cahtНаучный вестник МГТУ ГАCivil Aviation High Technologies2079-06192542-0119Moscow State Technical University of Civil Aviation (MSTU CA)10.26467/2079-0619-2023-26-1-72-80caht-2134Research ArticleТРАНСПОРТНЫЕ СИСТЕМЫTRANSPORTATION SYSTEMSВлияние примесей, содержащихся в топливе и воздухе, на сульфидную коррозию лопаток турбины газотурбинных двигателейInfluence of impurities contained in fuel and air on sulfide corrosion of turbine blades of the gas turbine engineСамойленкоВ. М.SamoylenkoV. M.

Самойленко Василий Михайлович, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой авиатопливообеспечения и ремонта летательных аппаратов

Москва

Vasily M. Samoylenko, Doctor of Technical Sciences, Professor, The Head of the Aviation Fuel Supply and Aircraft Repair Chair

Moscow

v.samoilenko@mstuca.aeroПащенкоГ. Т.PaschenkoG. T.

Пащенко Геннадий Трофимович, кандидат технических наук, начальник управления

Москва

Gennady T. Paschenko, Candidate of Technical Sciences, The Head of the ACS Department of the A. Lyulka

Moscow

gennadij.paschenko@okb.umpo.ruСамойленкоЕ. В.SamoylenkoE. V.

Самойленко Елизавета Васильевна, студентка механического факультета

Москва

Elizaveta V. Samoylenko, Student of the Mechanical Department

Moscow

elizavetta.samojlenko@mail.ruГнездиловаА. А.GnezdilovaA. A.

Гнездилова Анастасия Александровна, студентка механического факультета

Москва

Anastasia A. Gnezdilova, Student of the Mechanical Department

Moscow

nastik.gnez02@gmail.comМосковский государственный технический университет гражданской авиацииРоссияMoscow State Technical University of Civil AviationRussian FederationОпытно-конструкторское бюро имени А. Люльки – филиал ПАО «ОДК-УМПО»РоссияExperimental Design Bureau named after A. Lyulka – Branch of PJSC «UEC-UMPO»Russian Federation2023080320232617280Copyright © Самойленко В.М., Пащенко Г.Т., Самойленко Е.В., Гнездилова А.А., 20232023Самойленко В.М., Пащенко Г.Т., Самойленко Е.В., Гнездилова А.А.Samoylenko V.M., Paschenko G.T., Samoylenko E.V., Gnezdilova A.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://avia.mstuca.ru/jour/article/view/2134

В процессе совершенствования газотурбинных двигателей (ГТД), повышения ресурса и коэффициента полезного действия (КПД) происходит постоянный рост температуры и давления рабочего тела. Элементы турбиныподвергаются высоким термомеханическим нагрузкам и непрерывному воздействию со стороны агрессивной среды. Эти воздействия особенно существенны для рабочих лопаток первых ступеней турбины ГТД, находящихся в области наиболее высоких температур. Один из самых серьезных видов повреждений в данном случае – коррозионное воздействие на рабочую лопатку со стороны газовых продуктов сгорания, поступающих в проточную часть турбины. Применяемое на воздушном судне (ВС) топливо ТС-1 содержит в своем составе сернистые соединения –элементарную серу и меркаптаны, что в процессе сгорания совместно с находящимися в воздухе натрием и калием приводит к агрессивному воздействию на материал рабочей лопатки турбины ГТД. Для обеспечения длительной работы лопаток турбины ГТД при температуре газа на входе в турбину до 800…850 ℃ содержание данных продуктов как в топливе, так и в воздухе, согласно нормативно технической документации, ограничивают. Однако исключить их полностью пока нет возможности. Присутствие соединений серы на лопатках турбины ГТД вызывает протекание сульфидной коррозии. Поэтому в статье рассматривается влияние примесей в топливе и воздухе на процесс протекания сульфидной коррозии материала лопаток турбины ГТД. Представлен механизм растворения серы в оксидах металла или защитного покрытия, а также диффузия оксида серы с поверхности покрытия в его глубь. Установлена причина влияния содержащегося в воздухе хлористого натрия на коррозию никелевого сплава или применяемого на нем защитного покрытия. Приводится влияние находящегося в топливе ванадия на скорость коррозии. С целью увеличения работоспособности рабочих лопаток турбины ГТД при воздействии такой агрессивной среды предлагается применение нового покрытия, формируемого из водной суспензии и позволяющего ввести в состав покрытия хром, что обеспечивает более высокую долговечность такого покрытия в сравнении с серийными алюминидными покрытиями. Введение хрома обеспечивается за счет экзотермической реакции, протекающей в процессе формирования покрытия при термической обработке.

In the process of improving gas turbine engines (GTE), increasing the resource and efficiency, there is a constant increase in temperature and pressure of the working fluid. Turbine elements are subjected to high thermomechanical loads and continuous exposure from the aggressive environment. These impacts are especially significant for the working blades of the first stages of the turbine, located in the area of the highest temperatures. One of the most serious types of damage in this case is the corrosive effect on the working blade from the combustion gases entering the flow part of the turbine. The TS-1 fuel used on an aircraft contains sulfur compounds in its composition – elemental sulfur and mercaptans, which in the combustion process, together with sodium and potassium in the air, leads to an aggressive effect on the material of the turbine blade. To ensure the long-term operation of the turbine blades of the turbine at the gas temperature at the turbine inlet up to 800...850 ℃, the content of these products in both fuel and air is limited according to the regulatory and technical documentation. However, it is not yet possible to exclude them completely. The presence of sulfur compounds on the turbine blades of the GTE causes sulfide corrosion. Therefore, the article considers the influence of impurities in fuel and air on the process of sulfide corrosion of the turbine blades material of the turbine. The mechanism of sulfur dissolution in metal oxides or protective coating is presented, as well as the diffusion of sulfur oxide from the coating surface into its depth. The reason for the influence of sodium chloride contained in the air on the corrosion of nickel alloy or the protective coating applied on it has been established. The influence of vanadium in the fuel on the corrosion rate is given. In order to increase the efficiency of the turbine blades when exposed to such an aggressive environment, it is proposed to use a new coating formed from an aqueous suspension and allowing the introduction of chromium into the coating, which provides a higher durability of such a coating in comparison with serial aluminide coatings. The introduction of chromium is ensured by an exothermic reaction occurring during the formation of the coating during heat treatment.

серасульфидная коррозияатомная решетказащитное покрытиекоррозионные процессыпримесиникелевый сплавsulfursulfide corrosionatomic latticeprotective coatingcorrosion processesimpuritiesnickel alloyReferencesАбраимов Н.В., Елисеев Ю.С. Химико-термическая обработка жаростойких сталей и сплавов. М.: Интермет Инжиниринг, 2001. 622 с.Abraimov, N.V. & Eliseev, Yu.S. (2001). [Chemical and thermal treatment of heat-resistant steels and alloys]. Moscow: Intermet Inzhiniring, 622 p. (in Russian)Мубояджян С.А., Лесников В.П., Кузнецов В.П. Комплексные защитные покрытия турбинных лопаток авиационных ГТД. Екатеринбург: Квист, 2008. 208 с.Muboyadzhyan, S.A., Lesnikov, V.P. & Kuznetsov, V.P. (2008). [Complex protective coatings for turbine blades of aircraft gas turbine engines]. Yekaterinburg: Kvist, 208 p. (in Russian)Никитин В.И. Коррозия и защита лопаток газовых турбин. Л.: Машиностроение, 1987. 272 с.Nikitin, V.I. (1987). [Corrosion and protection of gas turbine blades]. Leningrad: Mashinostroyeniye, 272 p. (in Russian)Гишваров А.С. Повреждаемость материалов энергетических установок в условиях коррозионно-активной среды. М.: Машиностроение, 2014. 297 с.Gishvarov, A.S. (2014). [Damage rate of power plants materials in a corrosive environment]. Moscow: Mashinostroyeniye, 297 p. (in Russian)Коломыцев П.Т. Защитные покрытия для никелевых сплавов. М.: Металлургия, 1991. 154 с.Kolomytsev, P.T. (1991). [Protective coatings for nickel alloys]. Moscow: Metallurgiya, 154 p. (in Russian)Давыдов М.Н., Гишваров А.С., Рахимов А.Х. Моделирование долговечности лопаток турбин в условиях коррозионноактивной среды // Вестник УГАТУ. 2016. Т. 20, № 1 (71). С. 71–80.Davydov, M.N., Gishvarov, A.S. & Rahimov, A.H. (2016). Modeling of durability of turbine blades in the corrosive environment. Vestnik UGATU, vol. 20, no. 1 (71), pp. 71–80. (in Russian)Качанов Е.Б., Тамарин Ю.А. Покрытия для защиты лопаток турбин от сульфидной коррозии // Технология легких сплавов. 2005. № 1-4. С. 171–180.Kachanov, E.B. & Tamarin, Yu.A. (2005). [Coatings to protect turbine blades fromsulfide corrosion]. Tekhnologiya legkikh splavov, no. 1–4, pp. 171–180. (in Russian)Карпинос Б.С., Барило В.Г., Самулеев В.В. Разрушение элементов горячего тракта авиационных газовых турбин // Вестник двигателестроения. 2004. № 1. C. 4–10.Karpinos, B.S., Barilo, V.G. & Samuleev, V.V. (2004). [Destruction of elements of the hot path of aviation gas turbines]. Vestnik dvigatelestroyeniya, no. 1, pp. 4–10. (in Russian)Ющенко К.А., Савченко В.С. Высокотемпературная газовая коррозия лопаток турбин из никелевых сплавов в процессе эксплуатации // Автоматическая сварка. 2005. № 5. C. 25–34.Yushchenko, K.A. & Savchenko, V.S. (2005). [High-temperature gas corrosion of nickel alloy turbine blades during operation]. Automatic welding, no. 5, pp. 25–34. (in Russian)Mahobia G.S. Effect of hot corrosion on low cycle fatigue behavior of superalloy IN718 / G.S. Mahobia, N. Paulose, S.L. Mannan, R.G. Sudhakar, K. Chattopadhyay, N.C. Santhi Srinivas, V. Singh // International Journal of Fatigue. 2014. Vol. 59. Pp. 272–281. DOI: 10.1016/j.ijfatigue.2013.08.009Mahobia, G.S., Paulose, N., Mannan, S.L., Sudhakar, R.G., Chattopadhyay, K., Santhi Srinivas, N.C. & Singh, V. (2014). Effect of hot corrosion on low cycle fatigue behavior of superalloy IN718. International Journal of Fatigue, vol. 59, pp. 272–281. DOI: 10.1016/j.ijfatigue.2013.08.009Yang X., Li S., Qi H. Effect of hightemperature hot corrosion on the low cycle fatigue behavior of a directionally solidified nickel-base superalloy // International Journal of Fatigue. 2015. Vol. 70. Pp. 106–113. DOI: 10.1016/j.ijfatigue.2014.08.011Yang, X., Li, S. & Qi, H. (2015). Effect of high-temperature hot corrosion on the low cycle fatigue behavior of a directionally solidified nickel-base superalloy. International Journal of Fatigue, vol. 70, pp. 106–113. DOI: 10.1016/j.ijfatigue.2014.08.011Зрелов В.Н., Пискунов В.А. Реактивные двигатели и топливо. М.: Машиностроение, 1986. 293 с.Matrelov, V.N. & Piskunov, V.A. (1986). [Jet engines and fuel]. Moscow: Mashinostroyeniye, 293 p. (in Russian)Химич В.Л., Кузнецов Ю.П. О механизме солеотложения в проточной части газотурбинного двигателя, работающего в условиях морской среды // Современные проблемы науки и образования. 2015. № 1-1. С. 99.Khimich, V.L. & Kuznetsov, Yu.P. (2015). About the mechanism of salt scaling in the flow section of a gas turbine engine operating in the marine environment. Sovremennyye problemy nauki i obrazovaniya, no. 1-1, pp. 99. (in Russian)Грядунов К.И. Химмотология авиационных горюче-смазочных материалов: тексты лекций. М.: ИД Академии Жуковского, 2021. 184 c.Gryadunov, K.I. (2021). [Chemmotology of aviation fuels and lubricants: lecture texts]. Moscow: ID Akademii Zhukovskogo, 184 p. (in Russian)Бокштейн Б.С. Диффузия в металлах. М.: Металлургия, 1978. 248 с.Bokshtein, B.S. (1978). [Diffusion in metals]. Moscow: Metallurgiya, 248 p. (in Russian)Wagner C. Beitrag zur theorie des anlaufvorgangs // Zeitschrift für Physikalische Chemie. 1933. Vol. 21B, no. 1. Pp. 25–41. DOI: 10.1515/zpch-1933-2105Wagner, C. (1933). Beitrag zur theorie des anlaufvorgangs. Zeitschrift für Physikalische Chemie, vol. 21B, no. 1, pp. 25–41. DOI: 10.1515/zpch-1933-2105Chaug R., Stewart W., Wagner C. Diffusion of sulfur 35 NiO and CoO // Proceedings of the International Symposium on Reactivity of Solids. Bristol, 17–21 July 1972. Chapman and Hall, Ltd., 1972. p. 231.Chaug, R., Stewart, W. & Wagner, C. (1972). Diffusion of sulfur 35 NiO and CoO. Proceedings of the International Symposium on Reactivity of Solids. Bristol, 17–21 July. Chapman and Hall, Ltd., p. 231.Гильдер X., Мербиола Р. Сульфидная коррозия сплавов на основе никеля и кобальта // Жаропрочные сплавы для газовых турбин: материалы международной конференции / Под ред. Д. Котсорадиса, П. Феликса, Х. Фишмайстера и др. М.: Металлургия, 1981. С. 59–79.Gilder, X. & Merbiola, R. (1981). [Sulfide corrosion of alloys based on nickel and cobalt]. Zharoprochnyye splavy dlya gazovykh turbin: materialy mezhdunarodnoy konferentsii, in D. Kotsoradis, P. Felix, H. Fishmeister et al. (Eds.). Moscow: Metallurgiya, pp. 59–79. (in Russian)Иванов Е.Г. Новое жаростойкое покрытие / Е.Г. Иванов, А.В. Зоричев, В.М. Самойленко, Г.Т. Пащенко // Оборонный комплекс – научно-техническому прогрессу России. 2008. № 3. С. 22–24.Ivanov, E.G., Zorichev, A.V., Samoylenko, V.M. & Pashchenko, G.T. (2008). [New heat-resistant coating]. Defense Industry Achievements – Russian Scientific and Technical Progress, no. 3, pp. 22–24. (in Russian)Иванов Е.Г. Применение покрытий из водной суспензии для защиты деталей ГТД от коррозии / Е.Г. Иванов, В.М. Самойленко, Р.Г. Равилов, М.А. Петрова // Научный Вестник МГТУ ГА. 2015. № 217. С. 46–50.Ivanov, E.G., Samoylenko, V.M., Ravilov, R.G. & Petrova, M.A. (2015). Application of the aqueous coating suspension for the protection of gas turbine engine parts from corrosion. Nauchnyy Vestnik MGTU GA, no. 217, pp. 46–50. (in Russian)

The authors declare that there are no conflicts of interest present.