Научная статья на тему 'Методика испытаний лопаток турбин ГТД и моделей жаровых труб с керамическими ТЗП на термическую усталость'

Методика испытаний лопаток турбин ГТД и моделей жаровых труб с керамическими ТЗП на термическую усталость Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

CC BY
697
109
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Аннотация научной статьи по механике и машиностроению, автор научной работы — Н. Г. Бычков, А. Р. Лепешкин, А. В. Першин

Разработана расчетно-экспериментальная методика испытаний лопаток турбин ГТД и моделей жаровых труб камер сгорания ГТД с керамическими теплозащитными покрытиями на термическую усталость с использованием высокочастотного индукционного нагрева. Приведены результаты исследований нестационарного теплового состояния с применением тепловизионной системы и термоусталостных испытаний рабочих лопаток и моделей жаровых труб с керамическими теплозащитными покрытиями.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по механике и машиностроению , автор научной работы — Н. Г. Бычков, А. Р. Лепешкин, А. В. Першин

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

The calculating-experimental method of tests of GTE turbine blades and models of heat pipes of GTE combustion chambers with ceramic heat-shielding coverings at thermofatige using induction heating has been developed. The results of investigations of a non-stationary thermal state by thermovisual system and thermofatige tests of blades and models of heat pipes with ceramic heatshielding coverings are presented.

Текст научной работы на тему «Методика испытаний лопаток турбин ГТД и моделей жаровых труб с керамическими ТЗП на термическую усталость»

УДК 539.4

Н. Г. Бычков, А. Р. Лепешкин, А. В. Першин

МЕТОДИКА ИСПЫТАНИЙ ЛОПАТОК ТУРБИН ГТД И МОДЕЛЕЙ ЖАРОВЫХ ТРУБ С КЕРАМИЧЕСКИМИ ТЗП НА ТЕРМИЧЕСКУЮ УСТАЛОСТЬ

Разработана расчетно-экспериментальная методика испытаний лопаток турбин ГТД и моделей жаровых труб камер сгорания ГТД с керамическими теплозащитными покрытиями на термическую усталость с использованием высокочастотного индукционного нагрева. Приведены результаты исследований нестационарного теплового состояния с применением тепловизионной системы и термоусталостных испытаний рабочих лопаток и моделей жаровых труб с керамическими теплозащитными покрытиями.

1 Формулирование проблемы

1.1 Постановка проблемы и ее связь с научно-практическими задачами

Для обеспечения работоспособности высокоэффективных авиационных газотурбинных двигателей (ГТД) и установок (ГТУ) новых поколений необходимо совершенствование систем охлаждения, создание новых жаропрочных материалов, а также улуч -шение защиты деталей высокотемпературного тракта ГТД с помощью теплозащитных и жаростойких покрытий [1-3, 5-8, 10].

Совершенствование системы внутреннего тепло-отвода превращает детали в теплообменники и сопровождается ростом термонапряженности и снижением термоциклического ресурса. Широко используемые в настоящее время жаропрочные материалы на никелевой основе обычно работают в ГТД на предельно допустимых температурах. Повышение температуры газа можно допустить только в случае принятия мер по ограничению тепловых потоков через стенку детали. Существенного снижения тепловых потоков от газа к стенке основного материала детали можно добиться либо хорошо организованным заградительным охлаждением без эжек-тирования, либо нанесением на поверхность самых нагреваемых участков детали теплозащитных покрытий (ТЗП). В последние годы активизировались работы по внедрению керамических ТЗП на деталях высокотемпературного газового тракта ГТД.

Наиболее эффективная защита материала детали от теплового потока с помощью ТЗП происходит в случае использования керамических покрытий на основе диоксида циркония 2г02 [1, 2]. Однако весьма проблематичны вопросы термоциклической долговечности, поскольку сопротивление разрушению этих покрытий при растяжении очень низкое, а при термоциклировании обычно возникают знакопеременные термоциклические нагрузки.

Эффективность теплозащиты покрытий и их со© Н. Г. Бычков, А. Р. Лепешкин, А. В. Першин, 2008

противление термической усталости зависит не только от теплофизических свойств, но и от технологии нанесения покрытия.

Среди множества технологий нанесения покрытий лучшую теплозащиту при высоком сопротивлении термической усталости обеспечивает электронно-лучевой метод.

1.2 Постановка задачи исследования

В настоящее время для исследования циклической долговечности ТЗП в процессе их разработки применяется радиационный нагрев с малой скоростью (менее 20 К/с), что не соответствует реальным рабочим условиям. При таких малых скоростях нагрева термические напряжения практически отсутствуют, а основным повреждающим фактором является окисление подслоя, ведущее к сколу покрытия. Фактически эти испытания представляют собой испытания на жаростойкость при изменяющихся температурах.

В реальных условиях скорость изменения температуры детали составляет 100^200 К/с. При этом возникают циклические термические напряжения и деформации основного материала, сопровождаемые знакопеременными нагрузками. Результаты испытаний деталей с ТЗП на термоусталость могут значительно отличаться от результатов испытаний на циклическую жаростойкость, полученных разработчиками при малой скорости изменения температуры. Поэтому при создании ТЗП необходимо проводить исследования его термостойкости в паре с защищаемым материалом в условиях высокой скорости нагрева и охлаждения. Испытания в газодинамическом потоке дороги и длительны. Существенно дешевле и оперативнее использовать высокочастотный индукционный нагрев [3, 4, 9].

Процесс высокочастотного нагрева включает не только индукционный нагрев токопроводящих материалов, но и диэлектрический нагрев диэлектри-

ков, к которым относятся и керамические материалы. Динамика нагрева покрытия и основного материала зависит от электрофизических и теплофизи-ческих свойств материала, его объема, условий охлаждения, интенсивности нагрева объекта, диэлектрических свойств керамического покрытия и частоты тока, на которой производится нагрев. Расчетное моделирование условий нагрева детали с керамическим ТЗП проработано недостаточно по сравнению с тепловыми расчетами деталей, работающих в газодинамическом потоке.

Более достоверные результаты о температурном состоянии деталей с керамическим ТЗП при нагреве их в высокочастотном электромагнитном поле и об их термостойкости могут быть получены после экспериментальных исследований. Для создания задела, необходимого для разработки расчетных методов определения термонапряженного состояния деталей с ТЗП при их нагреве в высокочастотном электромагнитном поле и для экспериментальной оценки термоциклической долговечности деталей с ТЗП, в данной работе поставлена задача по разработке методики испытаний лопаток и моделей других деталей с ТЗП на основе двуокиси циркония.

1.3 Цель испытаний

Цель испытаний - проведение экспериментальных исследований по определению температурного состояния лопаток и моделей с ТЗП из диоксида циркония при высокочастотном индукционном нагреве и сравнение термоциклической долговечности деталей с теплозащитным покрытием и без него.

2 Методика и результаты исследований

Термоциклические испытания лопаток с ТЗП и моделей охлаждаемых деталей проводились при индукционном высокочастотном нагреве объекта на частоте 440 кГц по разработанной методике на установке [4] с высокочастотным ламповым генератором ВЧГ-10/0,44.

Для проведения сравнительных термоциклических испытаний рабочая поверхность моделей жаровых труб из листового жаропрочного сплава толщиной 1,0 мм с предварительно проделанными перфорационными отверстиями подвергалась пескоструйной обработке электрокорундом и последующему нанесению двух вариантов керамического теплозащитного покрытия (ТЗП) с наличием промежуточного жаростойкого соединительного слоем и без него [5].

Теплозащитный эффект от керамического ТЗП составляет 100^150 °С для условий эксплуатации.

На рис. 1 показан фрагмент модели охлаждаемой детали (модель жаровой трубы с ТЗП), установленный внутри индуктора, подключенного к элек-

трошинам ВЧГ4-10/0,44. Внутрь образца подается воздух с заданным расходом и давлением. Такая схема обеспечивает возможность воспроизведения на модели эксплуатационных полей температур и термических напряжений и экспериментального определения термоциклической долговечности моделей секции жаровой трубы с различными вариантами теплозащитных покрытий и без них. Расход охлаждающего воздуха контролировался с помощью расходомера и составлял 12 г/с. Управление температурой осуществлялось с помощью хромель-алюмелевой (ХА) термопары диаметром 0,2 мм. Температурное состояние поверхности ТЗП на рабочем участке контролировалось тепловизором фирмы «Agema».

с!

Рис. 1. Схема фрагмента детали с покрытием и охлаждающим покрытием:

1 - покрытие, 2 - металл изделия, 3 - направление потока охлаждающего воздуха в отверстии, с1 - диаметр отверстия

Термоциклические испытания лопаток и моделей с теплозащитными керамическими покрытиями при использовании высокочастотного индукционного нагрева позволили снизить длительность испытаний и их затрат и получить экспериментальную оценку долговечности керамических покрытий с учетом их нестационарного теплового и термонапряженного состояний.

Расчетные исследования уточняют тепловое и термонапряженное состояния теплозащитных керамических покрытий на охлаждаемых лопатках и моделях при высокочастотном индукционном нагреве.

Исходными данными в проведенных расчетах являлись электрофизические, теплофизические и прочностные свойства керамических покрытий и материала охлаждаемых деталей, характеристики стендовых режимов нагрева и охлаждения и параметры испытательного термоцикла.

Расчеты с использованием метода конечных элементов в системе А№У8 (версия 7.0) позволили с учетом распределения теплового потока от индуктора между покрытием из диоксида циркония и металлом охлаждающего изделия при частоте индукционного тока 440 кГц исследовать нестационарное тепловое состояние покрытия и охлаждаемого изделия с учетом параметров испытательного термо-

цикла.

В математическом моделировании теплового состояния керамических покрытий учитывалась специфика электрофизических свойств диоксида циркония. В частности, с ростом температуры диэлектрическая проницаемость, тангенс угла диэлектрических потерь и электропроводность увеличиваются. В целом керамическое покрытие в испытательном термоцикле нагревалось как за счет теплопередачи от металла детали, так и за счет диэлектрического нагрева.

Из проведенных расчетов нестационарного теплового и термонапряженного состояний моделей охлаждаемых деталей с теплозащитными керамическими покрытиями следует (рис. 2), что в конце нагрева температура наружной поверхности керамического покрытия выше температуры металла и по толщине керамического покрытия. Перепады температуры зависят от коэффициента теплопроводности и толщины покрытия с учетом потерь тепла на поверхности покрытия в окружающую среду. В расчете потерь тепла учитывался конвективный теплообмен и теплообмен излучением с учетом максимальной экспериментальной температуры неохлаж-даемых пластин индуктора 300 °С в конце нагрева в первой части термоцикла.

При частоте 440 кГц расчетное распределение

высокочастотной электромагнитной энергии на образце из сплава на никелевой основе с ТЗП из диоксида циркония, с учетом соотношений разогреваемых масс основного материала из жаропрочного сплава и покрытия, а также их электро- и тепло-физических свойств и условий охлаждения, составляет для металла и покрытия примерно 80 % (ВЧ -энергия выделяется в металле образца) и 20 % (ВЧ -энергия выделяется в керамическом покрытии из диоксида циркония).

По результатам конечно-элементных расчетов в этих условиях при скорости нагрева 100 К/с была получена на наружной поверхности модели детали с ТЗП, контактирующей с окружающей средой, температура примерно на 60^80 °С выше, чем на границе перехода металл-ТЗП, т.е. имитируется температурное состояние изделия в эксплуатации. При этом на поверхности металла наблюдались сжимающие термонапряжения 100 МПа и растягивающие термонапряжения 30^35 МПа со стороны керамического ТЗП.

Для экспериментальной проверки этого теплового состояния проводилось бесконтактное измерение температуры поверхности модели с теплозащитным покрытием на основе 2г02 с помощью тепловизора Agema 782 работающего в спектральном диапазоне 3^5,6 мкм. Предварительно при нагреве модели в электропечи были получены опытные данные о степени черноты образца с ТЗП и без него, которые представлены на рис. 3 и использовались для тепловизионных измерений.

б

Рис. 2. Расчетные распределения теплового (а) и термонапряженного (б) состояний фрагмента детали с покрытием в области охлаждающего отверстия в конце нагрева

Рис. 3. Значения степени черноты детали с ТЗП и без него: 1 - жаропрочный сплав, 2 - покрытие

Значения степени черноты для образца с покрытием при температурах примерно 850^900 °С, близких к пиковым в цикле, равны примерно 0,55; а для детали из жаропрочного сплава без покрытия, их величина составляет примерно 0,8 (рис. 3).

При исследованиях температурного состояния

детали с покрытием в течение термоцикла оптическая доступность объекта обеспечивалась небольшим отверстием, просверленным в индукторе, через которое сканировался участок поверхности (рис. 4).

Запись термоизображений при циклических испытаниях производилась на ПК типа «Репйит-3 » с частотой 3^5 кадров в секунду. Для оцифровки аналогового сигнала тепловизора использовалась плата АЦП фирмы Ь-саМ модель Ь-783. Записывался полный цикл (от начала разогрева образца до остывания), но в обработке использовались кадры вблизи пикового значения температуры. На рис. 5 приведено термоизображение части детали с ТЗП при высокочастотном нагреве в момент максимальной температуры.

Рис. 4. Испытания охлаждаемой детали с керамическим ТЗП: 1 - индуктор, 2 - деталь

Рис. 5. Термограмма участка керамического покрытия детали

При обеспечении эксплуатационной температуры поверхности металла и воспроизведении эксплуатационного перепада температуры по толщине стенки охлаждаемой детали в указанных стендовых условиях воспроизводятся термонапряжения в соединении металла с керамикой, близкие к эксплуатационным.

В момент реализации пиковой температуры (рис. 5) показание контрольной термопары на детали (расположенной в поле зрения тепловизора по нижней кромке термоизображения) примерно на 60^70 °С ниже, чем температура наружного слоя покрытия (вблизи термопары). Температура ТЗП и подслоя регистрировались тепловизором одновременно. Выполненные экспериментальные исследования и измерения температуры детали с ТЗП с помощью тепловизора при термоциклировании подтвердили расчетную величину перепада температуры по толщине покрытия.

Таким образом результаты подтвердили возможность моделирования в лабораторных условиях на установке с высокочастотным нагревом термонапряженного состояния деталей горячей части газового тракта ГТД (камер сгорания, лопаток турбины и т. д.), наблюдаемого при омывании их высокотемпературным газовым потоком в условиях эксплуатации.

Варьируя расход воздуха, подаваемого для охлаждения, мощность ВЧГ и толщину стенки, можно изменять температурный перепад на керамическом покрытии в широких пределах.

Результаты испытаний на термоусталость рабочих лопаток турбин ГТД при термоциклировании по режиму Тт1П^Ттах 350^(900-1000) °С показали, что термоциклическая долговечность лопаток с керамическим ТЗП, нанесенным по электронно-лучевому методу, возросла в среднем в 3,4 раза по сравнению с лопатками из жаропрочного никелевого сплава без покрытия.

Результаты испытаний на термоусталость моделей жаровых труб при термоциклировании по режиму Тт1П^Ттах 350 ^ 900 °С показали, что термоциклическая долговечность моделей с трехслойным покрытием толщиной к = 320^520 мкм возросла приблизительно в 2,7 раза по сравнению с моделями без покрытия.

Выводы и перспективы дальнейших исследований

Проведенные исследования подтвердили возможности воспроизведения при высокочастотном индукционном нагреве температурного и термонапряженного состояний рабочих лопаток с ТЗП, соответствующего условиям эксплуатации. Испытания рабочих лопаток турбин ГТД и моделей жаровых труб с теплозащитными керамическими покрытия-

ми на термическую усталость с использованием индукционного нагрева позволили быстро и экономично получить экспериментальную оценку их долговечности. Направлением дальнейших исследований являются: сравнение результатов оценки термоциклической долговечности охлаждаемых деталей при газовом и высокочастотном индукционном нагреве.

Разработанную методику испытаний можно применять для оценки термоциклической долговечности изделий с ТЗП в различных отраслях машиностроения.

Перечень ссылок

1. Абраимов Н.В. Высокотемпературные материалы покрытия для газовых турбин. М.: «Машиностроение». - 1993. - 336 с.

2. Тамарин Ю.А., Качанов Е.Б., Жерздев С.В. Теп-лофизические свойства конденсированного керамического слоя 2г02-Мх0у электроннолучевых теплозащитных покрытий // Авиационная про-мышленость. - 1999. - № 3. - С. 33-37.

3. Патент. № 2259548 Россия. Способ испытаний деталей с теплозащитным покрытием на долговечность. ЦИАМ / Н.Г. Бычков, А.Р. Лепешкин, А.В. Першин. Бюл. № 24. - 2005.

4. Установка для испытаний лопаток турбомашин на термомеханическую усталость. ЦИАМ /Н.Г. Бычков , А.Р Лепешкин., А.В. Першин. Бюл. № 11.

- 2005.

5. 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.

6. Хокинг М., Васантасри В., Сидки П. Металлические и керамические покрытия - М.: Мир. -2000. - 516 с.

7. Бычков Н.Г., Лепешкин А.Р., Першин А.В., Петров Е.В., Быков Ю.Г. Экспериментальная оценка эффективности ремонтных технологий охлаждаемых лопаток ГТД с жаростойкими покрытиями при испытаниях на термоусталость с индукционным нагревом // Вестник двигателе-строения. - 2006.- № 2.- С. 143-146.

8. Зеленый Ю.А., Придорожный Р.П., Борисов В.С. Оценка эффективности теплозащитного покрытия на лопатке соплового аппарата турбины // Вестник двигателестроения, 2003. - № 2. - С. 88-91.

9. Патент № 2122297 Россия. Индуктор для нагрева деталей сложной формы. ЦИАМ / Н.Г. Бычков, А.Р. Лепешкин, А.В. Першин. Бюл. № 3. -1998.

10. Патент № 2259481 Россия. Лопатка турбины. ЦИАМ

/ Н.Г. Бычков, А.Р. Лепешкин, А.В. Першин, В.П. Почуев. - 2005. - Бюл. № 24.

Поступила в редакцию 04.05.2008 Розроблено розрахунково-експериментальну методику випробувань лопаток турбт ГТД i моделей жарових труб камер згоряння ГТД 1з керамгчними теплозахисними покриттями на термiчну втому з використанням високочастотного тдукцшного нагрiву. Наведено результати до^джень нестацiонарного теплового стану i-з застосуванням тепловЫйно1 системи й термовтомлених випробувань робочих лопаток i моделей жарових труб з кера-мiчними теплозахисними покриттями.

The calculating-experimental method of tests of GTE turbine blades and models of heat pipes of GTE combustion chambers with ceramic heat-shielding coverings at thermofatige using induction heating has been developed. The results of investigations of a non-stationary thermal state by thermovisual system and thermofatige tests of blades and models of heat pipes with ceramic heat-shielding coverings are presented.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.