Введение к работе
Актуальность темы. Увеличение температуры газа перед турбиной требует интенсификации систем охлаждения горячих деталей ГТД. Нередко при этом возникают ситуации, когда хорошо отработанные технологически и конструктивно интенсификаторы теплообмена исчерпывают свои возможности и не могут обеспечить требуемого охлаждения стенки. Одним из направлений дополнительного снижения температуры охлаждаемых деталей двигателей является нанесение термобарьерных покрытий (ТБП) на обтекаемые газовым потоком поверхности деталей.
Опыт эксплуатации деталей с ТБП показал, что должен существовать рациональный диапазон толщин наносимых на горячие детали покрытий, отвечающих заданному ресурсу при накоплении малоцикловой усталости от знакопеременных тепловых нагрузок.
В этих условиях представляет практический интерес изменение теплофизических параметров ТБП, и в первую очередь – его коэффициента теплопроводности ТБП и термического сопротивления. Эти данные в первом приближении позволяют определить температурное состояние защищаемых от высоких температур и от агрессивных сред поверхностей деталей двигателя. Кроме этого, известно, что монотонное снижение значения ТБП в процессе малоцикловых испытаний свидетельствует, как правило, о растрескивании покрытия, а увеличение ТБП – о его спекании. Важным и актуальным, в связи с этим, являются термоциклические испытания образцов ТБП в условиях, приближенных к натурным.
Очевидно, что различного рода перемычки, стойки и другие элементы охлаждаемых деталей двигателей и энергоустановок приводит к возникновению температурной неравномерности в детали и делает привлекательным нанесение неравномерного по толщине покрытия на поверхности газового тракта. Особенно остро проблемы, связанные с неравномерностью температурного поля возникают в области отверстий для создания тепловой завесы. В результате участок турбинной лопатки между отверстиями растрескивается, снижая ее ресурс. Кроме этого, при использовании ТБП на рабочих лопатках ГТД возникает проблема, связанная с неминуемым увеличением массы пера лопатки и возрастанием в связи с этим работающих на растяжение лопатки центробежных сил. Поскольку термобарьерные покрытия на основе керамик не сопротивляются действующим центробежным силам, то возникает задача рациональной минимизации необходимой толщины покрытия.
Все это требует микроструктурного подхода к моделированию тепловых процессов в ТБП, диктуемого не только мероприятиями по снижению суммарной массы покрытия на пере рабочей лопатки, но и необходимостью в его перераспределении в соответствии с требованиями минимизации температурных напряжений в стенке любой охлаждаемой детали. Для формулирования требований к облику расчетной модели необходимы термоциклические исследования и данные по микроструктуре ТБП.
Судя по публикациям, в настоящее время в США, Японии и в других промышленно развитых странах проводятся интенсивные исследования по физическому и численному моделированию процессов, происходящих в ТБП, главным образом плазмонапыленных, на основе диоксида циркония ZrO2. Важное место в этих исследованиях уделено анализу теплопроводности покрытий и расчету их температурного состояния. Однако разработанные модели описаны в литературе фрагментарно, а результаты испытаний ТБП на термоциклирование связаны, главным образом, с поиском оптимального химического состава ТБП с точки зрения парирования или подавления процессов растрескивания и спекания материала термобарьерного покрытия. В отечественных публикациях при расчетах ТБП используется интегральный подход, который не позволяет надежно рассчитать требуемую для заданных условий толщину покрытия.
Таким образом, опубликованные результаты исследований не позволяют разработать научно обоснованный инженерный метод теплового расчета ТБП, отвечающий заданным требованиям. В связи с этим, тема диссертационной работы, посвященной физическому и численному моделированию теплофизических параметров плазмонапыленных в атмосфере термобарьерных покрытий для горячих деталей ГТД, представляется актуальной.
Цель работы состоит в разработке научных основ теплового расчета плазмонапыленных в атмосфере термобарьерных покрытий охлаждаемых деталей ГТД.
Задачи исследования:
1. На базе созданной экспериментальной установки исследовать коэффициент теплопроводности и термическое сопротивление образцов плазмонапыленных в атмосфере термобарьерных покрытий при воздействии на них циклической тепловой нагрузки. На этой основе, а также на базе выполненных исследований микроструктуры ТБП сформулировать требования к разрабатываемой модели.
2. Разработать и верифицировать расчетную модель теплопроводности и температурного состояния термобарьерных покрытий для их численного исследования в составе охлаждаемых деталей ГТД.
3. На основе разработанной модели выполнить сравнительные расчеты распределения толщины ТБП по поверхностям охлаждаемых деталей ГТД с различными системами охлаждения, обеспечивающей заданный уровень температуры стенки.
Научная новизна.
-
-
Выявлена относительная стабильность во времени значений коэффициента теплопроводности, термического сопротивления и микроструктуры плазмонапыленных в атмосфере ТБП на основе диоксида циркония при испытании их на 1000 циклов знакопеременной тепловой нагрузки в условиях, близких к натурным.
-
Установлено, что из всего исследованного диапазона изменения толщин термобарьерных покрытий от 0,2 до 0,8 мм наиболее стойкими к термоциклическим воздействиям являются образцы толщиной 0,35…0,45мм.
3. Разработана модель теплового расчета термобарьерных покрытий, учитывающая его микроструктуру, теплофизические параметры воздуха, а также закономерности переноса теплоты в микрослоях и микрополостях для конструирования термобарьерных покрытий с программируемым по поверхности охлаждаемой детали тепловым сопротивлением.
4. Численные исследования с помощью разработанной модели теплового расчета ТБП показали возможность снижения температурной неравномерности в стенках охлаждаемых деталей ГТД за счет нанесения на них термобарьерного покрытия переменной толщины. Наибольший положительный эффект выявлен в деталях с одним рядом отверстий для тепловой завесы.
Автор защищает:
-
Результаты экспериментального исследования коэффициента теплопроводности, термического сопротивления и микроструктуры плазмонапыленных в атмосфере ТБП на основе диоксида циркония в условиях знакопеременной тепловой нагрузки, а также рекомендации по выбору оптимальных толщин покрытий с точки зрения сопротивления малоцикловой усталости.
-
Расчетную модель для конструирования термобарьерных покрытий с заданными микроструктурными и теплофизическими параметрами и программируемой толщиной ТБП для охлаждаемых деталей ГТД.
-
Результаты численного моделирования термобарьерных покрытий для деталей высокотемпературных ГТД с различными системами их охлаждения, а также рекомендации по их проектированию.
Практическая значимость. Выработанные в результате проведенных испытаний образцов ТБП рекомендации получены в диапазоне изменения геометрических и режимных параметров, близких к реальным: диапазон изменения толщины термобарьерного покрытия ТБП = 0,2…0,8мм; температура потока газа Т*г 1332…1650 К. Разработанная расчетная модель учитывает микроструктуру покрытия и реальные значения основных теплофизических параметров потока газа и охлаждающего воздуха. Все это позволяет рассчитать и спроектировать плазмонапыленные термобарьерные покрытия, обеспечивающие заданное температурное состояние охлаждаемых деталей ГТД. Полученные научные результаты вошли в отчет о НИР “Исследование структуры и свойств ТБП с разработкой физических и математических моделей системы” (хоздоговор НЧ 205001 от 01.11.2006 г.) Материалы диссертации переданы в виде отчета для использования в ОАО КМПО, г.Казань и ОКБ «Союз», г.Казань.
Достоверность и обоснованность полученных результатов обеспечивается использованием апробированных методов и аттестованных средств измерения физических параметров, расчетом погрешности результатов измерений, удовлетворительным согласованием полученных экспериментальных и расчетных результатов с данными других авторов в сопоставимых условиях.
Личный вклад автора. Соискатель участвовал в проведении опытных исследований, выполнил обработку и анализ полученных опытных данных, разработал и верифицировал расчетную модель ТБП, выполнил численное моделирование теплофизических и геометрических параметров термобарьерных покрытий для деталей ГТД с различными системами охлаждения.
Апробация работы. Основные результаты диссертации доложены и получили одобрение на XVII Школе-семинаре молодых ученых и специалистов академика РАН А.И.Леонтьева “Проблемы газодинамики и тепломассообмена в энергетических установках”, г. Жуковский, 2009г.; на XV, XVI, XVII Всероссийских молодежных научных конференциях “Туполевские чтения”, г.Казань, 2007 - 2009 гг.; на XIX, XX, XXI Всероссийских межвузовских научно-технических конференциях КВАКУ “Внутрикамерные процессы в энергетических установках, акустика, диагностика, экология”, г.Казань, 2007 - 2009 г.г.; на научных семинарах кафедры “Газотурбинные, паротурбинные установки и двигатели”, г. Казань, 2007 – 2009 гг.; на VII Всероссийской конференции молодых ученых, специалистов и студентов по проблемам газовой промышленности России, г. Москва, 2007 г.; на XII Нижегородской сессии молодых ученых «Технические науки», г. Нижний Новгород, 2007 г.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 работ. Одна работа опубликована в рекомендуемом ВАК журнале.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов и списка использованной литературы. Работа изложена на ___ страницах машинописного текста, содержит ___ рисунков, ___ таблиц. Список использованной литературы включает ___ наименований.
Похожие диссертации на Теплопроводность и температурное состояние термобарьерных покрытий охлаждаемых деталей ГТД
-
