rst- 70 2014

Download RST- 70 2014

Post on 11-Nov-2015

218 views

Category:

Documents

4 download

Embed Size (px)

DESCRIPTION

Caracteristici tehnice si de performanta pentru paleta de turbina libera dincomponenta turbomotoarelor

TRANSCRIPT

  • 1

    SECTIUNEA 1

    RAPORTUL STIINTIFIC SI TEHNIC

    (RST) Proiectul: Aliaje avansate pe baza de titan cu acoperiri dure pentru turbine de motoare industriale cu

    poluare redusa - HardTiCoat

    ETAPA DE EXECUTIE NR. 1

    CU TITLUL : Caracteristici tehnice si de performanta pentru paleta de turbina libera din componenta turbomotoarelor

    - Decembrie 2014 -

  • 2

    1. REZUMATUL ETAPEI 1

    Lucrarea prezinta rezultatele obtinute in etapa a I-a a proiectului, referitoare la proiectarea compozitiei aliajului utilizat pentru executia paletei de turbina libera pentru motoare industriale.

    In cadrul acestei etape, s-au efectuat activitati privind:

    Activitate 1.1 Definirea cerintelor privind caracteristicile paletei de turbina libera

    Activitate 1.2 Proiectarea compozitiei aliajului utilizat pentru executia paletei de turbina libera Activitate 1.3 Proiectarea tehnologiei de sinteza a aliajului Activitate 1.4 Selectarea compozitiei pentru acoperirea paletelor de turbina libera

    Activitate 1.5 Calcule termodinamice preliminare

    Activitate 1.6 Studii teoretice de stabilitate a fazelor structurale ale acoperirilor de faze ternare

    In prezent, pentru componentele turbomotoarelor, inclusiv pentru paletele de turbina care functioneaza la temperaturi peste 550C - pana la temperaturile inalte de 1100 - 1400C -, se utilizeaza superaliajele de nichel, care au greutate mare si sunt scumpe (in special dupa includerea in anul 2009 a nichelului intre materiile prime strategice). Aliajele de titan, care au avantajul de a fi mai usoare, au in prezent limitari in ceea ce priveste temperatura de functionare (de pana la 550 - 600C).

    Tendintele in ceea ce priveste cresterea eficientei turbomotoarelor, in special in domeniul industrial, dar si in cel aeronautic, au in vedere cresterea temperaturii de functionare, pentru reducerea consumului de combustibil la aceeasi putere generata, dar si reducerea greutatii proprii a componentelor si a costurilor. De aceea, pentru industriile de profil este de un real interes dezvoltarea de noi aliaje de titan care au greutate specifica aproape jumatate din cea a aliajelor de nichel si care functioneaza la temperaturi mai inalte decat aliajele comerciale de titan actuale.

    Pe baza analizei privind caracteristicile fizico-mecanice si structurale necesare pentru aliajele pe baza de titan destinate executiei componentelor de turbomotoare care functioneaza in conditii de temperaturi ridicate si a studiului influentei elementelor de aliere ale titanului asupra acestor caracteristici, s-a proiectat compozitia aliajului pentru paleta de turbina libera. Acest aliaj pe baza de titan contine aluminiu, element care stabilizeaza faza si care are un rol important in cresterea raportului rezistenta mecanica/greutate specifica, zirconiu, element neutru din punct de vedere al stabilizarii fazelor, care creste refractaritatea si rezistenta la fluaj, staniu, de asemenea, element neutru, care impreuna cu siliciul asigura structura cu precipitate fine (compusi ai titanului cu staniu si respectiv siliciuri) responsabile pentru rezistenta la temperatura si caracteristicile mecanice ridicate, niobiu si tantal in cantitati mici, care cresc refractaritatea si asigura suficienta cantitate de faza pentru cresterea rezistentei la temperatura si imbunatatirea prelucrabiliatii aliajului. In compozitie mai pot intra molibden si vanadiu, elemente care, in cantitati mici, favorizeaza structura + .

    Prin adaosul acestor elemente de aliere in titan se urmareste obtinerea unui aliaj cu capabilitate termica crescuta prin dispersie fina de precipitate ordonate in matrice + care impreuna cu acoperiri de tip bariera termica noi, alcatuite din faze ternare MAX (care se vor dezvolta in proiect de catre partenerul CO), sa permita o temperatura de lucru de cca. 700 C, cu 100 C mai mare decat temperatura de lucru a actualelor aliaje de titan comerciale.

    S-au propus trei compozitii alternative. Toate cele trei compozitii de aliaj cu baza Ti contin ca elemente de aliere Al, Sn, Zr, Si, Ta, Nb. Doua dintre compozitii contin pe langa aceste elemente si Mo, iar una dintre acestea contine pe langa Mo si V.

  • 3

    Compozitiile propuse pentru noul aliaj care va fi cercetat in proiect, avand ca utilizare vizata executia paletei de turbina libera destinata turbomotoarelor industriale, sunt prezentate in tabelul de mai jos. Compozitii pentru aliajul care se cerceteaza

    Compozitie [% greutate] Al Sn Zr Mo Si V Ta Nb Ti

    5,5 6,5 2-3 3,5-4,5 - 0,2 0,4 - 2 2 rest 5,5 6,5 2-3 3,5-4,5 1 0,2 0,4 - 2 2 rest 5,5 6,5 2-3 3,5-4,5 1 0,2 0,4 1 2 2 rest

    In etapa urmatoare a proiectului va fi selectata compozitia optimala, avandu-se in vedere studiile de simulare privind influenta compozitiei aliajului asupra temperaturii de functionare si rezultatele cercetarilor experimentale.

    Pe baza rezultatelor analizei proceselor fizico-chimice in stare lichida care au loc la sinteza aliajelor cu baza titan, a proprietatilor fizico-chimice ale elementelor componente si a avantajelor si dezavantajelor procedeelor de topire a acestor aliaje s-a stabilit metoda de elaborare a aliajului fiind selectata metoda de topire in cuptor cu creuzet rece (in levitatie).

    Tehnologia de sinteza a aliajului pentru palete de turbina libera are in vedere urmatoarele cerinte rezultate din studiul si analizele efectuate in cadrul etapei:

    - sinteza aliajului trebuie sa se realizeze in atmosfera controlata inerta (argon); - sinteza aliajului se va efectua in cuptor cu creuzet rece. Avand in vedere cele de mai sus, se poate aprecia ca rezultatele obtinute in cadrul acestei etape

    corespund estimarilor initiale; aceste rezultate garanteaza atingerea obiectivuilui proiectului si, prin urmare, nu sunt necesare corectii in desfasurarea proiectului.

    Activitatea 1.1. Definirea cerintelor privind caracteristicile paletei de turbina libera (Stabilirea cerintelor de performanta privind caracteristicile fizice, mecanice si functionale ale componentelor turbomotoarelor, cu particularizare la paleta de turbina libera)

    1. Introducere

    Turbomotorul este un motor termic, care poate produce o cantitate mare de energie, in raport cu dimensiunile si masa lui. Turbomotoarele au o mare flexibilitate din punct de vedere al combustibilului utilizat care poate consta in petroluri, gaze naturale, metan, biocombustibili. Aceste caracteristici au condus in mod natural la utilizarea turbomotorului intr-o multitudine de domenii: aviatie, industrial si propulsie maritima. Principial, ca mod de functionare, turbomotorul foloseste ca fluid de lucru aerul pentru a produce o putere (la arbore) sau o forta de tractiune (aeroreactoare). Pentru a o obtine, aerul care trece prin motor trebuie accelerat in sensul ca viteza sau energia cinetica a aerului trebuie crescuta. Astfel ca, mai intai se va creste presiunea, se va adauga energie termica, care apoi va fi transformata in energie cinetica (sub forma unui jet de aer cu viteza mare). Indiferent de tipul sau domeniul de aplicatie, turbomotorul are printre componentele principale compresor, camera de ardere si turbina. Performantele turbomotorului in ansamblul sau sunt puternic influentate de eficienta fiecarei componenta in parte. In Figura 1 este prezentata dependenta ranadamentului global al ciclului unui

  • 4

    turbomotor in functie de gradul de comprimare al compresorului, la o anumita temperatura la intrarea in turbina [i]:

    Figura 1. Randamentul global functie de gradul de comprimare al compresorului [1].

    Se observa ca prin cresterea termperaturii la intrarea in turbina si cresterea gradului de comprimare al compresorului (pana la o anumita valoare a acestuia) se obtine o crestere a randamentului global. Astfel, in mod natural, in ultimele decade, tendinta a fost de crestere a acestor doi parametrii dupa cum este prezentat in Figurile 2 si 3 [1]. In figura 3, se specifica de asemenea ca, odata cu introducerea paletelor cu structura monocristalina (1980), temperatura operationala a putut fi crescuta considerabil.

    Figura 2. Evolutia gradului de comprimare, in ultimele decade.

    Figura 3. Evolutia temperaturii la intrarea in turbina, in ultimele decade.

    Pentru majoritatea turbomotoarelor, factorul de constrangere a fost temperatura la intrarea in turbina. In prezent, se poate ajunge la temperaturi de 1430 C, cu grade de comprimare de 40:1, cu

  • 5

    randamente de peste 45 % [1]. Diversi autori [ii,iii,iv] au remarcat faptul ca in ultimele decenii temperatura la intrarea in turbina (TET) a fost crescuta cu circa 500 C pe baza dezvoltarii de noi materiale si tehnologii pentru racirea componentelor sau prin acoperiri de suprafata de tip bariera termica. Circa 30% din aceasta crestere este atribuita imbunatatirii proprietatilor superaliajelor si metodelor de solidificare pentru obtinerea de structuri columnare sau monocristaline. Figura 44 prezinta evolutia temperaturii la intrarea in turbina pentru motoarele civile dezvoltate de Rolls-Royce [v]. Aceste solicitari de natura termo-mecanica determina restrictii in ceea ce priveste materialele care pot fi utilizate pentru realizarea diferitelor componente ale turbomotoarelor pentru a asigura stabilitatea structurala si integritatea functionala pentru durate mari de timp.

    Figura 4. Evolutia TET pentru motoarele dezvoltate de Rolls-Royce. Adaptat din Ref. [5]. In Figura 5 sunt prezentate (ca ordine de marime) variatiile temperaturii, vitezei si a presiunii totale a aerului, pentru a crea o imagine generala asupra solicitarilor intr-un turbomotor [vi].

    Figura 5. Variatia temperaturii, vitezei si presiunii aerului intr-un turbomotor. Adaptat din Ref. [6]

    2. Definirea cerintelor privind caracterist