами линейного расширения их материалов, подтвердили указанный принцип формирования слоев в жаростойком покрытии.
Выводы и перспективы дальнейших исследований
1. Проведены сравнительные испытания на термоусталость рабочих и сопловых лопаток ГТД, отработавших в эксплуатации примерно 1000 часов, прошедших и не прошедших ремонт.
2. Сопротивление термической усталости рабочих и сопловых лопаток турбины ГТД возросло после ремонта по технологии ГИП и ГЦП в 3,7^4,3 раза по сравнению с лопатками, не прошедшими ремонта.
В дальнейшей работе предполагаются экспериментальные исследования влияния различных принципов формирования слоев жаростойких покрытий на термоциклическую долговечность лопаток ГТД.
Список литературы
1. Лепешкин А.Р., Бычков Н.Г., Першин А.В., Ре-кин А.Д., Мубояджян С.А., Головкин Ю.И. Методика испытаний и оценка термоциклической долговечности моделей жаровых труб камер сгорания ГТД с теплозащитными покрытиями с использованием высокочастотного индукционного нагрева // Авиационно-космическая техника и технология. - Вып. 8/16. Харьков: Национальный аэрокосмический ун-т "ХАИ", 2004. - С. 158162.
ISSN 1727-0219 Вестникдвигателестроения № 2/2006
- 145 -
2. Бычков Н.Г., Лепешкин А.Р., Першин А.В., Мубояджян С.А., Головкин Ю.И., Рекин А.Д., Лукаш В.П. Исследование влияния технологических особенностей нанесения ТЗП на термоциклическую долговечность жаропрочных материалов // Новые материалы и технологии НМТ-2004. Тезисы докладов Всероссийской научно-технической конференции. Т. 2. - М.: МАТИ, 2004. - С. 120-121.
3. Хаюров С.С. Горячее изостатическое уплотнение отливок // Технология легких сплавов, 1985. - №3. - С. 43-54.
4. Логунов А.В., Голованов В.И., Разумовский И.М, Маринин С.Ф., Тихонов А.А., Поклад В.А., Фролов В.С., Быков Ю.Г. Газостатическое прессование - эффективный способ устранения несплошностей в лопатках ГТД // Перспективные материалы, 2004. - №3. - С. 12-16.
5. Павлинич С.П., Невьянцева Р.Р., Семенова И.П.
Технологический процесс ремонта лопаток ГТД // Ремонт, восстановление, модернизация, 2003. - №12. - С. 17-54.
6. Пат. № 2250451 Россия. Установка для испытаний лопаток турбомашин на термомеханическую усталость. ЦИАМ / Н.Г. Бычков, А.Р Лепешкин., А.В. Першин. Бюл. № 11. 2005.
7. Патент № 2122297 Россия. Индуктор для нагрева деталей сложной формы. ЦИАМ / Н.Г. Бычков, А.Р. Лепешкин, А.В. Першин. Бюл. № 3. 1998.
8. Методика определения термостойкости жаропрочных сплавов. М.: ОНТИ, 1968. - 18 с.
9. Патент № 2253736 Россия. Лопатка турбины / Н.Г. Бычков, А.В. Першин. Бюл. № 16, 2005.
Поступила в редакцию 30.05.2006 г.
Розроблено розрахунково-експериментальну методику оцнки ефективност1 ремонт-них технолог1й охолоджуемих лопаток ГТД з жаром1цними покриттями при випробуваннях на терм1чну втому з ¡ндукцйним нагр1вом. Приведено результати випробувань втоми за умови терм1чного впливу соплових та робочих лопаток ГТД з жаром1цними покриттями, як ремонтувалися за технолог1ями ПП i ГЦП, i лопаток, якi не пройшли ремонт.
The calculated experimental method of an estimation of efficiency of repair technologies of cooled GTE blades with heat resisting coverings is developed at thermofatige tests with use induction heating. Results of comparative thermofatige tests of nozzle and working blades with the heat resisting coverings are presented. The repaired blades on gas isostatic pressing and gas circular covering technologies and non-repaired blades are tested.
