Теплопроводность и температурное состояние термобарьерных покрытий охлаждаемых деталей ГТД

• Автор: Басаргин, Игорь Владимирович
• Шифр специальности: 01.04.14, 05.07.05
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2010
• Место защиты: Казань
• Количество страниц: 167 с. : ил.

Содержание

Основные условные обозначения и сокращения.

Введение

Глава 1. Состояние вопроса и постановка задач исследования

1.1. Область применения, основные параметры ТБП

1.2. Основные результаты опытного исследования теплопроводности термобарьерных покрытий
1.3. Обзор существующих моделей расчета теплопроводности ТБП при воздействии на них высокотемпературного газового

1.4. Постановка задач исследования.

Глава 2. Экспериментальное оборудование и система измерений.

2.1. Описание принципиальной схемы опытного стенда

2.2. Опытный участок установки и система измерений

2.3. Образцы и модели ТБП для исследований
2.4. Методика проведения эксперимен тов и обработки опытных данных
2.5. Оценка погрешностей получаемых результатов.
Глава 3. Результаты экспериментальных исследований теплопроводности ТБП
3.1. Опытное определение коэффициента теплопроводности образцов ТБП при термоциклическом воздействии на них потока газа
3.2. Исследование микроструктуры ТБП
Глава 4. Моделирование теплопроводности термобарьерных
покрытий и расчет теплового состояния охлаждаемых деталей с ТБП
4.1. Описание и верификация расчетной модели.
4.2. Вариантные расчеты деталей ГТД и ГТУ с термобарьерным покрытием
4.3. Рекомендации но расчету и конструированию стенок охлаждаемых
деталей ГТД и ГТУ с термобарьерными покрытиями.
Основные выводы
Список литературы


Первый слой - основной жаропрочный сплав на основе Ыц из которого состоит охлаждаемая деталь; на него наносится второй слой - это сопротивляющийся окислению подслой в составе N1 Со СгА1У толщиной примерно 5 мкм; третий слой - тонкая пленка ТВО - термически выращенного оксида (в основном ЛЬОз толщиной 1- мкм); и 4-й слой - плазмонапыленный в атмосфере наружный слой из ХгСБ, содержащий 6-8% У2Оз. Наружный слой ТБП, который противостоит температуре и подвержен наибольшей деформации, обычно имеет микроструктурные дефекты (поры, трещины). Диапазон изменения толщины ТБП для газотурбинных двигателей составляет от 0 до 0 мкм, и до 2 мм - для дизельных двигателей [3]. Очевидно, что стойкость термобарьерных покрытий, их ресурс во многом предопределяют целесообразность и привлекательность их использования. По данным [4] процесс разрушения ТБП начинается уже на ранней стадии его работы, а некоторые начальные участки разрушения развиваются уже в процессе нанесения покрытия. На этом этапе формирования поверхности покрытия образуется средний слой с системой мелких поверхностных трещин. В относительно короткий период времени эти начальные трещины распространяются на всю толщину слоя покрытия и достигают границы покрытие - материал основы. В результате начальные трещины в толще покрытия формируют сеть, которая представляет собой регулярную систему микротрещин. Особенно опасно для целостности ТБП развитие приграничных трещин, которые могут привести к отслаиванию покрытия от основного материала. Здесь важно отметить, что коэффициент теплопроводности ТБП зависит от количества термоциклов, и, главное, значение Хтбп в любом из циклов содержит ценную информацию о развитии трещины в покрытии при термоциклических испытаниях [5]. А поскольку значение ХТбп прямо связано с наличием микро- и макротрещин в покрытии, то значит коэффициент теплопроводности термобарьерного покрытия, определенный в процессе термоциклических испытаний образцов ТБП, позволяет не только рассчитать температурное состояние охлаждаемой детали в условиях длительной эксплуатации двигателя, но и косвенно оценить структурные изменения в ТБП, предшествующие его разрушению. Нельзя не отметить, что термоциклические испытания ТБП проводятся обычно при атмосферном давлении, поэтому влияние натурных условий в камерах сгорания и турбинах высокого давления ГТД на теплопроводность ТБП, где давление среды составляет (-)* 5Г1а, не учитывается. Поэтому актуальной является задача разработка таких расчетных моделей ТБП, в которых этот фактор может быть учтен. Автор выражает благодарность Ильинковой Татьяне Александровне, кандидату технических наук, доценту кафедры Материаловедения и технологии материалов, за научные консультации, а аспиранта Валиева Рамиля Рифатовича - за помощь в подготовке образцов и проведении опытов. Глава 1. В первой главе выполнен обзор научно-технической литературы по результатам экспериментальных исследований коэффициента теплопроводности плазмоиапыленных в атмосфере ТБП. Проанализированы также результаты разработки расчетных моделей для определения теплофизических параметров термобарьерных покрытий и по численному моделированию коэффициента теплопроводности ТБП. В газотурбинном двигателе (ГГД) воздействию высоких температур подвергаются стенки основных и форсажных камер сгорания, а также сопловые и рабочие лопатки турбины, (рис. Для повышения ресурса и снижения теплонапряженности этих деталей применяется воздушное охлаждение. Однако, на определенном этапе «форсирования» охлаждения увеличение расхода охлаждающего воздуха не приносит положительных результатов, так как наступает «кризис охлаждения». Одним из наиболее эффективных способов дальнейшего повышения работоспособности горячих деталей ГТД является применение термобарьерных покрытий (ТБП). Детали газотурбинных двигателей работают в очень напряженных условиях: агрессивная среда продуктов сгорания, действие постоянных и переменных нагрузок (тепловых, механических). Поэтому ряд деталей имеет жаростойкие металлические или керамические покрытия для защиты от износа и высокотемпературного окисления.