Efectos de las cargas t©rmicas variables en los ?culo - Efectos de las cargas...  plantas...

download Efectos de las cargas t©rmicas variables en los ?culo - Efectos de las cargas...  plantas nucleares,

of 14

  • date post

    11-Oct-2018
  • Category

    Documents

  • view

    215
  • download

    0

Embed Size (px)

Transcript of Efectos de las cargas t©rmicas variables en los ?culo - Efectos de las cargas...  plantas...

  • Artculo de Investigacin / Research Manuscript

    Efectos de las cargas trmicas variables en los Sistemas de Barrera Trmica

    Effects of variable thermal loads in Thermal Barrier Coatings

    Andrs Ignacio Daz Cano, Luis Tobn1

    Fecha de recepcin: 27 de mayo de 2013

    Fecha de aceptacin: 20 de julio de 2013

    ResumenLos sistemas de barrera trmica (TBC) han sido una solucin para incrementar las temperaturas de operacin de mquinas trmicas como turbinas para generacin elctrica, motores de combustin interna y dems aplicaciones de alta solicitacin. Las caractersticas de las cargas trmicas a las que son sometidos los sistemas TBC determinan factores claves como el crecimiento de xidos y la propagacin de grietas. El presente estudio propone el diseo y construccin de un prototipo que permite desarrollar experimentos que simulan las cargas trmicas variables en condiciones reales de operacin, dando la posibilidad de medir las temperaturas de la capa protectora cermica y el sustrato durante la prueba. Adicionalmente, es posible recrear el gradiente trmico entre dichos componentes. Finalmente, empleando anlisis y procesamiento digital de imgenes se observa el crecimiento de xidos y comportamiento de grietas para una probeta sometida a 64 ciclos trmicos.

    PALABRAS CLAVE: Sistemas de barrera trmica, ciclo trmico, porosidad, anlisis y procesamiento digital de imgenes.

    1 Grupo de tribologa y superficies. Facultad de Minas Universidad Nacional de Colombia sede Mede-lln aidiaz@unal.edu.co, letobon@unal.edu.co

    A. I. Daz Cano, l. Tobn, Efectos de las cargas trmicas variables en los sistemas de Barrera Trmica Revista CINTEX,Vol. 18, pp. 283-296. 2013.

  • Daz, A y Tobn, L. / Efectos de las cargas trmicas variables en los sistemas de barrera trmica

    284

    AbstractThermal barrier coatings have been a solution to increase service temperatures in thermal machines as electric generation turbines, internal combustion engines and other high solicitation applications. Thermal loads features applied to TBC systems determine key factors as oxides growing and crack propagation. This study propose design and construction of a prototype which allows the developing of experiments simulating real services, variable thermal loads and the measurement of a protective ceramic layer, Top coat, and substrate temperature during the test. Additionally, is possible to recreate the thermal gradient between these components. Finally, using image processing and analysis of oxide growth and cracks propagation were analyzed in a sample brought under 64 cycles.

    KEywORDS: Thermal barrier coatings, thermal cycling, porosity, processing and digital image analysis

    1. Introduccin

    Una de las grandes necesidades que afronta la sociedad moderna es la creciente demanda de energa elctrica, recurso suministrado mediante plantas nucleares, hidroelctricas, trmicas o fuentes de energa renovable. Colombia, gracias a sus notables riquezas hdricas, abastece la energa elc-trica de manera satisfactori. Sin embargo, en regiones costeras en donde los recursos no son ptimos se plantea la alternativa de generacin mediante centrales trmicas, las cuales contribuyen con alrededor del 30% del sistema de suministro elctrico nacional [1].

    Las turbinas empleadas en dichas centrales son mquinas trmicas que producen trabajo de manera proporcional a la deferencia de temperaturas del proceso que en ellas tiene lugar. De este modo, la generacin elctrica ser proporcional, entre otros muchos factores, a la temperatura mxima de operacin [2]. Las condiciones de servicio a altas temperaturas afectan la integridad y el desempeo mecnico de los componentes de la turbina [3].

    A lo largo de la historia se han desarrollado aplicaciones tecnolgicas para lograr que esos componentes puedan trabajar a mayores temperaturas. La Figura 1 muestra el incremento de temperatura a lo largo de los aos, segn las diferentes tecnologas empleadas en los labes de las turbinas a gas.

    Una solucin para mantener mayores temperaturas en las turbinas ha sido el uso de Sistemas de barrera trmica (TBC, por sus siglas en ingls) [1-3].

  • Revista Cintex. Institucin Universitaria Pascual Bravo, Vol. 18, 2013 285

    Ellos constan de dos capas principales: (i) una capa de anclaje (BC), constitui-da por elementos metlicos, y (ii) una capa protectora cermica (TC). Actual-mente las capas son depositadas empleando una variedad de tcnicas, entre las que se destacan: Air Plasma Spray (APS), high velocity oxy-fuel (HVOF), Electron beam physical vapor deposition (EB-PVD)[5].

    Figura 1. Desarrollo de materiales para labes de turbinas a travs del tiempo [4].

    En Colombia, las centrales termo-generadoras son sistemas para gene-racin secundaria o de apoyo, lo que se traduce en arranques acelerados y tiempos de operacin cortos y poco uniformes. Estas condiciones de opera-cin generan cargas trmicas variables en los sistemas TBC, las cuales varan respecto a las temperaturas de operacin estables y tiempos prolongados presentes cuando las plantas termo-generadoras son la principal fuente de abastecimiento elctrico [1].

    Adicional a las turbinas para generacin elctrica, los sistemas de barrera trmica son empleados en aplicaciones como motores de combustin inter-na, turbinas de aeronaves y componentes aeroespaciales, las que requieren tambin temperatura variable en tiempos cortos [6].

    La vida til de los sistemas TBC es una variable clave en el correcto fun-cionamiento de una amplia gama de mquinas trmicas. Se han desarrollado diversos estudios donde se sugiere que los mecanismos responsables de la falla de los Sistemas de barrera trmica varan segn las condiciones de ope-racin, ya sean cargas trmicas estables y prolongadas en el tiempo, o cargas trmicas cclicas y de menor duracin [7]. El presente estudio propone el dise-o y construccin de un prototipo que permite estudiar los efectos del ciclo trmico en Sistemas de barrera trmica.

  • Daz, A y Tobn, L. / Efectos de las cargas trmicas variables en los sistemas de barrera trmica

    286

    2. Materiales y mtodos

    2.1. Probetas empleadasUn sustrato de sper aleacin Inconel 625 fue recubierto con una capa

    de anclaje tipo NiCoCrAlY mediante la tcnica de HVOF. Por su parte, la capa externa de circona estabilizada con itria al 7% fue depositada mediante la tc-nica de APS.

    2.2. Ciclo trmicoLa prueba propuesta pretende aportar a la comprensin de los fenme-

    nos trmicos en los sistemas TBC, al someterlos a cargas trmicas variables y analizar las modificaciones, motivando el desarrollo de futuros materiales o cambios en las tcnicas de deposicin. El presente no es el primer inten-to para desarrollar este tipo de pruebas trmicas cclicas. Bentele et al. [8] desarrollaron ciclos de un minuto de calentamiento por combustin de gas a alta presin y tres minutos de enfriamiento a temperatura ambiente. Por otra parte, investigadores de los laboratorios Toyota construyeron en 1979 una mquina para probar muestras cilndricas de varios materiales, entre los cuales se encontraban barras de circona estabilizadas con itria; las calenta-ron por medio de resistencias elctricas y las enfriaron por inmersin de las muestras en agua [9]. En 1995, Jian et al. [10] investigaron el dao producido en la capa externa de un recubrimiento compuesto de circona estabilizada con itria al 8%, al calentarlo hasta 1.250C por cinco minutos, empleando lser de CO2, y refrigerado por conveccin forzada hasta temperatura ambiente.

    La Figura 2 muestra el perfil terico de temperatura que se busca obtener durante el desarrollo de la prueba.

    Sesenta y cuatro ciclos fueron recreados con el propsito de simular las cargas trmicas debidas a arranques rpidos en turbinas reales. Cada ciclo comprendi quince minutos de calentamiento desde temperatura ambiente, treinta minutos de sostenimiento a 1.100C y quince segundos de enfriamien-to hasta 725C.

  • Revista Cintex. Institucin Universitaria Pascual Bravo, Vol. 18, 2013 287

    Figura 2. Perfil de temperatura terico de la capa cermica, 64 ciclos trmicos.

    2.3. PrototipoEl presente estudio propone el uso de resistencias elctricas como medio de

    calentamiento, a diferencia de lseres o equipos de combustin. Esto con el ob-jetivo de obtener una distribucin homognea de temperatura sobre la superfi-cie de la capa cermica (13 mm2) y simular la dinmica trmica de la turbina.

    A pesar de que los equipos lser alcanzan elevadas temperaturas, las ta-sas de calentamiento son altamente elevadas, ~ 241C/s, alejndose de las presentes en las turbinas [11] y, por la tanto, no son empleadas en este estudio.

    Por su parte, los equipos con mtodos de calentamiento que emplean combustin superan las temperaturas presentes en la turbina. Una llama de acetileno puede alcanzar una temperatura mxima de ~3.480C [12], adicional-mente se presenta una distribucin de temperatura poco homognea sobre la probeta, dejando una brecha entre las temperaturas de prueba y sus res-pectivos efectos y daos en la muestra.

    Como antesala a la configuracin aqu propuesta se desarrollaron prue-bas empleando un equipo de oxiacetileno. Infortunadamente, la distribucin de temperatura sobre la superficie del recubrimiento no pudo ser controlada a satisfaccin, debido a las consecuencias anotadas antes.

    De esta manera, las resistencias elctricas ofrecen la posibilidad de ana-lizar diversas regiones de la muestra, 13 mm sobre un corte transversal, luego de someterlo a pruebas en donde el error en estado estacionario de la temperatura fue del 1%.

  • Daz, A y Tobn, L. / Efectos de las cargas trmicas variables en los sistemas de barrera trmica

    288

    Con el objetivo de simular condiciones extremas de operacin, el proto-tipo ofrece una tasa calentamiento de hasta 0.8C/s con una temperatura mxima de 1.200C. La tasa de