ГЛАВА 2
РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ ОЦЕНКИ РЕСУРСА И СРЕДНЕЙ РАБОЧЕЙ ТЕМПЕРАТУРЫ ЗАЩИТНЫХ ПОКРЫТИЙ ЛОПАТОК ГТУ
В этой главе рассматриваются первые две задачи, поставленные в предыдущей главе в разделе 1.5, - разработка подхода для оценки ресурса защитных металлических покрытий лопаток ГТУ и разработка подхода для оценки остаточного ресурса и средних рабочих температур защитных металлических покрытий лопаток ГТУ. Так же описаны теоретические основы дальнейших исследований, а именно: выбранная методика идентификации параметров моделей, метод решения обратных и параметрический анализ чувствительности параметров моделей.
2.1 Расчетно-экспериментальный подход как основа методов оценки ресурса средних рабочих температур покрытий лопаток ГТУ
Часто при расчетном анализе в используемых моделях имеется ряд входных параметров, значения которых известны не точно (известен интервал возможных значений или они заданы дискретно) или вообще не известны. Эта неопределенность, как правило, приводит к неточным результатам расчетов. Одним из способов повышения точности результатов расчетов является расчетно-экспериментальный подход [34, 56-58].
Определение: расчетно-экспериментальный подход это способ анализа, оптимизации и прогнозирования исследуемых процессов на основе компьютерной (расчетной) модели, адекватность которой обеспечивается путем идентификации параметров выбранной математической модели на основе экспериментальной информации об исследуемом процессе.
Таким образом, для того чтобы повысить точность расчетного анализа исследуемых процессов необходимо выбрать или разработать модель, описывающую исследуемые процессы, и выбрать такой набор экспериментальных данных, который позволит провести идентификацию неизвестных входных параметров модели. Тогда полученные после идентификации параметры модели позволят получить более точное долгосрочное прогнозирование массообменных процессов и ресурса металлических покрытий при заданном критерии ресурса.
2.2 Разработка метода оценки ресурса защитных металлических покрытий лопаток ГТУ
Впервые использование расчетно-экспериментального подхода для прогнозирования массообменных процессов было изложено в работах [59-62]. Ниже излагается метод, использующий расчетно-экспериментальный подход, для оценки ресурса в усовершенствованном и доработанном виде.
Схема метода (рис. 2.1) для прогнозирования массообменных процессов и ресурса защитных металлических покрытий лопаток ГТУ сводится к следующему:
1. Построение (выбор) математической модели, которая достаточно хорошо описывает основные физические процессы, происходящие в исследуемой системе и определяющие ресурс покрытия.
2. Проведение краткосрочных экспериментальных исследований для определения законов образования окисной пленки и распределений (профилей) концентраций Al в покрытии и основном сплаве (Сэ) для разных температур и различных моментов времени (выдержек образцов покрытий в печах).
3. Идентификация неизвестных параметров Ри(Т) модели по данным эксперимента на основе решения ОЗ, что дает близость профилей См и Сэ. Здесь и ниже Ри(Т) - вектор искомых параметров Ри=(Р1, P2, ..., Рi, ..., Pn)
4. Долгосрочное прогнозирование массообменных процессов и ресурса покрытий на основе выбранной в п.1 модели с найденными в п.3 параметрами массообмена.
Рис. 2.1 Схема метода к прогнозированию массообменных процессов и ресурса покрытий лопаток газовых турбин
Обычно используют более простую схему прогнозирования (рис. 2.1): модель + найденные из литературы параметры модели Р0(Т) = прогноз. В общем случае такая схема может быть применена для простых составов сплавов, например [5,6] для тройного сплава, а для более сложных составов может приводить к недостаточно точным прогнозам из-за неточно известных параметров модели Р0(Т). Поэтому использование полной схемы расчетно-экспериментального подхода на основе полученных идентификацией параметров модели Ри(Т) обеспечивает гораздо более точные прогнозы.
Рассматриваемый расчетно-экспериментальный подход предполагает поиск параметров модели (п. 3) с помощью решения ОЗ (задач идентификации) на основе имеющихся краткосрочных экспериментальных данных. Решение ОЗД сводится к поиску таких значений параметров Ри(Т), для которых величина
(2.1).
Более детально использованный метод решения ОЗ описан ниже в параграфе 2.4, а так же в [63].
2.3 Разработка метода оценки остаточного ресурса и средней рабочей температуры защитных металлических покрытий лопаток ГТУ
Впервые методика для оценки средних рабочих температур и остаточного ресурса была представлена в работах [56,64].
Схема проведения расчетов по определению рабочих температур покрытий представлена на рисунке 2.2.
1. Предварительные исследования. По схеме, описанная в 2.2.1 с п.1 по п.3. проводится определение решением ОЗ по предварительно проведенным экспериментам основных массобменных параметров модели Ри(Т). В результате решение ОЗ для различных температур строятся зависимости найденных параметров модели Ри(Т) от температуры.
2. Получение данных с натурного объекта (исследование лопатки ГТУ). В качестве экспериментальных данных используются распределение концентрации Al по покрытию СЭ, полученное либо с помощью рентгеноспектрального микроанализа либо методами неразрушающего контроля после отработки покрытия на лопатке ГТУ определенного количества часов. Возможно так же использование другой экспериментальной информации о протекавших диффузионных процессах, например положение границ зон обезлигирования.
Рис. 2.2 Схема метода для оценки остаточного ресурса и средней рабочей температуры защитных покрытий лопаток газовых турбин
3. Определение рабочей температуры и остаточного ресурса покрытия: Для расчетов используется та же модель, что и в п. 1. Выбирается температура начального приближения из области исследованной в п.1. По этой температуре определяется вектор начальных параметров. Вектор начальных параметров используется в модели для получения расчетных значен