Эрозионные свойства твердых частиц и защитные покрытия для лопаток компрессоров газовых турбин

Аннотация

Jasem  Alqallaf, Naser  Ali, Joao A.  Teixeira, Abdulmajid Addali: Газовые турбины (ГТД) часто используются в суровых условиях, когда компоненты ГТ включая лопатки компрессора и лопатки ротора, подвержены эрозионному повреждению частицами песка и пыли. Например, в пустынной среде скорость повреждения, нанесенного эрозией твердых частиц (ЭТЧ) становится тяжелым, что приводит к деградации деталей ГТД, снижая эффективность цикла, сокращение срока службы устройства и увеличение общей стоимости эксплуатации. Таким образом, понимание Механизм эрозии, вызванный твердыми частицами, и связанные с ним эффекты имеют решающее значение для выбор соответствующих контрмер и поддержание работоспособности системы.

Введение

Спрос на энергию растет во всем мире в связи с ростом экономики и населения. Проблемы в отношении энергетической безопасности также будет расти по мере того, как требуется больше энергоресурсов. В следствии, критерии эффективности современных машин и циклов должны быть еще более строго определены в терминах доводить компоненты до предела своих возможностей [1]. Промышленность газотурбинных двигателей (ГТД) - это вносит важный вклад в мировую экономику и с первых лет своего существования демонстрирует непрерывный рост [2,3]. ГТД широко используются в двигательных установках и производстве электроэнергии на кораблях, самолетах и в промышленности, поскольку их способности работать в широком диапазоне условий окружающей среды и с высокой производительностью. Двигатель функционирует путем обмена тепловой энергии сгорания на механическую работу, которая достигается через рабочую жидкость (в большинстве случаев воздух). Вопросы управления жизненным циклом ГТД включают: затраты на обслуживание и эксплуатацию, надежность и наличие запасных частей [4]..

Общее содержание

Ранее было показано, как (ЭТЧ) вызывает деградацию поверхностей, что, следовательно, может вызвать снижение общей эффективности системы в результате дефекта, нанесенного частям устройства. Кроме того, механизм, в котором эффект SPE развивается или распространяется на конкретной поверхности, как было замечено, зависит, главным образом, от материала поверхности, подвергшейся воздействию, свойств частиц и условий столкновения. Один из подходов, который был продемонстрирован для уменьшения механизма (ЭТЧ), - это поверхностные защитные покрытия, где выбор подходящего материала пленки, толщины и способа изготовления имеет решающее значение для увеличения срока службы оборудования, подвергаемого SPE. Тем не менее, есть еще некоторые проблемы, которые необходимо рассмотреть для дальнейшего продвижения в этой области, которые перечислены ниже:

1. По-прежнему не хватает данных по (ЭТЧ) для недавно разработанных передовых композитных материалов, таких как те, которые содержат графен, углеродные нанотрубки и другие наноусиления углеродной основы..
2. Имитационных исследований эффектов (ЭТЧ) на композиты по-прежнему недостаточно, и они должны быть далее исследуются для количественных целей.
3. Разработка нового поколения тонкослойных покрытий, которые являются прочными, с незначительным эффектом веса, рентабельны и легко наносятся, имеет большое значение и остается одной из основных задач для исследователей.
4. Выполнить экспериментальные исследования по реализации повышения эксплуатационных свойств лопаток компрессора.
5. Производство тонких пленок с многофункциональными свойствами, такими как защита от эрозии, коррозии, защиты от обледенения и абразивного износа, было бы очень привлекательным для промышленности ГТД и многих других секторов.
6. Развитие технологий изготовления покрытий и / или стандартизация существующих методов с точки зрения скорости осаждения, температуры и условий окружающего давления имеет большое значение.
7. Также необходимо рассмотреть исследование долговременной деградации осажденных пленок, поскольку большинство доступных исследований сосредоточено на кратковременном поведении слоя покрытия. Следовательно, они не предоставляют конечному пользователю полную картину происходящего.

Выводы

В этой статье представлен обзор доступной в открытом доступе литературы по SPE, возникающему при работе ГТД в суровых и / или эрозионных условиях. Были описаны важные механизмы SPE. и пересмотрены с акцентом на физические явления с целью улучшения управления движением частиц для минимизации возникающего износа. Многие примеры приводятся в литературе, некоторые из них обсуждались здесь, особенно те, которые связаны с материалами, с точки зрения пластичных и хрупких материалов. Многие ключевые элементы процесса эрозии до сих пор оказались слишком сложными для успешного моделирования, в то время как получение прямых и точных измерений остается сложной задачей. К таким процессам относятся частицы свойства и условия столкновения. Изобретательные теоретические и экспериментальные подходы очень необходимы.

Список источников

1. E. J. Mittemeijer and M. A. J. Somers (Ed.), Thermochemical Surface Engineering of Steels, 2014 Woodhead Publishing Series in Metals and Surface Engineering: Number 62, Cambridge, UK, Waltham, MA, U.S.A., Kidlington, UK, p. 1–792.;
   2.P. Terry, High-temperature Gear Materials, Gear Technology, November/December 2013, p. 94.
2. Goldberg C.; Nalianda, D.; Sethi, V.; Pilidis, P.; Singh, R.; Kyprianidis, K. Assessment of an energy-esocient aircraft concept from a techno-economic perspective. Appl. Energy 2018, 221, 229–238.
3. DiMarco, P. C.  Navy Foreign Object Damage and Its Impact on Future Gas Turbine Engine Low Pressure Compression Systems. In Agard Conference Proceedings Agard Cp; AGARD: Rotterdam, The Netherlands, 1994; p. 6.
4. Salehnasab, B. Zateajam, H. Mousavi, Failure Analysis of a C450 Stainless Steel Blade in: A Compressor. Indian J. Sci. Res. Spl. 2014, 2, 143–150.