автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.12, диссертация на тему:Определение длительности инкубационного периода процесса каплеударной эрозии рабочих лопаток последних ступеней проектируемых паровых турбин большой мощности

А

005042389

На правах рукописи

Медников Алексей Феликсович

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДЛИТЕЛЬНОСТИ ИНКУБАЦИОННОГО ПЕРИОДА ПРОЦЕССА КАПЛЕУДАРНОЙ ЭРОЗИИ РАБОЧИХ ЛОПАТОК ПОСЛЕДНИХ СТУПЕНЕЙ ПРОЕКТИРУЕМЫХ ПАРОВЫХ ТУРБИН БОЛЬШОЙ МОЩНОСТИ

Специальность 05.04.12 - Турбомашины и комбинированные турбоустановки

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 п 2012

Москва-2012

005042389

Диссертация выполнена на кафедре Паровых и газовых турбин Национального исследовательского университета «МЭИ».

Научный руководитель:

кандидат технических наук, доцент Лебедева Александра Ивановна Официальные оппоненты:

доктор технических' наук, главный конструктор проекта ОАО «ВНИИАМ» Кукушкин Александр Николаевич

кандидат технических наук; ведущий научный сотрудник Национального исследовательского университета «МЭИ» Куршаков Александр Валентинович

Ведущая организация:

филиал ОАО «Силовые машины» «Ленинградский Металлический завод»

Защита диссертации состоится «25» мая 2012 г. в 13 час. 30 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.157.09 при Национальном исследовательском университете «МЭИ» по адресу: Москва, Красноказарменная ул., д. 17, корпус Б, ауд. Б-407.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Национального исследовательского университета «МЭИ».

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью учреждения, просим присылать по адресу: 111250, Москва, ул. Красноказарменная, д. 14, Ученый совет Национального исследовательского университета МЭИ.

Автореферат разослан « _24_ » апреля 2012 года.

Ученый секретарь диссертационного совета

Д12.157.09, к.т.н., доцент

А.И. Лебедева

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы.

В настоящее время ведущими турбиностроительными фирмами разрабатываются сверхдлинные лопатки для влажно-паровых ступеней мощных турбин ТЭС. При этом проблема каплеударной эрозии материалов лопаток, обусловленная увеличением окружных скоростей на их периферии, становится еще более актуальной.

С учетом этого в последние годы предпринимаются достаточно активные попытки разработки и внедрения в практику активных и пассивных способов защиты от эрозии. Данные мероприятия должны приводить к увеличению срока службы таких лопаток до наступления капитального ремонта турбины.

Одной из важных характеристик проектируемых сверхдлинных лопаток последних ступеней является длительность их эксплуатации до изменения вследствие каплеударного воздействия характеристик поверхности лопатки, заложенных при проектировании. Многократно (экспериментально, в т.ч. и в натурных условиях) показано, что в кинетике эрозии материалов лопаточного аппарата паровых турбин имеет место ярко выраженный период, который называют инкубационным, в котором при наличии каплеударного воздействия потеря массы металла отсутствует, а по истечении которого, скорость эрозии быстро достигает своего максимального значения. Несмотря на важность этого периода, в течение которого происходят качественные изменения физико-механических свойств приповерхностного слоя металла, на сегодняшний день нет полного понимания этих явлений.

Без знания механизмов зарождения и развития разрушения металлов при каплеударном воздействии, решить проблему существенного повышения эрозионной стойкости сверхдлинных лопаток посредством применения различных способов защиты не представляется возможным. Для определения путей решения этой проблемы необходимо провести оценку длительности инкубационного периода проектируемых лопаток, базирующуюся на знании физических процессов происходящих в металле при эрозии и распределения параметров двухфазного потока по высоте лопаток.

Цель работы.

1. Получить новые знания о динамике изменения характеристик поверхности и приповерхностного слоя лопаточных материалов при высокоскоростном каплеударном воздействии в инкубационном периоде развития процесса эрозии рабочих лопаток влажно-паровых ступеней турбин.

2. Экспериментально определить параметры эрозионной стойкости рекомендуемой для рабочих лопаток высокохромистой лопаточной стали при различных размерах жидких частиц и скоростях их взаимодействия с поверхностью.

3. Оценить значения степени влажности, дисперности жидкой фазы влажно-парового потока и скорости взаимодействия частиц жидкости с входной кромкой лопатки в зазоре между сопловой и рабочей решетками в

наиболее "опасной", с точки зрения каплеударной эрозии, области по высоте лопатки.

4. Определить длительность инкубационного периода процесса каплеударной эрозии рабочей лопатки длиной 1220 мм влажно-паровой ступени проектируемой турбины большой мощности в наиболее "опасных", с точки зрения каплеударной эрозии, сечениях по высоте лопатки.

5. Определить длительность инкубационного периода рабочей лопатки длиной 1220 мм влажно-паровой ступени проектируемой турбины большой мощности с учетом различных активных и пассивных способов защиты, а также их комплексного применения.

Научная новизна.

• С использованием современного оборудования и приборного оснащения впервые разработана оригинальная методика проведения экспериментальных исследований для определения динамики изменения характеристик поверхности и приповерхностного слоя лопаточных материалов в инкубационном периоде развития процесса каплеударной эрозии.

• На основании проведенных экспериментальных исследований впервые установлено, что:

инкубационый период развития процесса каплеударной эрозии лопаточной стали при отсутствии потери массы характеризуется появлением на поверхности пластических деформаций в виде увеличивающегося числа характерных эллипсовидных 1ребней;

инкубационный период характеризуется четырьмя стадиями с явно выраженными изменениями характеристик поверхности и приповерхностного слоя лопаточной стали.

• Определено, что для наиболее "опасного" сечения по высоте рабочих лопаток длиной 1220 мм последней влажно-паровой ступени проектируемой турбины большой мощности, соответствующего наибольшей каплеударной нагрузке, для скорости соударения 700 м/с и размеров жидких частиц 120 мкм длительность инкубационного периода составит 700 часов эксплуатации, при той же скорости соударения и размерах жидких частиц 20 мкм - 10 000 часов эксплуатации.

• Показано, что при использовании комплекса известных активных и пассивных способов повышения эрозионной стойкости влажно-паровых ступеней турбин большой мощности инкубационный период рабочей лопатки длиной 1220 мм может быть увеличен примерно, в 30 раз и составит от 25000 до 100 000 часов эксплуатации в зависимости о значений степени влажности, размера и скорости жидких частиц.

Практическая ценность - При различных размерах жидких частиц и скоростях их

взаимодействия экспериментально определены параметры эрозионной стойкости высокохромистой лопаточной стали, которая может быть рекомендована к использованию для рабочих лопаток влажно-паровых ступеней проектируемых турбин большой мощности.

- Разработан алгоритм определения длительности инкубационного периода процесса каплеударной эрозии по высоте рабочих лопаток влажно-паровых ступеней проектируемых турбин большой мощности.

- Разработанный метод оценки эффективности комплексного применения различных способов защиты от эрозионного износа может быть использован при проектировании паровых турбин с сверхдлинными рабочими лопатками последних ступеней.

Достоверность и обоснованность результатов обеспечивается их многократной повторяемостью и корреляцией с результатами других исследователей, применением современных аттестованных измерительных устройств и апробированных методик измерений, определением погрешностей измерений.

Автор защищает.

1. Метод определения длительности инкубационного периода процесса каплеударной эрозии рабочих лопаток последних ступеней проектируемых паровых турбин большой мощности.

2. Методику проведения экспериментальных исследований динамики изменения характеристик поверхности и приповерхностного слоя лопаточных материалов в инкубационном периоде развития процесса каплеударной эрозии.

3. Результаты экспериментальных исследований структуры и динамики поверхностных и приповерхностных изменений лопаточной стали 20X13 в течение инкубационного периода процесса эрозии.

4. Результаты оценки эффективности комплексного применения различных способов защиты от эрозионного износа сверхдлинных рабочих лопаток последних ступеней паровых турбин.

Апробация работы. Основные результаты настоящей работы докладывались на следующих научно-технических конференциях, симпозиумах и семинарах:

- международные научно-технические конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика», НИУ МЭИ, 2009-2012 гг.;

- всероссийская научно-практическая конференция «Повышение надежности и эффективности эксплуатации электрических станций и энергетических систем», Москва, 2010 г.;

- научный семинар НЦ «Износостойкость», НИУ МЭИ;

- заседание кафедры Паровых и газовых турбин, НИУ МЭИ.

Публикации.

По результатам диссертационной работы было опубликовано 5 научных статей и 5 докладов на научно-технических конференциях. Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов и списка литературы, изложена на 192 страницах машинописного текста, содержит 109 рисунков, 26 таблиц и библиографию из 102 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении. обоснована актуальность проблемы эрозионного износа вследствие каплеударного воздействия проектируемых сверхдлинных рабочих лопаток влажно-паровых ступеней турбин.

В первой главе проведен обзор литературы по тематике эрозионного износа сверхдлинных рабочих лопаток последних ступеней паровых турбин, по методам и методикам исследования металлов и сплавов подверженных каплеударному воздействию, по аспектам физической составляющей процессов, происходящих при каплеударной эрозии и оценки влияющих на них факторов. Сформулированы цели и поставлены задачи работы.

Во второй главе приводится описание оригинальной методики проведения экспериментальных исследований характеристик поверхности и приповерхностного слоя лопаточных материалов при высокоскоростном каплеударном воздействии с использованием современного экспериментального оборудования и приборного оснащения.

Каплеударное воздействие моделировалось с использованием уникального эрозионного стенда "Эрозия-М", в вакуумной камере которого с помощью генератора жидких частиц формировался монодисперсный поток жидкости (конденсат водяного пара в виде капель), с которым соударялись исследуемые образцы, закрепленные на концах вращающейся штанги. Вследствие соударении с потоком капель на поверхности образца образовывалась полоса микроповрежденностей материала, так называемый эрозионный "след", шириной Ь. Капли соударялись с поверхностью образца под углом в 90°.

Для проведения экспериментов с некоторым шагом по времени было выбрано 8 пар образцов из лопаточной стали 20X13, предварительно термообработанных для достижения механических свойств металла заготовок лопаток и отполированных до 10 класса чистоты. Исследования проводились при скорости взаимодействия (соударения) 250 м/с и диаметре капель конденсата 800 мкм при обеспечении условия отсутствия взаимного влияния одновременно соударяющихся капель. В качестве характеристики каплеударного воздействия выбрана каплеударная нагрузка т - масса жидкости, выпавшая на единицу поверхности образца, кг/м . Характеристикой длительности инкубационного периода выбрана относительная каплеударная нагрузка - то/, равная отношению значения текущей каплеударной нагрузки ты к значению каплеударной нагрузки тп',

при котором зафиксирована первая потеря массы образца (то, = 1 -окончание инкубационного периода). Контроль за потерей массы образцов осуществлялся с использованием электронных весов с точностью измерений МО"8 кг.

Исследования поверхности стальных образцов после каплеударного воздействия различной длительности проводились с использованием: оптического микроскопа Ахюуеи 25С и растрового электронного микроскопа Теэсап МигаЗ ЬМи, позволяющих получить фрактограммы поверхности и

приповерхностного слоя до и после каплеударного воздействия для последующего металлографического анализа; микротвердомеров MHD-10T и DuraScan 20, позволяющих производить измерения микротвердости участков поверхности и приповерхностного слоя; профилометра Dektak 150 для получения 3-D карт и профилограмм поверхности, зависимостей, характеризующих изменения параметров шероховатости с изменением каплеударной нагрузки; наноиндентора НаноСкан-ЗО для получения 3-D карт и профилограмм поверхности на наноуровне, зависимостей, характеризующих изменение значений нанотвердости участков эродированной поверхности с изменением каплеударной нагрузки.

Оптические исследования поверхности образцов, подвергающихся каплеударному воздействию, осуществлялись путем получения фрактограмм поверхности при различных увеличениях на различных участках эрозионного "следа" с помощью оптического и растрового электронного микроскопа.

С использованием профилометра получены профилограммы (для каждого участка эрозионного "следа" получено от 300 до 500 профилей поверхности) и ЗБ-карты поврежденной поверхности образцов на различных участках эрозионного "следа" и определены параметры шероховатости (максимальные на профиле значения пиков Rp и впадин /<fv, расстояние между пиками и впадинами Sm).

Измерения нанотвердости поверхности образцов до и после каплеударного воздействия с построением не менее трех 3D-карт поверхности каждого образца в области эрозионного "следа" выполнены при нагрузке 0,001 Н.

В методику исследования инкубационного периода стали 20X13 входит не только проведение исследований изменений рельефа поверхности образцов до и после каплеударного воздействия, но и исследования изменения характеристик (изменение структуры приповерхностного слоя, измерение микротвердости вглубь и по поверхности слоя металла) приповерхностного слоя.

Оптические исследования приповерхностного слоя предварительно подготовленных шлифов образцов, осуществлялись путем получения фрактограмм приповерхностного слоя в области подвергающейся каплеударному воздействию при различных увеличениях с помощью растрового электронного микроскопа.

В третьей главе в соответствии с разработанной методикой проведения экспериментальных исследований характеристик поверхности и приповерхностного слоя лопаточных материалов при высокоскоростном каплеударном воздействии проведено исследование динамики изменения в течение инкубационного периода поверхностных и приповерхностных характеристик образцов из лопаточной стали 20X13 при увеличении относительной каплеударной нагрузки ты, которое показало следующее: - Диапазон значений относительной каплеударной нагрузки 0</noi<0,09 характеризуется появлением необратимых пластических деформаций с возникновением двойников деформации и полос скольжения,

началом возникновения эллипсовидных гребней и изменением рельефа материала.

- При значениях относительной каплеударной нагрузки 0,09<тс»< 0,25

на поверхности лопаточной стали возникает пластическая деформация в виде эллипсовидных гребней при примерно одинаковых соотношениях длины (/) и ширины (Ъ) Ь/1=4 этих гребней, число которых увеличивается до уменьшения относительного расстояния между ними (х), равному х"аУх,кои= 1,7 (см. рис.1). Также в этом диапазоне относительной каплеударной нагрузки зафиксировано появление первых микрокаверн на эллипсовидных гребнях.

Рис. 3. Влияние длительности каплеударного воздействия на изменение параметров

возникающих на поверхности эллипсовидных гребней (а). Схематическое изображение эллипсовидных гребней (б), появляющихся на поверхности лопаточной стали в процессе каплеударного воздействия (7 аЬ - длина и ширина гребней соответсвенно, х - расстояние между гребнями)

Диапазон значений относительной каплеударной нагрузки 0,25<мо/<0,75 характеризуется увеличением количества каверн на эллипсовидных гребнях, их слиянием и образованием более глубоких и обширных каверн без фиксации потери массы образцов на электронных весах с точностью измерений 10"8 кг.

- Диапазон значений относительной каплеударной нагрузки

0,75<т0;<1,0 характеризуется развитием повреждений поверхности, обусловленных образованием тоннелей, начинающихся в эрозионных кавернах и распространяющихся вглубь приповерхностного слоя. Образование большего количества разноориентированных тоннелей приводит к разрушению поверхности и потере массы, зафиксированной на электронных весах с точностью измерений 10 кг.

Изменение параметров рельефа, характеризующих размер выступов (Яр) и впадин (/?„) в поперечном сечении подверженной каплеударному воздействию поверхности, показана на рисунке 2.

Я,,, МКМ

Л,,. МКМ 49 г---г----|

« 0.1 0.2 0,3 0.4 0,5 0,6 0.7 0.8 0.9 I

Рис. 2. Изменение параметров рельефа поверхности (Лр, Иг) в зависимости от длительности каплеударной нагрузки т„ (0< то, <1,0) в инкубационном периоде развития процесса каплеударной эрозии лопаточной стали

Выявлено, что в процессе каплеударного воздействия в диапазоне относительных значений каплеударной нагрузки то,- =0 + 1,0 происходит изменение структуры и снижение значений нанотвердости (~ на 25%) приповерхностного слоя лопаточной стали 20X13 (см. рис. 3).

Анализ и обобщение полученных результатов исследования поверхности и приповерхностного слоя лопаточной стали 20X13 позволил выявить 4 стадий зарождения и развития повреждений поверхности в инкубационном периоде процесса каплеударной эрозии лопаточной стали 20X13 (см. рис.4), после окончания которых, заканчивался и инкубационный период («о; = 1 = то' - длительность инкубационного периода).

Ранее оценка длительности инкубационного периода т0 производилась посредством определения точки пересечения касательной, проведенной к участку с максимальной скоростью эрозии, с осью абсцисс, отражающей длительность инкубационного периода. Проведенные исследования выявили, что уточненное значение длительности инкубационного периода т0' оказался меньше ранее принятого на 20% (см. рис. 4).

О 0.25 0.5 0.75 ~

т0)

Рис. 3. Изменение значений нанотвердости поверхности лопаточной стали в зависимости от длительности каплеударной нагрузки та (а), фрактограмма поверхности с отпечатками наноиндентора (б)

Рис. 4. - Характерные стадии зарождения и развития повреждений поверхности в инкубационном периоде процесса каплеударной эрозии лопаточной стали

При оптических исследованиях приповерхностного слоя лопаточной стали 20X13, подверженного каплеударному воздействию, выявлено изменение его структуры. Изменение структуры приповерхностного слоя выражается в виде зон, появляющихся в месте приложения каплеударного воздействия, в которых форма и размеры зерен, отличаются от структуры материала, не подверженного каплеударному воздействию.

На основании проведенных исследований микротвердости приповерхностного слоя (см. рис.5 и рис.6) выявлено, что в течение

инкубационного периода на I и II стадии происходит резкое разупрочнение материала на глубину, не превышающую значение радиуса соударяющейся с образцом капли. В конце II и на III стадии выявлено постепенное упрочнение приповерхностного слоя. Упрочнение приповерхностного слоя происходит вплоть до окончания IV стадии инкубационного периода, после которой вновь происходит резкое разупрочнение за счет отрыва отдельных упрочненных фрагментов материала с поверхности.

НУ0.01

-»44- **

—----за»-

IV стадия |

\/ ■! III стадия Г : —................................ -.1 / Пстали» |

I «ади» |

■1500 -1000 -500 0 500 1000 1500

X, мкм

Рис. 5. Изменение значений микротвердости поверхностного слоя лопаточной стали в зоне каплеударного воздействия на всех стадиях развития инкубационного периода эрозии (а), схема измерений микротвердости (б)

a) Y,//**

Рис. 6. Изменение значений микротвердости приповерхностного слоя лопаточной стали в зоне каплеударного воздействия на всех стадиях развития инкубационного периода эрозии (а), схема измерений микротвердости (б)

В четвертой главе приведены результаты исследований на эрозионную стойкость при различных параметрах соударения образцов с каплями жидкости лопаточной сталей 20X13 и перспективной высокохромистой лопаточной стали без и с ионно-плазменными защитными покрытиями.

Проведенные исследования на эрозионную стойкость стали 20X13 на модернизированном эрозионном стенде показали корреляцию с данными для этой стали, полученными ранее в МЭИ при одинаковых условиях экспонирования образцов. Проведенные в данной работе исследования на эрозионную стойкость стали 20X13 с многослойным ионно-плазменным защитным покрытием показали увеличение инкубационного периода в 4 раза, по сравнению со сталью без покрытия. Фрактограммы поверхности образцов с покрытием показали существенно другой характер процесса разрушения системы покрытие-подложка, чем выявленные в исследованиях лопаточной стали 20X13 без покрытия.

В работе были проведены исследования эрозионной стойкости образцов из высокохромистой лопаточной стали, рекомендуемой в качестве материала для перспективных проектируемых рабочих лопаток длиной 1220 мм. Исследования на эрозионную стойкость высокохромистой лопаточной стали проводились на эрозионном стенде МЭИ при трех скоростях соударения (250, 300 и 350 м/с) и трех диаметрах капель (800, 1000 и 1200 мкм). В результате испытаний при данных параметрах соударения были получены

характерные кривые эрозии, по которым были определены длительности инкубационного периода, значения максимальной и установившейся скоростей эрозии.

Проведенные сравнения кривых эрозионного износа и характерных параметров развития этого процесса показали, что по критериям эрозионной стойкости высокохромистая лопаточная сталь, не более чем в 1,5-2 раза превышает эрозионную стойкость стали 20X13, а значит для этой стали также применимы обнаруженные закономерности развития инкубационного периода, полученные для стали 20X13.

В пятой главе проведена оценка длительности инкубационного периода перспективной рабочей лопатки длиной 1220 мм при расчетных значениях окружной скорости и распределения влажности и диаметров капель по высоте. Полученные из обзора литературы данные о распределении степени влажности, размеров жидких частиц и скоростей их соударения по высоте сверхдлинных рабочих лопаток последних ступеней цилиндров низкого давления мощных паровых турбин показывает, что:

- наиболее эрозионо-опасными участками по длине рабочей лопатки могут являться участки от 0,5-1,0 от относительной длины лопатки / ;

- окружная скорость вращения на периферии рабочих лопаток длиной 1220 мм может достигать значения в 700 м/с;

- характерный размер капель может варьироваться от 10-30 мкм на середине лопатки до 100-120 мкм на периферии лопатки;

- реальная влажность может отличаться от принятого при прогнозировании значения среднедиаграммной влажности на периферии (10-12%) в 3 раза (3036%).

На основании проведенной оценки выбраны следующие характерные параметры двухфазного потока по высоте рабочей лопатки длиной 1220 мм:

- диаметры капель 20, 80, 120 мкм;

- скорости соударения капель с входной кромкой равны окружным скоростям в заданных сечениях 500 м/с (-0,6/), 600 м/с (-0,85/), 700 м/с (~ 0,95/).

- изменение среднедиаграммной степени влажности 7,5% (-0,6/), 8% (-0,85/), 12% 0,95/).

Выбранные параметры двухфазного потока приведены на рисунке 7. Для данных параметров двухфазного потока по имеющейся в МЭИ методике и результатам эрозионных испытаний перспективной высокохромистой лопаточной стали определены значения максимальной скорости эрозии, длительности инкубационного периода та , уточненное значение длительности инкубационного периода т0'. Полученные зависимости длительности уточненного инкубационного периода т0\ выраженные в количестве жидкости, выпавшей на единицу поверхности приведены на рисунках 8 и 9.

При исследовании каплеударного воздействия на эрозионном стенде выполнялось определение параметра т, характеризующего количество жидкости, выпавшей на единицу эродированной поверхности образца:

т = Ов /8эр = (Стк ■ Кул - 2 - п ■ т)/Б\

эр ■

(3)

где йзр = <4*4 - площадь эродированной поверхности, [м2] <4- диаметр капель [м],

длина эрозионного "следа" [м]\ Сй = <4 • А^л - X п - г- масса воды, выпавшая на поверхность, [кг] Ск = Ук ■ рк , Ук - я- (¿1с)3/б- объем капли [м3], рк - плотность воды [кг/м ]\ Кул - 4/¡м - коэффициент улавливания, 4 - длина эрозионного "следа" [м], /<й - расстояние между центрами капель [м]; 2 - число потоков капель; п = Суд / (п ■ О) - частота соударения [1/с], Суд - скорость соударения капли с поверхностью [м/с], В - диаметр расположения поверхности относительно оси вращения [м]; т - время экспонирования [с].

20 40 60 8в 4м «о

Рис. 7. Распределение значений размеров жидких частиц (а) и влажности (б) двухфазного потока в зазоре между сопловой и рабочими лопатками влажно-паровой ступени проектируемой турбины с длиной лопатки 1220 мм

а)

ш, 104 кг/м2 0.015

О ------1---1 1 <4_ мкм

О 60 120 180 240 300

Рис. 8. Значения инкубационного периода т0 и уточненного значения инкубационного периода т0' из номограмм эрозионного износа для скоростей соударения С^ = 500 м/с (а), 600 м/с (б),700 м/с (в) и диаметров капель Лк = 20, 80, 120, 300 мкм

При определении длительности инкубационного периода рабочей лопатки по формуле (1) были использованы значения инкубационного периода т0' полученные на эрозионном стенде. Результаты этих расчетов показаны на рисунке 9.

ю, К)4 И"Ыг 0.5

о о

т. 104 И-. М2

0,1

с1к. мкм 300

0.075

б) 0.0

0-025

0,01

В)

0,005

TD<l', 10 ' Ю'/М-

Рис.9. Влияние размера жидких частиц двухфазного потока на длительность инкубационного периода процесса эрозии лопаточной стали при различных скоростях соударения: 1 - Суд=1(Ю м/с: 2- Cvd=600 м/с; 3- Cv¿=500 м/с

При расчетах допускалось, что по всей высоте проточной части турбины равномерно располагаются капли одного диаметра dk с расстоянием между ними равным 4dk> капли соударяются с входной кромкой под углом в 90°, для расчета использовались характерные объемы жидкой и паровой фазы в расчетных сечениях по ометаемой площади.

Расчет длительности инкубационного периода велся для характерных сечений рабочей лопатки (0,6, 0,85, 0,95 /), в качестве расчетных параметров соударения были выбраны характерные для данных сечений скорости соударения (500, 600, 700 м/с) и диаметры капель (20, 80, 120 мкм).

Рассчитанные значения длительности инкубационного периода гэкст (измеряемые в часах эксплуатации турбины) по высоте сверхдлинных рабочих лопаток при реализуемых в последней ступени скоростях соударения и диаметрах капель приведены на рисунке 10. Полученные значения длительности инкубационного периода показали, что на периферии рабочей лопатки при скорости соударения 700 м/с и диаметре капель 120 мкм длительность инкубационного периода не превышает 700 часов. При уменьшении диаметра капли до 20 мкм на периферии инкубационный период эрозии рабочей лопатки закончится через 10 000 часов работы турбины. Полученные зависимости изменения длительности инкубационного периода высокохромистой лопаточной стали с защитными ионно-плазменными покрытиями от скорости соударения и диаметра капель показывают эффективность применения ионно-плазменных покрытий только

при диаметрах капель не превышающих 20-80 мкм. Из этого следует, что одни пассивные способы защиты не смогут продлить срок эксплуатации проектируемых сверхдлинных лопаток, необходима их комплексная защиты с применением как пассивных, так и .активных способов.

100

10

1

0,1

500 550 600 650 700

Суд, м/с

Рис. 10. Прогнозируемое время эксплуатации проектируемой турбины с длиной рабочей лопатки 1220 мм последней влажно-паровой ступени до появления эрозионного износа (окончание инкубационного периода) в зависимости от размера и скорости соударения жидких частиц с входной кромкой: 1 - с/к — 120 мкм; 2 - ¿4 = 80 мкм; 3 - ¿4= 20 мкм

В рамках комплексной защиты в работе предлагается использовать такие перспективные и хорошо зарекомендовавшие себя способы активной и пассивной защиты, как:

применение специальных сопловых аппаратов с выдувом пара и разрушением водяных пленок;

применение специально-спрофилированных сопловых аппаратов (разработка МЭИ), предназначенных для интенсификация дробления капель в потоке;

микродозирование в поток поверхностно-активных веществ (разработка МЭИ), что снижает среднее значение размеров капель в 2,5 раза и приводит к снижению скорости эрозии на 30%.

формирование защитного ионно-плазменного покрытия на рабочей поверхности лопатки;

изготовление вставок из эрозионно-стойких материалов; изготовление вставок из эрозионно-стойких материалов с формированием на них защитных ионно-плазменных покрытий.

При использовании комплекса известных активных и пассивных способов повышения эрозионной стойкости влажно-паровых ступеней турбин большой мощности инкубационный период проектируемой рабочей лопатки длиной 1220 мм может быть увеличен примерно в 30 раз и составит от 25000 до 100000 часов эксплуатации в зависимости от значений степени влажности, размера и скорости жидких частиц.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

• Разработанная в рамках настоящей работы оригинальная методика проведения экспериментальных исследований с использованием современного оборудования и приборного оснащения позволяет получить новые знания о динамике изменения характеристик поверхности и приповерхностного слоя лопаточных материалов при высокоскоростном каплеударном воздействии в инкубационном периоде развития процесса эрозии рабочих лопаток влажно-паровых ступеней турбин;

• Выполненный объем экспериментальных исследований с использованием уникального эрозионного стенда позволил впервые получить следующие результаты:

- установлено, что скрытый (инкубационный) период развития процесса Эрозии лопаточных сталей характеризуется наличием 4-х стадий:

I стадия ^/я/О(<0,09), где т0,=1 - длительность инкубационного периода, характеризуется появлением необратимых пластических деформаций с возникновением двойников деформации и полос скольжения.

II стадия (0,69&я/;ст<0,25) характеризуется появлением и ростом числа эллипсовидных гребней на пластически деформированной поверхности металла при сохранении на приблизительно одинаковом уровне их длины и максимальной ширины и уменьшающимся расстоянием между ними, появление первых микрокаверн на гребнях без фиксации потери массы на электронных весах с точностью измерений 10"8 кг.

III стадия (0,25< от/7/ет<0,75) характеризуется увеличением количества каверн на эллипсовидных гребнях, их слиянием и образованием более глубоких и обширных каверн без фиксации потери массы.

IV стадия (0,И£т1Уо1<1,0) характеризуется развитием повреждений поверхности, обусловленное образованием тоннелей, начинающихся в эрозионных кавернах и распространяющимися вглубь поверхностного слоя. Образование большего количества разноориентированных тоннелей приводит к разрушению поверхности с потерей массы.

- выявлено, что в процессе каплеударного воздействия при тт = 04,0 происходит изменение структуры и снижение значений нанотвердости (~ на 25%) приповерхностного слоя лопаточной стали 20X13.

• С целью определения длительности инкубационного периода

процесса каплеударной эрозии рабочих лопаток проектируемых паровых турбин большой мощности:

экспериментально определены параметры эрозионной стойкости высокохромистой лопаточной стали при различных размерах жидких частиц и скоростях их взаимодействия с .поверхностью;

- осуществлена оценка значений степени влажности, дисперсности жидкой фазы влажно-парового потока и скорости взаимодействия частиц жидкости с входной кромкой лопатки в зазоре между сопловой и рабочей решетками в . наиболее эрозионно-опасных сечениях по высоте ступени.

• На основании выявленных ранее закономерностей развития процесса эрозии лопаточных материалов и полученных результатов в рамках настоящей работы определена длительность инкубационного периода процесса каплеударной эрозии рабочей лопатки длиной 1220 мм влажно-паровой ступени проектируемой турбины большой мощности. Для наиболее эрозионно-опасного сечения по высоте лопатки, соответствующего наибольшей каплеударной нагрузке, для скорости соударения 700 м/с и размеров жидких частиц 120 мкм длительность инкубационного периода составит 700 часов.эксплуатации, при той же скорости соударения и размерах жидких частиц 20 мкм — 10 000 часов эксплуатации.

• Показано, что при использовании комплекса известных активных и пассивных способов повышения эрозионной стойкости влажно-паровых ступеней турбин большой мощности инкубационный период проектируемой рабочей лопатки длиной 1220 мм может быть увеличен примерно в 30 раз и составит от 25000 до 100000 часов эксплуатации в зависимости от значений степени влажности, размера и скорости жидких частиц.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Медников А.Ф., Рыженков В.А., Селезнев Л.И., Лебедева А.И. Исследование процесса изменения характеристик рельефа поверхности лопаточпой стали в инкубационном периоде развития каплеударной эрозии // Теплоэнергетика. 2012. № 5. С. 69-75

2. Рыженков В.А., Качалин Г.В., Медников А.Ф., Медников Ал.Ф., Кудряков О.В., Варавка В.Н. Кинетика зарождения и развития процесса эрозионного разрушения поверхности сталей при каплеударной воздействии // Надежность и безопасность энергетики, 2012, № 1(16), С.67-71

3. Рыженков В.А., Лебедева А.И., Медников А.Ф. Современное состояние и способы решения проблемы эрозионного износа лопаток влажнопаровых ступеней турбин // Теплоэнергетика. 2011. № 9. С. 9-12

4. Селезнев Л.И., Рыженков В.А., Медников А.Ф. Феноменология эрозионного износа материала конструкционных сталей и сплавов жидкими частицами//Теплоэнергетика. 2010. № 9. С. 12-16

5. Варавка В.Н., Кудряков О.В., Медников Ал.Ф., Ирха В.А. Закономерности и параметры каплеударной эрозии титановых сплавов //

Известия ВУЗов Сев.-Кавк. Регион. Технические науки, № 6, 2011 г., С.92-98.

6. Медников А.Ф., Лебедева А.И. Оценка инкубационного периода при эрозии металла рабочих лопаток паровых турбин // Тез. докл. XV Межд. науч.-техн. конф. студ. и асп. «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика». М.: Издательство МЭИ, 2009. Т.З С.246-248

7. Медников А.Ф., Лебедева А.И. Расчетно-экспериментальный метод определения величины инкубационного периода и построения кривой эрозионного износа материала турбинных лопаток влажно-паровых ступеней // Тез. докл. XVI Межд. науч.-техн. конф. студ. и асп. «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика». М.: Издательство МЭИ, 2010. Т.З С.278-279

8. Рыженков В.А. Лебедева А.И., Качалин Г.В., Медников А.Ф. Определение эрозионной, абразивной и коррозионной стойкости конструкционных материалов элементов паровых турбин с поверхностным упрочнением и защитными покрытиями // Тр. всеросс. научн.-практ. конф. "Повышение надежности и эффективности эксплуатации электрических станций и энергетических систем", Москва, 2010, т.2, С.136-138

9. Медников А.Ф., Лебедева А.И. Методы оценки поврежденности лопаточных сталей в инкубационном периоде при эрозионном износе вследствие каплеударного воздействия // Тез. докл. XVII Межд. науч.-техн. конф. студ. и асп. «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика». М.: Издательство МЭИ, 2011. Т.З С. 239-240

10. Медннков А.Ф., Лебедева А.И. Исследование инкубационного периода развития процесса эрозии материала рабочих лопаток влажно-паровых ступеней турбин // Тез. докл. XVIII Межд. науч.-техн. конф. студ. и асп. «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика». М.: Издательство МЭИ, 2012. Т.4 С.248-249

Подписано в печать 04- /Д Г- Зак. ¿М> Тир. Ю0 Пл. Полиграфический центр МЭИ Красноказарменная ул., д. 13

61 12-5/2574

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МЭИ»

На правах рукописи

Медников Алексей Феликсович

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДЛИТЕЛЬНОСТИ ИНКУБАЦИОННОГО ПЕРИОДА

ПРОЦЕССА КАПЛЕУДАРНОЙ ЭРОЗИИ РАБОЧИХ ЛОПАТОК ПОСЛЕДНИХ СТУПЕНЕЙ ПРОЕКТИРУЕМЫХ ПАРОВЫХ ТУРБИН

БОЛЬШОЙ МОЩНОСТИ

Специальность: 05.04.12 - Турбомашины и комбинированные турбоустановки

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент А.И. Лебедева

Москва - 2012 г.

СОДЕРЖАНИЕ

стр.

ВВЕДЕНИЕ............................................................................ 5

ГЛАВА 1 ЭРОЗИОННАЯ ПОВРЕЖДЕННОСТЬ РАБОЧИХ ЛОПАТОК ПАРОВЫХ ТУРБИН.................................................. 7

1.1 Поврежденность паровых турбин ТЭС...................................... 7

1.2 Перспективные разработки отечественных и зарубежных производителей турбинного оборудования в области создания последних ступеней паровых турбин............................................ 20

1.3 Структурные характеристики влажного пара в проточных частях паровых турбин ТЭС................................................................ 31

1.4 Основные закономерности развития процесса эрозионного разрушения поверхности лопаточных материалов........................... 44

1.5 Современные пути решения проблемы эрозионного износа на основе применения пассивной и активной защиты рабочих лопаток.... 60

1.6 Выводы и постановка задачи............................................... 82

ГЛАВА 2 ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ И МЕТОДИКИ ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ ИНКУБАЦИОННОГО ПЕРИОДА ПРОЦЕССА ЭРОЗИИ ЛОПАТОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ................................................. 84

2.1 Экспериментальный стенд "Эрозия-М".................................... 84

2.1.1 Описание экспериментального стенда.................................... 84

2.1.2 Методика проведения исследования и измеряемые параметры...... 97

2.1.3 Методы измерения основных величин и оценка погрешности измерений.............................................................................. 100

2.2 Оборудование для исследований процесса повреждаемости лопаточного материала на стадии инкубационного периода процесса эрозии................................................................................... 104

2.3 Методика проведения исследований инкубационного периода

лопаточных материалов после высокоскоростного соударения с каплями воды.......................................................................... 120

2.3.1 Методика проведения исследований изменения рельефа поверхности в течение инкубационного периода процесса эрозии лопаточных материалов............................................................. 128

2.3.2 Методика проведения исследований структурных и прочностных изменений приповерхностного слоя в течение инкубационного периода

процесса эрозии лопаточных материалов....................................... 133

ГЛАВА 3 РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ ПОВЕРХНОСТИ И ПРИПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ ЛОПАТОЧНОЙ СТАЛИ 20X13 В ИНКУБАЦИОННОМ ПЕРИОДЕ................................................. 135

3.1 Результаты исследования изменения характеристик поверхности лопаточной стали 20X13 в течение инкубационного периода процесса эрозии................................................................................... 135

3.2 Описание зарождения и развития процесса эрозии в течение инкубационного периода процесса эрозии лопаточной стали 20X13.... 142

3.3 Результаты исследования изменения характеристик приповерхностного слоя лопаточной стали 20X13 в течение

инкубационного периода процесса эрозии.................................... 148

ГЛАВА 4 ИССЛЕДОВАНИЯ ЭРОЗИОННОЙ СТОЙКОСТИ ЛОПАТОЧНЫХ СТАЛЕЙ.......................................................... 151

4.1 Методика оценки скорости эрозии рабочих лопаток паровых турбин................................................................................... 151

4.2 Исследования на эрозионную стойкость лопаточной стали 20X13... 154

4.3 Исследование эрозионной стойкости стали 20X13 и высокохромистой лопаточной стали с сформированными ионно-

плазменными защитными покрытиями......................................... 155

4.3.1 Исследование характера разрушения лопаточной стали 20X13 с ионно-плазменным защитным покрытием на основе нитрида титана.. 155

4.3.2 Исследование эрозионной стойкости высокохромистой лопаточной стали с ионно-плазменным защитным покрытием на

основе нитрида титана.............................................................. 157

ГЛАВА 5 ОЦЕНКА ДЛИТЕЛЬНОСТИ ИНКУБАЦИОННОГО ПЕРИОДА РАБОЧИХ ЛОПАТОК ДЛИНОЙ 1220 ММ ПРОЕКТИРУЕМЫХ ПАРОВЫХ ТУРБИН БОЛЬШОЙ МОЩНОСТИ.. 159 5.1 Прогнозирование параметров двухфазного потока перед рабочими лопатками последней ступени проектируемых мощных паровых

турбин.................................................................................. 159

5.2 Построение кривых эрозии высокохромистой лопаточной стали при различных скоростях и диаметрах капель................................................................162

5.3 Определение длительности инкубационного периода процесса каплеударной эрозии рабочих лопаток последних ступеней

проектируемых паровых турбин большой мощности........................ 170

5.4. Практические рекомендации по увеличению длительности инкубационного периода с помощью применения комплексной защиты

рабочих лопаток от эрозии............................................................................................175

ВЫВОДЫ............................................................................... 180

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ............................. 183

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время ведущими турбиностроительными фирмами разрабатываются сверхдлинные лопатки для влажно-паровых ступеней мощных турбин ТЭС. При этом проблема каплеударной эрозии материалов лопаток, обусловленная увеличением окружных скоростей на их периферии, становится еще более актуальной.

С учетом этого в последние годы предпринимаются достаточно активные попытки разработки и внедрения в практику активных и пассивных способов защиты от эрозии. Данные мероприятия должны приводить к увеличению срока службы таких лопаток до наступления капитального ремонта турбины.

Одной из важных характеристик проектируемых сверхдлинных лопаток последних ступеней является длительность их эксплуатации до изменения вследствие каплеударного воздействия характеристик поверхности лопатки, заложенных при проектировании. Многократно (экспериментально, в т.ч. и в натурных условиях) показано, что в кинетике эрозии материалов лопаточного аппарата паровых турбин имеет место ярко выраженный период, который называют инкубационным, в котором при наличии каплеударного воздействия потеря массы металла отсутствует, а по истечении которого, скорость эрозии быстро достигает своего максимального значения. Несмотря на важность этого периода, в течение которого происходят качественные изменения физико-механических свойств приповерхностного слоя металла, на сегодняшний день нет полного понимания этих явлений.

Без знания механизмов зарождения и развития разрушения металлов при каплеударном воздействии, решить проблему существенного повышения эрозионной стойкости сверхдлинных лопаток посредством применения различных способов защиты не представляется возможным. Для определения путей решения этой проблемы необходимо провести оценку длительности инкубационного периода проектируемых лопаток, базирующуюся на знании физических процессов происходящих в металле при эрозии и распределения

параметров двухфазного потока по высоте лопаток. Полученные знания позволят спрогнозировать длительность инкубационного периода проектируемых лопаток длиной свыше 1200 мм при различных условиях эксплуатации, а также сформулировать ряд технических требований по применению различных способов защиты и показать их эффективность.

ГЛАВА 1 ЭРОЗИОННАЯ ПОВРЕЖДЕННОСТЬ РАБОЧИХ ЛОПАТОК ПАРОВЫХ ТУРБИН

1.1 Поврежденность паровых турбин ТЭС

Проблема выхода из строя таких элементов основного оборудования тепловых энергетических станций (ТЭС) как детали проточной части турбин из-за коррозионного и эрозионного износа весьма актуальна в настоящее время для нашей страны в связи с достаточно большим временем эксплуатации оборудования и существующими трудностями в техническом перевооружении станций [1-4].

Обострение указанной проблемы характерно не только для отечественной энергетики. Так в США ущерб только от эрозии и коррозии оборудования энергоблоков ежегодно составляет несколько миллиардов долларов [5].

Анализ поврежденности турбин блоков 300 МВт (таблица 1.1) позволяет сделать вывод о том, что за последние годы поврежденность отечественных турбин сокращается. По надежности отечественные турбины, как и остальное оборудование, не уступают американским. Необходимо отметить, что наиболее поврежденные узлы на отечественных и американских турбинах разные. У американских турбин 33,4% всех отказов турбин связано с повреждениями системы парораспределения, а у отечественных турбин - лишь у 7%, из которых большее влияние оказывают повреждения проточной части (5,0% против 1,9%).

К настоящему времени в наиболее неблагоприятном положении оказались детали турбин ТЭС. Для турбин, работающих на паре от прямоточных котлоагрегатов, поврежденность деталей проточной части и их преждевременный выход из строя вызваны ускорением износа надбандажных уплотнений, бандажей, шипов, рабочих лопаток и выходных кромок рабочих лопаток ротора высокого давления (РВД) и ротора среднего давления (РСД), направляющих лопаток сопловых аппаратов и диафрагм первых двух ступеней цилиндра высокого давления (ЦВД) и цилиндра среднего давления (ЦСД).

Таблица 1.1 - Поврежденность турбин блоков 300 МВт

Страна, год, мощность блоков Число блоко в Среднее число отказов блока из-за повреждений турбины В том числе из-за повреждений

Проточной части Системы паро-распределен ия Прочих элемент ов

СССР, 1991, блоки 300 МВт с турбинами ЛМЗ 90 0,67 0,07 0,02 0,58

СССР, 1991, блоки 300 МВт с турбинами ХТЗ 76 0,97 - 0,05 0,92

Россия, 1992, блоки 300 МВт с турбинами ЛМЗ 53 0,32 - 0,04 0,28

Россия, 1992, блоки 300 МВт с турбинами ХТЗ 26 1,12 - 0,23 0,89

Россия, 1997, блоки 300 МВт с турбинами ЛМЗ 53 0,45 0,09 0,06 0,30

Россия, 1997, блоки 300 МВт с турбинами ХТЗ 25 1,08 0,04 - 1,04

Россия, 1998, блоки 300 МВт с турбинами ЛМЗ 53 0,28 0,04 - 0,24

Россия, 1998, блоки 300 МВт с турбинами ХТЗ 25 0,44 - 0,04 0,40

США, 1989-1993, группа блоков мощностью 200-299 МВт 171 1,00 - 0,30 0,70

США, 1989-1993, группа блоков мощностью 300-399 МВт 148 1,47 0,06 0,55 0,86

Ниже представлены результаты анализа наиболее часто встречающихся повреждений следующих деталей ротора турбин: вал ротора, муфты, диски, уплотнения, рабочие лопатки [6]. Распределение отказов этих элементов представлено на рисунке 1.1. Наибольшее число повреждений приходится на долю рабочих лопаток (46,8 %). Большинство повреждений рабочих лопаток (до 65 %), распределение которых представлено на рисунке 1.2-а, связано с обрывом пера рабочей лопатки в прикорневой зоне и в сечении отверстий под демпферную проволоку. В ряде случаев обнаружены трещины в лопатке («12% общего числа повреждений рабочих лопаток) и повышенный эрозионный износ рабочих лопаток (« 8 % повреждений рабочих лопаток). Обрыв рабочих лопаток практически всегда сопровождаются заметными изменениями в

состоянии турбины (рисунок 1.2-6). В большинстве случаев (62 %) происходит изменение вибрационного состояния турбины. Кроме того, в 14 % случаев повреждения рабочих лопаток сопровождаются шумом в проточной части. Еще одной распространенной причиной (до 10 % случаев) обрыва в основном лопаток части низкого давления является увеличение жесткости конденсата. В 14% случаев останова турбин с поврежденными рабочими лопатками наблюдается сокращение времени выбега ротора (как правило, из-за высокого уровня вибрации). Во многих случаях эти признаки наблюдаются одновременно в различных комбинациях. Большинство дефектов рабочих лопаток (рисунок 1.2-в) связано с исчерпанием запасов прочности и усталостью металла (50 % повреждений). Второй основной причиной дефектов является эрозионный износ входных и выходных кромок (25 % повреждений).

17,0%

1 — рабочие лопатки; 2 — вал ротора; 3 — муфта; 4 — концевые уплотнения; 5 — диафрагменные и надбандажные уплотнения; 6 — бандаж; 7 — диск

Рисунок 1.1- Повреждаемые детали ротора паровых турбин [6]

Анализ данных о повреждаемости проточной части турбин свидетельствует о том, что наибольший процент повреждений приходится на рабочие лопатки. В основном это рабочие лопатки последних ступеней турбин, подверженные эрозионному износу, также лопатки зоны фазового перехода, в которой появляется первичный конденсат - коррозионно-активная среда,

вызывающая коррозионную поврежденность поверхности лопаток и последующее их разрушение от коррозионной усталости [6].

а — распределение повреждений рабочих лопаток (1 — обрыв рабочих лопаток; 2 — трещины в лопатках; 3 — эрозийный износ лопаток; 4 — повреждения бандажа; 5 — подрезка шипов рабочих лопаток; 6 — разрушение демпферной проволоки); б— признаки наблюдаемые при повреждениях рабочих лопаток (1 — нарушение нормального вибросостояния; 2 — шум в проточной части; 3 — сокращение времени выбега ротора; 4 — увеличение

жесткости конденсата вследствие повреждения трубок конденсатора оторвавшимися рабочими лопатками или их частями); в — распределение причин повреждений рабочих лопаток (1 — исчерпание запасов прочности и усталость металла; 2 — эрозионный износ; 3 — коррозионный износ; 4 —

прочее)

Рисунок 1.2 - Повреждения рабочих лопаток [6]

Проблема износа рабочих лопаток турбин актуальна не только для нашей страны [7]. По оценкам исследовательского института США ЕРШ, в 73% случаев остановов турбоагрегатов в США причиной являются поломки лопаток (рисунок 1.3). Из общего числа поврежденных лопаток больше половины приходится на долю лопаток последних трех ступеней.

Потери экономичности. МВт час/год 2000

1000

I -рабочие лопатки ЦНД; 2- подшипники ЦВД; 3- вибрация генератора; 4-стопорные клапаны турбины; 5- регулирующие клапаны турбины; 6-подшипники ЦНД; 7- поломки в проточной части ЦНД; 8- неполадки проточной части всей турбины; 9- лопатки ЦВД; 10- сопровождающие устройства; 11- маслосистема; 12- неполадки в ЦВД; 13- неполадки в ЦСД

Рисунок 1.3.- Основные причины потери экономичности (МВт в час за год) паровых турбин в США за период с 1998 по 2002 год (источник >ШЯС и ЕРШ)

Рабочие лопатки цилиндров низкого давления паровых турбин находятся

в сложных условиях эксплуатации [8-9]:

• резонансные колебания, при которых возникают значительные

амплитуды напряжений, при наличии достаточно большой статической

составляющей напряжений от растяжения и изгиба;

11

• подверженность действию влажного пара, вызывающего эрозию;

• возможность гидравлических ударов, а также задевания о неподвижные детали турбины при вращении;

• возможность появления значительных начальных растягивающих напряжений в поверхностном слое от предшествующих технологических операций изготовления.

Рабочие лопатки части низкого давления (в большей степени последние ступени) подвержены эрозионному износу (рисунок 1.4). Износ входных кромок связан с наличием процессной влаги и часто усугубляется сниженной (по условиям работы котла) температурой свежего пара при сохранении расчетного начального давления. Эрозия выходных кромок связана с подсосом влаги из конденсатора или отборов и развивается, как правило, от корня лопатки (рисунок 1.5).

Рисунок 1.4 - Эрозионный износ входных кромок рабочих лопаток турбины Т-250/300-240 [10]

Многолетние статистические исследования результатов эксплуатации 25

теплофикационных турбин Т-100-130 и 15 турбин Т-250/300-240 показали, что

из-за повреждений вследствие каплеударной эрозии ресурс рабочих лопаток

последних ступеней составляет в среднем 50 тыс. часов [11]. Поврежденность

лопаток проявляется в виде усталостных трещин на входных и выходных

кромках, причиной появления которых является концентрация напряжений,

12

вызванная каплеударной эрозией [12-15]. Усталостные испытания, проведенные на образцах из лопаток 31-й и 40-й ступеней турбины Т-250/300-240 и на натурных лопатках 25-й ступени Т-100/120-130, показали, что эрозионный износ может снизить предел выносливости лопаток до двух раз в зависимости от степени износа, по сравнению с новыми лопатками [16]. При значительной потере металла вследствие эрозии снижаются прочностные характеристики, нарушается вибрационная отстройка лопаток и ухудшаются аэродинамические показатели проточной части.

Рисунок 1.5 - Эрозия выходных кромок титановых рабочих лопаток последней ступени длиной 1200 мм турбины 255 МВт (Финляндия) после примерно 9000 ч работы

В таблице 1.2 приведены осредненные данные по эрозионному износу рабочих лопаток последних ступеней на шести-семи турбинах разного типа за 6-8 лет эксплуатации. Видно, что даже после этого небольшого срока эксплуатации износ составляет десятки миллиметров, и на периферии он может достигать 30 % от хорды профиля.

Таблица 1.2- Обобщенные данные по эрозионному износу рабочих лопаток после 6-8 лет эксплуатации [17]

Мощность турбины, МВт Длина изношенной части лопатки /эр, отсчитываемая от периферийного сечения, мм Уменьшение хорды лопатки на периферии, мм Уменьшение хорды лопатки в сечен�