Важными элементами турбин являются рабочие и сопловые лопатки, материал и конструкция которых определяют допустимую температуру газа перед турбиной и тем самым непосредственно влияют на технико-экономические показатели работы ГТД. Технологические трудности дальнейшего форсирования конвективного охлаждения лопаток, энергетическая ущербность пленочных завес и теплообменников, состояние развития металлургии жаропрочных сплавов указывают на то, что улучшение параметров цикла ГТД следует связывать с разработкой качественно новых систем защиты лопаток газовых турбин и переходом от жаростойких многокомпонентных покрытий к теплозащитным (ТЗП).
Попытки создания теплозащитных покрытий предпринимались более 60 лет назад. Однако интерес к ним возрос в последние годы, когда были созданы более современные ГТД с температурой рабочего газа близкой или превышающей температурный максимум работы существующих жаропрочных сплавов.
Проведенные исследования показали, что применением ТЗП толщиной 250 мкм с теплопроводностью 1 Вт/м°К на двух ступенях турбины можно реализовать одну из двух возможностей:
-при неизменной рабочей температуре материала лопаток увеличить температуру газа перед турбиной примерно на 100°С, что приведет к повышению КПД и экономии топлива более чем на 13%;
-не изменяя температуры газа перед турбиной - увеличить долговечность лопаток примерно в 4 раза, вследствие снижения их рабочей температуры.
В НПП "ЭЛТЕХМАШ" защитные покрытия на лопатки турбин получают путем электронно-лучевого испарения сплавов MeCrAlY (где Me- Ni, Co, Fe), MeCrAIYHfSiZr и керамики на основе Zr02, стабилизированного Y203, и последующей конденсации паровой фазы на поверхности рабочих и направляющих лопаток газовых турбин различного назначения.
Разработаны три класса покрытий:
-однослойные металлические типа MeCrAlY, MeCrAIYHfSiZr;
-однослойные композиционные микрослойного типа с чередованием слоев MeCrAlY (MeCrAIYHfSiZr)-MeCrAIY (MeCrAIYHfSiZr)+MeO (где MeO- Al203 или Zr02+6...8мac.% Y203);
-двухслойные покрытия с внутренним металлическим MeCrAlY (MeCrAIYHfSiZr) и внешним керамическим (Zr02-Y203) слоями;
-двухслойные покрытия с внутренним композиционным MeCrAlY (MeCrAIYHfSiZr)+MeO дисперсноупрочнен-ного или микрослойного типов и внешним керамическим (Zr02-Y203) слоями;
-трехслойные покрытия с внутренним и промежуточным металлическими слоями на основе сплавов MeCrAlY (MeCrAIYHfSiZr) и внешним керамическим слоями на основе керамики (Zr02-Y203);
-трехслойные покрытия с внутренним металлическим MeCrAlY (MeCrAIYHfSiZr), промежуточным композиционным MeCrAlY (MeCrAIYHfSiZr)-МеО дисперсно-упрочненного или микрослойного типов и внешним керамическим (Zr02-Y203) слоями.
Разработанные НПП "ЭЛТЕХМАШ" защитные покрытия и технологии защищены Патентом Украины №42052 от 15.10.2001 г.
В НПП "ЭЛТЕХМАШ" разработана технология нанесения новых типов керамических материалов для ТЗП с повышенной вязкостью разрушения, содержащих так называемые "элементы саморегулирования" - частицы или микрослои, способные "залечивать" микротрещины в керамическом материале, возникающие при термоциклах "нагрев-охлаждение".
Стоимость нанесения покрытия от 40 до 150 долларов США в зависимости от количества одновременно покрываемых лопаток в оснастке.
Возможно также проведение реставрации лопаток, отработавших свой ресурс.
Применение защитных покрытий позволяет:
-увеличить долговечность рабочих и направляющих лопаток в 2-5 раз;
-повысить рабочую температуру газа и коэффициент полезного действия турбин;
|
|
| Лопатки газотурбинных двигателей: слева - без покрытий, в центре - с металлическим покрытием, справа - с двухслойным покрытием металл / керамика |
Образцы лопаток и других деталей горячего тракта ГТД без покрытия и с нанесенным защитным покрытием |