автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.03, диссертация на тему:Повышение надежности ГТД в режимах работы сельскохозяйственных агрегатов путем применения композиционных покрытий

ленинградский ордена трудового красного знамени государственный аграрный университет

15УХАМЗГЖАНОВ Камиль Сунгатуллпевич

поведение надежности гтд в решмах работы сельскохозяйственных агрегатов путем применения

композиционных покрытий

Специальности: 05.20,03 - эксплултлция, восстановление и ремонт сельскохозяйственной техники; 05.04.02 - тепловые двигатели

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

На правах рукописи

С.-Н^.терб.ург-Пунжип 19'Л

Работа выполнена в Ленинградском государственном аграрном университете

Научные руководители! доктор технических наук, профессор А»Б.Николаенко}

доктор технических наук, профессор В.С.Окрабак

Официальные оппоненты! доктор технических наук,

профессор А,А,Зуев{

кандидат технических наук, В.Ю.Моргулис-Якушев

Ведущая организация! ЛНЛО "Завод имени В.Я.Климова"

Защита состоится "января 1992 г в часов 0 минут на ааседании специализированного совета К 120.37. 05 в Ленинградском государственном аграрном университете по адресу; 1Ь9620,Санкт-Петербург,Академический проспект,д.23, инженерный факультет ЛГАУ» ауд,719,

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Ленинградского государственного аграрного университета.

Автореферат разослан

" Эс/сл//^ т]_ г .

Учёный секретарь специализированного совета

М1

/

д.и.николаев

ОЩЛЛ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

, Актуальность темы.Газотурбинные тракторы имеют целый ряд преимуществ перед дизельными. К основным из mix откосятся ¡высокие динамические показатели и многотопливиость. Работа газотурбинного двигателя (ГГД) в решмах сельскохозяйственных агрегатов характеризуется частыми теплосменами из-за неустановившегося характера нагрузки, усиленной сульфидно-оксидной коррозией и гпзсабраливкш износом вследствие высокой запыленности воздуха вблизи ГГД и таким образом при эксплуатации ГОД а реяимах сельскохозяйственных агрегатов особую актуальность имеет повышение его надёжности.

Наиболее изнашиваемыми являются лопаточные аппараты (ЛА) горячего tpflKTopa ГГД. Число отказов ЛЛ соплового аппарата турбины компрессора (СА ТО) И турбины компрессора (ТК) составляет более 50% от общего числа Отказов по ГГД.

Среди многих эксплуатационных, конструкторских и технологических путей повышения Надёжности наиболее перспективным является применение новых композиционных жаростойких и теплозащитных покрытий (лСП и T3I1) на олементах горячего тракта ГОД, в частности На лопатках СА ТК и ТК.Влияние воздействия вредных эксплуатационных факторов на надёжность ГГД в режимах работы сеЛьскохозяйетвённого агрегата при использований новых композиционных покрытий раной не исследовалось.

Б связи е этим весьма важным и актуальным являзтеа проведение исследований по пойыйенип надёжности ГОД п режимах работы сельскохозяйственного агрегата путём применения композиционных покрытий.

Цель к задачи исследований. Цельо работы является повышение надёжности ГОД в режимах работы сельскохозяйственного агрегата (на примбре ГОД-Э50).

Для реализации поставленной цели в работа сформулированы следующие основные задачи!

1. Выполнить расчётно-тзорэтичоский анализ надёжности ЛА ГОД по показателям теплонапряченности,сульфидно-оксидной коррозии и гаэоабразииного Износа защитных покрытий.

2. Провести комплексные экспериментальные лабораторные

и стендовые исследования новых композиционных покрытий на но— охлаждаемых малоразмерных лопатках в режимах'сельскохозяйст-

венных агрегате»,

3. Усовершенствопать методику исследований надёжности по критериям газоабразианого износа ЛЛ ГГД,

4. Устаноьить влияние пористости внешнего слоя ТЭИ на надёжность лопатки по критериям сульфидно-оксидной коррозии.

5. Получить количасг'панныо характеристики и вакоиомер-ности изменения показателей теплонапряиённооти, сульфидно-оксидной коррозии, Гйвоабраэиеног'о износа ЛЛ ГТД,

6. Оценить онономическую еффективность выполненных разработок,

Научная новиона.

I. Знергетичоская модель и усовершенствованная методика исследования гааоабрааивиого иэноса лопаточного иппарата ■ ГТД.

Колжкзствоннуо характеристики и закономерности изменения показателей теплои&пряжённасти, сульфидна-оксидной корроэки и гавоыбразивного износа М ГТД.

3. Показатели надёжности лопатки по критериям суяьфид-ио-оксядной коррозии при равной пористости внешнего слоя ТИП.

Практическая ценность. Рекомендуемое покрытие СД11-П/ СДП-8/КДП-1 о толшйнзй керамического слоя (60,, .80)мкм с веданной Пористостью 1096 поасолйот повысить ресурс ЛА 1ТД с 1000 часов до 5000 часов.

Усовершенствованная методика Испытаний на гайоабразий-икй износ позволяет оценить отрицательное воздействие фракционного состава абразивных частиц при различных параметрах потока газа поступающего й ЛА. При этом обёЬпечивается получение уточненного ресурса .ГГД с учётом реальнЬтх условий эксплуатации ПД 8 режимах сельскохозяйственных агрегатов. Ожидаемый зконешиеский аффект от применения композиционного ТЗП, по^ученйого Осаждением в вакууме на лопатках СА ТК и ТК составляет £996 рублей на каждый Двигатель.

Апробация. Результаты исследований докладывались На научных . конференциях Санкт-Петербургского Государственного аграрного университета в 1988...1991 Годах.

Публикации. Основной содержание диссертации опубликовано л 5 печатных работах.

Структура и объём диссертации; Диссертационная работа

состоит из введения, пяти глав, общих выводов,списка использованной литературы, включающего 76 наименований. Работа изложена на 156 страницах машинописного текста, содержит 61 рисунок, 10 таблиц, 36 приложения.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе обосновывается необходимость повышения надёжности лопаток СА ТК и ТК, как элементов, лимитиругадих ресурс ГГД. Отмечается, что при эксплуатации ГТД в режимах сельскохозяйственных агрегатов вредное воздействие теплосмен, сульфидно-оксидной коррозии и газоабраэивного износа возрастает. Показано, что из всех методов повышения надёжности ГТД применение композиционных ТЗП является наиболее перспектив -

НЬГМ.

Анализируются механизм изнашивания покрытий лопатой при частых теплосменах, воздействие сульфидно-оксидной коррозии, газоабрасивного износа. Отмечается недостаток информации в исследованиях теплового состояния малоразмерных не-охлаздаемых лопаток с ТЗП, сульфидно-оксидной коррозии и газоабразивного износа покрытий. Существующие модели не адекватно описывают газоабразивный износ в условиях высоких температур газа и не учитывают вредного воздействия реальных параметров газа ( Ь , р ) и фракционного состава абразива . Не исследовалось влияние пористости внешнего керамического слоя покрытия на надёжность лопатки.

3 результате анализа сформулированы конкретные задачи исследования .

Вторая глава посвящена расчётно-теоретическому анализу повышения долговечности ЛА ГТД по критериям теплонапряжён-ного состояния, сульфидно-оксидной коррозии, газоабразивного износа.

Воздейстгие вредных факторов на надёжность лопатки ГТД показано на рисЛ. Так в наиболее теплснапряжённом состоянии находятся участки на входной и выходной кромках, а также на спинке лопатки. Воздействие сульфидно-оксидной коррозии характерно для всей поверхности лопатки. Газоабразивному износу подвержен участок корыта лопатки,ограниченный собственной и соседней входными кромками.

Рио.1.Воздействие вредных факторов:I-теплонап-рякйнное состояние;2-су-льфидно-оксидная коррозия; 3-гаэоабразивньЩ износ.

По результатам исследований нестационарного теплового состояния лопатки, выполнежьх по FT1.1 ЦКТИ, установлено, что перепад температур по профилю лопатки без ТЗЛ достигает £00°С, а для лопатки с ТЗП - 230°С, Прогрев и остывание серединных точек лопатки с ТЗП происходят более плавно и составляют 36,6 град/с при разгоне от режима малого газа до Ят*« 96% ( ПТи •» 100^ соответствует 750 с"*), а для лопатки без ТЗП 39 град/с,

Расчёт теплонапряжённого состояния лопатки показал, что на спинке лопатки у входной кромки с ТЗП раамак напряжений составляет 696 МЛа, а в лопатке без ТЗП 534 МПа.

Установлено, что нанесение ТЗП на основе ZiOi не приводит к снижению прочности и долговечности лопатки. Б сечении лопатки происходит некоторое перераспределение нагрузок, в основном от центра к периферии. Для всех точек лопатки (с ТЗП и без него) ожидаемое число циклов до разрушен ния находится за пределами ыалоцикловой усталости (Ю'* циклов) .

Анализ влияния сульфидно-оксидной коррозии на покрытие лопаток показал, что при работе в режимах сельскохозяйственного агрегата наблюдается как высокотемпературная (ьЗО... 9Ь0)°С, так и низкотемпературная (600,.,7Ь0)°С коррозия с преобладанием первой. Это связано- с широким диапазоном режимов работы сельскохозяйственного агрегата.

Сульфидно-оксидная коррозия Ш1 лопаток характеризуется сложными механизмами и реакциями, протекающими при взаимодействии материала покрытия со средой. Характерным для высокотемпературной коррозии является состав оксидов МД ;

МД ; Ni0 в наружном елоо, промежуточном слое - смесь оксидов с частицами неокисленного металла, во внутреннем слое образуются сульфаты fvаго • Сз50„ . При этом также прогнозируется солевое флюсование защитной плёнки ( с двумя •1 *

типами флюсования! кислотным и щелочным а зависимости от стехиометрии сульфата натрия), характерное для низкотемпературной коррозии,

Дтя жаростойкого сплава СДП-4 установлено хорошее сопротивление низкотемпературной коррозии, т.е. практическое отсутствие сульфатов , На поверхности метал-

ла коррозия проходит две стадии: стадия образования жидкой фазы hla,S0H — СорО* на поверхности металла и стадию развития, когда происходит перенос реагентов через жидкуо соль. При ¿•величании аремеки реакция жидкая соль насыщается никелем. Растворяясь на границе плён:;а/ссль, никель мигрирует через жидкость и образует №0 и/или UlSD< (твёрдый) в различных участках соли. Зта стадия расворения-вцдсление к характеризует ускоренную коррозию. Сплав на никелевой основе СДП-4 лучше сопротивляется низкотемпературной коррозии, чем сплавы на кобальтовой основе (СДП-а, СДП-П), что связано с низкой стабильностью ¡Vi'SOi, по сравнению с СоЗО* .

При высоком уровне содержания серы ожидается образовав ние флюсов Нз^Ц,- NlSO*- CcS0„ , .VsjWj (¿(Ц-^ Нг0 . Установлена возможность образования отложений оксида К:0 , что приводит к интенсивной локальной сульфидно-оксидной коррозии. Ускорению отого процесса могут способствовать механические повреждения покрытия.

Для жаростойких сплавов СДЯ-6 и СДП-II прогнозируется развитие низкотемпературной коррозии с образованием жидкой фазы i\'atlS0, — CaSOb на поверхности металла. При увеличении времени реакции жидкая соль насыщается кобальтом. Кобальт растворяется на границо плёнка /соль, мигрирует через »ад-кость я образует Со3С4 или Со30<, (твёрдый).

Процессы высокотемпературной коррозии длл обоих сплавов имеют Меньшее значение, тек как а обоих случаях высоко содержание C't *

При рассмотрении воздействия сульфидно-оксидной коррозии на лопатки с ТЗП на основе керамики ZiO^ + У;03 , полученными плазмэнно-дуговым методом (высокая степень пористости до 30$) и осалщением в вакууме (со степенью пористости 20%\ 10%; Ь%) установлено влияние пористости на коррозионную долговечность ТЗП, Отмечается резкое снижение долговечности покрьгия при пористости ниже 7% и при пористости выше

Механизм воздействия сульфидно-оксидной коррозии на ТЗП ( ZiOa + ^Oj ) объясняется проникновением сульфатов и флюсов в поры покрытия с образованием оксидной плёнки на Границе раздела ("подслой-керамика") с дальнейшим отслоением керамики! ^ Па +3 ¿Q,

у

•. Сульфидно-оксидная коррозия лопаток с ТЗП на основа ZiÙi +■ YiOj протекает так:;ю по высокотемпературному типу с образованием СггОл и л¿г03 ,

Сульфидно-оксидная коррозия в базовых аш.мнидных покрытиях проявляется наиболее активно по сравнению с другими ' рассматриваемыми покрытиями. В базовых алюминедных покрытиях'наблюдается высокотемпературная коррозия с образованием оксидсз /tt0j и низкотемпературная с образованием язв и трещин, б которых находятся флюсы HûJO^'MjSÛj, , ^¿SO^/.iiOiSD^ , Анализ елияния сульфидно-оксидной коррозии на различные покрытия показал, что ¿¡СП на основе кобальта ( Со-Ci-Al--Y ) имеют большую долговечность в сравнении с базовыми ал.о-минидными, ьследстаие образования защитных плёнок Сх0 и ,4£|Qj . На основе расчётно-теоретического анализа установлено, что лучшим из жаростойких покрытий является двухслойное СДП-П/СДП-d. Наибольшей долговечностью обладают лопатки с ТЗП, (осаадение в вакууме) с пористостью (7..Д2)%.

Б наших исследованиях получила развитие энергетическая модель и методика исследований газоабразивного износа ЛА ГТД.

Гаэоабраэивный износ лопаток характеризуется процессами выкрашивания, среза к оплавления поверхностных .слоёв покрытия лопатки. Для лопаток СА ТК и ТК, подверженных воздействию высоких температур газа ( tr * 1015 - 1050°С) и давлений (рг«0,Ь5 МПа) на режиме максимальной мощности при высоких скоростях абразивных частиц процессы оплавления поверхностных слоёв покрытия и лопатки приняты основной предпосылкой ГазоабразивноГс изнбеа.

При этом в модели'Газоабразивного износа рассматривается баланс энергии за время V , через площадь S поверхности лопатки (рисЛ):

Ош-Огг.« -НО«!*.« (I)

где Злд- теплота, необходимая для оплавления.единицы объёма, Д>я; Саг.« - теплота, передаваемая от газа к .материалу лопатки, Дж;0,м,- кинетическая энергия частиц абразивного материала, Дж; 0,, - теплосодержание (энтальпия) абразивных частиц, Дж.

Теплота необходимая для оплавления единицы объёма,может быть получана из выражения*

Оыл = Сры-Ш» • ( Ьпл-Ьср.*.}-*- Я-тл ,

где С,, »С».»С* - теплопроводность материала лопатки, Дх/кгч ¿с»* - температура лопатки на режиме максимальной мощности,°С; Ъпл- температура плавления материала лопатки (покрытия),°С.

Си.*— ь ■[ иг~Ьср^.) где 1> - коэффициент теплоотдачи, Дж/м^ч-град; Л - площадь

поверхности материала лопатки, соответствующая единичному объёму, м^; £ - время проховденйя теплового потока через поверхность единичного объема, с; температура газа,соответствующая режиму максимальной мощности, °С.

Для неупругого удара кинетическая энергия частиц абразивного материала:

Цкихч — "2" тII • Уч, где т, - масса абразивных частиц за Время V , кг; Уч~ скорость движения абразивной частицы, м/с.

Теплосодержание абразивных частиц:

Сч = /7?ч ' Сч • ( Ьч ~ Ьср.м] , где Ся - теплоёмкость материала частицы, Дж/кг град, ¿ч -температура абразивных частиц (принимаем 11г ).

Баланс энергии оплапленля микрообъёмов вблизи поверхности лопатки абразивными частицами можно представить в сиде:

с.'Ш, Iи- +лт^кИЦг-им и (и-и«} (I)

Вычисляем необходимую массу частиц П7Ч для оплавления П/, - единицы массы (или объема) покрытия лопатки:

м :¿г-и,) (2)

" 4 ■ -¡г ^ч Сч'(1г ~ I с^.м] „

При работе на установившемся режиме (I г а и с/и) формула (£) имеет вид:

_ -¿[сжап.-ил+я-т*] (з)

Пс полученному значению массы 171ч абразивных частиц,соответствующему предельному состоянию лопатки ( ГП* »/71« г-..». ) можно прогнозировать ресурс ДА с различны/.'/ покрытиями. Полученный ресурс будет условным, так как при эксплуатации ГТД наряду с процессами оплавления поверхностных слоев абразивными частицами протекают процессы пластической деформации, вукраанвания среза,скола. Для образования в покрытии лунки объёмом V я I мм3 путём расчёта по формуле (3) установлено неоо'ходимое количество рлектрокорукца для разных вариантов покрытий: для лопатки с базовым аламинидным покрытием 4,£7 г; для лопатки с 13П, полученным осаждением в вакууме Ь,9 г; для лопатки с ЖСП- 1,0 г; для лопатки о ТЗЛ, полученным плаэмекно-дугозым методом - I,9 г.

Е третьей гляев приведены ебцая и частная методики экспериментальных исслелосанйй, описана экспериментальная установка, применяемые приборы и оборудованиэ, а также дана оценка погрешностей измерений.

Методикой предусматривались длительные моторные испытания продолжительностью 504 часа по программе заводских'"горячих" стездоэых испытаний ремонтного завода .V 406 ГА.

В качестве объекта исследований принят двигатель ГТД-350, используемый в качестве силовой установки газотурбинного трактора ЛСХУ.-ЛКЗ-Турбо. Б исследованиях показателей надёжности ГОД применялось топливо ТС-1 по ГОСТ 10227-62 (406 ч) и дизельное топливо (96 ч) По ГОСТ Э05-Й2 о добавлением серы в количестве й» от массы топлива.

При этом исследовалась долговечность следующих покрытий на лопатках СА ТК и ТК: 1-баэовов алшинидное^-композиционное ТЗП,полученное плазменно-дуговым методом Ш1дЛ£М$1ли ¿гОс + Уг0, ; З-СДО-4 ( МСоСгДП )|4- ОДП-6 ( Со -?.5%(д М -0,2% У );5-СДЛ-11/СДО-В двухслойное16-СДП-11/ СДД-Ь/ Та05 с толщиной керамики 30-35 мкщ 7-СДП-П/ СДП-<3/2сОг+ УД о толщиной керамики 60-Ш мкм.

Стендовые исследования теплового состояния лопаток СА проводились на неустановившихся режимах,характерных для ре-6

жимов работы сельскохозяйственного агрегата (режимы разгона и колебательный характер нагрузки), Время разгона от режима малого газа до различных промежуточных и максимального значений установившихся режимов составило 2 с, Ь с, V п. Цольо стендовых исследований теплового состояния лопаток СА явилось сопоставление с расчётными значениями нестационарного теплового состояния лопаток СА с ТЗЛ и без ього. Для этого в тело лопатки впаивались хромель-алюмелевыо термопары о

3 - 0,3 мм на глубину 6 мм, 10 мм, 1о мм по высоте лопатки в наиболее утолщенной части профиля.

Лабораторные исследования сульфидно-оксидной коррозии проводились с целью сопоставления коррозионной долговечности металлокердмического покрытия с различней пористостью керамического слоя. Коррозионные испытания покрытий э золе газотурбинного топлива проводили в муфзльньгх печах при пост тоянной температуре 750°С, Ь00°С, ЬЬ0°С в воздухе. Температура выбиралась с учётом её значений для металла рабочих лопаток ТК и лопаток СА ТК ГГД-350 в режимах эксплуатации, Б качество показателей коррозионной стойкости защитных пок* рытий приняты изменение массы лопатки, рельефа её поверхности, результаты рентгеноструктурного и спектрального микроанализа.

Исследования Газоабразивного износа лопаток с принятыми вариантами покрытий производились с применением электрокорунда фракционного состава 15, 20, 40, СО мкм при температурах £00°С и 650°С , При этом в поток газа, отводимый непосредственно из камеры сгорания ГТД подавались навески абразива (0,05 кг электрокорунда различных фракций). Исследовались лопатки о ЖСП, лопатки с ТЗП, полученным плазмен-но-дуговым методом, лопатки с 13П , полученным методом осаждения в вакууме и лопаткй с базовым покрытием.' Принятые условия испытаний позволили максимально приблизиться к реальным условиям эксплуатации в режимах работы с.-х. агрегата по параметрам газа ( Ьг рг , "¿г ). Во всех исследованиях регистрировалась температура тела лопатки.

Для определения скорости газового потока производились замеры статического и полного давлений при покощи стрелочных манометров.

Исследования газоабразивного износа по усовер'ленствс-

9

ванной методике выполнялись с целью проверки адекватности энергетической модели износа и установления участков макет,ального износа.

Экспериментальная установка включала окспериментальный 1ТД, поникающий редуктор, электрический маятниковый иепкта-. тельный стене, ¿МК -б?0, пульт управления, блок современной измерительной и регистрирующей аппаратуры. При определении теплового состояния лопаток была проведена соответствующая тарировка регистрирующей аппаратуры,

В четвертой главе, рассматриваются результаты экспериментальных исследований. Приводятся результаты исследования теплового состояния лопаток СА ГТД с различными,покрытиями. Так при разгоне двигателя от режима малого газа до П.т««96% за 2 с интенсивность прогрева соредишых течек лопатки с баэоЕым покрытием составила 17 грзд/с, лопатки с ТЗП »полученным методом осаадения в вакууме 10,9 град/с, лопатки с ТЗП, полученным плазменно-дуговым методом - 9,6 град/с (рис.2)_____

Рис.2.Изменение температуры газа лопаток за цикл нагруженил от режима малого газа до -Пт««3б% зе 2 с: 1-температура газа

в КС;2-температура базовой лопатки;3-температура лопатки с

ТЗП (осаедение в в акууме); 4-темпера тура лопатки с ТЗП (плаз-

монно-дуговой метод).

Расхождение в температурах лопаток на установившемся максимальном режиме в сравнении с расчётк--теоретическими донными составило 1Ь?С для базовой алитированной лопатки , 95сС - для лопатки с ТЗП, полученным оспэдением в вакууме, 1Р5°С- для лопатки с ТЗП, полученным плазменно-дуговым методом, и объясняется тем, что прч расчётах не учитывался теплзотвод в элементы конструкции (передний и задний корпу-

Т/С1

* I

«0 1Л

/с

ю ¡зо \(0 \си \чб |<гз до С,с

сы СА, обтекатель) наличие охлаждения переднего корпуса СЛ вторичным потоком воздуха из КС. Но зтой ж га причине установлено различие в интенсивности прогрева лопаток. Тек по рао-чётно-теоретическсм.у анализу интенсивность прогрева составляет для алкминкдных лопаток 39 грац/с, а для лопатки с ТЗЛ Зб,о град/с. Установлена значительная профильная норавноуер- • ность температуры по высоте лопатки на режиме Пщ » 96% ка расстоянии 5 мм от внешней полки температура лог:а*ки равна 600°С, на расстоянии 10 мм от внешней полки температура раина Ю00°С, на расстоянии мм - 9I0oC).

Для лопатки с ТЗП , полученным осаждением в вакууме по высоте о мм, Юмм, 15 мм от рнзикей полки темпера-тура лопатки составила соответственно S20°C; S00°C; 9Ш°С; для лопатки с ТЗП , полученным плазменно-дуговым методом соотпетст-венно еС0°С; 800°С; В70°С.

Эти исследования показывают, что на интенсивность прогрева и остьвания лопаток с ТЗИ влияет метод нанесения и, следовательно, плотность, пористость и структур« ТЗП. С мень-пей интенсивностью прогреваются и остывают лопатки с ТЗП , полученным плазменно-дуговым методом. Лопатки с ТЗП, полученными методом осаждения в вакууме близки по значениям темпа прогрева и остывания лопаток о ТЗП, полученными плаэмен-но-дуговым методом. Таким образом, нанесение ТЗЛ положительно влияет на уменьшение температурных градиентов в самой лопатке.

По результатам лабораторных изотермических исследований сульфидно-оксидной коррозии при температурах 750°С, tiOO°G, о60°С получены зависимости долговечности лопатки от ее температуры при пористости внешнего керамического слоя L%t 10% и '¿0%. Установлено, что в интервале от до IC/3 пористости долговечность покрытий одинакова и составляет более 6CUQ часов. При увеличении пористости до 20% наблюдается снижение долговечности лопатки до ЗЬОО ч. При снижении пористости до Ъ% увеличивается склонность к трещинообразованкю при т&рмо-циклических нагрузках.

Результаты исследований сульфидно-оксидной коррозии (50'*и ) показывают, что лопатки с базовым алшлнкдккм покрытием имсйт наибольшие коррозионные повреждения уже после 100 часов работы при содержании серы Т.% от массы топлияа.

11

Значительные коррозионно-эрозионные повреждения после испытаний (504 ч) имело однослойное покрытие СДП-8, полученное осаждением в вакууме; при этом кроме оксидов и

МгС_, установлено наличие оксида N'0 , присутствие которого свидетельствует о протекании сульфидно-оксидной корррозии, Лопатки с данным покрытием сильно подвержены сульфидно-оксидной коррозии с образованием оксидов на границе "керамика-подслой" с последующим отслоением ТЗП.

металлографические исследования двухслойного и трехслойного покрытий, полученных осаждением в вакууме, СДП-6/ КДП-1 и СДП-П/СДП-0/КД11-1 показали, что микроструктура покрытия практически не отличается от исходного состояния и лишь в отдельных случаях наблюдаются микроязвы в металлическом слое, распространяющиеся на глубину (15...£0)5? толщины слоя( наблюдается также незньчительНое высокотемпературное окисление металличеокого моя»

При стендовых исследованиях газоабразиЕНОго износа по предлагаемой усовершенствованной методике установлено резкое повышение температуры лопатки (до Ь0°С) при подаче абразива, что подтверждает наличие высоких температур в зоне контакта абразива с лопаткой. Ка рис.3 представлены диаграммы изменения объёма лопаток в зависимости от фракционного

состава абразива пои температуре газа Ь00°С и 650°С по данным расчетно-теоретического анализа и экспериментальных исследований. Экспериментальные данные по изменению объёма лопатки близки к расчетным для абразива (электрокорунда) фракционного состава (15,,,20)мкм. Расхождение составляет (I... 14)52.

По результатам экспериментальных исследований установлено, что с повышением температуры газа, а следовательно и скорости потока газа, газоабразивнкй износ возрастает. Наибольший износ Наблюдается у входной кромки со стороны коры-ти лопатки.

По результатам исследований лопаток на газоабразивный износ,установлено, что наилучшим покрытие..! является ТЗП, полученное осалу.ением в вакууме; для него изменение объёма лопатки в (1,8..,<)раза меныле по сравнению с базовые алга-»!иниднкм покрытием.

Установлено, что формула (■!) адекватно описывает изменение" о£ъёуа лопатки при фракционном составе частиц олектрс

а»

0.6

и 1

ш

У/.

а, I'«,'

й

,-Ш-

Т:

Хч> 'А-3..

ш-г (у.

Щ у»А

Ж?

Рис.3.Изменение объёма лопаток при газоабразивном износе, в зависимости от фракционного состава абразива: 1-15 укм; 2-20 мкм: мим; 4-50 мкы; а) базовое алшинндное покрытие; б)ТЗП (оса-

- жцение в вакууме); в) ¿СИ; г) ТЗП (плдзменно-дуговой метод); I, 11, 1Л, 1У-расчЬтные значения; " У, У1, УЛ, Уги'-экспегимсктальш.-е значки;;- I П- Ь00°с ; ШШ- 650°С.

корунда (15..,20) мкм.

Долговечность ЛА ГТД о различными покрытиями показана на рис.4. При этом наибольший ресурс - 5000 часов обеспечивается при использовании ЛА о лопатками, покрытыми композиционным ТЗП, полученным методом осаждения в вакууме с толщиной внешнего керамического слоя 60-b0 мкм,

•Рис.4.Долговечность лопаточного аппарата L>« с различными покрытиями: I-без покрытия} 2-базовое алюминидное;3-ЖСП СДП-4; 4-ЖСП СДП-И/СДП-В» 5-ТЗП (плазменно-дуговой ме-тод;6-ТЗП (осажденис в вакууме).

Расчёт экономической эффективности производился по PIM

вдти.

ОЕщИЕ ВЫВОДЫ

1. В результате выполненных комплексных, исследований обоснована эффективность применения новых композиционных теплозащитных покрытий на неохлаждаемых лопатках соплового аппарата турбиш компрессора. Достигнуто повышение надёжности газотурбинного двигателя при работе в режимах сельскохозяйственных агрегатов. При этом ресурс лопаточного аппарата ГГД повышен в 5 раз.

2. Надёжность лопаточного аппарата характеризуется показателями теплонапряжённости, сульфидно-оксидной коррозии

и газоабразивного износа покрытий. Для теплозащитного покрытия, полученного методом осаждения в вакууме получены следующие количественные характеристики надёжности лопаточного аппарата ГТД: по показателям теплонапряжённости прочность и циклическая долговечность лопаток не снижаются; по показателям сульфидно-оксидной коррозии достигнуто повышение ресурса не менее 5000 часов, по показателям газоабразивного износа стойкость к износу повышается в 2,0 раза.

Яри этом для работы ГТД в режимах сельскохозяйственных агрегатов определява;ими показателями надёжности лопаточного аппарата является сульфидно-оксидная коррозия и газо-абразирнь;» износ. Данные факторы в общем балансе износа сос-

IX3 -

XD0 -

таеляют

3. Предлагаемая усовершенствованная методика исследований газоабразивного износа дополнительно к общепринятом критериям позволяет оценить отрицательное воздействие фракционного состава при различных параметрах потока газн. 'Гак при изменении фракционного состава электрокорунда с 15 мкм до 50 мкм износ покрытия возрастает в 2...3,5 раза (для различных покрытий).

4. при повышении температуры, а следовательно и скорости потока газа, гвзоабразипний изноо лопаточного аппарата возрастает. Наибольший износ вызывают частицы фракционного состава 50 мкм, при этом износу подвергается йся область прямого удара частицы о поверхность лопатки» Наибольший износ наблюдается у входной кромки со стороны кор. ¡та Лопатки. Наиболее стойким к газоабразивиому износу покрытием является ТЗГ1, полученное осаждением з вакууме. Для данного покрытия не наблюдается значительного увеличения износа с

повышением температуры газа от b00°G до 650°С» Так при газоабразивном износе элоктрокорундом фракционного состаси

50 мкм При температуре 650°С Износ зто^о Покрытия составил менее 2 мма| Износ жаростойкого металлического покрытия СДП-U - Примерно 3 ммэ$ ТЗП, полученного плазменно-дугсвым методом - 3,5 мм3| Износ базовых алйтИрованных покрытий составил 4 мм3. ПолучешШё экспериментальные значения износа близки к расчётным по предлагаемому алгоритму Для фракций электрскорунда (15.¿,20)мкм.

5. КерамйчёСКий слой является ¡эффективным Средетйсм защитй металлического слоя покрытия ti основы лопали. При

предотвращается Сульфйд1ю-оксйдная КОрроййя на границе металлического й керамического слоев покрытия и наблюдается высокотемпературной окислеНйё металлической слоя. Скорость окисления fe этом случае ниже в Í0 раз, чем скорость сульфидно-оксидной коррозииj тан как диффуэйя кислорода через керамически слой И концентрация кислорода на э*ой границе ниже, чём при окислении металлических покрытий в боЬдухе.

6. С учётом анализа и рёзулЬта^оЬ исследования механия-мой изнашивания лопаточного аппарата ГГД рекомендуется применение ТЗП, полученного методом осазденйя в вакууме с веданной пористостью (7.,Л2)%. С учётом комплексного влияния тол-

15

лопнен, сульфидно-окси,<Hof1 коррозии и газоабраэивногс и носа на лопаточный аппарат ГТД рекомендуется применение композиционного T3I1, полученного методом осаждения в вакууме СДП-П/СДП-Ь/КДП-I с с толщиной керамического слоя (60...ЬО) мкм с заданной пористостью 10$, При этом ресурс лопаточного аппарата Г1'Д повышается с 1000 часов до ЬООО часов; температура лопаточного аппарата снижается для разных режимов работы ГГД на (Ь0-120)°С, что является резервом повышения температуры газа в Камере сгорания и топливной экономичности П'Д на 0-10Я.

7. Ожидаемый экономический эффект от применения данного композиционного ТЗП на лопатках соплового аппарата турбины компрессора составляет 2996 рублей на каждый двигатель.

Но теме диссертаций опубликованы следующие работы:

I.Определение коэффициента долговечности лопаточного аппарата 1ТД при использовании теплозащитных покрытий/В.С. Шкрабак.A.B.Соминич, А.И.Примакнн,К.С.МухаметжаНов//Сб. науч.трудов ЛСХИ.-Л.,1990т91с.

2. Шкрабак B.C.¡Мухаметданов К.С. Энергетический баланс газоабразивНоГо износа лопатки соплового аппарата высокотемпературного нвтотрвкторного газотурбинного двигателя. Механизация и электрификация с.х.производства №7,1991.с.7.

3.Шкрабак В.С.,Соминич A.B.,Мухамэтжанов КХ.,Кубеев Е.И. Методика ускоренных стендовых эрозионных испытаний деталей проточной части автотракторного газотурбинного двигателя.

Механизация vi электрификация с.х.производства л» 2 , 1991 г.,с14.

4. Шкрабак В.С.,Лебедей A.C.¿Мухаметжанов К.С. Расчёт теплонапряжённого состояния неохлаждаемой лопатки сойлового аппарата турбины компрессора автотракторного Газотурбинного • двигателя на нестационарных режимах (на примерз П'Д-350). Механизация с.х. производства »6,1991г.,с.5.

Ь. Шкрабак B.C. »СомшМч A.B.,ПримаКин А.И..Мухаметжанов К.С.Теоретический анализ повышения надёжности и долговечности газотурбинного двигателя ва счёт покрытия деталей проточной, части керамикой. Механизация и электрификация с.х.производства JF9 , 1990г ., о . 35 .