Artykuł naukowy

Tomasz Sadowski, Przemysław Golewski
Politechnika Lubelska
Nadbystrzycka 40, 20-618 Lublin,
[email protected] , [email protected]
ANALIZA NAJBARDZIEJ WYTĘŻONYCH MIEJSC W ŁOPATCE SILNIKA
TURBINOWEGO POD WZGLĘDEM WYTRZYMAŁOŚCIOWYM I
EKSPLOATACYJNYM
Streszczenie
Łopatki silników turbinowych są to elementy, za pośrednictwem których przekazuje
się energię czynną wirnikowi od przepływających spalin. Prędkości obrotowe z jakimi wirują
łopatki są rzędu kilkudziesięciu tysięcy obr/min zaś temperatury zawierają się w przedziale
800 – 1200 0C.
Łopatka składa się zasadniczo z dwóch części: roboczej zwanej profilową oraz stopki.
Niebezpiecznym miejscem, gdzie dochodzi do koncentracji naprężeń jest połączenie części
profilowej ze stopką.
Coraz częściej stosowane są powłoki ochronne TBC [4, 12-13, 17] (Thermal Barier
Coating) na części profilowej, które mają za zadanie chronić nie tylko przed wysoką
temperaturą, lecz także przed agresywnym środowiskiem.
Autorzy w pracy przedstawili sposób dokładnego określania poziomu naprężeń w
wyodrębnionym obszarze łopatki, wykorzystując technikę tzw. submodelingu. Celem było
określenia poziomu spełnienia kryterium uszkodzenia warstwy TBC oraz samej łopatki.
Określano także kierunek rozwoju uszkodzenia po przekroczeniu dopuszczalnych obciążeń
stosując technikę XFEM [14].
Przeprowadzone badania mikroskopowe części profilowej potwierdzają także
występowanie w miejscach najbardziej wytężonych wżerów. Chemiczna analiza powierzchni
wykazuje obecność takich pierwiastków jak Cl, S, Na i inne co świadczy o możliwości
wystąpienia korozji. Powyższe czynniki mogą przyczyniać się do obniżenia trwałości
zmęczeniowej łopatki.
1
1. Wprowadzenie.
Rozwój superstopów jako materiału do produkcji łopatek turbin silników spalinowych
następował w drugiej połowie dwudziestego wieku. Głównym powodem ich zastosowania był
brak spadku wartości granicy plastyczności przy wzrastającej temperaturze pracy łopatki. Dla
stopu ŻS6U, z którego wykonana jest łopatka silnika PZL-10W będąca obiektem analizy
niniejszego artykułu, w zakresie temperatur od 20 do 800 0C, wspomniane wartości różnią się
o około 1%.
Łopatki silników turbinowych posiadają kilka parametrów pracy charakteryzowanych
przez następujące czynniki:
- wysokie naprężenia mechaniczne (wywołane siłą odśrodkową [1,2], drganiami [3])
- środowisko pracy (korozja, erozja, uderzenia cząstek stałych) [16-17]
- wysokie naprężenia cieplne [4-10] (w wyniku dużych różnic temperatur)
Jednym z najczęściej występujących oddziaływań w turbinie silnika są zmienne w
czasie pola siłowe spowodowane niestacjonarnością przepływu spalin i wzajemnym
oddziaływaniem aerodynamicznym elementów silnika, wywołujące niszczenie łopatek w
wyniku zmęczenia i pełzania materiału. Ponadto, niekorzystny wpływ wysokiej temperatury
na trwałość łopatek wynika między innymi z intensyfikacji procesów korozji, erozji [11],
zmian w strukturze materiału oraz obniżenia jego własności wytrzymałościowych.
Aby zapobiegać takim zjawisko jak korozja czy szoki termiczne, powierzchnie
robocze łopatek pokrywa się za pomocą różnego typu ceramicznych powłok ochronnych TBC
[4, 12 - 13]. Przemysłowe zastosowanie znalazło wiele typów warstw otrzymywanych między
innymi metodami APS (Air Plasma Spray) i EB-PVD (Electron Beam Physical Vapour
Deposition). Warstwy te w zasadniczy sposób podnoszą własności żaroodporne warstwy
wierzchniej łopatki co pokazano w niniejszej pracy oraz poprzez ich zastosowanie można
uzyskać tym samym przedłużenie czasu eksploatacji turbiny.
2. Obciążenia mechaniczne - metoda analityczna wyznaczania naprężeń podczas pracy
łopatki.
2.1.Rozciąganie łopatek.
Łopatka o długości części roboczej l [m] znajduje się pod działaniem sił
odśrodkowych (rys. 1). Oznaczmy przez γ [N/m3] ciężar właściwy materiału F, Fi, F0 [m2] –
pola przekrojów poprzecznych łopatki w odległościach r i ri oraz R0 [m] od osi obrotu.
2
Wirnik obraca się z prędkością kątową ω [rpm]. W przekrojach odległych o ri i R0
panują naprężenia rozciągające
σ ri =
ω2
gFi
l
∫ γF (R0 + x )dx oraz σ Ro =
xi
ω2
gF0
l
∫ γF (R
0
+ x )dx
0
gdzie:
σ – naprężenia [MPa]
g – przyspieszenie ziemskie [m/s2]
Rys. 1
Rys. 2
Na rys. 2 przedstawiono w formie wykresu przebieg naprężeń rozciągających oraz siły
odśrodkowej. Ekstremalne wartości na poziomie 378 MPa zanotowano u podstawy łopatki.
Powyższe naprężenia mają największy udział procentowy spośród wszystkich występujących
obciążeń (zginanie, skręcanie, oddziaływanie sił aerodynamicznych gazów spalinowych).
2.2. Zginanie łopatek spowodowane siłą odśrodkową.
Załóżmy, że linia środków ciężkości przekrojów łopatki jest krzywą przestrzenną,
której kształt wyznaczają współrzędne x, y mierzone od prostej przechodzącej przez środek
ciężkości przekroju łopatki przy stopce i będącej przedłużeniem promienia tarczy (rys. 3).
Oznaczmy przez xi, yi odległości od tej prostej środka ciężkości przekroju oddalonego o ri od
osi obrotów. Wydzielmy z łopatki element o grubości dr.
3
Momenty całkowity w przekroju i względem osi x i y wynoszą:
M xd =
γ
g
ω
R1
2
∫ F ( yr
i
− y i r )dr
M yd =
ri
γ
g
ω
R1
2
∫ F (x − x )rdr
i
ri
oraz przy stopce łopatki:
M
(s)
xd
=
γ
g
R1
(s )
ω R0 ∫ Fydr
M yd =
2
R0
γ
g
ω
R1
2
∫ Fxrdr
R0
Powyższe momenty gnące działające na kierunkach x i y (rys. 4) rozkładamy na
składowe wzdłuż centralnych osi głównych x0, y0, otrzymując wówczas moment wypadkowy
w kierunku osi x0 – Mx0 oraz w kierunku osi y0 – My0.
Ze względu na zmieniające się pole przekroju poprzecznego na każdym promieniu
obliczenia momentów gnących przeprowadzono metodą tabelaryczną dla dziesięciu promieni.
Największe naprężenia gnące istnieją w skrajnych warstwach oznaczonych literami A,
B, C, D (rys. ) i są równe
σ ' gA, B ,C , B =
M y0
J y0
σ ' ' gA, B ,C , D =
x A , B ,C , D
M x0
y A , B ,C , D
J x0
gdzie:
Jx0, Jy0 – main central moments of inertia of blade cross section [m4]
x, y – współrzędne punktów A, B, C, D w układzie osi centralnych głównych [m].
Rys. 4
Rys. 3
3. Metoda numeryczna wyznaczania naprężeń podczas pracy łopatki.
Celem przeprowadzenia symulacji numerycznej było określenie miejsc najbardziej
wytężonych w łopatce a następnie porównanie wyników z metodą analityczną.
4
Złożenie składało się z łopatki oraz części gniazda w którym łopatka była
zamontowana. Ze względu na skomplikowany kształt zarówno łopatki jak i gniazda do
wykonania siatki elementów skończonych użyto elementów typu C3D4 o łącznej ilości 66222
(51540 dla łopatki oraz 14682 dla gniazda). Symulacja była typu statycznego, obciążenie
stanowiła prędkość obrotowa o wartości 27000 obr/min oraz ciśnienie przyłożone do
powierzchni roboczej łopatki o wartości 0,22 MPa. W wyniku uzyskano rozkłady naprężeń
zredukowanych Misesa. Symulacja potwierdziła, że ekstremalne wartości naprężeń o wartości
454 MPa (rys.5) znajdują się w niedużej odległości od krawędzi natarcia po stronie
podciśnienia.
Rys. 5
Drugi etap symulacji polegał na wyodrębnieniu z modelu łopatki objętości gdzie
występowały największe naprężenia tzw. submodelu [14]. Nowy model został podzielony na
partycję oraz dodatkowo została wyodrębniona warstewka ochronna TBC o grubości 0,3 mm.
W opisie modelu dla materiału TBC dodano także informacje o uszkodzeniu stosując
kryterium maksymalnych naprężeń. Obciążenie stanowiły wyniki uzyskane w symulacji dla
globalnego modelu. Do utworzenia siatki wykorzystano tym razem elementy C3D8R w ilości
104987. Po przeliczeniu submodelu otrzymano te same wartości przemieszczeń, jednak
naprężenia Misesa były o 18,6% większe w stosunku do modelu globalnego. Przeprowadzono
szereg symulacji dla różnych prędkości obrotowych obserwując rozwój uszkodzenia jakie
5
pojawiało się w warstewce TBC. Zależność pomiędzy prędkością obrotową a ilością
uszkodzonych elementów jest pokazana na wykresie Rys. 6.
Rys. 6
4. Obciążenia środowiskowe.
Obciążenia środowiskowe jakim poddane są łopatki silników turbinowych to głównie
korozja i erozja będąca wynikiem oddziaływania gazów spalinowych. Korozja turbin
spalinowych stoi na przeszkodzie w podnoszeniu sprawności cieplnej ze względu na istnienie
temperatury krytycznej, powyżej której rozpoczyna się jej gwałtowny wzrost. Agresywność
spalin zależy w znacznym stopniu od składu chemicznego i rodzaju paliwa, warunków jego
spalania oraz temperatury w której spaliny wchodzą w kontakt z tworzywami
konstrukcyjnymi. Zawarte w składzie spalin związki siarki powodują pojawienie się korozji
siarczkowo – tlenkowej, głównie pierwszego stopnia łopatek.
Erozja jest powszechnie akceptowana jako drugi mechanizm, który pocienia warstwę
TBC jako warstwę izolacji. Podczas kołowania samolotu na płycie lotniska lub lądowania
może dochodzić do zasysania do silnika cząstek stałych zawartych w powietrzu. Ich znaczna
większość jest zatrzymywana na łopatkach sprężarki, jednak te mniejsze potrafią się dostać do
sekcji turbiny roboczej [16]. Biorąc pod uwagę aerodynamikę cząstki większe niż 20 µm nie
mogą trafić w krawędź natarcia lub w jej pobliżu. Badania dowodzą, że cząstki większe niż
6
100 µm uderzają w łopatki których prędkość liniowa wynosi 500 – 600 m/s i mają
wystarczającą energię aby erodować TBC. Uderzenie cząstki większej niż około 500 µm jest
wystarczające do wywołania odprysku od podkładu warstwy TBC [17].
W pracy analizie poddano łopatkę silnika PZL-10W, która została wycofana z
eksploatacji. Na rys. 7 przedstawiono powiększony pod mikroskopem obraz w dwóch
miejscach łopatki: w połowie jej wysokości oraz w dolnej jej części. Z analizy dwóch
punktów wynika, że dolna części łopatki jest silnie narażona na erozję oraz korozyjne
działanie gazów spalinowych czego dowodem są widoczne wżery, tworzące jak wyżej
wspomniano karby. Karby usytuowane w dolnej części łopatki są tym bardziej niebezpieczne,
gdyż występują tam maksymalne naprężenia pochodzące od zginania łopatki podczas jej
pracy, co uwidacznia rys. 8.
Rys. 8
Rys. 7
Wykonana została także analiza chemiczna w kilku punktach łopatki w celu określenia
procentowego udziału poszczególnych pierwiastków, ich średnią zawartość pokazano na rys.
9. Wykryto łącznie 13 pierwiastków z czego Ni, Al oraz Mo są pierwiastkami wchodzącymi
w skład stopu z której wykonana jest łopatka i ich łączny udział wagowy jest największy.
Kolejnym pierwiastkiem jest węgiel i pochodzi on ze spalania paliwa lotniczego, przybiera on
często formę pojedynczych ziaren sadzy jak pokazano na rys. 10. Dwa następne pierwiastki o
znacznym udziale procentowym to Al oraz O. Al jak wspominano wyżej wchodzi też w skład
stopu materiału łopatki i razem z tlenem tworzy związek Al2O3. Aluminium podobnie jak Na,
Si, K, Ca mogą pochodzić także z gleby np. podczas startu czy lądowania helikoptera
7
wzbudzane są kurz i pył, które są zasysane do silnika. Niebezpieczna jest obecność chloru,
który może być w związku z Na tworząc agresywne środowisko sprzyjające korozji.
Rys. 10
Rys. 9
Zatem powiązanie korozji chemicznej oraz elektrochemicznej z powstałymi wżerami
np. od uderzeń cząstek stałych jak piasek będzie sprzyjać obniżeniu trwałości zmęczeniowej
łopatki czego dowodem są przeprowadzone badania mikroskopowe oraz analiza chemiczna
powierzchni roboczej.
5. Obciążenia termiczne.
Łopatka poddana badaniom wykonana jest z odlewniczego, żarowytrzymałego stopu
na osnowie niklu ŻS6U. Charakterystyki mechaniczne stopów żarowytrzymałych w zakresie
temperatur 20-500 0C zmieniają się nieznacznie rys. 11 [15]. W zakresie temperatur 500 - 700
0
C obserwuje się niewielki wzrost granicy plastyczności w porównaniu z temperaturą
pokojową. Od temperatury 700 0C obserwuje się spadek właściwości wytrzymałościowych
stopu.
1100
Rm, R0,2 [MPa]
1000
900
800
Rm
R0,2
700
600
500
400
0
200
400
600
Temperature [C]
Rys. 11
8
800
1000
Na rys. 12 przedstawiono poziom nagrzania łopatek po upływie tego samego czasu od
zapoczątkowania zapłonu silnika. Cienka warstewka TBC o grubości 0,3mm skutecznie
zapobiega przed nagrzewaniem od gorących spalin. Odpływ ciepła z roboczej części łopatki
odbywał się do wieńca, który jest chłodzony powietrzem pochodzącym ze sprężarki.
Temperatura gazów spalinowych wynosiła 1300 0C.
Blade without TBC
Blade with TBC
Rys. 12
6. Wnioski.
1. Uzyskano zbieżność wyników otrzymanych na drodze teoretycznej oraz w wyniku
przeprowadzenia symulacji komputerowej. Maksymalne naprężenia zredukowane Misesa
występowały u podstawy łopatki.
2. Rozważając tylko naprężenia normalne pochodzące od rozciągania (około 378 MPa) i
zginania (około 46 MPa), otrzymujemy ekstremalne naprężenia w punkcie B (Rys. 4) o
wartości 424 MPa.
3. Po uwzględnieniu naprężeń stycznych, ekstremalne naprężenia zredukowane Misesa są
powyżej punktu B również na krawędzi przekroju i wynoszą 454 MPa.
4. Zastosowana w obliczeniach numerycznych technika submodelingu pozwoliła na
dokładniejsze wykonanie siatki elementów skończonych wraz z wykonaną warstwą ochronna
TBC. Sekcja dla wyodrębnionego fragmentu w modelu globalnym posiadała 772 elementy
zaś submodel 104987 elementów. W wyniku tego uzyskano dokładniejsze wartości naprężeń
Misesa, większe o 18,6 % (biorąc pod uwagę maksymalną wartość) w stosunku do modelu
globalnego.
5. Posługując się techniką X-FEM wyznaczono krytyczna wartość prędkości obrotowej
łopatki przy której warstewka TBC nie ulega uszkodzeniu. Po przekroczeniu prędkości 26750
9
obr/min dochodzi do szybkiego uszkadzania elementów aż do prędkości 27500 po
przekroczeniu której wzrost już nie jest taki gwałtowny.
6. Przedstawiony schemat rozwiązywania problemów wykrywania miejsc najbardziej
wytężonych może być przydatny na etapie projektowania łopatek w celu uniknięcia
wykonywania kosztownych testów.
7. Występowanie wżerów, których źródłem może być korozja lub erozja od uderzających
cząstek stałych zmusza do przestrzegania resursów. Zastosowanie warstwy ochronnej TBC,
może zatem wydłużyć czas pracy łopatki. Będzie to tematem kolejnych badań.
8. Zastosowanie warstwy ochronnej TBC wpływa znacząco na wartość temperatury podczas
szoków termicznych jakie zachodzą podczas uruchamiania silnika i pozwoliło na jej
obniżenie o około 15% w odniesieniu do łopatki bez pokrycia po takim samym czasie
nagrzewania. Jak wspomniano wyżej parametry stopu z jakiego wykonano łopatkę silnie
zależą od temperatury, więc taki spadek temperatury wpłynie znacząco na bezpieczeństwo i
uniemożliwi pojawienia się odkształceń plastycznych.
Literatura:
[1] E. Poursaeidi, M. Aieneravaei, M. R. Mohammadi, Eng. Failure Analysis 15 (2008) 1111
-1129
[2] Lijie Chen, Yinghua Liu, Liyang Xie, International Journal of Fatigue 29 (2007) 10 – 19
[3] Jianzhong Li, Seng T. Lie, Zhangzhi Cen, Finite Elements in Analysis and Design 35
(2000) 337 – 348
[4] T. Sadowski, P. Golewski, Computational Materials Science 50 (2011) 1326-1335
[5] T.Sadowski, Non-symmetric thermal shock in Ceramic Matrix Composite (CMC)
materials, in: R. de Borst, T.Sadowski (Eds.), Lecture notes on composite materials –
Current topics and achievements, Springer, 2008.
[6] T. Sadowski, S. Ataya, K. Nakonieczny, Comp. Mater. Sci., 46 (2009) 687-693.
[7] T. Sadowski, K. Nakonieczny, Comput. Mat. Sci., 43 (2008) 171-178.
[8] T. Sadowski, M. Boniecki, Z. Librant, K. Nakonieczny, Int. J. Heat and Mass
Transfer, 50 (2007) 4461-4467.
[9] K. Nakonieczny, T. Sadowski, Comp. Mater. Sci., 44 (2009) 1307-1311.
[10] K. Nakonieczny, T. Sadowski, Comp. Mater. Sci., 47 (2010) 867.
[11] Z. Mazur, R. Garcia-Illescas, J. Porcayo-Calderon (2009), Engineering Failure Analysis
16 1020 – 1032.
10
[12] T. Sadowski, P. Golewski, (2012), Computational Materials Science 52, Issue 1 293 –
297.
[13] Dae-Jin Kim, In-Hwan Shin, Jae-Mean Koo, Chang-Sung Seok, Tack-Woon Lee, (2010),
Surface & Coatings Technology 205 451 – 458.
[14] Abaqus 6.10 Documentation.
[15] Marek Cieśla (2009) Trwałość nadstopu niklu ŻS6U z alumidkową warstwą ochronną w
warunkach obciążeń cieplnych i mechanicznych, Wydawnictwo Politechniki Śląskiej.
[16] Xi Chen, John W. Hutchinson, Journal of the Mechanics and Physics of Solids 50 (2002)
2669 – 2690,
[17] Tom Strangman, Derek Raybould, Ahsan Jameel, Wil Baker, Surface & Coatings
Technology 202 (2007) 658–664,
11