ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
НАЦІОНАЛЬНИЙ АВІАЦІЙНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
ХУССЕЙН МОХАМЕД ЕЛЬ-ХОЖАЙРІ
УДК 629.735.03–133.017:620.193
ВИЗНАЧЕННЯ ТЕХНІЧНОГО СТАНУ
ТРАНСПОРТНИХ ГАЗОТУРБІННИХ ДВИГУНІВ
В ЕКСПЛУАТАЦІЇ
Спеціальність: 05.22.20 – Експлуатація і ремонт засобів транспорту
АВТОРЕФЕРАТ
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
Київ – 2005
Дисертацією є рукопис.
Робота виконана на кафедрі авіаційних двигунів Національного авіаційного університету
Науковий керівник: доктор технічних наук, професор
Кулик Микола Сергійович,
Національний авіаційний університет,
завідувач кафедри авіаційних двигунів
Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор
Ігнатович Сергій Ромуальдович,
Національний авіаційний університет,
завідувач кафедри літальних апаратів
кандидат технічних наук, доцент
Самулєєв Володимир Вікторович,
тимчасово виконуючий обов’язки
заступника начальника Державного науково-дослідного інституту авіації з наукової роботи (Міністерство оборони та Міністерство освіти і науки України)
Провідна установа: АНТК ім. О.К.Антонова (Міністерство промислової політики України).
Захист відбудеться 15 червня 2005 р. о !4-00 годині в аудиторії 1.001 на засіданні спеціалізованої вченої ради Д26.062.03 у Національному авіаційному університеті за адресою: 03680, м. Київ-680, просп. Космонавта Комарова, 1.
З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Національного авіаційного університету за адресою: 03680, м. Київ-680, просп. Космонавта Комарова, 1.
Автореферат розісланий 13 травня 2005 р.
Вчений секретар спеціалізованої вченої ради
Д26.062.03, кандидат технічних наук, доцент С.В. Павлова
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми. Газотурбінні двигуни (ГТД) знайшли широке поширення в різних областях транспортної і енергетичної техніки. Вони широко використовуються в авіації в якості основних і допоміжних силових установок, є практично основним силовим приводом у газоперекачувальних агрегатах, використовуються в енергогенеруючих агрегатах, автомобільному транспорті, як силові установки на морських суднах.
Одним з найважливіших напрямків у підвищенні економічної ефективності і підтримки високого рівня надійності газотурбінної техніки є розробка і впровадження сучасних систем моніторингу технічного стану (ТС) деталей і вузлів двигунів.
Досвід експлуатації ГТД різного призначення показує, що до числа найважливіших факторів, які визначають довговічність лопаток, відноситься комплексний вплив статичних і динамічних навантажень в умовах інтенсивного впливу корозійно-активного газового середовища. Корозійна активність газового середовища найбільшою мірою позначається при роботі двигунів на землі і над поверхнею моря (авіаційні двигуни при їхній роботі в зоні аеропорту й особливо при його розташуванні поблизу морського узбережжя, стаціонарні енергетичні ГТД, двигуни газотранспортних систем, силові установки з газотурбінним приводом наземних транспортних машин і агрегатів, суднові силові установки). При експлуатації ГТД у таких умовах найбільш ймовірне попадання в проточну частину як пилу, так і з'єднань, що ініціюють корозійне пошкодження деталей двигуна.
Різним аспектам високотемпературної корозії і захисту від неї, дослідженню довговічності матеріалів і конструктивних елементів газових турбін присвячено значний обсяг наукових праць.
Дослідження в цих областях носять як теоретичний, так і прикладний характер. Основними задачами цих досліджень є вивчення механізмів взаємодії металів і сплавів з газами і сольовими розплавами з метою розробки методів і засобів захисту конструктивних елементів машин і механізмів від корозійного пошкодження і розробка рекомендацій для створення нових корозійностійких сплавів та захисних покрить.
Однак практика показує, що в процесі експлуатації конкретного двигуна необхідно проводити дослідження конструкційної міцності деталей, відповідальних за його надійність і безвідмовну роботу і розробляти методи і засоби моніторингу ТС цих конструктивних елементів, використовуючи як розрахункові методи, так і методи об'єктивного контролю. У зв'язку з цим дана робота, що присвячена дослідженню пошкоджуваності жароміцних лопаткових матеріалів в умовах впливу на них корозійно-активного газового середовища, розробці на цій основі методики розрахункової оцінки довговічності лопаток турбін і системи моніторингу ТС ГТД, є актуальною.
Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дана робота є складовою частиною досліджень, що проводяться в Національному авіаційному університеті, і спрямована на підвищення надійності ГТД різного призначення.
Робота виконувалася в рамках науково-дослідних робіт:–
146-ДБ04 “Розробка методів визначення ресурсних показників та прогнозування залишкового ресурсу високо навантажених технічних систем за критеріями пошкоджуваності”.–
151-ДБ04 “Дослідження можливостей та розробка технологій подовження ресурсних показників авіаційних двигунів з використанням автоматизованих систем супроводу їх експлуатації”.
Мета і задачі дослідження. Метою роботи є дослідження опору жароміцних лопаткових матеріалів високотемпературній корозії, розробка методики оцінки довговічності лопаток турбін і на цій основі створення системи моніторингу ТС ГТД у процесі експлуатації. Для досягнення поставленої мети в роботі вирішено наступні задачі:–
проведено аналіз експлуатаційних ушкоджень лопаток турбін ГТД, обґрунтовані критерії їхньої пошкоджуваності, визначено основні фактори, що впливають на інтенсивність пошкодження в умовах корозійного впливу робочого середовища;–
розроблено методику дослідження, створено випробувальний стенд, що дозволило одержати характеристики довговічності лопаткових матеріалів як без покрить, так і з захисними покриттями в умовах впливу корозійно-активних складових газового потоку;–
розроблено математичну модель довговічності лопаток турбін при високотемпературному корозійному пошкодженні;–
розроблено систему моніторингу ТС ГТД за критеріями високотемпературного корозійного пошкодження лопаток турбін.
Об'єктом дослідження є жароміцні лопаткові матеріали і захисні покриття, що працюють в умовах високих температур і корозійно-активного середовища продуктів згоряння палива для ГТД.
Предметом дослідження є високотемпературна корозійна довговічність лопаток турбін ГТД, лопаткових матеріалів і захисних покрить, що працюють у реальних експлуатаційних умовах.
Методи дослідження: –
експериментальне визначення високотемпературної корозійної довговічності жароміцних лопаткових матеріалів у корозійно-активному газовому потоці;–
статистична обробка експериментальних даних;–
множинний регресійний аналіз при розробці математичної моделі корозійного пошкодження лопаткових матеріалів без покрить і з захисними покриттями.
Наукова новизна отриманих результатів полягає в наступному:–
розроблено методику підсумовування корозійних пошкоджень жароміцних сплавів, які працюють в умовах високотемпературного газового потоку в присутності корозійно-активних компонентів газового потоку;–
розроблено методологічні основи системи моніторингу ТС ГТД за критеріями корозійного пошкодження лопаток турбін.
Практична значимість отриманих результатів.–
розроблено методику оцінки корозійної стійкості та довговічності лопаток за корозійними критеріями для застосування в системах експлуатаційного моніторингу ТС, на етапі проектування ГТД для прогнозування їхнього ресурсу, при розробці та складанні програм прискорених випробувань двигунів.–
реалізовано і впроваджено систему моніторингу ТС ГТУ в експлуатації за корозійними пошкодженнями лопаток турбін з використанням сучасних методів і засобів об’єктивного контролю параметрів робочого процесу та складу домішок корозійно-активних речовин в газовому потоці.
Особистий внесок здобувача
У наукових статтях і доповідях автору дисертації належать:
– аналіз механізму високотемпературного корозійного пошкодження нікелевих жароміцних лопаткових матеріалів, визначення реальної концентрації корозійно-активних з'єднань у газовому потоці авіаційних і стаціонарних ГТД і визначення швидкості корозії сплаву U-500 в залежності від вмісту в паливі ванадію і натрію [1, 4].
– визначення складу, концентрації і шляхів попадання корозійно-активних речовин у проточну частину двигунів різного призначення, основних положень методики підсумовування корозійних пошкоджень з використанням характеристик окислювання матеріалів [2, 5].
– аналіз послідовності і якості робіт при технічному обслу-говуванні ГТУ МВ6001, а також визначено оптимальний склад апаратури для оцінки якості палива з погляду вартості, точності й експлуатаційної технологічності [3, 6].
Апробація результатів дисертації.
Основні положення і результати досліджень за темою дисертації доповідалися й обговорювалися на:–
IV міжнародній науково-технічній конференції “Авіа-2002” (Київ, квітень 2002 р.);
– V міжнародній науково-технічній конференції “Aвіа-2003” (Київ, квітень 2003 р.);
– VI міжнародній науково-технічній конференції “Aвіа-2004” (Київ, квітень 2004 р.).
Публікації. Основні результати дисертації представлені в трьох статтях (дві статті без співавторів, одна – у співавторстві), опублікованих у спеціалізованих виданнях, та трьох статтях у матеріалах Міжнародних науково-технічних конференцій. За участю автора дисертації підготовлені два науково-дослідних звіти:
1. Звіт про НДР. “Розробка методів визначення ресурсних показників та прогнозування залишкового ресурсу високо навантажених технічних систем за критеріями пошкоджуваності”.
2. Звіт про НДР. “Дослідження можливостей та розробка технологій подовження ресурсних показників авіаційних двигунів з використанням автоматизованих систем супроводу їх експлуатації”.
На захист виноситься:
1. Методика підсумовування корозійних пошкоджень жароміцних сплавів, що працюють в умовах високотемпературного газового потоку в присутності корозійно-активних речовин.
2. Система моніторингу ТС ГТД за критеріями високотемпературного корозійного пошкодження лопаток турбін.
Структура й обсяг дисертації. Робота складається з вступу, чотирьох глав, висновків і списку використаних джерел (183 найменувань). Повний обсяг дисертації – 164 сторінки, 62 малюнки, 61 таблиця.
ЗМІСТ РОБОТИ
У вступі обґрунтовано актуальність обраної теми дисертаційної роботи, наведено положення, які визначають наукове й практичне значення, сформульовано мету та задачі дослідження.
У першому розділі на базі аналізу експлуатаційних дефектів лопаток турбін двигунів різного призначення визначені найважливіші фактори пошкодження. Такими факторами є корозійні пошкодження при одночасній дії значних статичних та динамічних навантажень. В розділі наведені основні експлуатаційні і конструктивно-технологічні фактори, що впливають на інтенсивність таких пошкоджень.
Необхідно підкреслити, що із збільшенням наробітку аналогічні пошкодження, щоправда, у менших масштабах, проявилися на лопатках турбін ГТД, які мали захисні покриття.
Узагальнюючи приведені дані по характерних дефектах, слід зазначити, що корозійним пошкодженням передує процес вичерпання захисних властивостей захисних покрить.
Найважливішими факторами, які визначають швидкість високотемпературної корозії, безперечно є властивості газового середовища і програма зміни температури газів перед турбіною при експлуатації ГТД, а точніше – ступінь циклічності цієї програми.
Практично в усіх роботах, присвячених вивченню високотемпературної корозії, як основну передумову цьому явищу відзначають попадання на лопатки турбіни з'єднань лужних металів, ванадію, свинцю, цинку. При цьому передбачається, що двигун експлуатується на паливах, які містять сірку в кількості 0,05...0,25 %.
Щодо шляхів попадання корозійно-активних речовин у проточну частину ГТД дотепер не існує єдиної точки зору.
У загальному випадку попадання корозійно-активних речовин у двигун може відбуватися з повітрям і так і з паливом.
При роботі двигунів в умовах високої запорошеності атмосфери, місць стоянок літаків і злітно-посадкових смуг у проточну частину двигуна попадає велика кількість пилу. Його концентрація може досягати 0,2…2 г/м3. У цьому пилу міститься до 0,5...2,0 % з'єднань натрію і калію, а в пустельних районах Близького Сходу концентрація може доходити до 3...5 %.
Таким чином, аналіз умов експлуатації ГТД дозволив визначити концентрацію і склад корозійно-активних речовин, які попадають в проточну частину двигунів.
У другому розділі наведені: методика проведення випробувань лопаток і зразків жароміцних матеріалів у високотемпературному газовому потоці, що містить корозійно-активні речовин; опис експериментальної установки; програма проведення випробувань; методика обробки експериментальних даних.
Відповідно до мети і задач роботи був проведений аналіз застосовуваних у даний час методів високотемпературних корозійних досліджень.
Стендові випробування дозволили досить точно відтворити умови експлуатації, причому такі визначальні параметри, як температура і склад продуктів згоряння, швидкість газового потоку. У цілому прискорені стендові випробування для дослідження корозійної стійкості є найбільш коректними.
З метою максимального наближення умов випробувань до експлуатаційних зразки і лопатки турбіни випробовувалися на спеціальному стенді в продуктах згоряння авіаційного палива ТС-1 із введенням у камеру згоряння суміші солей лужних металів, що містять 80%Na2SO4 %NaCl %KNO3. Зміст сірки в паливі в процесі випробувань підтримувався на рівні 0,25%.
Суміш солей лужних металів обрано як корозійну добавку до продуктів згоряння палива виходячи з аналізу літературних даних.
Суміш солей підготовлялася у вигляді водяного розчину, що вводився у паливний бак стенда, виходячи з розрахунку одержання необхідної концентрації. Паливо з моменту введення корозійно-активних добавок і в процесі випробувань безупинно перемішувалося циркуляційною системою.
Концентрація лужних металів у продуктах згоряння вибиралася в межах К = 0,2...0,5…1,0 мг/м3, що забезпечувало тривалу роботу лопаток турбін при температурах 700...800 C .
Крім того, були проведені порівняльні випробування на корозійну стійкість лопаток турбін, виготовлених з різних жароміцних сплавів, з періодичним, через 6...10 годин випробувань, нанесенням на поверхню лопаток суміші солей 80%Na2SO4 %NaCl %KNO3.
Суміш солей наносилася при зануренні попередньо знежирених і нагрітих до 80...90 С лопаток у насичений розчин солей. Кількість нанесеної суміші контролювалося зважуванням і складала 3...5 мг/м2.
Температурні умови вибиралися, виходячи з теплового стану лопаток турбін сучасних транспортних ГТД й енергетичних ГТУ.
Для проведення випробувань використовувався статичний газодинамічний стенд, створений на кафедрі авіаційних двигунів НАУ. Принципова схема стенда наведена на рис.1.
Рис.1. Принципова схема статичного газодинамічного стенда
Механічна частина стенда виконана з деталей і вузлів турбогенераторних установок ТГ-16. Джерелом стиснутого повітря служить відцентровий компресор 3 з електроприводом 1. Як електропривод використовується генератор-стартер ГС-24А, що розміщений на коробці приводів агрегатів 2 і працює в стартерному режимі. При живленні постійним струмом напругою 48 В генератор-стартер розвиває потужність до 36 кВт і забезпечує частоту обертання компресора 18000 об/хв. З компресора, через сполучну проставку 4 повітря надходить у камеру згоряння 5. На виході з камери згоряння встановлений сопловий апарат 6, робоче колесо з випробовуваними лопатками 7 і касета зі зразками 8. Особливістю стенда є те, що робоче колесо і касета зафіксовані відносно корпуса, не мають трансмісійного зв'язку з ротором компресора і не обертаються. Цим спрощується конструкція стенда, полегшуються періодичні огляди і створюються різні теплові умови по окружності робочої зони, що дозволяє випробовувати зразки і лопатки одного комплекта при різних значеннях температур. Температурне поле по окружності і по радіусу робочої зони сформовано шляхом попереднього термометрирування і доведення камери згоряння разом із сопловим апаратом.
Як об'єкти випробувань прийняті робочі лопатки турбіни і плоскі зразки, виготовлені з жароміцних матеріалів.
Для корозійних випробувань були відібрані сучасні жароміцні лопаткові матеріали: ЖС6К, сплави, що розроблені в Запорізькому технічному університеті ім. В.Я.Чубаря – ЧС-70ВИ і ЗМИ-3, а також нікелеві жароміцні сплави закордонного виробництва U-500, IN738 і IN939.
Такий широкий набір сплавів дозволив оцінити не тільки індивідуальні корозійні властивості різних матеріалів, але і виявити оптимальні схеми легірування для досягнення високої корозійної стійкості жароміцних матеріалів.
Дослідження корозійної стійкості сплаву ЖС6К і різних захисних покрить проводилося на робочих лопатках турбогенераторної установки ТГ-16М, виготовлених за заводською технологією.
Для дослідження впливу захисних покрить на корозійну стійкість лопаток турбін було обрано стандартне термодифузійне алітування і багатокомпонентне конденсоване покриття типу Со-Сr-Аl-Y.
Конденсовані покриття наносилися за технологією, розробленою в ІЕС ім. Є.О. Патона НАН України, на вакуумній електронно-променевій установці типу УЭ-137.
Зразки зі сплавів U-500, IN738 і IN939 виготовлялися з замкових частин серійних лопаток турбін.
Перед проведенням тривалих корозійних випробувань було виконане оцінювання теплового стану лопаток турбіни і зразків. З цією метою використовувалися термопари групи Х-А (хромель-алюмель), встановлених у визначених місцях поверхні об'єктів випробувань. Реєстрація сигналів з термопар проводилась за допомогою підсилювачів УПТ-2-1 і реєстратора МСРП-64-2, що мають вбудовану схему компенсації температури холодного спаю.
Аналіз результатів термометрирування показав, що в робочій зоні стенда мають місце декілька температурних зон. При цьому температури в цих зонах відрізняються на 100...200 0С. Це дозволило проводити випробування одночасно лопаток і зразків у різних теплових умовах.
Програмою корозійних випробувань було заплановано два етапи.
Перший етап прискорених випробувань дозволив порівняти працездатність різних жароміцних сплавів і захисних покрить у корозійно небезпечних умовах. Крім того, на основі зіставлення характеру пошкодження лопаток, випробуваних на газодинамічному стенді, і лопаток, що відпрацьовують ресурс в експлуатації на різних типах ГТД, перший етап випробувань дозволив уточнити корозійні умови випробувань для другого етапу.
Другий етап – випробування зразків зі сплавів U-500, IN738, IN939 і ЖС6К мав за мету отримання характеристик стійкості до високотемпературної корозії в умовах, максимально наближених до умов реальної експлуатації для того, щоб надалі їх можна було використовувати в математичних моделях корозійної пошкоджуваності.
В третьому розділі приведені результати корозійних випробувань у вигляді таблиць, кінетичні криві окислювання і стовпчасті діаграми. Крім того, у третьому розділі приведені результати металографічних досліджень.
На першому етапі у термостатичних умовах випробовувалися лопатки зі сплавів ЖС6К, ЗМИ-З і ЧС-70ВИ без захисних покрить, а також лопатки зі сплаву ЖС6К с термодифузійним і електронно-променевим плівковим покриттями.
Через інтенсивну корозію лопаток випробування проводилися на базі 60 годин.
Виходячи зі спостережень характеру руйнування різних сплавів у процесі випробування слід зазначити, що найбільшої інтенсивності високотемпературної корозії (ВТК) зазнали лопатки зі сплаву ЖС6К з невисокою кількістю хрому. Поверхнева окалина схильна до сколювання і являє собою багатошарову структуру сіро-зеленого кольору. Останнє свідчить про високий вміст в окалині окислів нікелю. На лопатках зі сплавів з підвищеним вмістом хрому (ЗМИ-3, ЧС-70ВИ) тонкий шар окалини добре зчеплений з основним металом і має властиве для окислів алюмінію ясно-коричневе забарвлення.
Інтенсивність корозійних ушкоджень лопаток зі сплаву ЗМИ-3 у залежності від робочої температури в 3...7 разів менша, ніж лопаток зі сплаву ЖС6К. Лопатки зі сплаву ЧС-70ВИ з високим вмістом хрому і кобальту мають ще більшу стійкість до ВТК (інтенсивність корозійних ушкоджень у 6...9 разів нижча). Слід зазначити, що зі збільшенням робочої температури захисні властивості сплавів ЗМИ-3 і ЧС-70ВИ знижуються.
Досліджені захисні покриття підвищують стійкість до ВТК на кілька порядків. Так, відносне зниження маси алітованих лопаток у 1100...1200 разів менше, ніж лопаток без покрить. Конденсовані плівкові захисні покриття типу Co-Cr-Al-Y знижує відносну втрату маси лопаток у 4500...8500 разів. Така стійкість до ВТК лопаток із захисними покриттями залишається доти, доки покриття не мають пошкоджень.
Основна задача другого етапу випробувань полягала в одержанні експериментальних даних, необхідних для побудови моделей пошкодження лопаток ГТД в реальних експлуатаційних умовах. З огляду на те, що лопатки турбін ГТД цивільної авіації виготовляють, як правило, зі сплаву типу ЖC6К, а найбільш розповсюдженим захисним покриттям є алітування, як об'єкти випробувань викорис-товувалися лопатки і зразки з зазначеного сплаву, як без покрить, так і алітовані. Крім того, для корозійних випробувань застосовувались зразки зі сплавів U-500, IN738 і IN939, найбільш широко застосовувані для виготовлення лопаток турбін двигунів західного виробництва. Температурний діапазон випробувань обраний виходячи з досягнутих значень для сучасних двигунів і можливостей сплаву.
У якості приклада на рис.2 та 3 наведені типові стовпчасті діаграми та характеристики середніх значень відносної зміни маси зразків із сплава ЖС6К. Аналіз експериментальних даних по кінетиці корозійних пошкоджень сплавів різної схеми легування показав, що найбільш високу стійкість до ВТК мають жароміцні нікелеві сплави з високим вмістом хрому і кобальту.
Рис.2. Порівняльна діаграма середніх значень зміни маси
зразків із різних сплавів при напрацюванні 400 годин
Рис.3. Середнє значення відносної зміни маси зразків (кг/м2) із сплавів U-500 (a), IN738 (б), IN939 (в) та ЖС6К (г) (К = 0,2 мг/м3)
Стійкість до ВТК знижується зі зниженням вмісту цих легуючих елементів у сплавах. З досліджених сплавів найбільш низькими захисними властивостями проти ВТК володіє сплав ЖС6К.
Лопатки турбін зі сплавів U-500 і IN738 при температурах до 800 0С, а зі сплаву IN939 – до 900 0С можна використовувати без захисних покрить при ресурсах до 20000…30000 годин розуміючи, що дані рівні температур відповідають максимальним режимам роботи двигунів, на яких вони експлуатуються не більше 5...10 % ресурсу. При великих напрацюваннях варто використовувати захисні покриття.
У процесі випробувань зазначених вище сплавів установлено, що при напрацюваннях більше 300…350 годин швидкість ВТК стабілізується і стає лінійною. Ця обставина дозволяє розробити математичну модель для оцінкових розрахунків глибини корозійного пошкодження лопаток турбін при значно більших напрацюваннях при відомих температурах і концентраціях корозійно-активних з'єднань у газовому потоці.
Якщо за базовий прийняти сплав U-500, то порівняння середніх значень відносної зміни маси зразків з досліджених сплавів показало наступне. При робочій температурі 750 0С и при напрацюванні 400 годин корозійна стійкість сплавів IN738 і IN939 у 1,2 і 1,8...2,0 рази відповідно більш висока незалежно від концентрації корозійно-активних з'єднань у газовому потоці. Корозійна стійкість сплаву ЖС6К в 1,5…1,8 разів нижча.
Середня швидкість ВТК сплавів IN738 і IN939 у 1,2 і 1,8...2,2 рази відповідно нижча в дослідженому діапазоні концентрацій корозійно-активних речовин у газовому потоці. Середня швидкість ВТК сплаву ЖС6К в 1,25...2,6 рази вища й істотно залежить від концентрації корозійно-активних речовин.
Корозійна стійкість сплавів U-500, IN738 і IN939 без захисних покрить у порівнянні з алітованими об'єктами в 3,2...8,2…14,6; 2,6…6,8…12,0; 1,75…4,0…7,3 рази відповідно нижча при концентра-ціях корозійно-активних речовин у газовому потоці 0,2...1,0 мг/м3. Основа сплаву під покриттям на кількісні показники не впливає, тому що пошкоджень захисного покриття на базі випробувань 400 годин не відбувалося.
Середня швидкість ВТК сплавів U-500, IN738 і IN939 без захисних покрить у порівнянні з алітованими об'єктами за тих самих умов у 3,9...14,6…23; 8,3,1…12,3…19,3; 2,1…6,9…10,8 разів вища.
Підводячи підсумки даного етапу досліджень можна зробити висновок про те, що при вибиранні матеріалів для виготовлення лопаток турбін необхідно застосовувати комплексний підхід. Оцінювати необхідно не тільки характеристики міцності, технологічність і вартість матеріалів, але і характеристики корозійної стійкості сплаву і довговічність захисних покрить.
Наприкінці третього розділу наведені результати статистичної обробки експериментальних даних, які свідчать про задовільне розсіювання вимірів і відтворюваність випробувань.
В четвертому розділі результати експериментальних досліджень узагальнені у виді рівнянь регресії, що зв'язують відносну зміну маси об'єктів дослідження, глибину корозійних пошкоджень та швидкість корозії з робочою температурою та концентрацією корозійно-активних речовин у газовому потоці. З використанням математичних моделей корозійної пошкоджуваності запропонована методика оцінки довговічності лопаток турбін. За запропонованою методикою відповідно до типової програми роботи ГТД проведений на ПЕОМ розрахунок прогнозованої корозійної довговічності лопаток турбіни.
Для узагальнення результатів корозійних випробувань можна використовувати залежності виду:
,
де = М/F – відносна зміна маси, кг/м2, t – база випробувань, годин; Т – температура випробувань, °С, К – концентрація корозійно-активних речовин у газовому потоці, мг/м3.
З метою одержання таких залежностей були оброблені дані дослідження зразків зі сплавів U-500, IN738, IN939, ЖC6К.
Цей експериментальний матеріал добре описується поліномом: .
Параметри рівняння наведені в табл.1, 2.
Таблиця 1
Значення коефіцієнтів рівняння регресії
Параметри | Матеріал
U-500 | IN738 | IN939 | ЖС6К
Множ.
регресія | 0,95877 | 0,9612 | 0,97447 | 0,96412
а0 | -0,441642 | 1,672292 | 0,977672 | 3,462305
а1 | 0,6315E-3 | -0,01486 | -0,00843 | -0,03448
а2 | 0,004194 | -0,00243 | -0,00141 | -0,005027
а3 | -0,6348E-13 | -7,89903 | -4,4426 | -17,2062
а4 | -0,6025E-5 | 0,2146E-4 | 0,1218E-4 | 0,4993E-4
а5 | 0,83E-16 | 0,07134 | 0,03979 | 0,16868
а6 | 0,252E-15 | 0,01144 | 0,00643 | 0,02479
а7 | 0 | -0,103E-3 | -0,5755E-4 | -0,2431E-3
Таблиця 2
Параметри рівняння регресії
Матеріал | СКВ | Довірчий інтервал
-95% | +95%
U-500 | 0,061224 | -0,069924 | -0,028493
IN738 | 0,585961 | -0,491997 | -0,095475
IN939 | 0,327224 | -0,281861 | -0,060428
ЖС6К | 1,407659 | -1,18859 | -0,236028
Для узагальнення результатів корозійних випробувань, коли критерієм пошкодженості є середня глибина корозії об’єктів випробувань, можна використовувати залежності виду:
,
де – середня глибина корозійного пошкодження об'єктів випробувань, м; – відносна зміна маси, кг/м2, – щільність матеріалу, кг/м3; t – база випробувань, годин; Т – температура випробувань, °С, К – концентрація корозійно-активних речовин у газовому потоці, мг/м3.
Експериментальні дані випробувань добре описуються поліномом:
.
Значення коефіцієнтів рівняння регресії і параметри рівняння приведені в табл.3 і 4.
Таблиця 3
Значення коефіцієнтів рівняння регресії
Параметри | Матеріал
U-500 | IN738 | IN939 | ЖС6К
Множ.
регресія | 0,95874 | 0,96119 | 0,97445 | 0,96412
а0 | -0,5354E-3 | 0,2029E-4 | 0,1187E-4 | 0,4196E-4
а1 | 0,7655E-7 | -0,1802E-6 | -0,1021E-6 | -0,4179E-6
а2 | 0,5084E-7 | -0,2947E-7 | -0,1716E-7 | 0,6093E-7
а3 | -0,9024E-3 | -0,9577E-4 | -0,5391E-4 | -0,00209
а4 | -0,7303E-10 | -0,2603E-9 | 0,1475E-9 | 0,6052E-9
а5 | 0,0 | 0,8648E-6 | 0,4822E-6 | 0,2045E-5
а6 | 0,0 | 0,13868E-6 | 0,7799E-7 | 0,3005E-6
а7 | 0,0 | 0,1249E-8 | -0,6975E-9 | -0,2946E-8
Таблиця 4
Параметри рівняння регресії
Матеріал | СКВ
(експ.)10-3 | СКВ
(розр.)10-3 | Довірчий інтервал 10-3
-95% | +95%
U-500 | 0,0074208 | 0,0071146 | -0,0084742 | -0,0034525
IN738 | 0,071029 | 0,068274 | -0,059639 | -0,011572
IN939 | 0,039664 | 0,038651 | -0,034168 | -0,0073268
ЖС6К | 0,17062 | 0,16449 | -0,14407 | -0,028612
У випадках, коли критичним є корозійне пошкодження пера лопаток, згідно статистичним даним, їхнє руйнування здійснюється при глибині пошкодження біля 2 мм.
У табл.5 наведені розрахункові напрацювання робочих лопаток із досліджених сплавів, коли середня глибина корозійного пошкодження лопаток перевищуватиме критичні 2 мм.
Таблиця 5
Розрахункове напрацювання лопаток турбін із різних сплавів при глибині корозійного пошкодження більше 2 мм
Параметри експлуатації | Матеріал
U-500 | IN738 | IN939 | ЖС6К
Глибина корозійного пошкодження, мм | 2,117 | 2,068 | 2,085 | 2,045
Напрацювання, годин | 36000 | 210000 | 480000 | 24000
Розрахунки проведені з урахуванням, що має місце рівномірне добове навантаження енергоагрегата на номінальному (8 год.), максимальному (8 год.) та форсованому (8 год.) режимах, тобто при температурах газу на вході третьої ступені турбін відповідно 700 0С, 750 0С та 800 0С, при концентрації корозійно-активних речовин в газовому потоці К = 0,2 мг/м3 .
Використовуючи кінетичні характеристики корозії можна реалізувати методику визначення корозійних пошкоджень лопаток турбіни ГТД з урахуванням умов експлуатації.
При цьому пошкодженість матеріалу лопаток за середньою глибиною корозії hi на кожному і-ому режимі роботи двигуна складає
,
де – гранична середня глибина корозійних пошкоджень.
Підрахунок сумарної пошкодженості матеріалу лопаток можна здійснити за лінійною гіпотезою підрахунку, яка на першому етапі відладки методики моніторингу ТС ГТД в експлуатації є найбільш доцільною за простотою реалізації при достатній точності. Виходячи з цього, пошкодженість матеріалу лопаток при складній програмі роботи двигуна (яка включає п елементів) визначається за виразом
.
.
Рис. 4. Принцип лінійного підсумовування корозійних пошкоджень матеріалу лопаток турбін при програмному навантаженні
На рис.4 показана схема лінійного підсумовування корозійних пошкоджень матеріалу лопаток з використанням кінетичних характеристик ВТК для різних режимів роботи до досягнення граничного стану.
В процесі проведення подальших досліджень корозійної стійкості жароміцних матеріалів при програмних змінах температури та концентрації корозійно-активних речовин в газовому потоці може бути здійснено перехід до більш точної нелінійної моделі визначення корозійних пошкоджень.
На завершення роботи запропонована система моніторингу ТС ГТД в експлуатації. Моніторинг виконує група експертів діагностичного центру (рис.5) експлуатаційного підприємства за даними, отриманими в лабораторіях та групах візуальної оцінки ТС деталей проточної частини двигуна, розшифровки інформації про режими роботи ГТД та оцінки якості палива.
Для визначення концентрації домішок корозійно-активних речовин у пробах палива, що відбирається з паливних систем двигунів після фільтрів, рекомендована за експлуатаційними та економічними характеристиками комплект апаратури RDE/AES [6].
Таким чином, запропонована система моніторингу ТС ГТД базується на візуальних оглядах деталей проточної частини двигуна та розрахунках корозійної пошкодженості лопаток турбін за отриманими в роботі математичними моделями.
Рис.5. Структурна схема системи моніторингу ТС ГТД
ВИСНОВКИ
В результаті узагальнення виконаних досліджень можна сформулювати наступні висновки:
1. На основі аналізу експлуатації авіаційних та стаціонарних ГТД в різних регіонах встановлено, що однією з основних причин дострокового припинення їхньої експлуатації є високотемпературне корозійне пошкодження лопаток турбіни.
2. Запропонована програма і методика проведення високо-температурних корозійних випробувань, результати відпрацювання яких лягли в основу розробки математичної моделі корозійного пошкодження лопаток турбін ГТД.
3. Отримані експериментальні дані корозійної стійкості лопаток турбін та зразків, виготовлених з жароміцних сплавів U-500, IN738, IN939, ЖС6К, ЗМИ-3, ЧС-70ВИ, в діапазоні температур 700…800 С і концентрацій іонів лужних металів в газовому потоці 0,2…1,0 мг/м3. Розроблені математичні моделі високотемпературної корозійної довговічності лопаток газових турбін, що працюють в умовах корозійно-активного газового середовища.
4. Розроблена методика оцінки корозійної стійкості та довговічності лопаток за корозійними критеріями для застосування в системах експлуатаційного моніторингу ТС, на етапі проектування ГТД для прогнозування їхнього ресурсу, при розробці та складанні програм прискорених випробувань двигунів.
5. Реалізована система моніторингу технічного стану ГТУ в експлуатації за корозійними пошкодженнями лопаток турбін з використанням сучасних методів і засобів об’єктивного контролю параметрів робочого процесу та складу домішок корозійно-активних речовин в газовому потоці.
ПУБЛІКАЦІЇ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ
1. Кулик Н.С., Карпов Е.Н., Хуссейн Мохамед Эль-Хожайри. Коррозионные повреждения лопаток газовых турбин // Вісник НАУ.– 2001, №2 (9). С. 30 – 34.
2. Хуссейн Мохамед Эль-Хожайри. Оценка повреждаемости лопаток турбин ГТД в эксплуатации // Вісник НАУ.– 2004, №1. С. 126 – 130.
3. Хуссейн Мохамед Эль-Хожайри. Эксплуатация газотурбинных установок МВ6001 в Ливане // Вісник НАУ.– 2004, № 4. С. 26 – 30.
4.Кулик Н.С., Карпов Е.Н., Хуссейн Мохамед Эль-Хожайри. Результаты коррозионных испытаний жаропрочных сплавов // Сучасні авіаційні технології. Секція “Авіаційні двигуни”: Матеріали IV МНТК “Авіа-2002”. Т. 3. 23 – 25 квітня 2002 року. – К., 2002. С. 34.1–34.4
5.Кулик Н.С., Карпов Е.Н., Хуссейн Мохамед Эль-Хожайри. Анализ опыта эксплуатации ГТУ МВ6001 // Виробництво та експлуатація авіаційної техніки: Матеріали V МНТК “Авіа-2003”. Т. 3. 23 – 25 квітня 2003 року. – К., 2003. С. 34.54 – 34.57.
6.Кулик М.С., Карпов Є.М., Хуссейн Мохамед Ель-Хожайрі. Методичні основи корозійного моніторингу деталей ГТД// Виробництво та експлуатація авіаційної техніки: Матеріали VI МНТК “Авіа-2004”. Т. 3. 26 – 28 квітня 2004 року. – К., 2004. С. 34.16– 34.20.
АНОТАЦІЯ
Хуссейн Мохамед Ель-Хожайрі. Визначення технічного стану транспортних газотурбінних двигунів в експлуатації.
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.22.20 – експлуатація і ремонт засобів транспорту – Національний авіаційний університет, Київ, 2005.
Дисертаційна робота присвячена розробці системи моніторингу технічного стану (ТС) ГТД в експлуатації за високотемпературним корозійним пошкодженням лопаток турбін.
Доопрацьовано газодинамічний стенд для проведення тривалих випробувань з введенням в газовий потік корозійно-активних речовин.
Розроблені програма і методика стендових корозійних випробувань лопаток турбін та зразків жароміцних матеріалів в умовах контрольо-ваного робочого середовища. Отримані характеристики корозійної стійкості жароміцних сплавів, що використовуються для виготовлення лопаток турбін ГТД. Запропонована і обґрунтована методика лінійного підсумовування корозійних пошкоджень лопаток турбін.
Базуючись на отриманих експериментальних результатах досліджень розроблені математичні моделі пошкодження лопаток турбін ГТД за корозійною втратою маси, глибиною та швидкістю корозії в залежності від температури, концентрації корозійно-активних речовин в газовому потоці та тривалості роботи двигуна на кожному режимі. На базі цих моделей запропонована система моніторингу ТС ГТД в експлуатаційних умовах.
Ключові слова: критерії корозійного пошкодження, концентрація корозійно-активних речовин, лінійне підсумовування пошкоджень, математичне моделювання, моніторинг.
АННОТАЦИЯ
Хуссейн Мохамед Эль-Хожайри. Определение технического состояния транспортных газотурбинных двигателей в эксплуатации.
Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.22.20 – эксплуатация и ремонт средств транспорта – Национальный авиационный университет, Киев, 2005.
Диссертационная работа посвящена разработке системы мониторинга технического состояния (ТС) ГТД в эксплуатации по высокотемпературным коррозионным повреждениям лопаток турбин.
Модернизирована система управления и термометрирования газодинамического стенда, выполненного на базе деталей и узлов турбогенераторной установки ТГ-16, для проведения длительных испытаний лопаток турбины и образцов из жаропрочных сплавов с введением в газовый поток коррозийно-активных соединений.
Разработаны программа и методика коррозийных испытаний лопаток турбин ГТД и образцов жаропрочных материалов в условиях контролируемой рабочей среды. Получены характеристики коррозионной стойкости жаропрочных сплавов U-500, IN738, IN939 и ЖС6К, которые наиболее распространены для изготовления лопаток турбин ГТД. Проведены и проанализированы результаты сравнительных коррозионных испытаний лопаток турбин из сплавов ЖС6К, ЗМИ-3 и ЧС-70ВИ, а также лопаток из сплава ЖС6К с термодиффузионным алитированием и пленочным покрытием типа Co-Cr-Al-Y. Предложена и обоснована методика линейного суммирования коррозионных повреждений лопаток турбин при изменении эксплуатационных режимов.
Базируясь на результатах экспериментальных исследований, разработаны математические модели повреждения лопаток турбин ГТД по критериям коррозионной потери массы, глубине и скорости коррозионного повреждения лопаток в зависимости от их температуры, концентрации коррозионно-активных соединений в газовом потоке и продолжительности работы двигателя на каждом эксплуатационном режиме. На базе этих моделей предложена система мониторинга ТС ГТД в эксплуатационных условиях.
Ключевые слова: критерии коррозионного повреждения, концен-трация коррозионно-активных соединений, линейное суммирование повреждений, математическое моделирование, мониторинг.
ABSTRACT
Houssein Mohamad El Hojairi. Determination of transport gas-turbine engines technical state in operation. Manuscript. 05.22.20 – Operation and repair of transport means.– National aviation university of Ministry of education and science of Ukraine, Kiev, 2005.
Ph.D. thesis is devoted to development of technical state monitoring system of a gas turbine engine in operation by high-temperature corrosion damages of turbine blades.
The program and technique corrosion tests of turbine blades of a gas turbine engines and heat resisting material patterns in conditions of a controllable working environment are developed. Characteristics of corrosion stability of heat resisting alloys U-500, IN738, IN939 and ЖС6К are received. The technique of linear summing of corrosion damages of turbine blades is offered and proved.
Mathematical models of blade turbines of a gas turbine engine damages by criteria of corrosion weight loss, depth and speeds of corrosion damage are developed. The monitoring system of a gas turbine engines in operational conditions is proposed.
Keywords: criteria of corrosion damage, concentration of corrosion-active agents, linear summing of damages, mathematical modeling, monitoring.
