автореферат диссертации по энергетике, 05.14.05, диссертация на тему:Моделирование тепломассообменных процессов в защитных покрытиях лопаток ГТД

Национальная Академия Наук Украины Институт технической теплофизики

46 ОД

г з ш

На правах рукописи

КАРТАВОВА Евгения Сергеевна

МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕПЛОМАССООБМЕННЫХ ПРОЦЕССОВ В ЗАЩИТНЫХ ПОКРЫТИЯХ ЛОПАТОК ГТД

05.14.05 - Теоретическая теплотехника

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Киев, 1997.

Диссертация является рукописью

Работа выполнена в Институте технической теплофизики Национальной Академии Наук Украины

Научный руководитель: доктор технических наук, .

ведущий научный сотрудник П.Г. КРУКОВСКИЙ

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Н.И. НИКИТЕНКО кандидат технических наук, Б.В. ДАВЫДЕНКО

Ведущая организация: Международный центр электроннолучевых технологий Института электросварки им.Е.О.Патона,

Защита состоится." ? " ¿¿¿дл-чч^ 1997 Г- в час. на заседа-

нии специализированного ученого совета К 50.04.03 в Институте технической теплофизики Национальной Академии Наук Украины по адресу: 252057, г.Киев-57, ул.Желябова, 2а.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИТТФ HAH Украины.

Автореферат разослан 1997 г.

Ученый секретарь специализированного ученого совета

доктор технических наук л' / Г.Р.Кудрицкий

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Ресурс работы лопаток современных газовых турбин в значительной степени определяется интенсивностью тепло-массообмешшх (ТМО) процессов в защитных покрытиях лопаток при высокотемпературной газовой коррозии (ВТГК) и степенью их влияния на механические и прочностные характеристики материала лопаток.

Воздействие тепломассообменных процессов на материалы лопаток ГТД при ВТГК приводит к снижению их прочности за счет уменьшения рабочего сечения лопатки, изменения состава и структуры поверхностных слоев и т.д. В наиболее сложной форме проблемы прогнозирования тепломассообменных процессов проявляются при оценке возможного ресурса работы защитных покрытий в условиях высокотемпературной газовой коррозии охлаждаемых лопаток газовых турбин.

В связи с отсутствием надежных методов прогнозирования ресурса работы защитных покрытий лопаток газовых турбин, настоящая работа является актуальной, так как предложенный в ней методический подход позволяет моделировать и прогнозировать тепло-массообменные процессы в защитных покрытиях лопаток промышленных и транспортных ГТУ, работающих в коррозионно-активной среде продуктов сгорания топлива в условиях высоких температур.

Стерень исследованности- Из анализа опубликованной литературы следует, что на сегодняшний день методы расчетного исследования массообменных процессов при ВТГК основаны на простых ап-проксимационных эмпирических зависимостях (степенного или иного вида) изменения массы при ВТГК и глубины коррозионного повреждения, полученных при обработке экспериментальных данных относительно длительных испытаний материалов. Вид этих моделей-зависимостей и значения их параметров (множители, показатели степени и т.д.), для различных типов и составов сплавов, могут меняться в широком диапазоне интервалов температур и времен, при которых были получены экспериментальные данные. Такое количественное описание массообменных процессов при ВТГК с помощью простых интерполяционных зависимостей относительно изменения массы образца и глубины коррозии от времени и температуры, полученные эмпирическим путем, не содержат математическое описание основных процессов массопереноса при ВТГК. Во многих случаях такие зависимости справедливы только для тех температурно-временных условий, в рамках которых они были получены, и про-

гноз массопереноса при ВТГК путем их экстраполяции может при вести к ошибочным результатам.

Цель работы состоит в разработке методического подхода в моделированию тепломассообменных процессов в защитных покры тиях лопаток ГТД для прогнозирования ресурса работы многослой ных защитных покрытий.

Задачи исследования:

- разработать физическую и математическую модели тепломассообменных процессов в многослойных защитных покрытиях, лопатке, и на их поверхности, основанные на учете основных физико-химических процессов, определяющих ресурс работы лопатки;

- разработать программу, реализующую математическую модель;

- обосновать необходимость и использовать метод идентификации параметров математической модели путем решения обратных задач по данным экспериментальных исследований;

- показать работоспособность предлагаемых методического подходе и модели путем решения ряда тестовых задач расчета ТМО процессоь в многослойных защитных покрытиях и поверхностном слое лопатки у. сравнения результатов расчета с экспериментальными данными;

- провести прогнозные расчеты ТМО процессов в поверхностном слое лопаток ГТД с защитными покрытиями и без них.

Предмет и метод исследования. Основным предметом исследования являются защитные покрытия на лопатках ГТД и моделирование ТМО процессов при ВТГК с дальнейшим прогнозированием ресурса их работы. Исследование данных процессов проводилось с использованием методов математического моделирования при реализации широкого комплекса вычислительных экспериментов. Использо вались также методы решения обратных задач для идентификация параметров математической модели тепломассообменных процессог в защитных покрытиях лопаток ГТД.

Научная новизна.

- предложен методический подход кмоделированию и прогнозированию тепломассообменных процессов в системе защитные по крытия-лопатка ГТД, основанный на математической модели тепломассообменных процессов при ВТГК и определении параметров мо дели путем решения обратных задач с использованием данных экспериментальных исследований.

- разработаны физическая и математическая модели массообмен ных процессов при высокотемпературной газовой коррозии, описываю

щие массоперенос легирующих элементов и окислителя в зоны образования продуктов коррозии и кинетику образования оксидного слоя.

- исследован массоперенос в лопатке и образцах из сплава ЭИ893 без покрытий, определена температурная зависимость коэффициентов массопереноса по экспериментальным данным при разных температурах испытаний путем решения обратных задач массопереноса.

- исследован массоперенос в системе защитные покрытия-сплав для нескольких элементов, в системах СДПЗА-ЧС88ВИ и СДП8 - СДП11А - ЧС88ВИ, решением обратных задач определены коэффициенты массопереноса.

- проведено прогнозирование процессов массопереноса в лопатке ГТД из сплава ЭИ893 без покрытий на времена до 100000 часов.

- проведено прогнозирование процессов массопереноса в системе защитные покрытия-лопатка ГТД с внешним керамическим слоем КДП1-СДП8-СДП11А-ЧС88ВИ КДП1, отколовшимся в процессе эксплуатации лопатки. Рассмотрен массоперенос алюминия и хрома - основных легирующих элементов, образующих коррозионный слой, определено время скалывания КДП1 при достижении толщины пленки А1203 критической толщины. Определено, что при скалывании КДП1 повышается температура металлического слоя максимум на -50°С.

Обоснованность и достоверность полученных результатов подтверждается использованием математической модели, адекватной реальным процессам тепломассообмена, удовлетворительным согласованием результатов расчета с данными экспериментальных исследований, использованием апробированных численных методов расчетных исследований.

Практическая ценность и реализация результатов работы. Разработанные модель и методический подход к прогнозированию теп-ломассообменных процессов при ВТГК предназначены для решения практических задач прогнозирования состояния поверхностного слоя лопатки с защитными покрытиями и без них при произвольных режимах и длительности их эксплуатации. Результаты диссертационной работы использованы для прогнозирования ресурса работы защитных покрытий лопаток газовых турбин при создании корабельных и энергетических ГТД повышенного ресурса работы на НПП "Машпроект". Разработанные методический подход к моделированию и прогнозированию модели, алгоритмы, и программный комплекс внедрены на предприятии НПП "Машпроект" (г.Николаев).

Личное участие автора в получении научных результатов состоит в разработке основной идеи диссертации, постановке и реше-

- b -

нии задач исследования, выполнении расчетных исследований и разработке программного комплекса. Автору принадлежат также обработка, анализ и обобщение полученных данных. Все работы, представленные в соавторстве, выполнялись диссертантом в виде равноправного партнерства,

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались на: II Международной конференции "Идентификация динамических систем и обратные задачи" (Россия, С.-Петербург, 1994г.), на Всеукраинском семинаре "Проблемы металловедения и обработки сталей" (Киев, сентябрь 1994г.), Международной конференции "Материалы в энергетическом машиностроении" (Бельгия, Льеж, октябрь 1994), Ш-м Минском Международном форуме по тепло- и массообмену (Минск, май 1996г.) и на Международной конфе-реции по металлургическим покрытиям и тонким пленкам (США, Сан-Диего, апрель 1997г.). Публикации. По материалам диссертации опубликовано 8 печатных работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, изложена на 155 страницах машинописного текста, содержит 35 рисунков и 3 таблицы, список использованных источников из 206 наименований, и приложения, всего 175 страниц.

■ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показаны важность и актуальность темы диссертации, сформулированы цель, задачи работы, научная новизна и практическая ценность результатов, связь проведенных исследований с тематикой НИР ИТТФ HAH Украины, информация о внедрении результатов выполненных исследований.

В первой главе рассмотрены современные проблемы защиты лопаток ГТД от высокотемпературной газовой коррозии, а также проведен обзор основных тепломассообменных процессов при ВТГК, определяющих долговечность системы защитные покрытия-лопатка ГТД. Проанализированы современные тенденции эксплуатации промышленных и транспортных газовых турбин, показана актуальность проблемы защиты лопаток ГТД и рассмотрены мероприятия, направленные на повышение долговечности лопаток ГТД. Сформулированы критерии долговечности покрытий.

Проанализированы существующие методы исследования тепломассообменных процессов в системе защитные покрытия лопатки

ГТД. Отмечено, что существующие методы расчетного исследования массообменных процессов при ВТГК основаны на простых аппрок-симационных эмпирических зависимостях изменения массы при ВТГК и глубины коррозионного повреждения и во многих случаях не могут быть использованы для прогнозирования массопереноса при ВТГК путем их экстраполяции, поскольку это может привести к ошибочным результатам. При моделировании процессов массопереноса необходимо учитывать, что интенсивность теплообмена между газом и внешней поверхностью на различных участках лопатки может отличаться в несколько раз что приводит к существенной неравномерности поля температур. Поскольку массообменные процессы в защитных покрытиях лопаток ГТД в первую очередь зависят от уровня температур, их прогнозирование должно основываться на детальном анализе теплового состояния лопатки с учетом накопленных знаний о закономерностях кондуктивного' и конвективного теплообмена лопаток с газовыми средами. Для возможности осуществления длительного прогноза состояния поверхностных слоев лопаток с покрытиями (распределения элементов в лопатке и покрытиях, проникновения фронта коррозии или окисления вглубь материала лопатки и т.д.) с целью определения ресурса работы покрытий (возможной продолжительности их эксплуатации) метод моделирования и прогнозирования ТМО процессов при ВТГК в системе защитные покрытия-лопатка ГТД должен в себя включать:

- моделирование теплового состояния лопаток;

- моделирование процессов массопереноса в многослойных защитных покрытиях и лопатках;

- планирование и проведение необходимых экспериментальных исследований материала лопаток;

- идентификацию параметров математической модели процессов массопереноса решением обратных задач по данным экспериментальных исследований;

Вторая глава посвящена изложению методического подхода к моделированию и прогнозированию ТМО процессов в системе защитные покрытия-лопатка ГТД, формулировке физической и математической модели процессов тепло- и массообмена.

Методический подход к моделированию и прогнозированию исследуемых ТМО процессов в системе защитные покрытия-лопатка

г*

ГТД можно, в целом, назвать экспериментально-расчетным и разбить на следующие составные части (рис.1):

- математическая модель тепломассообменных процессов;

- определение параметров модели решением обратных задач по имеющимся данным краткосрочных экспериментальных измерений;

- планирование и проведение необходимых экспериментальных исследований материала лопаток;

- прогноз состояния поверхностных слоев лопаток с многослойными защитными покрытиями, в случае адекватности математической модели исследуемым ТМО процессам;

- оптимизации параметров защипсых покрытий (толщины, начальной концентрации легирующих элементов и т.д.).

Физическая и математическая модели процессов теплообмена для лопатки хорошо известны, - двух-или трехмерное ^уравнение теплопроводности Фурье с граничными условиями конвективного типа на внешней и внутренней поверхностях лопатки при заданном режиме теплового нагружения. Физическую модель процессов массопереноса (диффузионного перераспределения и фронтальной коррозии) можно представить следующим образом. Легирующие элементы (Ме), расходуемые на образование оксидной фазы, диффундируют из основного сплава в направлении к внешней поверхности (рис. 2). Навстречу им, в противоположном

Рис.1. Методическая схема экспериментально-расчетного определения ресурса и оптимизации защитных покрытий лопаток ГТД.

направлении, диффундирует окислитель (Ох), который адсорбируется на поверхности оксидной пленки из газовой среды.

Химическое взаимодействие легирующих элементов с окислителем приводит к образованию оксидного (коррозионного) слоя из оксидов преимущественно оксидообразующих легирующих элементов. На рис.2 приведено типичное для легированного сплава пространственное распределение концентрации (кривая 3) одного из оксидообразующих элементов в поверхностном слое окисленного сплава.

ллл»

С' х0=х, Керамика 1 х2 х3 х4. 1 Ме^Оху ;

у*-"-"". !■ ]/- 1 1 Г ]Покр£ггие 1 ■ I' • 1 1 1 Покрытие 2 Сплав лопатки

ёШу А I 1 1 1 2 ' ш %/ 1 |]1 / \

и1 /1 1 ¥

1 /—1 1

\ ->

О X

Рис.2. Качественное распределение концентрации легирующего элемента (Ме) и окислителя (Ох). Кривая 1 - "свободный" легирующий элемент; 2 - "связанный" легирующий элемент; 3 - суммарная концентрация легирующего элемента; 4 - концентрация окислителя.

В поверхностном слое можно выделить следующие основные зоны (рис.2); 1 - зона сплошной оксидной пленки х0=х1<х<х2; 2 - зона внутреннего окисления х2<х<х3; 3 - зона обезлегирования основными легирующими элементами сплава х3<х<х4. х0 = х1- координата внешней подвижной границы сплошной оксидной пленки в случае отсутствия ее повреждения вследствие эрозии, скалывания и уноса в газовый поток (х^х,), х, - координата внешней подвижной границы в случае уноса продуктов окисления в поток, х2х31 х4- координаты внутренних границ зон сплошной оксидной пленки, внутреннего окисления и обезлегирования соответственно. Рассмотренный физи-

3- 7-/&Ч

1 дх

- ^ (1)

ческий процесс массопереноса нестационарен,- границы Хо, х„ х2, х3, х4 - подвижны, границы х2, х3, х4 движутся вглубь сплава.

Математическая модель представляет собой систему нелинейных нестационарных дифференциальных уравнений диффузии окислителя (1= 1) или легирующего элемента (1 = 2), в зону образования продуктов коррозии:

а С; =

дх дх х>0, Х0<Х<СО ,х0=х0(т)

с начальным условием

С1(х,0) = 0 , С2(х,0) = С2(х) (2)

и граничными условиями

О1^^ = Рг[С1(х0,т)-С1и] (3)

= 0 (4,

дх

В уравнениях (1)-(4) С! -концентрации элемента или окислителя, - коэффициент диффузии элемента или окислителя, к( - коэффициент поглощения элемента или окислителя, х -координата, х -время, )31 -коэффициент массоотдачи.

Объемное поглощение легирующего элемента или окислителя, можно описать функцией

\^ = кгСгС2 (5)

Концентрация Сс2 связанного легирующего элемента для координаты х и момента времени х рассчитывается по формуле

С2(х,х) = ]\У2(х,х)с1х (6)

О

Суммарная концентрация легирующего элемента

С?(х,х) = Ср(х,х) +С!(х,х) (?)

Граница х2 рассчитывается, как координата, для которой величина Сс2, рассчитанная по (5), достигла известного значения Сс2 гасЦ1; граница х3 как координата, в которой Сс2 = 0.05-Сс, шах ; граница х4 как граница, где С2= 0.95С2 тах (0,х). Граница XI рассчитывается как разность между унесенной толщиной и толщиной сплошной оксидной пленки без уноса. Граница х0 рассчитывается в соответствии с изменением объема окисленной области.

Для интегрирования модели выбран метод конечных разностей с использованием неявной разностной сетки с итерационной схемой учета нелинейностей. Это позволяет учесть самые общие особенности постановки задачи, -многослойность, зависимость любых коэффициентов модели от координаты, концентрации и времени.

Во второй главе также обоснована необходимость использования и использован метод идентификации параметров математической модели путем решения обратных задач по данным экспериментальных исследований, приведено описание метода идентификации параметров математической модели.

Третья глава посвящена исследованию процессов тепломассообмена в системе защитные покрытия-лопатка ГТД.

Расчетное исследование процессов теплопе-реноса в системе защитные покрытия-лопатка ГТД проведено на примере расчета теплового состояния конкретной рабочей лопатки ГТД, разработанного НПП "Маш-проект". Исследована эффективность применения внешнего керамического слоя стабилизированного оксида циркония (рис.3). В третьей главе также приводятся результаты применения математической модели, методов идентификации ее параметров и программы для расчетного исследования массообмен-ных процессов в многослойных системах защитные покрытия-лопатка и лопатке без покрытий. Расчетное исследование процессов массообмена в лопатке и образцах без покрытий было проведено для сплава ЭИ893. С помощью методов решения обратных задач по экспериментальным распределениям хрома для 100ч для сплава ЭИ893 при Т=900°С (рис.4) определялись параметры массопереноса

з'

, С

X

Рис.3. Распределение температуры Тд по профилю рабочей лопатки и тепловая эффективность ЛТл внешнего керамического слоя; 1 - лопатка без покрытия; 2 - лопатка с покрытием; СП-лопатка с частично отколовшимся покрытием.

основного оксидообразующего элемента - хрома и окислителя - кислорода. Результаты расчета коэффициентов приведены на рис.5.

50 40 30 20 10 0

С,%

Р, м2/с

у1

2

р, м/с к. 1/с —* ,10"э

-10

40

140

190

600 700 800 900 100011001200 Т.оС

10

10 м

10'

90

X, МКМ

Рис.4. Распределение концентрации суммарного хрома в поверхностном слое сплава ЭИ893 после окисления при Т = 900°С. Кривая 1 - расчет, т=100ч, □ - эксперимент, после испытаний, 2 - расчет, т = 200ч, » - эксперимент, после испытаний. Рис.5. Зависимость коэффициентов массопереноса и массопоглощения модели (1) - (7) от температуры для сплава ЭИ893 (индекс 1 - кислород, 2 - хром).

С помощью найденных коэффициентов (рис.5) исследован массоперенос хрома в поверхностном слое сплава с начальным содержанием хрома ~15,6%. Образование продуктов окисления обеспечивается стоками массы хрома и кислорода и (рис.6), которые пропорциональны концентрациям С, и С2 (формула (5)) и находятся в примерном стехиометрическом соотношении как массы металла и окислителя, идущих на образование оксида. Коэффициент поглощения к, (рис.5) характеризует интенсивность стока массы Ш, окислителя, поступающего в зону образования оксида.

По найденным параметрам модели рассчитывались концентрации свободного, связанного и суммарного хрома (рис.7). Результаты расчета показывают, что предложенная модель (1)-(7) качественно и количественно описывает сложные процессы массопереноса и образование продуктов коррозии в поверхностных слоях сплава. Найденные решением обратных задач коэффициенты массопереноса для 100ч были использованы для расчета состояния поверхностного слоя сплава при 200ч. Результаты расчета (рис. 4) показывают, что разработанная математическая модель адекватно описывает процессы массопереноса.

6 5

о

? 4

й2 1

О

Л -100 ч

' \ ¿иич

^ 2

У чу

о

50 40 30 20

С.%

\

V/2 ------------ . . -----------

ФГ , - г—— •

-20 0

20 40 X, мкм

60 80 -10

40

90 X, мкм

140

19

Рис. 6. Зависимость стока массы АЛ? окислителя (кривая 1) и легирующего элемента (2) от координаты для сплава ЭИ893 после окисления при Т = 900°С. Рис.7. Распределение концентрации хрома в поверхностном слое сплава ЭИ893 после окисления при Т=900°С в течении 100ч. Кривая 1 - свободный (не прореагировавший с кислородом) хром; 2 - связанный хром; 3 - суммарная концентрация хрома; 4 - окислитель; О - эксперимент.

Предложенная модель также позволяет рассчитывать глубину залегания зон сплошной оксидной пленки х2-х<„ внутреннего окисления Х3-Х0 и обезлегирования х^-Хд. (рис.8). Аналогичные

расчетные исследования 100 150 200 К- , т ч были проведены для об-

_ _ _ ' * разцов и лопатки из спла-

Рис.8. Зависимость толщин зон сплошной ок- г

сидной пленки (кривая 1), внутреннего окисле- ва ЭИ893 для ряда темпе-ния (2) и обезлегирования (3), от времени в по- ратур.

верхностном слое сплава ЭИ893 после окисле- V_______

-г—пппог* ,лп Как показал анализ

ния при Т = 900 С в течении 200ч.

полученных параметров модели коэффициенты массопереноса в большой степени зависят от фовня локальных температур. Температурная зависимость коэффициентов диффузии хрома (основного элемента, повышающего корро-шонную стойкость сплава) и кислорода (рис.5), найденных решением обратных задач массопереноса по экспериментальным данным фаткосрочных испытаний образцов из сплава ЭИ893, показывает

3

о

изменение коэффициента диффузии примерно на порядок при изменении температуры на каждые 100°С. Поскольку массообменные процессы в защитных покрытиях лопаток ГТД в первую очередь зависят от уровня температур, прогнозирование диффузионного и коррозионного состояния должно основываться на детальном анализе теплового состояния лопатки.

Расчетное исследование процессов массопереноса в многослойных защитных покрытиях проводилось для систем:

- двухслойное покрытие - сплав основы (КДШ-СДПЗА-ЧС88ВИ) (рис.9);

X, мкм X, мкм

Рис.9. Распределение концентрации никеля, кобальта и хрома в покрытии СДПЗА на сплаве ЧС88ВИ при Т = 900°С после выдержки в течение т = 100ч: Кривая 1 - кобальт; — - расчет, □ - эксперимент. 2 - никель; — - расчет, Д- эксперимент. 3 - хром; — - расчет, » - эксперимент.

Рис.10. Распределение концентрации никеля, кобальта и хрома в покрытиях СДП11-СДП8 на сплаве ЧС88ВИ при Т = 975-1000°С до и после выдержки в течение т = 100ч: Кривая 1 - кобальт;--расчет, □- эксперимент, до и после испытаний. 2 - никель; — - расчет, Д- эксперимент, до и после испытаний, 3 - хром --расчет, « - эксперимент, до и после испытаний.

- трехслойное покрытие - сплав основы (КДП1 - СДП8 СДП11А - ЧС88ВИ) (рис.10), на основе экспериментальных распреде лений концентраций никеля, кобальта и хрома в покрытиях и основе для одного момента времени (т = 100ч.). Для двухслойного покрыта! (см. рис.9) были найдены следующие коэффициенты диффузии № Со, Сг, дающие концентрационные распределения в покрытиях к основе, близкие к экспериментальным: = 2-10'16 м2/с

0Со=1-Ю,6м7с, 0С[ =1-10 -'6м7с.

Расчетные концентрационные распределения удовлетворительно согласуются с экспериментальными. Для трехслойного покрытия было проведено аналогичное расчетное определение констант диффузии. На рис.10 приведены расчетное и экспериментальное распределение хрома, которые удовлетворительно согласуются между собой. Коэффициент взаимной диффузии хрома в системе СДП11А-СДП8-ЧС88ВИ имеет значение ЭСг =0,5-10 "1вм2/с.

Четвертая глава посвящена прогнозированию процессов тепломассообмена лопаток газовых турбин. Проверочный расчет для 50000 часов (настройка модели), (рис.11), показал хорошее согласо-зание с распределением концентрации на спинке и корыте лопатки зынутой после -60000 часов эксплуатации из газовой турбины ГТ700-1 работающей на природном газе.

'ис.11. Распределение суммарного хрома на корытце и спинке лопатки из сплава ЭИ893 в различные моменты времени. □ - эксперимент т = 60000ч; 1 ->асчет, т = 60000ч; 2 - расчет, т = 100000ч.

•ис.12. Временная зависимость толщин зон сплошной оксидной пленки Сг2Оа кривая 1), внутреннего окисления (2) и обезлегирования (3) на корытце и спин-;е лопатки из сплава ЭИ893.

С помощью найденных параметров массопереноса (рис. 5) был фоведен прогноз распределений концентраций хрома .(рис.11), а акже толщины сплошной оксидной пленки, зон внутреннего окис-.ения и обезлегирования на спинке и корыте лопатки - на 100000 ча-ов эксплуатации (рис.12).

Сопоставление расчетных значений толщин сплошной оксидной [ленки для 60 000 часов на спинке и корыте (28,36-Ю'6 и 14,МО"6 м со-таетственно) с экспериментальными значениями (28,2,10"6и 14,6- Ю"6 м оответственно), показывает хорошее согласование.

С, % х, мкм

Рис.13. Распределение концентрации суммарного алюминия в сплаве ЧС88ВИ и покрытиях СДП8-СДП11А в различные моменты времени. Кривая 1-т = 0ч. 2100ч. З-ЮООч. 4- 5000ч.

Рис.14. Зависимость толщины зон, затронутых окислением для оксида алюминия А1203 в покрытии СДП8-СДП11 и сплаве ЧС88ВИ от времени. 1- зона сплошной оксидной пленки 2 - зона внутреннего окисления

Для расчетного прогнозирования процессов массопереноса в системе защитные покрытия-лопатка ГТД с внешним керамическим слоем была выбрана следующая схема разрушения многослойной системы КДП1-СДП11А-СДП8-ЧС88ВИ. На первом этапе керамический слой КДП1 присутствует. Образование оксидной пленки на первом этапе в основном обеспечивается алюминием как наиболее термодинамически активным элементом. При достижении критической толщины пленки А1203 керамический слой КДП1 скалывается, обнажая металлическое покрытие СДП8. Наступает второй этап разрушения защитного покрытия - без внешнего керамического слоя. При этом повышается температура внешнего металлического слоя на —50°С, процессы огасления обедненного алюминием поверхностного слоя ускоряются как за счет увеличения температуры, так и увеличения потока окислителя в случае отсутствия внешнего керамического слоя. На втором этапе образование защитного коррозионного слоя в основном обеспечивается хромом. Критерием долговечности системы защитные покрытия-лопатка ГТД в этом случае является сумма времен ткс образования оксидной пленки А1203 критической толщины и тмс проникновения окисления на всю толщину металлического покрытия. Для значений коэффициентов О, = 1 • 10 "'7 м2/с = 7-10 мУс, ^ = 5-10 "7 1/с, к2 =5-10 "7 1/с, р,= 4-10 -10 м/с

С,= 10%, С с2тах =20% (1=1- кислород, 1 = 2 - алюминий) рассчитаны распределения концентрации суммарного алюминия и временные зависимости роста зон сплошной оксидной пленки х,-х„ и внутреннего окисления х2-х,. Результаты расчетов приведены на рис, 13,14,

60

40

20

С,%

о

-

7У

4 /

-30 20

220 27

70 120 170 X, мкм

Рис.15. Распределение суммарного хрома в сплаве ЧС38ВИ и покрытиях СДП8-СДППА чт0 ПРИ Достижении пленки

В зависимости от условий испытаний или эксплуатации, адгезионной способности и технологии нанесения керамики критическая толщина пленки А1203 может достигать нескольких микрон. С' учетом имеющихся данных экспериментальных исследований принято допущение,

в различные моменты времени. □ - экспе римент . Кривая! - расчет, т =0ч. 2 -рас чет, т = 100ч. 3 - расчет, г = 4000ч. 4 -рас- расчетному чет, т = 8000ч. 5 - расчет, т = 20000ч. 6 -расчет, т = 32000ч. □ - эксперимент, после испытаний т = 100ч.

ских покрытии продолжается далее

А12Оэ критической толщины 4 мкм, соответствующей времени т = 4000 ч керамический слой КДП1 скалывается и коррозия (окисление) металличе-с образованием оксидной

пленки, содержащей в основном Сг203. Рост пленки Сг2Оэ происходит аналогичным образом, за исключением того, что состав поверхностного металлического слоя существенно отличается от исходного к моменту скалывания керамики. Диффузионное перераспределение хрома без образования коррозионного слоя до момента скалывания керамического слоя (100 и 4000 ч) показаны на рис.15 (кривые 1 и 2).

Концентрационные кривые распределения суммарного хрома после скалывания керамики (кривые 3 - 6) для нескольких моментов времени были рассчитаны при следующих коэффициентах модели: Э2 = 5-10 "17 м2/с, =1-10 -16 м2/с, к2=9-10 '7 1/с, к, = 4.5-10 "7 1/с, Р,= 4.5-10 -10 м/с, С, = 10%, Сс2 шах =45%, (¡=1 - кислород, 1 = 2 -хром) найденных решением обратных задач с использованием экспериментальных данных. Сопоставление экспериментальных и расчетных данных показывает, что предложенная модель качественно и

количественно описывает сложные процессы массопереноса в защитных покрытиях лопаток ГТД.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Разработан методический подход к моделированию и прогнозированию тепломассообменных процессов в системе защитные покрытия-лопатка ГТД основанный на математической модели тепломассообменных процессов в многослойных защитных покрытиях и определении параметров модели путем решения обратных задач с использованием данных экспериментальных исследований. Предлагаемый подход в отличии от имеющихся на сегодняшний день степенных зависимостей позволяет прогнозировать тепломассообменные процессы в защитных покрытиях лопаток при длительной эксплуатации.

2. Разработана математическая модель, позволяющая осуществлять этот прогноз и описывающая массоперенос легирующих элементов и окислителя в зоны образования продуктов коррозии й кинетику образования оксидного слоя.

3. Исследовано тепловое состояние рабочей лопатки с охлаждающими каналами, проведена оценка тепловой эффективности применения керамического слоя в системе защитные покрытия - лопатка ГТД

4. Исследован массоперенос в лопатке и образцах из сплава ЭИ893 без покрытий. Определена решением обратных задач температурная зависимость коэффициентов массопереноса модели для сплава ЭИ893, которая была использована при прогнозировании состояния лопатки.

6. Проведено расчетное исследование процессов массопереноса в системах защитные покрытия-лопатка; СДПЗА-ЧС88ВИ и СДП8 - СДП11А - ЧС88ВИ. Определены коэффициенты массопереноса которые были использованы для прогнозирования..

7. Проведено прогнозирование процессов массопереноса в лопатке ГТД без покрытий на времена до 100000 часов.

8. Проведено прогнозирование процессов массопереноса в системе защитные покрытия-лопатка ГТД с внешним керамическим слоем КДП1, отколовшимся в процессе эксплуатации лопатки. При долговечности керамического слоя 4 тыс.ч ресурс данной системк защитных покрытий составил ~30 тыс.ч.

Прогнозирование состояния поверхностного слоя лопатки с защитными покрытиями и без них при заданных температурно' временных условиях эксплуатации газовой турбины позволяет опре

делять долговечность отдельных покрытий, сплавов и многослойных систем защитные покрытия-лопатка ГТД.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ИЗЛОЖЕНЫ В РАБОТАХ:

1. Картавова Е.С., Круковский П.Г. Моделирование тепломас-сообменных процессов в защитных покрытиях лопаток ГТД // Пром. теплотехника, - 1996, №6, С.23-30.

2. Getsov L.B., Rybnikov A., Krukovski P.G., Kartavova E.S. De-alloying and fatigue of high-temperature alloys used for gas turbine blades. //Materials at High Temperatures, 1995, V.12, №12, pp.81-86.

3. Круковский П.Г., Гецов Л.Б., Картавова E.C., Рыбников А.И. Идентификация параметров тепломассообмена в моделях прогноза высокотемпературной диффузии и газовой коррозии лопаток ГТУ. // В кн. Идентификация динамических систем и обратные задачи. Труды II Межд. конф., С.-Петербург, 1994, - т. 2, - c.D.8.1- D.8.12.

4. Круковский П.Г., Картавова Е.С. Моделирование тепломассооб-менных процессов в деталях энергетических устройств с целью прогнозирования высокотемпературной газовой коррозии. // В кн. Тепломассообмен - ММФ - 96. Труды Ш-го Минского международного форума, Минск: АНК "ИТМО им. АВ.Лыкова" АНБ, 1996, т. X, ч. 1, - с. 21 - 25.

5. Krukovsky P.G., Kartavova E.S. Numerical heat and mass transfer in components of power plants to prediction the high-temperature gas corrosion./ Proceedings of the 2nd European Thermal-Science and 14th UIT National Heat Transfer Conference, Rome, Italy, 29-31 May 1996, V.2, pp.1125-1130.

6. Krukovsky P.G., Kartavova E.S., Getsov L.B., Rybnikov A.I., Rabinovich A.A. The model of high temperature diffusion and gas corrosion of gas turbine blade // Materials ageing and component life extension, Proc. of Int. Symp., Italy, Milan, October, 1995, vol.l,pp.765-773.

7. Круковсыий П.Г., Картавова С.С. Модел! та методи прогнозу високотемпературно1 коррозн деталей енергетичного обладнання. /Проблеми металознавства та обробки сталей. Тези допов5дей Всеук-ра'шського семшару, 27-28 вересня 1994 р., м.Кшв.

8. Getsov L.B., Rybnikov A., Krukovski P.G., Kartavova E.S. Deploying and fatigue of high-temperature alloys used for gas turbine Dlades. //Materials for Advanced Power Engineering 1994. Abstracts of Fifth Int. Conf., 3-6 October 1994, Liege, Belgium. 1994, p..44.

SUMMARY

Kartavova E,S. Simulation of heat and mass transfer processes in protective coatings of gas turbine blades. Thesis for Degree "Candidate of Technical Science" on speciality 05.14.05 - "Theoretical Thermal Engineering", Institute of Engineering Thermophysics of National Academy of Sciences of Ukraine, Kiev, 1997.

A methodic approach for moddelling and prediction of heat and mass transfer processes in the system protective coatings-gas turbine blade is proposed in this work. This approach is based on mathematical model of heat and mass transfer processes in multylayer protective coatings and. Identification model parameters by mens of solving of inverse problems using experimental data. The mathematical model of mass transfer processes in multylayer protective coatings is developed. Mass transfer coefficients and their relarionships from temperature were obtained for EI893 alloy. Modelling and predicting for mass transfer in blades and samples of EI893 alloy without coatings, in system protective coatings-gas turbine blade (SDP3A-ChS88VI, SDP8-SDPll-ChS88VI, KDP1-SDP8-SDP1 l-ChS88VI) were carried out. Comparison of calculated and experimental data are in good agreement.

АННОТАЦИЯ

Картавова E.C. Моделирование тепломассообменных процессов в защитных покрытиях лопаток ГТД. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук (специальность 05.14.05 - Теоретическая теплотехника), Институт технической теплофизики НАН Украины, Киев, 1997г.

В работе предложен методический подходкмоделированию и прогнозированию тепломассообменных процессов в системе защитные покрытия-лопатка ГТД, основанный на математической модели тепломассообменных процессов при ВТГК и определении параметров модели путем решения обратных задач с использованием данных экспериментальных исследований. Разработана математическая модель массообменных процессов в многослойных защитных покрытиях. Найдены решением обратных задач коэффициенты массопереноса для сплава. ЭИ893 и их зависимость от температуры. Проведено моделирование и прогнозирование процессов массопереноса в лопатках и образцах из сплава ЭИ893 без покрытий и в системах защитные покрытия-лопатка ГТД: СДПЗА-ЧС88ВИ и СДП8 - СДП11А -ЧС88ВИ, КДП1-СДП8-СДП11А-ЧС88ВИ. Сопоставление экспериментальных и расчетных данных показывает хорошее их согласование.

Ключов1 слова: тепломасообмщ, математичне моделювання, газов! турбши, лопатки, ресурс, прошозування.