ТЕПЛОФИЗИКА ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУР, 2010, том 48, № 5, с. 734-740
УДК 536.08
ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ ПРИ ТЕРМОЦИКЛИРОВАНИИ ЛОПАТОК ГАЗОТУРБИННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ С КЕРАМИЧЕСКИМИ ПОКРЫТИЯМИ © 2010 г. А. Р. Лепешкин, Н. Г. Бычков, А. В. Першин
Центральный институт авиационного моторостроения им. П.И. Баранова, Москва
Поступила в редакцию 20.01.2009 г.
Разработана расчетно-экспериментальная методика высокочастотного индукционного нагрева лопаток турбин и моделей жаровых труб камер сгорания газотурбинных двигателей с керамическими теплозащитными покрытиями с учетом электро- и теплофизических свойств материалов при термоциклических испытаниях. Приведены результаты теплофизических измерений, расчетно-экспе-риментальных исследований нестационарного теплового состояния деталей с покрытиями с применением тепловизионной системы и термоциклических испытаний рабочих лопаток и моделей жаровых труб с керамическими теплозащитными покрытиями.
ВВЕДЕНИЕ
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 и керамических высокотемпературных материалов, а также улучшение защиты деталей высокотемпературного тракта ГТД с помощью теплозащитных и жаростойких покрытий [1—12].
Совершенствование системы внутреннего теп-лоотвода 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 при 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 эжектирования, 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.
Защита материала детали от теплового потока с помощью ТЗП наиболее эффективна в случае использования керамических покрытий на основе диоксида циркония ZrO2 [2—4, 8]. Теплозащит-
ный эффект от керамического ТЗП составляет 100—150°С для условий эксплуатации.
Однако весьма проблематичны вопросы термоциклической долговечности, поскольку сопротивление разрушению этих покрытий при растяжении очень низкое, а при термоциклиро-вании обычно возникают знакопеременные термические нагрузки. Кроме того, в процессе эксплуатации лопаток турбин кислород из окислительной среды (воздух, продукты сгорания топлива) проникает к границе "керамика—металл". Проникновение кислорода через керамический слой приводит к окислению подслоя. Образование оксидов создает дополнительные напряжения, уменьшает адгезию керамического слоя. Указанные факторы необходимо учитывать при разработке покрытий.
Эффективность теплозащиты покрытий и их сопротивление 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.
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 вместе 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 [11—16].
Процесс высокочастотного нагрева включает не только индукционный нагрев токопроводящих материалов, но и диэлектриков, к которым относятся и керамические материалы. Динамика нагрева покрытия и основного материала зависит от электрофизических и теплофизических 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 теплового и термонапряженного состояния деталей с ТЗП при их нагреве в высокочастотном электромагнитном поле и для экспериментальной оценки термоциклической долговечности этих деталей, в данной работе поставлена задача по разработке методики высокочастотного нагрева и теплофизических измерений при испытаниях лопаток и моделей других деталей с ТЗП на основе диоксида циркония.
Цель исследований. Цель работы — разработка расчетно-экспериментальной методики высокочастотного индукционного нагрева и теплофизиче-ских измерений при термоциклических испытаниях лопаток ГТД, проведение экспериментальных исследований по определению температурного состояния лопаток и моделей с ТЗП из диоксида циркония с использованием тепловизионной системы при высокочастотном нагреве деталей с керамическими покрытиями, определение соотношения процессов высокочастотного и диэлектрического
нагрева и получение обобщенной зависимости перепада температуры по толщине керамического покрытия в функции частоты электрического тока на основе многовариантных расчетов, сравнение термоциклической долговечности деталей с теплозащитным покрытием и без него.
МЕТОДИКА И РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ
В расчетно-экспериментальной методике рассматриваются и используются сложные взаимосвязанные физические процессы: нагрев металла и керамики в высокочастотном электромагнитном поле, диэлектрический нагрев керамики, нестационарные поля температур и термонапряжений в ме-таллокерамической детали с охлаждающими отверстиями с учетом электро- и теплофизических свойств материалов при термоциклических испытаниях [12]. В расчетных и экспериментальных исследованиях поставлены новые задачи по определению соотношения процессов высокочастотного и диэлектрического нагрева и выявления эффекта диэлектрического нагрева и его влияния на распределение теплового потока и температур в металлокерамической детали. На основе многовариантных расчетов требуется получить обобщенную зависимость перепада температуры по толщине керамического покрытия в функции частоты электрического тока.
Численное моделирование. Расчетная часть методики состояла из последовательного решения следующих задач: 1) электромагнитной задачи, основанной на уравнениях Максвелла; 2) нестационарной тепловой задачи, основанной на решении уравнения теплопроводности; 3) задачи определения термонапряженного состояния. Первая задача решалась с учетом рекомендаций [11, 16]. На основе ее решения (с учетом зазора между индуктором и деталью и частоты тока 440 кГц) определено распределение внутренних источников тепла (удельной мощности нагрева) по толщине основного металла (жаропрочный никелевый сплав жаровой трубы) с промежуточным жаростойким металлическим покрытием №СоСгА1У и в керамическом покрытии вследствие индукционного нагрева (за счет изменения удельного электрического сопротивления диоксида циркония при повышении температуры) и диэлектрического (за счет изменения диэлектрической проницаемости и тангенса диэлектрических потерь при повышении температуры) нагрева. Полученные распределения внутренних источников тепла являются нестационарными, т.е. зависящими от времени нагрева. В процессе решения связанной электромагнитной и тепловой задач на каждом шаге расчета из модуля решения тепловой задачи значение текущей температуры передавалось в модуль решения электромагнит-
Рис. 1. Схема фрагмента охлаждаемой детали с теплозащитным покрытием: 1 — керамическое покрытие, 2 — металл изделия, 3 — жаростойкий металлический слой, 4 — направление потока охлаждающего воздуха в отверстии, аI — диаметр отверстия.
937 907 891 878 865 г, °С
ной задачи для корректировки электрофизических свойств материалов.
Расчетные исследования позволяют уточнить тепловое и термонапряженное состояния теплозащитных керамических покрытий на охлаждаемых лопатках и моделях при высокочастотном индукционном нагреве с учетом диэлектрического нагрева.
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. Электрофизические и диэлектрические свойства керамического покрытия из диоксида циркония были взяты из [17], электрофизические, теплофизические и прочностные свойства жаропрочного никелевого сплава и промежуточного жаростойкого слоя (покрытия) — из [2—4].
Расчеты с использованием метода конечных элементов в системе ANS
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.