CC BY
117
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.
