Повышение эффективности ускоренных коррозионных испытаний лопаток турбин ГТД Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 621.4.001.4

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ УСКОРЕННЫХ КОРРОЗИОННЫХ ИСПЫТАНИЙ

ЛОПАТОК ТУРБИН ГТД

© 2006 А.С. Гишваров, М.Н. Давыдов Уфимский государственный авиационный технический университет

В данной работе рассматривается метод моделирования высокотемпературной газовой коррозии, основанный на целенаправленном комплексном воздействии и позволяющий получать результаты, близкие к экс-плутационным, за более короткое время по сравнению с длительностью эксплуатации.

Надежность и ресурс ГТД определяется в основном элементами «горячей» части двигателя, ресурс которых исчерпывается под воздействием статического, циклического, повторно-статического и усталостного нагружений, а также процессов газовой коррозии. Поэтому эти воздействия необходимо учитывать при проведении испытаний для достоверности оценки ресурса материалов.

Сульфидно-оксидная газовая коррозия, связанная с коррозионным воздействием зо-ловых и газовых продуктов сгорания ГТД, поступающих в проточную часть двигателя, является одним из серьезных видов повреждений сопловых лопаток, вызывающих снижение надежности и экономичности газовых турбин [1]. Интенсивность сульфидно-оксидной коррозии в некоторых случаях столь велика, что лопатки газовой турбины выходят из строя в течение нескольких сот часов работы. Процессы газовой коррозии элементов ГТД менее изучены, чем процессы разрушения от действия механических нагрузок.

Существующие методы испытаний на коррозию не позволяют оценивать долговечность образца по коррозионной стойкости и наиболее приемлемы при проведении сравнительных испытаний, например, когда необходимо из нескольких вариантов конструктивного исполнения элемента двигателя выбрать вариант, соответствующий наибольшей коррозионной стойкости. Методы автономных испытаний лопаток на длительное статическое нагружение, повторностатическое нагружение и другие виды механического нагружения не воспроизводят полную картину коррозии, поскольку не моделируется рабочая среда, и это естественно снижает достоверность оценки надежности

и ресурса. Ускоренные испытания лопаток в системе двигателя с форсированием режима нагружения по частоте вращения, температуре, вибрации также не воспроизводят полностью картину коррозии по причине малой (по сравнению с ресурсом) длительности пребывания лопатки в газовой среде.

Моделирование процессов расходования ресурса (включая ускоренное моделирование) основывается на положениях термодинамики необратимых процессов. По определению Гленсдорфа и Пригожина классическая термодинамика в сущности есть теория разрушения структур, а производство энтропии - это мера скорости этого разрушения [2,3].

Энтропийный критерий эквивалентности модельных ускоренных и эксплуатационных испытаний может быть использован при выборе режимов ускоренных испытаний: два режима испытаний в смысле накопленных повреждений являются одинаковыми, если вызывают в лопатке ГТД одно и тоже приращение термодинамической энтропии:

| Б1(т) йт = | £2(т) йт, (1)

0 0 где ^1(т), £2(т) - скорости роста энтропии соответственно в первом и втором режимах нагружения.

На практике приращение энтропии оценивается через модели расходования ресурса (повреждаемости) вида:

г

П(о,т, R) = | r (t, R)dt,

(2)

где г(т,К) - скорость расходования ресурса (накопления повреждаемости); К - вектор параметров режима нагружения.

Однозначно определяя в каждый мо-

0

мент времени т количество расходуемого ресурса элемента изделия, модели являются разновидностями аддитивно-Марковских

моделей расходования ресурса, основные предпосылки (принципы) которых сводятся к следующему [2].

Считается, что изделие имеет некоторый запас ресурса, который оно утрачивает в процессе эксплуатации. Ресурс, расходуемый изделием в режиме Я(т) на интервале времени (Т1, т2), характеризуется одномерной функцией П(т1, т2, Я) и удовлетворяет условиям аддитивности, марковости и независимости суммарного запаса ресурса изделия от режима испытаний.

1. Условие аддитивности. При любом т из интервала (т1, т2) имеет место равенство П(Т1, Т2, Яо) = П(Т1, т, Яо) + П(т, Т2, Яо) (3)

или более общее соотношение

п-1

П(Ті, т2, К) = £ П(Ті, тг+1, К)

(4)

і =1

при любых 0 < (/-1) < т.

Фактически соотношение (4) означает, что ресурс изделия в испытаниях утрачивается аддитивно.

2. Условие марковости (принцип Седя-кина). Функция П(т1, т2, Я) зависит от величины выработанного ресурса в прошлом П(о, т1, Я) за время т1 и не зависит от того, каким образом он выработан (в каком режиме Я): если Я( т +т1) = Я( т +т2) при всех т е [0, Ь] и П(0, т1, Я2)=П(0, т2, Я1), то П(т1, т1 + т, Я2) = П(т2, т2 + т, Я1) при любом т е [0, Ь] (рис. 1).

3. Наряду с перечисленными условиями 1 и 2 необходимо еще указать, каким первоначальным запасом ресурса обладает изделие. Поэтому вводится еще одно допущение: условие независимости суммарного запаса ресурса изделия от режима испытаний. Не нарушая общности рассуждений, полагают П = 1 (повреждаемость, при которой изделие разрушается), так как введением вместо П(т, т2, Я) новой функции г(т1, т2, Я)/г ресурс изделия всегда можно нормировать на единицу. Каждое изделие обладает своим запасом ресурса 8П. Так, если два одинаковых изделия на момент времени т = 0 имеют одинаковые запасы ресурса 5П1(0) = 5 П2(0) = 1 (рис. 1, б), то после ис-

пытаний за время т1 и т2 в режимах соответственно Я1 и Я2 запасы ресурса составят

5П1(х1) > 5П2(х2).

Я

П

К ^•1 -

< '

X , ^ *

П(0,х1? . я2)=1 И 1(0,х2, Я,)

В X

П

П(х„х, +х2Д 2)=Щ' Ч,х2+' СіДь

х2 х , X , В X

Рис. 1. Условия определения запаса ресурса ГТД

Применительно к процессу газовой коррозии, показателями повреждаемости (расходования ресурса) ПЮр лопатки турбины двигателя являются следующие характеристики:

• толщина к или масса т поверхностного слоя лопатки:

к V т ; (5)

кор кор ’ 4 '

• состав поверхностного слоя лопатки:

Скор = [с1,..., с ]т = [№,Л1^,Сг/П,...]т; (6)

• микроструктура (фазовый состав) поверхностного слоя лопатки:

Фкор = [Ф^..., Ф/ ]т, (7)

где Фг - / - ая фаза микроструктуры (а, р, у,

у\..).

Таким образом:

Пкор = [^кор,С кор, Фкор]т (8)

или Пкор = Кор, Скор, Фкор]т (9)

В соответствии с принципом незави-

симого суммарного запаса ресурса изделия от режима испытания конечное состояние по коррозионной стойкости лопатки, соответствующее эксплуатационным условиям нагружения, может быть воспроизведено в испытаниях различными методами, включая как традиционно используемые методы ускоренных испытаний, так и применяя новые методы. В частности, в данной работе предлагается ускоренные испытания сопловых лопаток турбин ГТД проводить в виде последовательно реализуемых нагружений Я/:

• травление лопатки в электролите - Ятр;

• электрохимическая обработка (ЭХО) -

Яэхо;

• высокотемпературная обработка в среде агрессивных газов - Явто:

Яисп RTp * Яэхо * RBTO-

(10)

В конечном итоге эквивалентность ускоренных (смоделированных) и эксплуатационных (полномасштабных) испытаний при высокотемпературной газовой коррозии обеспечивается получением поверхностного слоя сопловой лопатки, эквивалентного экс-плутационному по толщине коррозионного слоя, составу и микроструктуре поверхностного слоя:

Пкор.исп — ^(ЯТР, ЯЭХО , ЯВТО ) — Пкор.экс —

= / (Т, , Я экс )1к (11)

где Пкор.исп, Пкор.экс - коррозионная повреждаемость лопатки в ускоренных испытаниях и эксплуатационных условиях; тэкс, Я экс -длительность и вектор параметров эксплуатационного нагружения.

На этапах травления и электрохимической обработки в ускоренных испытаниях формируется коррозионный слой, эквивалентный эксплуатационному по толщине и составу продуктов коррозии:

h = f (RTP ® Л,ХО ) ;

кор.исп J V ТР jXO' ’

h

=h

; C к

= C к

I:

С.исп = F(RTP ) ; CкоР исп = F(*ТР ) ; --r(1)

Ф кор.исп — F (RTP ) ; ЯЛ Этр = [етр.1, . ., Єтр.п] ;

Ф кор.исп = F (RTP ) ; ^Р = f (Этр, Ттр, Ттр ) ;

^ор^исп = F (ЯЭХО ) ; C кЧ>исп = F (ЯЭХО ) ;

кор.исп

r(2)

Ф кор.исп — F ( R ХО ) ;

-г (2) ЯЭХО ^ Скор.исп

-ЭэХО = КоЛ^'

f (Ээхо, Jэхо , ТЭХО, ТЭХО )

., e ]T,

5 эхо. П -I 5

где С,сп, hK;0P.ncn - толЩина коррозионного

слоя после травления и ЭХО; Этр, Ээхо -электролиты, включающие етр.1,..., е-гр.п и еэхо.ь- • •, еэхои компонент (соли для приготовления раствора электролита); C кор.исп ,

Я (2)

C кор.исп - состав поверхностного слоя после травления и ЭХО; JXo - ток ЭХО; Ттр и Тэхо - температура травления и ЭХО; ттр и тэХо - длительность травления и ЭХО.

Электрохимическая обработка позволяет увеличить содержание серы и способствует образованию оксидов.

На этапе высокотемпературной обработки формируется коррозионный слой, эквивалентный эксплутационному по микроструктуре (фазовому составу):

Ф кор.исп — Фкор .экс ;

h(3) — idem — h(1) + h(2) ;

кор.исп кор.исп кор.исп ’

-r(3) —

С кор. исп — idem — Скор.экс; (13)

Ф кор .исп — F ( Явто );

RBTO — f [с°ли, ТВТО , ТВТО.1, ТВТО.2 , ТВТО.3] ,

где ТВТО - температура; тВТО1,тВТО.2,тВТО3 -время нагрева, выдержки и охлаждения испытываемого образца при ВТО.

Повреждаемость рабочих лопаток турбины, в отличие от сопловых, в эксплуатационных условиях определяется суммированием повреждаемости от действия статического Пст, вибрационного (многоциклового) Пуст, повторно-статического (малочастотного) Пмцу и коррозионного Пкор нагружений:

П 2 ПСТ + ПМЦУ +ПУСТ +П КОР

(14)

Поэтому метод, предназначенный для испытания сопловых лопаток, можно модернизировать применительно к рабочим лопаткам турбины. При этом испытания лопатки необходимо проводить, чередуя химико-термическое Ях-т и механическое Ямех нагружения (рис.2):

Яисп ~ (Ях-т >К-мех) * ••• >(Ях-т >КмехХ (15)

где К-х-т ~ Ятр >Кэхо * Rвто

Ускоренное моделирование коррозии в испытаниях

Rx-T -> RMEX I > ^ Rxt RmEX

V 1 1 ‘

лопатка і

Рис. 2. Порядок ускоренного моделирования коррозии при испытаниях

Таким образом, повышение достоверности испытаний рабочих лопаток турбины достигается за счет многократной цикличе-

ской обработки путем предварительной химической обработки в электролите и термоциклического воздействия на элемент газовым потоком с агрессивной атмосферой CO2 и SO2. При этом сначала проводят химическую обработку в электролите, затем электрохимическую анодную обработку, далее механическое нагружение, включающее статическое, повторно-статическое и многоцикловое нагружение. После чего цикл повторяется до тех пор, пока не будет воспроизведена эксплуатационная повреждаемость.

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ.

Список литературы

1. Кузнецов Н.Д., Цейтлин В.И. Эквивалентные испытания газотурбинных двигателей. М.: Машиностроение, 1976, 216 с.

2. Гишваров А.С. Теория ускоренных ресурсных испытаний технических систем. уфа, Гилем, 2000, 338 с.

3. Третьяченко Г.Н., Кравчук Л.В., Кури-ат Р.И. и др.- Термическая усталость материалов в условиях неоднородного термонапряженного состояния. К.: Наук. Думка, 1985.-280 с.

4. Ускоренное моделирование высокотемпературной газовой коррозии лопаток турбины ГТД // Проблемы и перспективы развития двигателестроения: Сб. тр. межд. научн. техн. конф. - Самара, 2003, с. 455461.

INCREASE OF EFFICIENCY OF ACCELERATED CORROSION TESTS OF NOZZLE

VANES OF A TURBINE ENGINE

© 2006 A.S. Gishvarov, M.N. Davydov USATU

In the given activity the method of modelling of the high-temperature gas corrosion is considered, based on purposeful complex effect and allowing to receive results, close to real operation conditions, for shorter time in comparison with duration of operation.