Розробка методів оцінки корозійного ресурсу та середніх робочих температур захисних металевих покриттів лопаток газових турбін

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

ІНСТИТУТ ТЕХНІЧНОЇ ТЕПЛОФІЗИКИ

НАЦІОНАЛЬНОЇ АКАДЕМІЇ НАУК УКРАЇНИ

УДК 539.219:620.193.2

РОЗРОБКА МЕТОДІВ ОЦІНКИ КОРОЗІЙНОГО РЕСУРСУ ТА СЕРЕДНІХ РОБОЧИХ ТЕМПЕРАТУР ЗАХИСНИХ МЕТАЛЕВИХ ПОКРИТТІВ ЛОПАТОК ГАЗОВИХ ТУРБІН

05.05.16 - Турбомашини та турбоустановки

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Тадля Костянтин Анатолійович

Київ - 2004

Дисертація є рукопис.

Робота виконана в інституті технічної теплофізики Національної академії наук України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, зав. відділом, Круковський Павло Григорович, Інститут технічної теплофізики Національної академії наук України

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор, провідний науковий співробітник, Нікітенко Микола Іванович, Інститут технічної теплофізики НАН України

кандидат технічних наук, керівник групи впровадження нових технологічних процесів, Топал Валерій Іванович, Дослідний центр “Пратт і Уітні - Патон”

Провідна установа: Інститут проблем машинобудування НАН України ім. А.М. Підгорного

Захист відбудеться 06.10. 2004 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К 26.224.02 інституту технічної теплофізики НАН України за адресою: 03057, м. Київ-57, вул. Желябова, 2а.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці інституту технічної теплофізики НАН України за адресою: 03057, м. Київ-57, вул. Желябова, 2а.

Автореферат розісланий 04.09.2004 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради, к.т.н. Л.В. Декуша

Размещено на http://www.allbest.ru/

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Лопатки сучасних енергетичних газотурбінних установок (ГТУ) знаходяться під впливом агресивного високотемпературного середовища, що призводить до інтенсифікації процесів окислення. Для зменшення цього впливу лопатки захищаються металевими покриттями типу MCrAlY (Cr - хром, Al - алюміній, Y - ітрій, M означає метал, як правило це Ni - нікель і / або Co - кобальт). Основним елементом, який стримує окислювання покриття й лопатки, що захищається, є алюміній (Al), процентний вміст якого в покритті складає 6-12%. Ресурс покриттів лопаток стаціонарних газових турбін при робочих температурах на поверхні лопатки 900-1000 ⁰С повинен складати десятки тисяч годин, тому його експериментальне визначення є дуже дорогим. Розрахунковий аналіз (моделювання) процесів масообміну основних елементів, що утворюють оксид, (у нашому випадку Al) у покритті та основному сплаві протягом тривалого часу є можливим і дешевим шляхом оцінки корозійного ресурсу покриттів. Термін корозійний ресурс, для відмінності від інших видів ресурсу, означає, що в роботі розглядаються лише процеси масообміну в покриттях, які і визначають цей ресурс. Слід також зазначити, що поняття корозійного ресурсу в роботі відноситься до окислювальних процесів, оскільки робота покриттів розглядається в умовах окислювання. Під терміном оцінка мається на увазі наближене значення величини (ресурсу або температури), що отримане в результаті розрахунків при моделюванні основних фізико-хімічних процесів. Процесами масообміну, що визначають корозійний ресурс покриттів при робочих температурах лопаток ГТУ, є окислювання (утворення окисної плівки Al₂О₃ на зовнішній поверхні покриття) і дифузія Al, спрямована в напрямку границі окисної плівки, а також у напрямку основного сплаву лопатки.

Існуючі моделі, що описують процеси високотемпературного окислювання й дифузії у покриттях типу MCrAlY, використовують прості апроксимаційні емпіричні залежності (ступеневого чи іншого виду) для зміни маси або товщини окисної плівки у часі, а також використовують диференціальні рівняння, які описують дифузійні процеси елементів, що утворюють оксид у системі “оксид - покриття - основний сплав”.

Але практичне застосування таких моделей для довготривалого прогнозування часто є важким або і взагалі неможливим через відсутність достовірних значень вхідних параметрів моделі, наприклад, коефіцієнтів дифузії елемента, що утворює оксид. У літературі є відомості щодо значень коефіцієнтів дифузії елементів тільки для простих композицій сплавів (подвійні чи потрійні), у той час як на практиці застосовують сплави більш складніші. Для сплавів покриттів, що містять 5 і більше елементів, коефіцієнти дифузії Al у літературі відсутні.

Розв'язання задач оцінки середніх робочих температур і залишкового ресурсу покриттів лопаток ГТУ становить як науковий, так і практичний інтерес для компаній, що проводять ремонтне обслуговування газових турбін. Проблему визначення середніх робочих температур покриттів лопатки ГТУ після визначеного терміну експлуатації на сьогоднішній день намагаються вирішувати в основному за допомогою геометричного аналізу розмірів зерен фаз, що формують мікроструктуру сплаву лопатки або покриття. Точність таких оцінок температури невелика, а іноді й зовсім неможливо провести оцінку температури через можливе розчинення фаз при підвищенні температури.

Розроблені в даній роботі методи та розв'язання вищенаведених проблем є оригінальними і дозволяють проводити кількісний аналіз корозійного ресурсу, середньої робочої температури та залишкового ресурсу покриттів.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Основні результати роботи отримані:

· при виконанні держбюджетної конкурсної теми “Моделювання терміну життя покриттів лопаток індустріальних газових турбін”. Реєстраційний номер 0100U004330;

· при виконанні держбюджетної відомчої теми “Розробка методу прогнозування ресурсу роботи захисних покриттів лопаток газових турбін”. Реєстраційний номер 0100U002252;

· при виконанні держбюджетної відомчої теми “Розробка методу оцінки локальних робочих температур та залишкового ресурсу металевих покриттів лопаток газових турбін на основі аналізу довготривалих процесів масообміну алюмінію”. Реєстраційний номер 0103U005385;

· при виконанні міжнародного проекту NATO Science for Peace - 972631 “Life time modelling for MCrAl coatings for industrial gas turbine blades”.

В усіх зазначених вище роботах автор був основним виконавцем.

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є розробка методу оцінки корозійного ресурсу захисних металевих покриттів лопаток ГТУ на основі моделі фізико-хімічних процесів і розрахунково-експериментального підходу, а також розробка методу оцінки середніх локальних робочих температур металевих покриттів лопаток ГТУ.

Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити наступні задачі:

1. Розробити удосконалені фізичну й математичну моделі процесів масообміну у системі “захисне покриття - лопатка ГТУ”, які грунтуються на розгляді основних фізико-хімічних процесів, що визначають ресурс роботи лопатки;

2. Розробити метод визначення ресурсу і середніх робочих температур захисних металевих покриттів лопаток ГТУ;

3. Розробити програму, що реалізує модель і методи оцінки ресурсу і середніх робочих температур;

4. Провести оцінку ресурсу захисних металевих покриттів типу MСrAlY;

5. Визначити середні локальні робочі температури захисного покриття на обраній ділянці лопатки ГТУ, при якій працювало дане покриття.

Методи досліджень. Основними методами дослідження є математичне моделювання з використанням обчислювальної техніки й експериментальних даних, а також метод ідентифікації параметрів моделей на основі розв'язання обернених задач.

Наукова новизна отриманих результатів. Розроблено метод для оцінки ресурсу захисних металевих покриттів лопаток ГТУ.

Уперше розроблено метод визначення середньої робочої температури і залишкового ресурсу захисних металевих покриттів лопаток ГТУ, для визначення яких використовується математична модель процесів дифузії і дані рентгеноспектрального мікроаналізу або експериментальні дані вмісту Al у покритті за допомогою приладів, що не руйнують покриття.

Розроблено удосконалену модель, що описує дифузійно-окисні процеси Al у багатокомпонентному захисному металевому покритті.

Обґрунтованість і достовірність отриманих результатів. Усі результати розрахунків, що представлені в дисертаційній роботі, мають порівняння з даними експериментальних досліджень, які виконувалися у НВО “ЦКТИ им. И.И. Ползунова”, м. Санкт-Петербург, Росія, та у фірмі SIEMENS AG, Power Generation (Німеччина).

Наукова і практична значимість роботи. Прогнозування розподілу Al і оцінка ресурсу покриттів ГТУ можуть використовуватися при створенні та оптимізації нових типів покриттів, та лопаток ГТУ. Оцінка середніх робочих температур може використовуватися моніторинговими, ремонтними і проектними підприємствами, що розробляють, виконують ремонт, або діагностику газових турбін. Можливе використання методики розрахунку залишкового ресурсу захисних металевих покриттів за даними, отриманими за допомогою приладів, що не руйнують сплав та дозволяють проводити виміри вмісту Al. Результати розрахунків і програма COLTAN, отримані на основі розроблених підходів і моделей, використовуються компанією SIEMENS AG, Power Generation.

Особистий внесок. Розробка методів оцінки ресурсу покриттів, оцінки середніх робочих температур, розробка математичної моделі процесів дифузії та окислювання в захисних металевих покриттях лопаток ГТУ, розробка програмного комплексу COLTAN (у частинах, пов'язаних із реалізацією математичної моделі, обробкою експериментальних даних, реалізацією методу оцінки середніх робочих температур). Проведення тестувань і настроювання моделей, ідентифікація параметрів моделі. Проведення всіх розрахунків, пов'язаних з оцінкою ресурсу, залишкового ресурсу і середніх робочих температур для всіх типів покриттів.

Апробація результатів. Основні результати роботи доповідалися: на I-й Міжнародній конференції “Матеріали і покриття в екстремальних умовах: дослідження, застосування, екологічно чисті технології виробництва й утилізації виробів” (Крим, сел. Кацивелі, 2000), на Міжнародному семінарі DECHEMA “Lifetime Modelling of High Corrosion Processes” (Франкфурт, Німеччина, 2001), на I-й Міжнародній науково-технічної конференції “Проблеми динаміки і міцності в газотурбобудуванні” (ГТД - 2001) (Київ, 2001), на VIII-му семінарі “Diffusion and Thermodynamics of materials” (Брно, Чехія, 2002), на II-й Міжнародній конференції “Матеріали і покриття в екстремальних умовах: дослідження, застосування, екологічно чисті технології виробництва й утилізації виробів” (Крим, сел. Понізовка, 2002), на XI-й Міжнародній науково-технічної конференції “Удосконалювання турбоустановок методами математичного і фізичного моделювання” (Харків, 2003), на III міжнародній конференції “Проблеми промислової теплотехніки” (Київ, 2003)

Публікації. Основний зміст дисертаційної роботи викладено в 9 опублікованих роботах.

Структура й обсяг роботи. Дисертація складається із вступу, п'яти розділів, загальних висновків, списку літератури. Повний обсяг роботи складає 139 сторінок, 65 малюнків, 15 таблиць і 83 бібліографічні посилань.

корозійний лопатка енергетичний газотурбінний

ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЇ

У першому розділі зроблено огляд літератури присвяченої проблемам моделювання процесів дифузії й окислювання у захисних металевих покриттях та у сплавах на основі нікелю, проблемам оцінки температури і ресурсу, а також проведено вибір критерію ресурсу захисних покриттів MCrAlY.

Захисні металеві покриття типу MCrAlY призначені для захисту сплавів лопаток ГТУ від високотемпературного окислювання, що досягається за рахунок утворення тонкої (до десятка мікронів) суцільної окисної плівки Al₂o₃ на зовнішній поверхні покриття, що контактує з газовим середовищем проточної частини турбіни. Покриття MCrAlY виконує свою захисну функцію доти, поки підтримується формування суцільної окисної плівки, яка може відшаровуватись внаслідок термоциклічних процесів або механічних ушкоджень. Алюміній, що формує окисну плівку, міститься в покритті, звідки він постійно йде на підживлення окисного шару. Як тільки алюмінію буде недостатньо, покриття втратить своє функціональне призначення і почнуться швидкоплинні процеси окислювання самого покриття і сплаву лопатки. Тривалість часу до зниження вмісту алюмінію у покритті нижче граничного значення концентрації і визначає корозійний ресурс покриття, через те що кількість алюмінію, яка залишиться в покритті, буде вже недостатньою для відтворення суцільної окисної плівки.

Таким чином, щоб провести розрахунок ресурсу покриття, необхідно знати залежність кількості Al, що знаходиться в покритті, від часу. Однак неможливо оцінити кількість Al, що залишилась у покритті, лише за товщиною окисної плівки, тому що Al дифундує у двох напрямках: у напрямку зовнішньої границі, де йде формування окисної плівки, та у напрямку основного сплаву лопатки ГТУ. Таким чином, для оцінки корозійного ресурсу покриття обов'язково необхідно моделювати дифузію Al.

На сьогоднішній день у світі існують математичні моделі, побудовані для аналізу процесів дифузії в металевих покриттях. Однак усі вони потребують визначення значень параметрів моделей для нових сплавів покриттів або нових сплавів лопаток, що вимагає додаткових трудомістких експериментальних досліджень. У роботі ця проблема вирішена за допомогою використання розрахунково-експериментального підходу.

Також розглянута проблема оцінки середніх температур, при яких працювала лопатка газової турбіни. В основному раніше цю проблему намагалися вирішувати за допомогою геометричного аналізу зміни структури та розмірів зерен фаз, які формують сплав покриття.

У результаті проведеного огляду сформульовані задачі дослідження.

У другому розділі розроблено методики, що використовують розрахунково-експериментальний підхід, для оцінки ресурсу і середньої робочої температури захисних покриттів лопаток ГТУ.

Суть підходу. Часто при розрахунковому аналізі у моделях, що використовуються, є ряд параметрів, значення яких відомі не точно (відомий лише інтервал можливих значень або значення параметрів задані дискретно) чи взагалі не відомі. Ця невизначеність, як правило, приводить до неточних результатів розрахунків. Одним із способів підвищення точності результатів розрахунків є розрахунково-експериментальний підхід, оснований на ідентифікації параметрів обраної математичної моделі за допомогою експериментальної інформації про досліджуваний процес і розв'язання обернених задач (ОЗ).

Отже, для того, щоб підвищити точність розрахункового аналізу досліджуваних процесів, необхідно вибрати або розробити модель, що описує досліджувані процеси, та вибрати такий набір експериментальних даних, який дозволить провести ідентифікацію невідомих вхідних параметрів моделі. Тоді отримані після ідентифікації параметри моделі дозволять одержати більш точне довготривале прогнозування процесів масообміну і ресурсу металевих покриттів при заданому критерії ресурсу.

Схема підходудля прогнозування процесів масообміну і ресурсу захисних металевих покриттів лопаток ГТУ зводиться до наступного:

1. Побудова (вибір) математичної моделі, що досить добре описує основні фізичні процеси, які визначають ресурс покриття.

2. Проведення короткострокових експериментальних досліджень для визначення законів утворення окисної плівки і розподілів (профілів) концентрацій Al у покритті та основному сплаві (С_э) для різних температур і моментів часу.

3. Ідентифікація невідомих параметрів Р_и(Т) моделі за даними експерименту на основі рішення ОЗ, що дає близькість профілів концентрацій С_м і С_э. Тут і нижче Р_и(Т) - вектор параметрів, що потребує визначення Р_и= (Р₁, P₂, …, Р_i, …, P_n)

4. Довгострокове прогнозування процесів масообміну і ресурсу покриттів на основі обраної в п.1 моделі зі знайденими в п.3 параметрами масообміну.

Зазвичай використовують більш просту схему прогнозування: у моделі використовуються знайдені з літератури параметри моделі Р₀(Т), за якими проводять наступні розрахунки з прогнозування та оцінки ресурсу. У загальному випадку така схема може бути застосована для простих сполук сплавів, для яких відомі коефіцієнти дифузії, а для більш складних сполук може приводити до недостатньо точних прогнозів через неточно відомі параметри моделі Р₀(Т). Тому використання повної схеми розрахунково-експериментального підходу на основі отриманих ідентифікацією параметрів моделі Р_и(Т) забезпечує адекватні прогнози.

Розглянутий розрахунково-експериментальний підхід припускає пошук параметрів моделі (п. 3) за допомогою розв'язання ОЗ (задач ідентифікації) на основі наявних короткострокових експериментальних даних. Розв'язування ОЗ зводиться до пошуку таких значень параметрів Р_и(Т), для яких величина

(1)

Схема застосування підходу для проведення розрахунків по визначенню робочих температур покриттів складається із двох етапів.

Етап 1: У ньому використовується схема, описана вище (п.1 - п.3). В результаті вирішення ОЗ проводиться визначення основних параметрів масообміну моделі Р_и(Т) за попередньо проведеними експериментами. Розв'язання ОЗ проводиться неодноразово для різних температур з метою побудови залежностей параметрів Р_и(Т) від температури.

Етап 2: В якості експериментальних даних використовується розподіл концентрації Al по покриттю С_Э, отриманий чи, то за допомогою рентгеноспектрального мікроаналізу чи, то пристроями неруйнівного вимірювання після відпрацьовування лопатки ГТУ визначеної кількості годин. Для розрахунків використовується та ж сама модель, що й на етапі 1.

Проводиться розв'язання оберненої задачі по визначенню такої температури покриття T_i, при якій значення параметрів Р_и(Т) нададуть близькість розрахункових С_М і експериментальних С_Е розподілів концентрацій Al у покритті (мінімум величини (1)).

У третьому розділі описано фізичну і математичну моделі.

Фізична модель. Процеси, які відбуваються в покритті: окисел утворюється в результаті поєднання Al і кисню, що абсорбується з газового середовища і за допомогою дифузії через шар окислу x₁-x₀ надходить до границі x₁ окисел - покриття. Дифузія Al із покриття відбувається у двох напрямках:

до границі x₁ окисел - покриття, де він вступає в реакцію з киснем, що туди надійшов;

до границі x₄ покриття - основний сплав, де він накопичується в міждифузійній зоні і далі дифундує в основний сплав.

У результаті дифузії Al з +- двофазної зони покриття відбувається утворення збіднених на Al однофазних зон зі зниженим вмістом Al (- фаза) як з боку окисла, так і з боку основного сплаву. Весь Al, що виходить з покриття, йде з +- двофазної зони покриття за рахунок зникнення (витрати) - фази. Профіль концентрації Al в області покриття типу MCrAlY має вигляд ступінчатої кривої, а в області основного сплаву кривої з максимумом у міждифузійній зоні.

Можна виділити шість основних зон: окисел x₀< x < x₁; область x₁< x < x₂, збіднена на Al, де є присутня тільки одна - фаза; двофазна область x₂< x < x₃, у якій одночасно присутні - і - фази; зона x₃< x< x₄ в області покриття також збіднена на Al з - фазою; міждифузійна зона в основному сплаві x₄< x < x₅ збагачена на Al і зона x> x₅ основного сплаву, куди дифундує Al з міждифузійної зони.

Накопичення Al у міждифузійній зоні в часі відбувається за рахунок утворення різних фаз (наприклад, +- ?і '+- фаз) унаслідок різного кількісного складу сполук та відсутності термодинамічної рівноваги фаз покриття й основного сплаву. Накопичений у міждифузійній зоні Al частково дифундує в основний сплав і назад у покриття. У розглянутій моделі всі границі крім границі x₄ (границя розподілу покриття й основного сплаву) є рухливими. Границі x₂ і x₃ рухаються одна до одної внаслідок зменшення вмісту - фази в +- двофазній зоні покриття x₂<x<x₃, з якої дифундує Al. Концентрації загального вмісту Al C і - фази C у + двофазній зоні x₂< x < x₃ зменшуються в часі.

Процеси масообміну Al в області рішення x₁< x <x можна описати наступним рівнянням дифузії

,(2)

, , , ,

, , , ,

з початковою умовою

,(3)

граничною умовою на границі x

(4)

і граничною умовою на рухливій границі х₁, що описує дифузійний потік Al, який іде з покриття вліво на утворення окисла за рахунок градієнту концентрацій Al

.(5)

Потік Al (5) разом з потоком , що утвориться за рахунок руху границі х₁ вправо, складають повний потік Al, який йде на утворення окисної плівки товщиною х. Кінетика утворення окисної плівки описується двома параболічними законами:

,(6,7)

де , - коефіцієнти інтенсивності росту товщини окисної плівки, які зазвичай у літературі називають константами окислювання, - час, до настання якого справедливий закон окислювання (6) і після якого справедливий закон окислювання (7). У момент часу криві законів (6) і (7) перетинаються; - час (негативна величина) перетинання закону (7) із віссю . Необхідність опису закону росту окислу Al двома параболічними законами (6) і (7) пояснюється більш швидким утворенням (ростом) - фази окислу до моменту часу і більш повільним ростом - фази окисної плівки Al₂O₃ при . Коефіцієнти , , і величина - у (6) і (7) визначаються за експериментальними даними росту товщини окисної плівки в часі.

На рухливих границях х₂ і х₃ задані наступні умови по концентраціях:

, .(8)

Тоді за аналогією з граничною умовою (5) для нерухомої границі х₄ можна записати дифузійний потік Al, що йде з покриття вправо на утворення міждифузійної зони товщиною у = х₅ - х₄ і дифузію Al в основний сплав у вигляді:

.(9)

Відповідно до фізичної моделі потік Al (9), що прийшов з покриття, бере участь в утворенні нових фаз у міждифузійній зоні у = х₅ - х₄ і рівномірно виділяється в цій зоні, тобто:

,(10)

де ширина міждифузійної зони у = х₅ - х₄ збільшується в часі за рахунок руху границі x₅ вправо і закон її росту (параболічний), як і для окисної плівки, приймається у вигляді

.(11)

Коефіцієнти і величина в (11) визначаються за експериментальними даними росту товщини міждифузійної зони в часі.

Вираз для маси алюмінію W, що прийшов з покриття і рівномірно виділився в міждифузійній зоні x₄<x<x_5, приймається залежним від () у ступені m і має вид

,(12)

де k_w - коефіцієнт інтенсивності накопичення Al у міждифузійній зоні.

Оскільки в системі “покриття - окисна плівка - основний сплав” повинен дотримуватися баланс мас, то відповідно до (5) і (9) вираження для сумарного потоку Al, що пішов із двофазної зони покриття, приймає вигляд:

.(13)

Відповідно до прийнятої фізичної моделі, весь Al, що виходить з покриття, йде з +- двофазної зони покриття за рахунок витрати - фази, тоді рух границь х₂ і х₃, а також зменшення концентрації Al у +-? двофазній зоні можна описати рівнянням масового балансу між дифузійними потоками Al на цих же границях і потоків за рахунок різниці концентрацій Al у +-?і - фазах

,(14)

де і - дифузійні потоки убік окислу й основного сплаву за рахунок градієнтів концентрацій Al ліворуч і праворуч від границь х₂ і х₃ відповідно.

Вираз (14) після ділення всіх складових на J має вигляд

,(15)

де g₂ і g₃ - частки загальної маси Al, що пішли з покриття за рахунок руху границь x₂ і x₃ відповідно, g_2,3 = (1- g₂ - g₃) - частка загальної маси Al, що пішла з покриття за рахунок зменшення вмісту - фази Al у зоні x₂< x < x₃. Величини g₂ і g₃, що безпосередньо впливають на швидкості руху границь x₂ і x₃, також прийняті залежними від різниці концентрацій

,.(16)

З виразів (15) і (16) можна одержати закони руху границь x₂, x₃ і зменшення вмісту Al у двофазній зоні:

,,.(17)

Коефіцієнти пропорційності k₂ і k₃ у (16) визначаються з виразу (17) за експериментальними даними динаміки руху границь x_2, x₃ і величини полиці в області x₂<x<x₃ для різного часу витримок зразків.

Зв'язок концентрації загального вмісту Al із вмістом - фази у покритті описується співвідношенням

,(18)

де - вміст Al у - фазі.

Коефіцієнт дифузії D_еф, коефіцієнт k_w і показник ступеня m у математичній моделі (2) - (18) визначаються розв'язанням оберненої задачі з використанням експериментальних даних.

Коефіцієнт дифузії D_еф у (2) справедливий для всієї області рішення, за винятком x₂< x < x₃, де він приймався рівним на 4 порядки вищим через відсутність просторового градієнта концентрації Al.

Накопичений у міждифузійній зоні Al, у наслідок градієнту концентрації праворуч від границі x₄, частково дифундує назад у покриття. Виникаючий при цьому дифузійний потік

повертається назад у міждифузійну зону шляхом додавання до основного потоку (10).

У моделі прийняті наступні припущення:

характер основних фізико-хімічних процесів, які відбуваються у системі “покриття-основний сплав”, не змінюється з плином часу;

лише один елемент (Al) бере участь в утворенні окислу. Дане припущення для розглянутих у роботі типів покриттів підтверджується експериментальними дослідженнями до 20 тис. годин;

утворення окислу відбувається тільки на границі х₁;

отриманий рішенням ОЗ коефіцієнт дифузії D_еф є ефективною характеристикою, що не залежить від часу;

фази в міждифузійній зоні, а також їхнє утворення на границі покриття - основний сплав не розглядаються;

відсутнє сколювання (відшарування) окисної плівки;

у міждифузійну зону Al приходить тільки з покриття.

У четвертому розділі проведено параметричний аналіз чутливості моделі, який дозволив виконати кількісний порівняльний аналіз по визначенню найбільш і найменш впливових параметрів.

Розв'язані тестові ОЗ показали стійкість рішень як на “точних” так і на “загрублених” (до 10%) даних (профілів концентрації Al). Розв'язанням ОЗ знаходились наступні параметри: k_w - коефіцієнт інтенсивності накопичення Al у міждифузійній зоні, m - показник ступеня, D_эф - ефективний коефіцієнт дифузії. Отримані на “загрублених” даних значення параметрів відрізнялись від точних до 14.3%. При цьому вплив помилок у концентраціях Al та зв'язаних з ними вищезазначених параметрах моделі призводять до похибки ресурсу у 7%.

У п'ятому розділі розглянуті результати практичного застосування розроблених у дисертаційній роботі підходів і моделей для оцінки ресурсу, залишкового ресурсу і середніх робочих температур захисних металевих покриттів. На рисунку 4а показано результат порівняння розподілу концентрацій Al у покритті й основному сплаві для покриття NiCoCrAlY товщиною 200 мкм при початковому вмісті Al 10.2%, температурі 950 С і витримці 10000 годин. Визначені розв'язанням ОЗ параметри k_w - коефіцієнт інтенсивності накопичення Al у міждифузійній зоні, m - показник ступеня, D_эф - ефективний коефіцієнт дифузії мають наступні значення: k_w=9.18*10^-8, 1/с; m=0.5; D_еф=7.0*10^-16, м²/с. На рисунку 4б приведено зменшення вмісту - фази у цьому покритті при температурах 900, 950 та 1000 С, зникнення - фази в покритті і відповідає корозійному ресурсу цього покриття.

Розрахунковий аналіз покриттів різних сполук на різних основних сплавах (розглядалися покриття NiCoCrAlY на сплаві IN 738 LC з початковим вмістом алюмінію 8.4 та 10.2%, та покриття NiCrAlSiTa на сплаві CM247LC) показав, що запропонована в 3-му розділі математична модель є достатньо універсальною та здатною описувати дифузійний розподіл Al у покритті та основному сплаві лопатки ГТУ. Отримані розрахунки покриттів типу NiCoCrAlY пройшли перевірку на тривалих витримках і показали добре узгодження з даними експериментальних досліджень.

Проведено оцінку середніх робочих температур покриттів типу NiCoCrAlY з початковим вмістом Al 8.4%, що нанесені на робочі лопатки двох різних ступеней ГТУ, та відпрацювали у турбіні 26400 годин. Результати виконаних розрахунків середніх робочих температур представлені на рисунку 5 для робочої лопатки другої ступені без зовнішнього керамічного покриття.

В якості експериментальних даних було використано значення положення границь х₂. Залишковий ресурс даних покриттів, нанесених на лопатку, склав 20 тис. годин для лопатки першої ступені на вхідній ділянці та 27 тис. годин для лопатки другої ступені, що також відповідає вхідній ділянці.

На рисунку 6 наведено залежність зменшення концентрації - фази у покритті NiCoCrAlY товщиною 100 мкм в часі. Крива 1 отримана за допомогою коефіцієнта дифузії, визначеного за допомогою запропонованого у роботі методу, а крива 2 отримана з використанням коефіцієнту дифузії, визначеного за літературними даними. А саме: було знайдено найближчий за складом потрійний сплав NiCrAl, для якого коефіцієнт дифузії екстрапольовано до необхідної температури (950 С). Усі інші параметри були однакові.

ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ

1. Розроблено удосконалену математичну модель на основі рівняння дифузії, що дозволяє здійснювати прогноз процесів масообміну в захисних покриттях MCrAlY. Модель описує перенос маси основного елемента (алюмінію), що утворює оксид, у зону утворення окисної плівки та у міждифузійну зону, а також описує кінетику утворення оксидного шару. У порівнянні з існуючими, розроблена модель дозволяє враховувати деякі особливості фазової сполуки покриття, а також накопичення алюмінію в міждифузійній зоні. Розроблено програму COLTAN (Coating Life Time Analysis), що реалізує цю модель.

2. Розроблено метод оцінки ресурсу захисних металевих покриттів лопаток ГТУ на основі моделі фізико-хімічних процесів, які відбуваються в покриттях.

3. Уперше розроблено метод, що дозволяє проводити оцінку середньої робочої температури і залишкового ресурсу захисних металевих покриттів лопаток ГТУ за допомогою моделі, що описує процеси масообміну в покритті.

4. Для використання запропонованих методів і моделей в практичних цілях проведено параметричний аналіз чутливості моделі, вирішені тестові ОЗ, також приведені рішення тестових задач по визначенню ресурсу захисних металевих покриттів, що дозволили визначити вплив похибок параметрів моделі, що виникають через похибки в експериментальних даних, за якими проводиться рішення ОЗ.

5. Проведено ідентифікацію параметрів моделей для покриттів типу NiCoCrAl з початковим вмістом Al 8.4 і 10.2 %, нанесених на основний сплав IN 738 LC при температурах 900, 950 і 1000 С, а також для покриття типу NiCrAlSiTa, де основним сплавом був CM247LC при температурах 900, 950 і 1000 С.

6. Проведено прогнозування процесів масообміну в покриттях NiCoCrAl з початковим вмістом Al 8.4% і представлені результати оцінки ресурсу: ресурс покриття товщиною 200 мкм при температурі 900 С склав 49000 год., при 950 С - 21000 год. і при 1000 С - 12000 год.

7. Проведено прогнозування процесів масообміну в покриттях NiCoCrAl з початковим вмістом Al 10.2% і представлені результати оцінки ресурсу: для покриття товщиною 200 мкм при температурі 900 С він склав 55000 год., а при 950 С - 27500 год.

8. Проведено прогнозування процесів масообміну в покриттях NiCrAlSiTa з початковим вмістом Al 6.5% і представлені результати оцінки ресурсу: для покриття товщиною 250 мкм при температурі 900 С він склав 46000 год., при 950 С - 26000 год., а при 1000 С - 8000 год.

9. Проведено оцінку середніх робочих температур покриттів типу NiCoCrAl з початковим вмістом Al 8.4%, нанесених на лопатки 1^ї та 2^ї ступіней ГТУ, що проробили в турбіні 26400 годин. Проведено оцінку залишкового ресурсу даних покриттів.

Розроблені методи та моделі, що дозволяють проводити розрахунки розподілу концентрації Al у покритті й основному сплаві лопатки, а також проводити оцінку ресурсу, використовуються фірмою SIEMENS (Німеччина), що виробляє ГТУ різних потужностей.

СПИСОК ПУБЛІКАЦІЙ ПО ТЕМІ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Krukovsky P., Kolarik V., Tadlya K., Rybnikov A., Kryukov I., Juez-Lorenzo M. Theoretical and experimental approach for long term modelling of oxidation and diffusion processes in MCrAlY coatings - Proc. of EFC Workshop “Lifetime Modelling of High Corrosion Processes”, 2001, №34, p. 231-245.

2. Krukovsky P., Tadlya K., Rybnikov A., Kryukov I., Mogaiskaya N., Kolarik V., Juez-Lorenzo M. Combined experimental and theoretical approach for long time high temperature oxidation and diffusion processes in MCrAlY coatings investigation. - Proceedings of the VIII seminar “Diffusion and thermodynamics of materials”. Brno, 2002 p. 176-179.

3. Рыбников А.И., Можайская Н.В., Крюков И.И., Круковский .Г., Тадля К.А., Коларик В., Хуєц-Лоренцо М. Определение ресурса металлических защитных покрытий для лопаток ГТУ//Тяжелое машиностроение, 2002 № 10 с. 42-46.

4. Рыбников А.И., Можайская Н.В., Крюков И.И., Круковский П.Г., Тадля К.А., Коларик В., Хуєц-Лоренцо М. Расчетно-экспериментальный подход определения ресурса металлических защитных покрытий для лопаток ГТУ - Труды ЦКТИ “Ресурс и надежность материалов и сварных соединений энергетических установок”., 2002, вып. 256, с. 160-173.

5. Можайская Н.В., Рыбников А.И., Крюков И.И., Круковский П.Г., Тадля К.А., Тадля О.Ю. Прогнозирование ресурса защитных покритий типа MeCrAlY для лопаток газовых турбин. - Труды ХIХ Всероссийского совещания по температуроустойчивым функциональным покрытиям “Температуроустойчивые функциональные покрытия”., 2003, том 2 с. 42-45.

6. Тадля К.А., Круковский П.Г., Рыбников А.И., Крюков И.И., Можайская Н.В. Прогнозирование ресурса и оценка рабочих температур защитных металлических покрытий лопаток газовых турбин на основе анализа процессов масообмена//Совершенствование турбоустановок методами математического и физического моделирования: сб. научн. Трудов. Харьков: ИПМаш НАН Украины, 2003. - Т. 2. с. 375-380.

7. Круковcкий П.Г., Тадля К.А. Расчетно-экспериментальный подход к анализу ресурса и температуры защитных покрытий лопаток газовых турбин// Промышленная теплотехника, 2003, т. 23, №4, с. 41-50.

8. Krukovsky P., Tadlya K., Rybnikov A., Kryukov I., Mogaiskaya N., Kolarik V., Juez-Lorenzo M. Lifetime modelling for MCrAlY Coatings in industrial gas turbine Blades. Materials Research, v. 7., #1, (2004), p. 43-47.

9. Круковский П.Г., Тадля К.А., Рыбников А.И., Можайская Н.В., Крюков И.И., Коларик В. Расчетно-экспериментальный подход к прогнозированию масообменних процессов и ресурса металлических покрытий лопаток газовых турбин // ИФЖ, 2004, т. 77, №3, с.9-15.

У перерахованих наукових працях Тадля К.А. особисто виконав: розробку математичних моделей; розрахунки з прогнозування процесів масообміну та визначенню ресурсу захисних покриттів; розв'язання ОЗ, пов'язаних з ідентифікацією параметрів моделей. У роботах 6,7 розроблено метод для оцінки середніх локальних робочих температур та залишкового ресурсу.

АНОТАЦІЯ

Тадля К.А. “Методи оцінки ресурсу та середніх робочих температур захисних металевих покриттів лопаток газових турбін”. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.05.16 - Турбомашини та турбоустановки. - Інститут технічної теплофізики НАН України. Київ, 2004.

У роботі розроблені підходи для оцінки ресурсу, залишкового ресурсу і середньої робочої температури захисних покриттів лопаток газових турбін. Запропоновано удосконалені фізична й математична моделі, що описують процеси масообміну в системі “захисне покриття - лопатка ГТУ”.

Запропоновані моделі й підходи реалізовані у комп'ютерній програмі COLTAN.

Проведено параметричний аналіз чутливості параметрів моделі, розв'язані тестові обернені задачі. Виконано ідентифікацію параметрів моделі і розрахунковий аналіз покриттів типу NiCoCrAl на підкладці IN 738 LC, та покриття NiCrAlSiTa нанесеного на підкладку сплаву CM247LC. Отримані розрахунки покриттів типу NiCoCrAl пройшли перевірку на тривалих витримках і показали добре узгодження з даними експериментальних досліджень. Проведено розрахунок розподілів середніх робочих температур захисного покриття типу NiCoCrAl у двох робочих лопатках ГТУ після відпрацьовування ними 26400 годин у проточній частині турбіни.

Ключові слова: лопатки ГТУ, захисне покриття, ресурс, окислення, дифузія, математичне моделювання, локальні температури лопатки.

Аннотация

Тадля К.А. “Методы оценки ресурса и средних рабочих температур защитных металлических покрытий лопаток газовых турбин”. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.05.16 - Турбомашины и турбоустановки - Институт технической теплофизики НАН Украины, Киев, 2004.

В работе разработаны подходы для оценки ресурса, остаточного ресурса и средней рабочей температуры защитных металлических покрытий лопаток газовых турбин. Предложены уточненные физическая и математическая модели, описывающие массообменные процессы в системе “защитное покрытие - лопатка ГТУ”, основанные на учете основных физико-химических процессов, определяющих ресурс работы лопатки.

Для использования предложенной модели в практических целях разработана компьютерная программа COLTAN, реализующая подход и модель оценки ресурса и средних рабочих температур для различных типов защитных металлических покрытий.

Проведен параметрический анализ чувствительности модели, решены тестовые обратные задачи а также приведены решения тестовых задачи оценки ресурса защитных металлических покрытий с целью оценки влияния возможных погрешностей в определенных решением обратных задач параметрах модели.

Выполнена идентификация параметров модели и расчетный анализ покрытий типа NiCoCrAlY с двумя различными количественными составами на подложке IN 738 LC. Получены результаты расчетов распределения концентраций Al и ресурса для покрытия NiCrAlSiTaY, нанесенного на подложку сплава CM247LC. Полученные расчеты покрытий типа NiCoCrAlY прошли проверку на длительных выдержках и показали хорошее согласование с данными экспериментальных исследований. В работе проведен расчет распределений средних рабочих температур защитного покрытия типа NiCoCrAlY с начальным содержанием 8.4% Al по контуру поперечных сечений двух рабочих лопаток ГТУ после отработки 26400 ч в проточной части турбины.

Ключевые слова: лопатки ГТУ, защитные покрытия, ресурс, окисление, диффузия, математическое моделирование, локальные температуры лопатки.

Summary

Tadlya K. “Life time and operation temperatures methods of protective coatings for gas turbine blades” - The manuscript.

Thesis for a degree “Candidate of Technical Science”. Speciality is 05.05.16 “Turbo machine and turbo-plant”. Institute of Engineering Thermophysics, National Academy of Science of Ukraine, Kiev, 2004

In work approaches for carrying out of an estimation of a resource of a residual resource and average working temperature of protective metal coatings for gas turbine blades are developed. Physical and mathematical models describing mass transfer processes in system " a coating - base alloy of gas turbine blades", based on the account of the basic physical and chemical processes determining a life time of protective metal coatings for gas turbine blades are offered. For use of the offered model in the practical purposes program COLTAN realizing the approach and model of life time estimation and average operation temperatures for various types of protective metal coverings and the basic alloys is developed software

It is lead parametrical the analysis of sensitivity of parameters of model, test return problems and as decisions test problems of life time estimation of protective metal coatings are resulted with the purpose of an estimation of influence of possible errors in the parameters of model determined by inverse problem solution are solved.

Identification of parameters of model and the settlement analysis of coatings such as NiCoCrAlY with two various quantitative structures on substrate IN 738 LC is executed. Results of calculations of distribution of concentration Al and a life time for coating NiCrAlSiTaY of alloy CM247LC put on a substrate are received. The received calculations of coatings such as NiCoCrAlY have passed check on long endurances and have shown the quite good coordination with the data of experimental researches. As in work calculation of distributions of average operation temperatures of coatings such as NiCoCrAlY with the initial maintenance of 8.4 % Al on a contour of cross-section sections of two workers blades of GTU after working off 26400 h in a flowing part of the turbine is lead.

Key words: gas turbine blades, protective coatings, life time, oxidation, diffusion, mathematical modelling, life time, local operation temperatures of gas turbine blade.

Размещено на Allbest.ru

...