Известия РАН. Серия физическая, 2021, T. 85, № 12, стр. 1821-1824

Моделирование теплового состояния деталей с керамическими покрытиями в высокочастотном электромагнитном поле

А. Б. Кувалдин 1, А. Р. Лепешкин 12*, О. И. Ильинская 2, М. А. Федин 1, А. О. Кулешов 1

1 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования “Национальный исследовательский университет “Московский энергетический институт”
Москва, Россия

2 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования “Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)”
Москва, Россия

* E-mail: lepeshkin.ar@gmail.com

Поступила в редакцию 05.07.2021
После доработки 26.07.2021
Принята к публикации 27.08.2021

Полный текст (PDF)

Аннотация

Приведены результаты исследований и моделирования нестационарного теплового состояния деталей с керамическими покрытиями в высокочастотном электромагнитном поле. Разработанную методику можно использовать для нагрева и моделирования нестационарного теплового состояния лопаток турбин с керамическими теплозащитными покрытиями и других охлаждаемых деталей газотурбинных двигателей.

ВВЕДЕНИЕ

В перспективных авиационных двигателях и энергетических установках предусматривается применение керамических теплозащитных покрытий (ТЗП) для улучшения работы лопаток турбин авиационных газотурбинных двигателей [ГТД] и газотурбинных энергетических установок [ГТУ]. Повышение температуры газа перед турбиной позволяет улучшить характеристики ГТД [14].

Для определения долговечности лопаток турбин с ТЗП проводятся их испытания на газодинамических стендах [4, 5] и на установках с использованием высокочастотного индукционного нагрева [613]. C точки зрения снижения стоимости испытаний и повышения точности моделирования теплового состояния деталей целесообразно проводить циклические испытания охлаждаемых деталей и лопаток турбин с ТЗП на установках индукционного нагрева.

В работах [810] получены результаты исследований стационарных распределений температуры по толщине стенки детали с ТЗП при высокочастотном индукционном нагреве.

Задачи моделирования нестационарного теплового состояния охлаждаемых лопаток ГТД и других деталей с керамическими теплозащитными покрытиями в высокочастотном электромагнитном поле при испытаниях являются актуальными.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

Разработка методики моделирования и исследование нестационарного теплового состояния деталей и лопаток турбин с керамическими покрытиями в высокочастотном электромагнитном поле при испытаниях являются актуальными задачами. Их новизна состоит в моделировании и исследовании нестационарного теплового состояния детали с ТЗП и нестационарного перепада температуры по толщине керамического покрытия на разных частотах тока. Моделирование теплового состояния деталей и лопаток турбин с керамическими ТЗП в высокочастотном электромагнитном поле при циклических испытаниях проводили на двух установках, которые работают на частотах тока 0.4 и 2 МГц.

На рис. 1 показаны устройство индуктора и охлаждаемая лопатка турбины с ТЗП при циклических испытаниях. На данном рисунке можно увидеть свечение от нагретой лопатки турбины авиационного ГТД на максимальном режиме. Нестационарное тепловое состояние лопатки турбины с керамическим ТЗП обеспечивалось необходимыми режимами высокочастотного индукционного нагрева, режимами охлаждения с использованием внутреннего воздуха, подаваемого во внутренние каналы лопатки и внешнего воздуха, подаваемого на поверхность лопатки в конце испытательного термоцикла. Указанные параметры высокочастотного нагрева и охлаждения определялись перед испытаниями на основе расчетного моделирования нестационарного теплового состояния лопатки турбины с ТЗП с использованием метода конечных элементов. Регистрация температур на поверхности лопатки осуществлялась с помощью термопар и термографа Flir.

Рис. 1.

Лопатка турбины и устройство индуктора при циклических испытаниях.

При нормальной температуре керамические ТЗП имеют свойства диэлектрических материалов. При повышении температуры в керамических ТЗП появляются полупроводниковые свойства, что приводит к повышению электрических потерь и электропроводности (к появлению дополнительного теплового потока) в керамических покрытиях. Этот важный фактор необходимо учитывать при моделировании теплового состояния лопаток турбин с керамическими ТЗП.

В расчетном моделировании нестационарного теплового состояния охлаждаемой детали учитывались свойства жаропрочного никелевого сплава и керамического материала покрытия из диоксида циркония, различные граничные условия по температуре и коэффициентам теплоотдачи наружного и внутреннего воздуха, тепловые потоки на поверхности детали и по глубине поверхностного слоя детали с учетом частоты тока, а также дополнительный тепловой поток в керамическом покрытии из-за указанных выше диэлектрических потерь и некоторого повышения электропроводности. По результатам расчетного моделирования получены кривые нестационарного теплового состояния до температуры 1200°С и изменения перепада температур охлаждаемой детали с керамическим теплозащитным покрытием толщиной 0.22 мм в высокочастотном электромагнитном поле на частотах тока 2 МГц (рис. 2) и 0.4 МГц (рис. 3), а также с покрытием толщиной 0.1 мм на частоте 2 MГц. Анализ полученных результатов показывает, что в конце нестационарного нагрева детали с толщиной покрытия 0.22 мм перепады температур составляют 70°С (на частоте 0.4 МГц) и 140°С (на частоте 2 МГц); для детали с толщиной покрытия 0.1 мм соответственно 75°С (на частоте 2 МГц), что хорошо согласуется с экспериментальными данными по измерениям температур с помощью термопар и термографа. Таким образом, расчетные и экспериментальные данные и результаты моделирования нестационарного теплового состояния охлаждаемой детали показывают, что с помощью высокочастотного индукционного нагрева можно проводить циклические испытания охлаждаемых лопаток турбин авиационных ГТД. При этом условия нестационарного теплового состояния деталей и лопаток турбин и перепады температуры по керамическому ТЗП соответствуют эксплуатационным условиям.

Рис. 2.

Кривые нестационарного теплового состояния охлаждаемой детали с керамическим покрытием (на частоте тока 2 МГц): 1 – температура поверхности покрытия, 2 – температура наружной поверхности детали, 3 – температура внутренней поверхности детали.

Рис. 3.

Кривые нестационарного теплового состояния охлаждаемой детали с керамическим покрытием (на частоте тока 0.4 МГц): 1 – температура поверхности покрытия, 2 – температура наружной поверхности детали, 3 – температура внутренней поверхности детали.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Приведены результаты исследований моделирования нестационарного теплового состояния охлаждаемых деталей с керамическими теплозащитными покрытиями в высокочастотном электромагнитном поле. Анализ полученных расчетных и экспериментальных результатов показал, что нестационарное тепловое состояние охлаждаемых деталей и лопаток турбин и перепады температуры по толщине керамического ТЗП соответствуют эксплуатационным условиям. Разработанная методика позволила повысить темпы нагрева и эффективность ускоренных термоциклических испытаний (с сокращением их сроков) лопаток ГТД с керамическими ТЗП в высокочастотном электромагнитном поле. Разработанную методику можно использовать для высокочастотного нагрева и моделирования нестационарного теплового состояния лопаток турбин с керамическими теплозащитными покрытиями и других охлаждаемых деталей ГТД и ГТУ при испытаниях и исследованиях в различных отраслях машиностроения, в том числе при изучении тепловых деформаций деталей и в технологических процессах.

Список литературы

  1. Балдаев Л.Х., Балдаев С.Л., Мазилин И.В. и др. // Надежн. и безопасн. энергет. 2016. № 2(33). С. 70.

  2. Кашин Д.С., Стехов П.А. // Труды ВИАМ. 2018. № 2(62). С. 84.

  3. Li B., Fan X., Li D et al. // Math. Probl. Engin. 2017. V. 2017. Art. No. 147830.

  4. Lepeshkin A.R, Nazarov V.V., Ilinskaya O.I. et al. // J. Phys. Conf. Ser. 2017. V. 899. Art. No. 072002.

  5. Grinkrug M.S., Balli M.K., Tkacheva J.I. et al. // IOP Conf. Ser. Mater. Sci. Engin. 2020. V. 734(2). Art. No. 012022.

  6. Кувалдин А.Б., Лепешкин А.Р. Скоростные режимы индукционного нагрева и термонапряжения в изделиях. М.: Инфра-М, 2019. 282 с.

  7. Лепешкин А.Р., Кувалдин А.Б., Лепешкин С.А. и др. Способ нагрева диэлектрического или полупроводникового материала. Патент РФ № 2416869, кл. H05B 6/64. 2005.

  8. Лепешкин А.Р., Хамидуллин А.Ш., Ильинская О.И. и др. // Насосы. Турбины. Системы. 2019. № 1(30). С. 48.

  9. Лепешкин А.Р., Ильинская О.И. и др. // XLIII Акад. чтения по космонавтике. Сборник тезисов. Т. 2. М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2019. С. 88.

  10. Лепешкин А.Р. Бычков Н.Г., Першин А.В. // Теплофиз. высок. темп. 2010. Т. 48. № 5. С. 734.

  11. Кувалдин А.Б., Федин М.А., Поляков О.А. // Изв. РАН. Сер. физ. 2020. Т. 84. № 2. С. 161; Kuvaldin A.B., Fedin M.A., Polyakov O.A. // Bull. Russ. Acad. Sci. Phys. 2020. V. 84. No. 2. P. 122.

  12. Lepeshkin A., Remchukov S., Yaroslavtsev N. et al. // J. Phys. Conf. Ser. 2021. V. 1925. Art. No. 012086.

  13. Lepeshkin A., Kuvaldin A., Lepeshkin C. et al. // IOP Conf. Ser. Mater. Sci. Engin. 2020. V. 950. Art. No. 012022.

Дополнительные материалы отсутствуют.