Témata
Reklama

Degradácia žiaruvzdorných povlakov rotorových lopatiek leteckého motor

Zlepšenie prevádzkových parametrov leteckého motora, najmä jeho ťahu, resp. výkonu predpokladá v prvom rade zvýšiť teplotu plynov pred turbínou. Rozhodujúcu úlohu majú teda konštrukčné materiály, ktoré sú vystavené najťažším tepelno-pevnostným podmienkam.

Rotorové lopatky leteckého motora DV-2 sú namáhané dynamickým tlakom prúdiaceho média, ale naviac ešte odstredivou silou. Tieto odstredivé a plyno-dynamické sily vyvolávajú v lopatke ťah, ohyb a krut. Ťahové napätie vzniká od odstredivých síl, krutové a ohybové napätie od pretekajúcich plynov. Napätie od odstredivej sily obvykle podstatne prevyšuje napätia od ostatných síl. Napätie od odstredivej sily má statický charakter a možno ho určiť výpočtom [1].
Tlak pracovného média však nemáva konštantnú hodnotu. V dôsledku nerovnomernosti toku plynov sú pre prácu lopatiek nebezpečné vibračné zaťaženia prejavujúce sa pri rezonančnom kmitaní lopatiek, ktoré sa javí ako najrozšírenejšia príčina vzniku povrchových únavových trhlín a poškodenia pracovných lopatiek.
Tepelné rázy pri spustení alebo náhlej zmene režimov práce prispievajú spolu s napätím v dôsledku rozdielnej tepelnej rozťažnosti k rozvoju tepelnej únavy. Pracovná teplota je najdôležitejším faktorom ovplyvňujúcim životnosť lopatiek. Pri krátkodobom prekročení pracovnej teploty nad medznú teplotu výstupných plynov, meraných za druhým stupňom nízkotlakovej turbíny, dochádza v lopatkách k štrukturálnym zmenám, ktoré majú za následok zníženie žiarupevných a žiaruvzdorných vlastností a tým aj životnosti lopatiek.
Reklama
Reklama
Reklama

Materiál rotorových lopatiek

Rotorové lopatky leteckého motora DV-2 sú vyrobené metódou presného liatia zo žiarupevnej niklovej zliatiny ŽS6K, ktorej chemické zloženie je uvedené v tab. 1. Tepelné a chemicko-tepelné spracovanie zahrnuje homogenizačné žíhanie, žíhanie na odstránenie zvyškových napätí po mechanickom opracovaní a alitosilitovanie materiálom AS2, to je termodifúznym nasycovaním povrchu lopatiek motora hliníkom a kremíkom hrúbky 20 - 50 µm, popri ktorom vznikajú aluminidné povlaky legované kremíkom.

Metodika experimentov

Pri prevádzkovaní motorov DV2 môže byť vplyvom rôznych príčin (závada systému automatickej regulácie, chyby pilotáže, vniknutie cudzích predmetov do motora atď.) prekročená medzná teplota výstupných plynov T4,C, ktorá je snímaná za nízkotlakovou turbínou. Toto zvýšenie medznej teploty, ktorá je pri spúšťaní 705 °C a pri pracovných režimoch 760 °C, spôsobuje zvýšené tepelné zaťaženie a riziko vzniku nedovoleného poškodenia motora. Prekročená medzná teplota výstupných plynov spôsobuje okrem iného aj degradáciu alitosilitovanej vrstvy AS2 a základného materiálu ŽS6K rotorových lopatiek leteckej turbíny. Krátkodobé zvýšenie pracovnej teploty je dôležitý faktor, ktorý ovplyvňuje životnosť rotorových lopatiek. Úlohou výrobcu motora je v týchto prípadoch rozhodnúť o možnostiach jeho ďalšieho prevádzkovania.
Cieľom ďalších experimentov je rozšíriť doterajšie poznatky o degradácii tepelne zaťažených rotorových lopatiek a tým na základe metalografických analýz určiť ich zostatkovú životnosť. Analýzy tepelne zaťažených lopatiek pri rôznych režimoch umožnia PSLM, a. s., Považská Bystrica vypracovať spoľahlivý postup, ktorý buď dovolí bez komplikovaného a nákladného stiahnutia motora z prevádzky a následnej demontáže lopatiek prevádzkovať tento motor do najbližšej generálnej opravy, alebo ho z prevádzky vyradiť.

Dlhodobé skúšky rotorových lopatiek

Vzorky rotorových lopatiek po metalografickej analýze východzieho stavu boli v kaliacej peci bez ochrannej atmosféry ohrievané na teplotu (930 ± 7,5) °C po dobu: 50 hodín, 100 hodín, 150 hodín, 200 až 450 hodín a po týchto časoch tepelnej expozície bude nasledovať RTG difrakčná fázová analýza a metalografické vyhodnotenie. Teplota 930 °C predstavuje experimentálne zistenú maximálnu teplotu rotorovej lopatky 1 VTT na maximálnom režime meranú v strede listu lopatky. Teplota ±7,5 °C predstavuje toleranciu kolísania teploty v peci.

Rýchly ohrev vzoriek rotorových lopatiek

Najčastejšou poruchou spôsobujúcou prehriatie rotorových lopatiek leteckého motora DV-2 je závada v palivovo-regulačnom systéme pri spúšťaní motora, pri ktorej vzhľadom na reakčnú schopnosť obsluhy a tepelnú zotrvačnosť je teplota T4,C = (1000 ± 50) °C. Tepelný spád medzi skutočne meranou teplotou a teplotou v mieste rotorovej lopatky VTT je 165 °C na režime voľnobehu, ktorý je najbližším režimom precesu spúšťania. Po dohode s vedúcim oddelenia diagnostiky a analýzy PSLM, a. s., Považská Bystrica bola doporučená povrchová teplota materiálu rotorových lopatiek (1165 ± 50) °C. Imitácia rýchleho ohrevu na teplotu (1165 ± 50) °C bola uskutočnená v laboratórnej kaliacej peci.
V priebehu experimentov bolo tepelné zaťaženie snímané termočlánkom platina - ródium a meracím zariadením Trendicator II. Snímané časovo-napäťové hodnoty boli uložené do dátového bloku počítača a spracované v programe Matlab. Obr. 2 znázorňuje uchytenie vzorky pred vložením do kaliacej pece prostredníctvom keramického prípravku, v ktorom je termočlánok ku vzorke fixovaný teplom tvrdnúcou hmotou.
V snahe priblížiť sa čo najviac reálnym prehrevom v prevádzkových podmienkach, boli vzorky rýchlo ohrievané na dohodnutú teplotu bez časovej výdrže a okamžite ochladzované. Príklad takejto tepelnej expozície znázorňuje obr. 3.

Vyhodnotenie vzoriek

Použité experimentálne vzorky budú vyhodnocované:
  • RTG difrakčnou analýzou na zistenie hmotnostného percentuálneho obsahu prvkov (hlavne hliníka) v povrchovej alitosilitovanej vrstve;
  • metalografickou analýzou zameranou na zmeny hrúbky povrchovej alitosilitovanej vrstvy, jej rovnomernosti a homogenity, na zmeny morfológie fázy ?´ v podpovrchových vrstvách a na zmeny v jadre základného materiálu ŽS6K.
  • Difúzne aluminidné povlaky chránia povrch lopatiek od vysokoteplotnej plynovej korózie a erózie, čím v značnej miere určujú životnosť lopatiek, ich spoľahlivú a bezpečnú funkciu. Preto kontrola kvality povlakov a jej ochranných vlastností je dôležitá a je zameraná na kontrolu koncentrácie hliníka v aluminidných vrstvách legovaných chrómom a na kontrolu hrúbky vrstvy.
    V dôsledku vzájomného pôsobenia hliníka a kremíka pri difúznom nasycovaní s niklovou superzliatinou sa na povrchu tvorí a rastie vrstva, na ktorej sa v súlade s princípmi difúzie a binárnej sústavy Ni-Al tvoria nasledovné aluminidy: NiAl3, Ni2Al3, NiAl a Ni3Al. Aluminidy legované kremíkom zvyšujú žiaruvzdornosť povlakov. Na obr. 4. je znázornená mikroštruktúra alitosilitovanej vrstvy rotorovej lopatky leteckého motora DV-2 bez prevádzky ?3?. Obr. 5 znázorňuje RTG difrakčnú analýzu povrchovej alitosilitovanej vzorky rotorovej lopatky leteckej turbíny bez prevádzky. Hmotnostný percentuálny obsah sledovaného prvku Al je 32,63 %.

    Záver

    V aluminidných povlakoch na niklovej superzliatine v dôsledku vysokoteplotnej plynovej korózie a erózie prebieha okrem difúzie hliníka do ochranných oxidov Al2O3 aj difúzia hliníka z povlaku do niklovej zliatiny a tiež difúzia niklu do aluminidného povlaku [4]. Toto vedie k postupnému zníženiu koncentrácie hliníka a tým k zmene fázového zloženia, hrúbky vrstvy a ochranných vlastností povlakov.
    Rýchlosť oxidácie a žiaruvzdornosť povlaku závisí od koncentrácie hliníka v hornej podvrstve povlaku. Alitosilitovaná vrstva rotorových lopatiek vyhovuje dovtedy podmienkam žiaruvzdornosti, pokiaľ sa v hornej podvrstve nachádzajú aluminidy, tj. ochranné vlastnosti povlaku závisia od "zásoby" hliníka v nich. Tento percentuálny obsah hliníka v ochrannej žiaruvzdornej vrstve bude predmetom ďalšieho skúmania už uskutočnených tepelných expozícií vzoriek.
    Ing. Marta Kianicová,
    Katedra materiálov, FŠT TNUAD v Trenčíne
    Použitá literatúra
      Vodseďálek, J., Vystyd, M., Pech, R.: Vlastnosti a použití žáropevných ocelí a slitin. SNTL Praha 1974.
      Podklady z Oddelenia technológie PSLM, a. s., Považská Bystrica.
      Kianicová, M., Várkoly, L.: Vplyv zmeny mikroštruktúry alitosilitovanej vrstvy (AS-2) a základného materiálu spôsobenej prehriatím rotorových lopatiek leteckého motora DV-2 na tepelnú únavu. Seminár doktorandov FŠT 2003, TNUAD v Trenčíne. Elektronický zborník prednášok. ISBN 88 914 - 80 - 9.
      Kianicová, M., Chovanec, A.: Posúdenie možností určovania životnosti lopatiek leteckých turbín. Zborník vedeckých prác 2003. TNUAD v Trenčíne.
    Reklama
    Vydání #10
    Kód článku: 41054
    Datum: 13. 10. 2004
    Rubrika: Trendy / Povrchové úpravy
    Autor:
    Firmy
    Související články
    Stříkání a lakování - trendy jsou nepochybné

    Nutnost zvyšovat technicko-ekonomickou úroveň firmy je na denním pořádku. Inovace zvyšují podnikovou konkurenceschopnost, kterou lze spatřovat zejména ve flexibilitě, tvorbě přidané hodnoty, efektivnosti a kvalitě. Také v oboru povrchových úprav je trendem automatizace a robotizace.

    Šetrné a účinné čištění těžko dostupných míst

    Klasické postupy čištění ve vodě se dostávají na hranice svých možností, když jde například o kapilární struktury nebo komplexní geometrie. Za takové situace se nově na scénu dostávají tzv. CNP technologie (Cyclic Nucleation Process). Tato technologie pracuje na principu cyklické nukleace (tvorby krystalových zárodků z přesycených roztoků).

    Komplexní způsob kontroly procesu odmaštění

    Článek pojednává o možnostech komplexní kontroly procesu odmaštění v průmyslových aplikacích, tj. především o možnostech kontroly stavu povrchu výrobků před procesem odmaštění a po něm a o kontrole stavu odmašťovacích kapalin pomocí UV-VIS spektroskopie.

    Související články
    Zvýšení výkonu u tribo stříkání

    Stříkání práškových barev systémem tribo je založeno na fyzikálních principech, které do značné míry určují výsledné parametry stříkacího zařízení. Výrobce stříkacích pistolí je postaven před úkol navrhnout optimální konstrukci, která bude poskytovat nejlepší možný výstup, jakým je dostatečně nabitý prášek, který vystupuje v požadovaném množství a s použitelnou rychlostí z ústí nabíjecí trubice. Jak název napovídá, nabíjení prášku tribo je založeno na principu tření.

    Reklama
    Reklama
    Reklama
    Reklama
    Související články
    Kompozitní povlaky jako možná náhrada za povlaky na bázi CrIV

    Tento příspěvek se týká oblasti povrchových úprav, zejména elektrolyticky vyloučených kovových povlaků, a to způsobu vytvoření kompozitní povrchové úpravy na bázi niklu s vysokou odolností proti opotřebení. Výsledkem provedeného výzkumu je technologický postup závěsového pokovení pro nový kompozitní povlak NiP-XLS, který by mohl nahradit povlaky na bázi CrIV.

    Ako zvýšiť kvalitu povrchových úprav

    Dokonale čistý a odmastený povrch dielov je základnou črtou pre všetky povrchové úpravy, ktorý má veľký vplyv na výslednú kvalitu produktu. Predovšetkým rôzne spôsoby nanášania kovov si vyžadujú starostlivú prípravu povrchu, aby sa zabránilo vzniku škvŕn, ktoré vznikajú v dôsledku povrchovej kontaminácie počas tvárnenia kovov.

    Vakuové odpařování - technologie budoucnosti

    Vakuové odpařování je v České republice poměrně málo používaná technologie. Má však velký potenciál pro budoucí rozšíření. Tato technologie nachází využití v povrchových úpravách, chemickém, strojírenském, potravinářském a farmaceutickém průmyslu. Firma Kovofiniš je jednou z prvních českých firem, která nabízí vlastní vakuové odparky.

    Předúprava oceli nízkoteplotním plazmatem pro zvýšení pevnosti lepeného spoje

    V příspěvku jsou shrnuty výsledky výzkumu vlivu plazmochemické předúpravy vzorků oceli DC01 na výslednou pevnost lepeného spoje. Pro předúpravu povrchu vzorků oceli byla použita RF štěrbinová tryska generující plazma. Jako pracovní plyn byl použit argon a argon v kombinacích s dusíkem nebo kyslíkem. Vliv plazmové předúpravy na povrch oceli byl vyhodnocen pomocí měření kontaktních úhlů a výpočtu volné povrchové energie. Po slepení vzorků oceli pomocí běžně užívaného lepidla Weicon Flex 310M HT200 byly testovány výsledné vlastnosti lepeného spoje pomocí standardních mechanických odtrhových testů podle ČSN EN 1465.

    Vývoj epoxidových barev na konstrukce

    Trendem dnešní doby je snižování nákladů na nátěrové systémy na konstrukce. Tyto systémy jsou ve většině případů složeny ze základní nátěrové hmoty (NH) epoxidového typu a vrchního polyuretanového emailu. V rámci úspory nákladů byla vyvinuta NH, která plní funkci obou těchto nátěrových hmot, to znamená, že má antikorozní vlastnosti, splňuje funkci vrchní NH a je možné ji aplikovat pouze v jedné vrstvě.

    Tryskání a hlavní příčiny, které snižují životnost ocelových konstrukcí

    Nové metody abrazivního tlakovzdušného tryskání, které oproti tradičním technologiím staví na přesném nastavení a elektronické kontrole procesu, jsou určeny pro dokonalou a včasnou přípravu povrchu ocelových konstrukcí před nanášením povrchových úprav. Jsou spolehlivější, rychlejší, tím i výrazně úspornější v provozních nákladech a také v celkové ekonomice technologie.

    Otěruvzdornost povlaků žárového zinku s přídavkem cínu

    Žárové zinkování ponorem představuje jeden z nejrozšířenějších způsobů ochrany ocelových materiálů kovovými povlaky. Životnost takto zhotovených povlaků je v běžném prostředí více než 50 let, a proto nevyžadují údržbu. Vlastnosti zinkového povlaku lze navíc podle použití částečně ovlivňovat přídavkem některých prvků do oceli nebo zinkové lázně. V rámci výzkumu na Ústavu strojírenské technologie ČVUT v Praze bylo cílem zhodnotit odolnost proti otěru zinkového povlaku v závislosti na obsahu cínu v zinkové tavenině.

    Čištění energetických zařízení

    Vnitřní povrchy otopných a chladicích systémů jsou během svého provozu postupně pokrývány, vlivem chemických a fyzikálně chemických reakcí, pevnými úsadami nečistot, minerálů a korozních produktů. Vzniklé látky jsou tepelným izolantem a brání přestupu tepla. To má za následek omezení účinnosti systémů, zvýšení energetických a tlakových ztrát ale i omezení možnosti regulace a celkově snížení účinnosti těchto systémů.

    Předúpravy povrchů velkorozměrných ocelových konstrukcí

    V letech 2014 až 2016 budovala jako generální dodavatel firma S.A.F. Praha, spol. s r. o., technologická zařízení pro mechanické předúpravy povrchu, odmašťování a termické nástřiky ve výrobním závodě polské firmy Famet v blízkosti města Opole. Investor a uživatel vyrábí zařízení pro energetiku, plynárenský a ropný průmysl, jejichž součástí jsou velké ocelové svařence s hmotností do 250 tun.

    Maskování pro povrchové úpravy

    Před mnoha lety, než jsem se začal zabývat povrchovými úpravami a maskováním, jsem netušil, jak komplexní obor to je a co všechno zahrnuje. Problematika je natolik obsáhlá a speciální, že by si zasloužila samostatný studijní obor na univerzitě. Zkusím proto v tomto článku popsat alespoň část svých dosavadních zkušeností a poznatků z mojí univerzity života.

    Reklama
    Předplatné MM

    Dostáváte vydání MM Průmyslového spektra občasně zdarma na základě vaší registrace? Nejste ještě členem naší velké strojařské rodiny? Změňte to a staňte se naším stálým čtenářem. 

    Proč jsme nejlepší?

    • Autoři článků jsou špičkoví praktici a akademici 
    • Vysoký podíl redakčního obsahu
    • Úzká provázanost printového a on-line obsahu ve špičkové platformě

    a mnoho dalších benefitů.

    ... již 25 let zkušeností s odbornou novinařinou

        Předplatit