Газовые турбины проблемы и перспективы. Манушин Э.А. (1014151), страница 29
Текст из файла (страница 29)
Наиболее перспективной считается технология изостатического прессования, при которой отходы материалов практически отсутствуют. Некоторые из материалов, полученные разработанными методами, имеют предел текучести до 1400 МПа при температуре 920 К и могут работать при температурах до 1030 К. Предел длительной прочности при температуре 920 К и времени работы !0 000 ч у образцов из этих сплавов примерно в 1,5 раза выше, чем у образцов из обычных кованых сплавов, Методы порошковой металлургии полуюши применение при изготов. ленин композиционных материалов, например упоминавшегося выше материала из вольфрамовых волокон в матрице из жаропрочного материала.
Эти же методы применяются и дпя изготовления деталей компрессоров. Например, из высокопрочных алюминиевых с~п|авов изготовляются рабочие колеса компрессоров автомобильных двигателей АОТ-10! и Ъ%-СТ-!50, работающие прн высоких окружных скоростях — 560 и 513 м/с соответственно. Применение прогрессивных технологических методов позволяет значительно расп1ирить возможности применения хорошо исследованных способов охлаждения лопаток, например внутреннего конвективного охлаждения.
Это можно показать на примере разработанной технологии изго- 141 товления рабочеи охпажцаемои лопатки с дефлектором и поперечным течением охлажцающего воздуха (рис. 5Л7). Обычно такая лопатка изготовляется цельнолитой со вставным тонкостенным дефлектором и имеет много недостатков. При изготовлении ее составной из двух ча. отей, соединенных пайкой или сваркой, зти недостатки отсутствуют.
В такой лопатке дефлектор может иметь любую форму и расположение, обеспечивающие его фиксацию и наилучший теплосъем. Лопатки, изго. товленные из двух частей, имеют по сравнению с цельнопитымн меньшую массу. лучшие газодинамические характеристики и, по данным фирмы "Пратт-Уитни", увеличенный в 2 раза ресурс. Оптимизация теплопередающих характеристик охпаждасмой лопатки может быть достигнута при применении так называемой вафельной кою струкции.
Сопповая лопатка (рис. 5.18, а) такого типа выполняется из поперечных по отношению к оси слоев — "вафель" (для изображенной на рисунке — из 49 слоев толщиной 0,79 мм) из жаростойкого материала — сплава на кобальтовой основе. Рабочая лопатка состоит из радиально расположенных слоев (16 на рис. 5.18, б) из никелевого сплава толщиной 1,65 мм и блоков передней и задней кромок. Элементы систем охлаждения (турбулизаторы в соцповой лопатке, продольные каналы в рабочей лопатке и др.) получаются путем фототравления исходных слоев. Слои соединяются между собой диффузионной пайкой; после соединения наружная поверхность лопатки обрабатывается и на нее наносится покрытие.
Такие лопатки имеют равномерные температурные поля и относительно большую глубину охлаждения: д = 0,74 дпя со~повой и 0 = 0,6 дпя рабочей лопаток, однако при очень больших расходах охлаждающего воздУха — соответственно пРи Ям = О,! 1 и Яме = 0,05. По Указанной технологии выполнялись сопловые лопатки дентростремительной 142 Рис.
5.18. Профили лопаток "вафельной" конструкции: а — сопловой; б — рабочей; ! — входная кромка; 2 — ребра; 3 — пластина с отверстиями дпя струйного охлаждения; 4 — шаг "вафель"; 5 — турбулизвторы; 6 — радиальные отверстия на спинке; у — радиальные отверстия не вогнутой сто. роне; 8 — охлаждающие каналы у нходнай кромки турбины двигателя СТ-60!. Отметим, что изготовление детали из набора протравпенных пластин допускает большое разнообразие форм: практически любая конфигурация полости может быть выполнена с точностью - +0,05 мм.
Такая технология позволила фирме 9рэррит" разра- Щ ботать и испытать рабочее колесо центростремительной турбины ",. (рис. 5.19) с весьма сложной системой внутренних каналов. Колесо изготовлено за одно делое с лопатками из !4! прямоугольной пластины.- заготовки толщиной 0,508 мм из жаропрочного сплава; пластины имели 92 различные конфигурации элементов охлаждающих каналов, полученных с применением ЭВМ. Эти спастины предварительно тщательно обрабатывались дпя получения весьма точной толщины, после чего подвер- 143 Рис.
5Л9. Схема охлаждения многослойного рабочего колею центростремительной турбины, изготовленного путем спекаиия слоев (стрелками показан путь охлаж- данипего воздуха) гались фототравленню, спекались в единый блок и обрабатывались для получения заданных наружных размеров колеса. Такой же процесс разработан и для изготовления рабочих колес осевых турбин за одно целое с лопатками малых размеров. Для жаровых труб и лопаток с пористым охлаждением находят применение слоистые материалы ("лзмнллои") (рнс. 5.20). Их получают обычно из двух — четырех обработанных фототравлением слоев, соединяемых диффузионной пайкой. Из таких материалов выполняют оболочки, которые закрепляются на стержнях лопаток. На них предварительно выполняется система канавок, обеспечивающих после закрепления оболочки иэ "лзмнллоя" раздачу охлаждающего воздуха, Слоистые материалы позволяют выбирать размеры и форму охлаждающих каналов н отверстий, их расположение и наклон к охлажпаемой поверхности н следовательно, получать переменную по профильной части лопатки про ницаемость материала, обеспечивающую наиболее эффективное охлажпение.
Многослойные материалы уже применены н испытаны в камерах сгорания некоторых ГТД. 144 рис. 5.20. Внутренняя структура проннцаемого материала типа "лзмиллой" При работе в составе некоторых ГТУ высокожаропрочные сплавы теряют свои свойства, не проработав положенного срока при заданной тем. пературе, из-за коррозии; в Результате сроки службы таких ГТУ определяются не уровнем температуры газа, а коррозией материалов. Один из ее видов — сульфццно-окисная коррозия, обусловленная присутствием в эоловых отложениях на турбинных лопатках сульфата натрия. Высокой стойкостью против такой коррозии обладают сплавы, содержащие не менее 20% хрома.
Одним из основных методов предотвращения сульфидно-окисной коррозии является применение защитных покрытий, Наиболее простые из них, применявшиеся ранее, — металлические покрытия на основе алюминия: простое алитирование и алюминидные покрытия с использованием в качестве легирующих добавок' хрома, кремния, тантала, бора и других элементов.
Покрытия этого тина имеют толщину 40 — !00 мкм и наносятся на лопатки различными методами: тсрмодиффузией, металлизацией, электронно-лучевым способом. Более стойкими против сульфидно-окисной коррозии являются сложные цлатинохромалюминиевые защитные покрытия. Их наносят в два приема: сначала гальваническим способом на профильную часть лопатки осаждают тонкий (примерно 6 мкм) слой платины, а затем диффузионным способом наносят хром и алюминий. Получающееся защитное покрытие в 1О раз более стойко, чем простое алитированне.
По данным фирмы "Дже- . нерал электрик", ресурс работы лопаток из никелевого сплава 31х1738, в условиях сульфицно-окисной коррозии повышается в резулыате нанесения этого покрытия в 1,5 — 2 раза. Особенно перспективным способом нанесения защитных покрытий считается электронно-лучевое испарение металлических н неметалличе. ских материалов в вакууме н последующая конденсация паровой фазы. В результате можно получать слои покрытий толщиной от сотых долей 145 10-5278 миллиметра до нескольких миллиметров. При этом можно создав ать материалы с заданными физико-химическими свойствами.
В 1980 г. в лаборатории Института электросварки им. Е.О. Патона АН УССР на сопловые лопатки ГТУ типа ГТК-!0-4 методом электронно. лУчевой технологии были нанесены тРи типа защитных покРытий, Они наносились испарением в вакууме при температуре 1170 — 1220 К, после чего лопатки отжигались в вакуумной печи при температуре! 310-1320 К в течение 4 ч. После наработки 3160 ч на станциях лопатки находились в хорошем состоянии [46[. В лабораторных условиях бьио исследовано влияние покрытий типа Со — Сг — Ре — 4.(Оз, нанесенных тем же мего дом на образцы из сплава ЖС6К, на их долговечность. Полученные результаты, перенесенные на долговечность лопаток в условиях эксплуатации, показали, что если без покрытия эти лопатки работоспособны при экс. плуатацин установки ГТ-100 в течение 2000 — 3000 ч, то применение этого покрьпия обеспечит работоспособность в течение всего расчетного ресур.
са, т е, 30 тыс. ч. Все большее распространение получают защитные покрьпия типа Ме — Сг — А!-У, где в качестве основного металла (Ме) применяются Сг, !ч!! или Ре. Такие покрьпия Наносятся на лопатки турбин в вакуумных установках указанным методом электронно-лучевого испарения материала с последующей конденсацией на поверхностях лопаток и обладают высокими антикоррозионными свойствами, хорошей адгезисй к защищаемому сгшаву и являются стойкими при циклических изменениях рабочей температуры. Покрытие типа )ч)! — Сг -А! — Х с содержанием Сг, А1, У (в процентах) соответственно 38, 11, 0,25 (!ч)! — основа) имеет примерно в 3 раза большую коррозионную стойкость, чем обычно применяемые алюминиевые защитные покрытия.
В целом, как отмечено в [29), разработка перспективных зашгпных покрытий ддя лопаток турбин ведется в направлении усложнения их хи. мического состава, использования многослойных покрытий, приме. пения таких технологических методов, которые обеспечивали бы получение на поверхности лопатки слоя, имеющего состав, независимый от состава основного сплава, Уже полученные экспериментальные результаты создали базу для перехода к широкому промышленному внедрению покрьпий для повышения работоспособности лопаточных аппаратов ГТУ.
Технологические процессы, применяемые для нанесения покрытий, могут использоваться для изготовления оболочковых лопаток с высокой эффек. тивностью охлаждения. Кроме защитных и конструкционных покрытий, для охлаждаемых лопаток применяют термобарьерные покрытия. Они позволяют уп остить Р схему охлаждения и уменьшить расход охлаждающего воздуха в лопатках. Такие покрытия имеют чрезвычайно низкую теплопроводносттч благодаря чему в слое покрытия создается увеличенный теплопе епад темпе- Р ратуры, способствующий при заданной температуре наружной поверх ности снижению температуры внутренней поверхности лопатки и тем са мым уменьшению расхода воздуха, необходимого для сна~на заданного тегшового потока. К термобарьерным покрытиям о~носи~ся, нап имер. Р двухслойное покрытие из тонкого (0,03 — 0,1 мм) связующего подоле" 146 рвс.
5.21. Срависиие расчетных (ливии) и из- зз мерелиых (точки) значений температуры входных кромок сопловых лопаток турбины Тл ва среднем диаметре без покрытия (криваа 1) а с пирколлсвым покрыв~ем (кривая 2) в зависимости ст ьюо (вараметры режима: Тг = = 1644 К; Рг= О,З Мна; Тв, вх = 319 К) 5()Р р,ре црб р,рг а,тр из металлического сплава (например, из Х1, 16% Сг, 6% А1, 0,6% У) и основного слоя толщиной 0,25 — 0,64 мм, состоящего из оксида циркония с присадками оксида кальция, магния или иттрия.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
