автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.12, диссертация на тему:Вероятностно-статистические основы методологии оценки эрозионного изнашивания влажнопаровых тербин, его прогнозирование и методы защиты

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИ Й ГОСУДАРСТВ ЕНИЫЙ

ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

ЛАГЕРЕВ Александр Валерьевич

УДК 621.165:620.193

ВЕРОЯТНОСТНО-СТАТИСТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МЕТОДОЛОГИИ ОЦЕНКИ ЭРОЗИОННОГО ИЗНАШИВАНИЯ ВЛАВНОПАРОВЫХ ТУРБИН,ЕГО ПРОГНОЗИРОВАНИЕ И МЕТОДЫ ЗАЩИТЫ

Специальности 05.04.12ч- Турбоиашины и турбоустановки

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Санкт-Петербург 1994

Работа выполнена на кафедре "Турбиностроение" Санкт-Петербургского государственного технического университета

Научный консультант: доктор технических наук,

профессор Фаддеев И.П, (СПбГТУ)

Официальные оппонента: доктор технических наук,

профессор Боришансхий К.Н. (АО "ЛМЗ")

доктор технических наук, профессор Терентьев И.К. (ЩТИ) -

доктор технических наук,

профессор Тихомиров Б.А. (СПбГМТУ)

Ведущее предприятие: АО "Калужский турбинный завод" (г.Калуга)

Защита состоится " ¡^■СС^-у^- 1994 г.

в Ту часов в ауд. Л ¿> 1 главного здания на заседании специализированного Совета Д 063.33.05 при Санкт-Петербургском государственном техническом университете (195251, Санкт-Петербург. Политехническая ул., 29);

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СПбГТУ

Автореферат разослан " 1994 г.

Ученый секретарь специализированного Совета, доктор технических наук,

профессор И.П.Фаддеев.

ВЕРОЯТНОСТНО-СТАТИСТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МЕТОДОЛОГИИ ОЦЕНКИ ЭРОЗИОННОГО ИЗНАШИВАНИЯ ВЛШОПАРОВНХ ТУРБИН, ЕГО ПРОГНОЗИРОВАНИЕ И МЕТОДЫ ЗАЩИТЫ ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность проблемы. Потребности развития промышленного производства в Российской Федерации требует дальнейшего совершенствования эксплуатации энергетической базы страны, в той числе, парка теплоэнергетического оборудования. В ¡качестве первоочередной встает задача оценки износа и замены изношенного оборудования и его узлов, в частности, конструктивных элементов (КЗ) проточной части паровых турбин, на эксплуатируемых электростанциях новым с более высокими показателями надежности, экономичности и зкологичности.

Одним из пажных моментов ее решения является изучение эрозии влажнопаровых (ВП) проточных частей низкого давления (ЧНД) турбин,ее прогнозирование и разработка, широкой системы эффективных противоэ-розиошшх мероприятий. Эрозионный унос металла с поверхности эродирующих КЗ приводит к снижение показателей надежности и экономичности отдельных турбинных ступеней и отрицательно отражается на соответствующих показателях работы турбоустаиовок в целом. Это актуально для энергетических, теплофикационных, геотермальных и приводных турбин ТЭС, ГеоТЭС, АЭС и транспортных АЗУ. Несмотря на получение к настоящему времени значительного объема теоретических результатов и экспериментальных данных, прояснявших различные стороны проблемы эрозии материалов и КЭ машин, заметна их определенная методологическая разобщенность. Отсутствует систематизация на уровне обобщения в виде логически завершенной теории эрозии с взаииноувязанными на основе единой системы представлений о механизмах износа ее компонентами, включающими физические модели различных видов эрозионного повреждения, методы расчета параметров ударного воздействия потоков эродента на изнашиваемые поверхности машин и методы прогнозирования кинетики показателей износа в процессе эксплуатации ЧНД турбин с учетом всего многообразия оказывающих влияние конструктивных, режимных и материаловедческих факторов. Это обуславливает актуальность дальнейших экспериментально-теоретических разработок комплексной проблемы эрозионного изнашивания (ЗИ) проточных частей турбонашин.

Работа выполнялась в соответствии с Республиканской научно-технической програииой "Повышение надежности, экономичности и зкологичности энергетической системы России (Энергосистема России)'.

Цель работы - комплексное изучение явления эрозионного изнашивания элементов ВП проточных частей турбин (ступеней) низкого

I

давления в вероятностно-статистической аспекте с выявлением его качественных и количественных закономерностей. На базе этих исследований разработать общую методологическую схему прогнозирования эрозии КЭ машин, конкретизированную применительно к построению единой теории характерных видов износа проточных частей тепловых турбин. Создать научные основы обоснования на этапах проектирования и дальнейшей эксплуатации турбин ряда эффективных мероприятий противоэро-зионной зациты, а также алгоритмического обеспечения систем автоматизированных эрозионных расчетов и технической диагностики эрозионного состояния турбомашн.

Научная новизна работы заключается в развитии нового, вероятностно-статистического направления в теории и практике прогнозирования, а такие анализа кинетики эрозионного состояния ВП турбин низкого давления, создания противоэрозионной защиты и технической диагностики проточных частей, позволяющего эффективно решать важную научно-техническуп проблему повышения надежности и экономичности ВП турбин. Научная новизна получена за счет:

- формирования концепции ЭИ элементов машин как вероятностно-статистического явления, с методологических позиций которого последовательно выполнена математическая формализация и анализ гидро-, газодинамических, прочностных и материаловедческих аспектов проблемы эрозии проточных частей ВП турбин;

- разработки единой статистической теории механических видов эрозии, включающей эрозионно-усталостные модели повреждения однородных и поверхностно упрочненных материалов, методы вероятностной оценки параметров ударного нагружения эродирующих поверхностей проточной части, совокупность из тридцати двух количественных показателей эрозии и методы вероятностного прогнозирования их кинетики;

- формирования базы экспериментальных данных о типах и статистических характеристиках законов распределения эрозионнозначимых факторов и показателей эрозии различных КЭ турбин, выявления вероятностно-статистических закономерностей износа и разработки иетоди! определения арозионно-усталостных свойств конкретных материалов;

- выявления причиу возможного несоответствия результатов расчета показателей эрозии данным натурных обследований и их ранжирования по степени влияния, разработки методологических путей обеспечения точности прогнозирования кинетики износа;

- анализа вероятностно-статистического процесса эрозии турбо-мятин с оценкой влияния статистической неоднородности эрозионнозна-

2

чииых факторов на разСрос показателей износа и их ранжирования по степени ожидаемого воздействия;'

- создания моделей ряда гидрогазодинамических явлений взаимодействия ВП потоков с поверхностями проточной части;

- создания научных основ ряда перспективных мероприятий противозрозионной защити: оптимального проектирования поверхностного упрочнения КЭ, формирования рациональной стратегии замен предельно эродированных лопаток и ее оптимизации, селективного подхода к создании стеллитовой защиты лопаточных аппаратов и др.;

- создания комплекса автоматизированных эрозионных расчетов и разработки мероприятий противозрозионной защиты турбомагаин;

- разработки подсистему технической диагностики эрозионного состояния лопаточного аппарата ВП ступеней, включаоцей зкепертнуп систему с элементами искусственного интеллекта;

- разработки новых технических решений по совершенствовании противозрозионной защиты и диагностики лопаток, методов исследования эрозионных и адгезионных свойств материалов.

Достоверность и обоснованность научных положений подтверждена:

- использованием современных физических концепций поведения твердых тел при динамическом нагружении, теорий усталостной прочности и механики разрушения, методов вычислительной математики;

- широким использованием при построении моделей различных видов износа и методов прогнозирования эрозии результатов статистических экспериментальных исследований, полученных для турбин различных типоразмеров и условий эксплуатации;

.- адекватностью отражения качественных закономерностей ЭИ, а также хорошим количественным совпадением расчетных и опытных данных по кинетико показателей эрозии различных турбомапин;

- оценкой погрешностей измерений и расчетов.

Практическая ценность работы заключается в:

- разработке обладавших высокой степенью информативности методов вероятностного прогнозирования кинетики эрозии КЗ турбин, позволяющих на этапе проектирования в рамках машинного эксперимента выполнить исследования влияния на количественные показатели процесса иирокой гаммы конструктивных,материалоЕедчоских и режимных факторов;

- предложении новой методики сбора и обработки информации о статистических характеристиках эрозионнозиачимых факторов и показателей эрозий различных КЗ;

- выявлении круга эрозионнозначишх факторов, статистическая

3

неоднородность которых оказывает наибольшее воздействие на снижение • показателей эрозионной надежности и экономичности ВП ступеней и требующих первоочередного проведения мероприятий по их нейтрализации;

- разработке рекомендаций и инженерных методик выбора рациональных параметров ряда методов противоэрозионной защиты, обеспечивающих требуемый уровень надежности эксплуатации КЭ и турбинных ступеней;

- разработке программного и информационного обеспечения подсистемы технической диагностики эрозионного состояния ВП ступеней, а также комплекса автоматизированных эрозионных расчетов и разработки противоэрозионных мероприятий;

- предложении конструкции лопаток с эрозионностойкичи кромками, лопаток-иидикаторов ЭИ, стендов и образцов для испытаний эрозионной прочности материалов и адгезионной прочности покрытий.

Результаты исследований использованы А00 "Калужский турбинный завод" при проектировании серии турбин для ГеоТЭС на геотермальных океанских месторождениях, в разработках НПО "Турбина" (г.Москва) и ЛОО "Читаэнерго* по проблеме технической диагностики турбин.

Апробация работы. Основные результаты проведенных исследований докладывались на 7-ой Всесоюзной конференции "Двухфазный поток в энергетических машинах и аппаратах", г.Ленинград, 1985 г.; на 5-ой Республиканской научно-технической конференции "Математические модели процессов и конструкций энергетических турбонашин в системах их автоматизированного проектирования", г.Готвальд, 1985 г.; Всесоюзной научно-технической конференции "Научные проблемы современного энергетического машиностроения и их решение", г.Ленинград, 1987 г.; на научном семинаре кафедры "Турбиностроение'' СПбГТУ, г .Санкт-Петербург, 1986, 1991, 1991 г.г.; на научно-техническом совете СКБ "Парус" АОО КТЗ, г.Калуга, 1986, 1992-199^ г.г.

Публикации. Основные материалы диссертации опубликованы в 38 печатных работах, включая 20 статей в научно-технических журналах и 6 авторских свидетельств на изобретение. .

Структура и объем работы. Диссертация состоит кз введения, мести глав, заключения, списка литературы из 286 наименований и приложений. Работа содержит 29В) страниц основного текста, 239 иллюстраций, 83 таблицы; приложение'представлено на 104 страницах.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении рассмотрена проблема повышения надежности и экономичности ВП проточных частей теплових турбин, обоснована актуальность и сформулированы направления дальнейших исследований по изуче-<|

нип и прогнозировании кинетики эрозии КЗ турбоиагаин, разработке мероприятий их противозрозионной защити.

В первой главе проведен анализ литературных данных о результатах • экспериментальных и теоретических исследований взаимосвязанных сторон комплексной проблемы ЭИ турбин - прочностной, натериаловедческой, гидро- и газодинамической. Обоснована перспективность развития вероятностно-статистического направления проблемы ЭИ турбомашия.

Во второй глава представлены результаты натурных обследований эрозионного состояния ЧНД турбин различных типоразмеров. На их основе сформирована база данных о статистических характеристиках эрози-онпозначиних факторов и показателей эрозии КЗ. Приведены результаты последующего анализа экспериментальной информации методами теории вероятности, случайных процессов и математической статистики.

Натурные обследования выполнялись для энергетических турбин ТЭС и приводных турбин судовых АЭУ производства ЛМЗ, ЛКЗ и КТЗ: I) двух потоков ЦНД турбин К-300-240 ЛМЗ Сырдарьинской, Костромской и Кирнт-ской ГРЭС и одного - Литовской ГРЭС; 2) двух потоков ЦНД турбины К-100-90 ЛМЗ Прибалтийской ГРЭС; 3) турбин ПТ-12/15-35/10М КТЗ и ПТ-25-90/14 КТЗ Криворожской ТЭС; четырех судовых турбин ЛКЗ мощностью 8,1 МВт с пятью типами поверхностного упрочнения рабочих лопаток последней ступени. Изучение вероятностно-статистических закономерностей каплеударной эрозии выполнялось применительно к износу всех обследованных турбин; гидроабразивной эрозии - применительно к износу хвостовиков, заклепок и балансировочных грузов последних ступеней турбин ЛМЗ; кавитационной эрозии - применительно к износу профильных поверхностей и цельиофрезерованного бандажа рабочих лопаток последней ступени турбины К-300-240 ЛМЗ Литовской ГРЭС; усталостного растрескивания покрытий - применительно к повреждение входных поверхностно упрочненных кромок рабочих лопаток судовых турбин ЛКЗ. В качестве регистрируемых показателей ЭИ использовались размеры зон эрозии и дополнительно ряд специфических конструктивных показателей.

Для статистической характеристики процесса ЭИ предложены вероятностные сеиейства кинетических кривых показателей износа КЭ двух типов: I) каждая кинетическая кривая Х»(«С) семейства интерпретируется как выражающая изменение во времени величины показателя X конкретного 1-го КЭ из общего числа подобных элементов в ступени; 2) каждая кинетическая кривая Хр(®С) сеиейства, характеризующаяся определенной вероятностью Р, интерпретируется как выражающая изменение во времени такой величины показателя ЭИ, по отношение к которой у Р-ТОО % обще- .

. 5

го числа КЭ ступени значения Х|(Т) < Хр('С).

На основе имеющихся представлений об условиях проявления рас- • снатриваемого физического явления сформирован перечень конструктивных, материаловедческих и режимных Факторов, статистическая неоднородность которых оказывает воздействие на разброс показателей ЭИ.

Случайный разброс показателей ЭИ проявляется в трех видах: внут-риступенчатоц, межпоточнои и межтурбинном. Наименьший диапазон наблюдаемых случайных отклонений показателей ЭИ свойственен внутристу-пенчатому разбросу, наибольший - межтурбинному. В частности, по данным эксплуатации турбин К-ЗОО-г^О ЛМЗ диапазоны отклонений длины зоны эрозии и износа хорды профиля рабочих лопаток по сравнению с внут-

риступенчатын разбросом возрастает: при межпоточнои разбросе - в 1,0...5,1 и 1,2...Г,6 раза, при межтурбинном - в 1,1...5,5 и 1,5... 7,1 раза. В основе вероятностно-статистического изучения процессов ЭИ проточных частей турбин лежит изучение качественной и количественной сторон внутриступенчатого разброса показателей износа всей совокупности типов эродирующих КЭ я эрозионнозначимнх факторов. Их распределения и статистические характеристики для межпоточного и можтурбинного видов разброса определяются суперпозицией множества внутриступенчатых распределений и однозначно выражаются ими.

Выявление типа законов распределений показателей ЭИ и эрозионно-значимых факторов выполнялось с использованием критериев согласия , Колмогорова-Смирнова и Шапиро-Уилка при уровне значимости 0,05. Для характеристики разброса экспериментальных данных требуется до девяти типов распределения. Наиболее часто встречаются нормальный и логнор-кальпий законы. Доказана устойчивость типов законов, не зависящая от продолжительности и режима работы турбины, конструкции проточных частей и др. Типы законов распределения факторов овпадают для ступеней и турбин различных типоразмеров.

Случайный разброс эрозионнозначимых факторов неодинаково влияет на величины статистических отклонений различных показателей эрозии. Характеризующие их коэффициенты вариации показателей (отношение стандартного отклонения к математическому ожиданию) лежат в пределах: длины, ширины и площади зон ЭИ входных кромок рабочих лопаток -1...14 X, Ь...38 У„ и 8...43 "/„ : износа хорды профиля - II...62 % ; длины и сирины зоны эрозии выходных кромок лопаток - 9...33 % и 10...30 % ; ширины зоны ЭИ хвостовиков и заклепок - 0,5...О,9 % и 0,6. ..1,0 % ; протяженности вдоль хорды зоны ЭЙ'торцевых сечений лопаток - '|'»...68 Ъ ; длины и ширины кавитационных каверн профильных

С

юворхностей лопаток - 18...?0 % и 7...13 % ; длины остановившихся зоверхностпых трещин в протипозрозионннх покрытиях - 7.. ..18 %.

На осново анализа таблиц сопряженности случайных нормально распределенных длины и ширины зоны ЭИ входных кромок рабочих лопаток установлена доминирующая роль в формировании впутриступенчатого разброса показателей ЭИ случайного отклонения механических свойств поверхностного слоя <матсриаловедчоских фэктороп) по сравнению с распределением параметров ударного пагружения (конструктивных факторов). В результате, у однотипных КЭ относительные диапазоны пнутриступен-чатого разброса неодинаковы для различных материалов поверхностного слоя КЭ и показателей эрозии. Их коэффициенты вариации переменны во времени, достигая максимальных значений' на начальном этапе работы турбины <15...25 тыс. ч) и затеи асимптотичсски снижаясь к некоторому минимальному значению. Эта закономерность объясняется гипотезой о постоянстве во времени дисперсий разброса показателей ЭИ.

Установлена проииущесгг.онная связь положения нижней границы зоны ЭИ стеллитовой защити крепок рабочих лопаток с положением стыков пластин. В последних ступенях турбины К-100-90 ЛМЗ зто наблюдалось у 58 7, лопаток, турбин К-300-240 ЛМЗ - у 7Ч...85 X. Плотность вероятности длины зоны износа образуется суперпозицией нормальных плотностей вероятности удалений стыков пластин от периферийного сечения лопатки с коэффициентами весомости, имеющими межтурбинный нормальный разброс значений. Это связано с технологическими особенностями производства литых стеллитовых пластин. В зависимости от их положения в опоке твердость и эрозионная стойкость могут отличаться до 1,3 и 2 раз соответственно, увеличиваясь по направления от стояка к периферии литейной формы. При наборе пластин наибольшей твердости износ входных кромок лопаток 960 мм турбин К-300-240 ЛМЗ ограничивался бы длиной 70 мм, а при использовании пластин наименьшей твердости -длиной 230 ми, т.е. в 3,3 раза большей. Разработан селективный подход к создании стеллитовой защиты рабочих лопаток, предусматривавший . разделение пластин по эрозионной стойкости на насколько категорий. . При напайке они должны располагаться в соответствии с категорией стойкости. 0 среднем возможно уменьшение длины зоны износа кромок в 1,5 (К-100-90 ЛМЗ) и 2,7 (К-300-240 ЛМЗ) разз, а величины снижения КПД и мощности эродированной ВП ступени - примерно в 2 и 7 раз.

Для лопаточного аппарата последних ступеней ДНД турбин К-300-240 ЛМЗ зафиксированы массовые потери стеллитовых пластин с кромок стальных лопаток длиной 960 мм - до 60...70 % после 60...80 тыс; ч

7

эксплуатации. Выполнялась регистрация расположения оторванных пластин в радиальной и окружной направлениях с представлением его в матричном виде. Анализ матриц расположения оторванных пластин на основе рассмотрения траекторий движения пластин в проточной части, показал переменность по длине лопаток роли различных причин их удаления -отрыва вследствие усталостного разрушения слоя припоя или вследствие хрупкого разрушения от удара ранее сорванных пластин соседних лопаток. Выявлен высокий средний уровень дисбаланса из-за окружной неравномерности отрыва пластин. Он соизмерим с величиной центробежной силы от балансировочных грузов, а в неблагоприятных случаях превышает ее в 2...3 раза.Величина дисбаланса переменна во времени, достигая максимального значения при отрыве АО...50 % набора пластин.

Анализ размеров гидроабразивных каверн поверхности исследованных КЗ позволил изучить статистическую неоднородность пороговых скоростей воздействия пленок, характеризусщупся законом распределения минимального значения. Разработаны методики вероятностной оценки предрасположенности различных КЗ к гидроабразивному износу и практические рекомендации по его предотвращению. Они основаны на обеспечении конструкторскими мерами требования недопущения скоростей воздействия пленок выше порогового значения, определяемого по принятому конструктором уровню надежности - вероятности отсутствия-эрозии.

Предложены базирующиеся на подходах теории распознавания образов методики измерений конструктивных эрозионнозначимых факторов. Они не требуют применения сложных измерительных приборов и оперативно реализуются в эксплуатационных условиях. С их помоцью для ЧНД турбин ЛМЗ и КТЗ собрана обширная статистическая информация о реальной неоднородности основных эрозионнозначимых факторов в натурных ступенях.

Применительно к турбинам ЛМЗ выполнен корреляционный и спектральный анализ закономерностей статистической неоднородности показателей ЭК и факторов по окружности турбинных ступеней. Он базируется на допустимости трактовки графиков окружного изменения значений исследуемых величин как выборочных реализаций периодических случайных процессов. Определены вид и характеристики автокорреляционных функций и спектральных плотностей для конкретных показателей ЭИ и факторов. Окружные распределения случайных значений выражаются в целом стационарными и эргодическими случайными процессами. Большинство конструктивных факторов и некоторые показатели эрозии КЗ рабочих колес выражаются широкополосными процессами. Для их статистической характеристики необходима и достаточна информация лишь о законах распре-

8

деления.Показатели ЭИ рабочих лопаток выражаются узкополосныуи процессами. Это свидетельствует об отсутствии случайной независимости износа соседних лопаток и необходимости для их характеристики дополнительно результатов корреляционного и спектрального анализа.

В третьей главе изложены методологические основы построения единой статистической теории эрозии поверхности КЭ турбомашин при многократном ударном воздействии эроэионноопасных потоков эродента. В ее состав включены механические виды эрозии, характерные для ЧНД турбин - каплеударный, кавитациоиный, газо- и гидроабразивный.

Концептуальной основой единой теории служит представление о протекании эрозии во времени по любому из ее видов как усталостном случайном процессе, при котором за фиксированный временной интервал локальные микрообъемы материала поверхностного слоя КЭ испытывают случайное по величине эрозионно-усталостное повреждение со стороны потока рабочего тела. Оно вызывает нео.братимое возрастание суммарного уровня их поврежденности и нарушение сплошности при достижении предельного значения. В основе выполнения прогнозирования кинетики эрозии КЭ проточной части лежит контроль за износом их поверхности в пределах всей потенциально возможной зоны ЭИ, заданного срока эксплуатации турбины к спектра ожидаемых режимов ее работы на основе методологии пространственно-временной и режимной дискретизации процесса изнашивания. При пространственной дискретизации эродирующая поверхность представляется конечным двухмерным множеством микроплощадок. Оно образовывается системой линий, эквидистантных координатным линиям поверхностной системы координат КЭ. В каждой микроплощадке фиксируется расчетная точка, характеристики износа в которой считаются присущими всей поверхности микроплощадки. В результате, реальная зона ЭИ с плавным очертанием границ выражается ступенчатой конфигурацией, а плавный профиль износа по глубине - ступенчато-мозаичным. Подобный подход позволяет естественным образом ввести в расчетные соотношения .статистическую неоднородность микроструктуры и эро-зионно-усталостных свойств микрообъемов поверхностного слоя КЭ. При временной дискретизации выборочные кинетические кривые вероятностных сенейств показателей ЭИ выражаются конечным множеством соответствую-, щих величин, определенных в дискретные моменты времени. При этом реальные кривые плавной конфигурации представляются ступенчатыми со скачкообразным увеличением показателя эрозии в соответствии с величиной полученного за временной шаг Д X эрозионно-усталостного повреждения. При режимной дискретизации четырехмерное пространство возмож-.

9

I УРОВЕНЬ

Рис. I.

ного изменения параметров рабочего тела р2,Та, (з и частоты вращения ротора представляется совокупностью четырехмерных гиперкубов, образованных разбиением диапазона каждого из указанных параметров на интервалы постоянной ширины. В продолах каждого гиперкуба фиксируется опор иый режим.Соотвествупщее ему сочетание параметров считается присущим всем промежуточным режимам с сочетанием параметров, принадлежащим пространству данного гиперкуба. Сформированной совокуп-

Фушщмоналыю-логическая структура единой статистической теории ЭИ. нссти гиперкубов ставится в соответствие конечное четырехмерное скалярное множество. Его каждый элемент определяет длительность раооты турбины на данном опорном режиме и в общем спучое является случайной величиной. Для обеспечения необходимой точности оценок показателей ЭУ разработаны рекомендации по выбору шагов дискретизации процесса ЭИ.

Сформирована трехуровневая функционально-логическая структура единой теории эрозии. Она обеспечивает увязку общих и специфических черт механических видов износа (рис. I). Модели и летоды, формирующие разные уровни, имеют различную степень углубленности в физический процесс изнашивания КЭ турбомапшн.

I уровень - максимальное абстрагирование от физических особенностей процесса ЭИ. В общей статистической теории I уровня отражено единство закономерностей кинетики различных видов эрозии на основе использования общего магматического аппарата формализации процесса возрастания повреждения нестационарными дискретными цепями Л.А.Маркова. Итоговой информацией является построение вероятностных семейств кинетических кривых показателей ЭИ обоих типов: Х^Т) и Хр('С).

II уровень - учет физических особенностей механизмов повреждения материала при различных видах ЭИ. Специальное теория II уровня опери-

10

руют со статистическими моделями, связывающими параметры нагружения микрообъемов материала с величиной получаемого повреждения.Итоговая информация - характеристики распределения величин повреждения микрообъемов материла D* за фиксированный промежуток времени Д «С,определенные для всего спектра возможных режимов эксплуатации турбины.

III уровень - учет влияния режима работа турбины и конструкции ее проточной части на определяющие протекание конхретного вида Эй параметры нагружения микрообз.емов поверхностного слоя различных КЭ. Методы статистической оценки параметров ударного нагружения III' уровня включают прогнозирование процессов формирования, движения и взаимодействия с поверхностями ВП проточных частей повреждающих фаз рабочего тела. Итоговая информация этого уровня - тип законов и статистические характеристики распределений параметров нагружения.

При таком методологическом построении единой теории ЭИ реализуются принципы модульности и открытости. Благодаря ин возможно расширение теории за счет учета других видов ЭИ и разновидностей КЭ путем добавления соответствугж/лх моделей и методов II и III уровней без внесения изменений в имеющуюся систему функциональных связей.

В общей статистической теории I уровня £-ая кинетическая кривая Хц(<С) вероятностного семейства кривых показателя эрозии X представляется дискретный набором значений I у в номенты времени TT t=l Д <С :

СХ|<«С),«С> о} = (Xt(<T 0ЬХ0; Х,(«С i)=Ii; .. .; Х„(С ,)=XV ; ...; Х,<«гЛ=Хь; ...; Х«(ягт)=хЛ.

Монотонно гладкая кривая Xt(t) моделируется дискретно ступенчатой, скачкообразно возрастающей на величину иага дискретизации показателя дХ через кратные шагу Д t промежутки времени. Состояние 0 указывает на отсутствие износа, V - на износ величины Xy=V дХ, € - на предельно допустимый износ Xдор, Ш - на внезапный отказ КЭ.

Течение процесса ЭИ Еыражается ориентированным графом (рлс. 2), показывающим направление возможных переходов между состояниями показателя Х,и матрицей переходных вероятностей.Ее структура инвариантна по отношению к механизму износа,конструкции и условиям нагружения КЭ:

Роо 4oi 0 2 От

Рн Ян Z im

1Р1* Pv v Я v . V +1 Z V m

Зьь Яь ,ь+1 Zbm

Pn-1 .п-1 Чп-1 .n Zr,-^»

Pnn Znm

О I

Вследствие перемен ности режимов работы турбин переходные вероятности р у у , Ч у , у + i и 1 v m являются нестационарными функциями номера шага дискретизации времени L. Их величина определяется интенсивностью накопления никрообаемами материала КЗ эрозионно-устало-стных повреждений D-ciTj) и параметрами дискретизации цепи А.А.Маркова. Для прогнозирования внутриступенчатого и межпоточного видов разброса показателей ЭИ проточной части конкретной турбины расчет переходных вероятностей выполняется с учетом статистического разброса конструктивных и материаловедческих факторов при фиксированных значениях режимных,а межтурбшшого - с учетом разброса всех типов факторов. Совокупность величин переходных вероятностей для моментов времени в пределах всего срока эксплуатации турбины формирует объем количественной информации, необходимый и достаточный для математического моделирования искомых вероятностных семейств кинетических кривых показателей эрозии различных КЗ. Произвольная кривая строится последовательно: если в момент времени Т i-i показатель Xt имел величину Iv , то в последующий момент TT i его величина

{ОС v . если N< (Ру у ) j ;

I» *i=Iv *дХ , если (Pv V ) 1<N< (Pv V ) i*(4v ,v и) »: Im , если I-(ZVJ i<N<I,0 ,

где N-равномерно распределенное на интервале | 0;I I случайное число.

. Информацию об эрозионной надежности эксплуатации BI1 ступеней дает анализ кинетического уравнения для вектора вероятностей Pv i - вероятностей достижения ородирушциы КЭ в момент t t величины износа I v : {p)i = {PoiPn ... Ру » ... Ры ... = (p)i-i[p]» =

= с{р),:»[р] t-»)[p]i= ... = <...«{p}o[PL)[PL...>[P]t.

На основе сопоставления расположения ненулевых элементов вектора Ср} i по состояниям V с ыроговыми состояниями износа 0, 6( *С , П1 (рис. 3) определяются типы законов и статистические характеристики раснределеьия продолжительности работы эродирующего КЭ без проявления эрозии F(j„), времени достижения предельной величины износа F(j,) и внезапного отказа Р(За|). Установлены зависимости для расчета гамма-процонтного ресурса и вероятности безотказной работы КЭ по 12

Рн P« fit Р11 Р»> P«

Рис. 3.

условиям его предельного ЭИ и внезапного отказа, а также для расчета в произвольный момент времени числа КЭ с пороговыми значениями ЭИ,остаточных гамма-процентного ресурса и вероятности безотказной "работы.

Специальные статистические теории II уровня механических видов эрозии содержат структурные элементы: I) статистическую модель зрозиоино-усталостного

Кинетика вероятностей нахождения показателей эрозии X в различных возможных состояниях, повреждения материала по .соответствующему механизму ЭИ; ?.) методики вероятностных оценок показателей ЭИ эрозионноопаснь:х КЭ проточных частей в произвольные моменты времени; 3) методику выявления эрозионно-усталостных свойств материалов, вводимых в рамках модели повреждения.

Для представления кривых эрозии материалов при многократном воздействии частиц эродонта, выступающих как физический аналог кривых иногоцикловой усталости, используется соотношение связи между циклической долговечностью до момента исчерпания инкубационного периода износа N9 и амплитудой динамического напряжения 6

при б 5> б .

Степенной характер кривых эрозии подтверждается результатами натурных обследований зон ЭИ" рабочих лопаток судовых турбин ЛКЗ с различными типами поверхностных покрытий. Отклонение экспериментальных данных от теоретической зависимости не превосходит 1...2 %. Параметры 6 эц, ГО и N0 являются специфический:! зрозионно-усталостными свойствами материалов и имеют вероятностно-статистический характер. Установлено их подчинение нормальным законам распределения.

Для расчета повреждения микрообъема материала от одиночного' акта ударного нагружения справедлива зависимость: ¿1 ^ = (б ,,/б эв)Т)о . С учетоц. принятой линейной гипотезы Польмгрена-Майнера искомая случайная величина суммарного повреждения за фиксированный промежуток времени А Т воздействия полидисперсного потока эродента выражается соотношением = £ П* м (1, где П^ д - число частиц эродента Д-ой * . 13 '

Фракции,' наносящих повреждение расчетной никроплощадке за шаг Д *С.

Построение функциональных соотношений оценки нормально распределенных случайных величин <11 и 0 ^ через специфические для различных видов ЭИ расходные и кинематические параметры ударного воздействия составляет содержание статистических моделей эрозионно-усталостного повреждения.В их основе лежит решение задачи Лэмба для упругой плоской волны напряжения в изотропном полупространстве с учетом особенностей формирования нестационарного импульса поверхностного давления при воздействии зродента различной природы. Оно устанавливает вид зависимостей величины нагруженносги ыикрообъемов материала б , от скорости соударения,размеров эродента и свойств материала КЭ.Получена следующие соотношения вероятностной оценки повреждения для видов ЭИ:

- каплеударного и кавитационного ударами микроструй

й* = [<гк Ж^-^ш^/Мо,

- кавитационного волнами давления

<1Д = (хи.и.р /И.«)"1 /N0 .

где 1 „, ип - радиус и нормальная составляющая скорости соударения капли; 15» - условная скорость соударения, устанавливаемая из условия равенства амплитуды волны давления и гидродинамического давления при ударе капли; 1 - радиус кривизны фронта волны давления; М,(!, Ик - пороговые значения комплексов и Ин=2«(ип)

Особенностью газоабразивного нагружония элементов ВП проточных частей является взаимодействие жидкой и твердой фаз на процесс ударного воздействия вследствие присутствия жидкости на гидрофильных по* Еерхностях твердых частиц. В результате анализа гидродинамических и механических явлений при соударении с поверхностью упругого полупространства капли влаги, содержащей твердую частицу, получены зави^ симости для расчета параметров движения частицы и импульса поверхностного давления.Возмущающее воздействие частицы на гидродинамические процессы проявляется в возможности образования нескольких пиков на эпюре поверхностного давления, а жидкости на механические процессы-в возможности нескольких вторичных соударений частицы и ее захвата пленкой .Зависимость для оценки с1х при гидроабразшшом ЭИ имеет вид:

й, /Мег, /и«)1 -5и' (с Ц)аг/м^-ъа-Еи:,,

где и*» - скорость частицы при Ь-ои соударении.

Для установления зрозионно-усталостных свойств Иц (Н«.ц, Ни), N0 и Ш конкретных материалов сфориулированы методологические подходы и разработаны методики выявления их типа закона и статистически характеристик распределения по данным натурных обследований эрозион-

14

ного состояния КЗ турйомашин - кинетический кривой размеров зон ЭИ. Особенностями методик являются: I) выполнение статистической фильтрации экспериментальной информации с исключением влияния вероятностного разброса конструктивных и режимных факторов, гарантирующее выявление искомых свойств лишь в зависимости от присущей материалу неоднородности микроструктуры; 2) использование подходов теории распознавания образов и решение задачи нахождения статистических характеристик эрозионно-усталосткых свойств как задачи условной минимизации евклидовой норны матрицы отклонений экспериментальных и расчетных значений математических ожиданий и стандартных отклонений продолжительности инкубационных периодов ЭИ в нескольких сечениях КЭ. Определены характеристики свойств ряда нарок лопаточных хромистых сталей и титановых сплавов, стеллита, материалов защитных покрытий.

Методы статистической оценки параметров ударного нагружения III уровня разрабатываются для каждого включенного в единую статистическую теорию ЭИ вида износа, разновидности эродирующего КЭ и эрозион-ноопасиого потока эродента или жидкой пленки. Общая методологическая схема выполнения статистической оценки искомых параметров нагружения и эрозиоино-усталостного повреждения всей совокупности иикроплощэдок дискретизации эродирующей поверхности со стороны ffl-го потока многофазного рабочего тела па произвольном Ч-ом опорном режиме эксплуатации турбины обуславливает сходную структуру отдельных методов. Они включают этапы: I) расчет образования (Л-го потока или пленки в результате конденсации влажного пара, осаждения первичных капель и твердых частиц па поверхности проточной .части, формирования и движения по ним в виде жидкой пленки, схода в поток пара с последующим дроблением; 2) расчет распределения частиц эродента по фракциям по-лидисперсиого потока и движения отдельных Ц -ых фракций в межвенцо-bwx зазорах и мемопэточных каналах или жидкой пленки по поверхности роторных и статорных деталей от моста образования или входа в ступень до эродирующего КЭ; 3) расчет места расположения зоны, кинематических условий И числа актов ударного воздействия фракций эродента на поверхность КЭ, учет вклада каждой эрозионноопасной фракции Ш-го потока в повреждение произвольной Lj-ой ыикроплощадки: (D^ ы) ч = = EEOtT^d^ )mi4. Для определения типа законов и характеристик распределения параметров нагружения и (D-c jj)4 используется подход Монте-Карло, предусматривающий значительное число повторений этапов 1-3. Для минимизации трудоемкости вычислений при использовании достаточно подробной режимной дискретизации с числом опорных рчжимов бо-

15

лее 25 разраСотана схема построения нелинейных регрессионных соотношений для математических ожиданий и стандартных отклонений повреждения 0«с и на основе ортогонального центрального композиционного планирования многофакторных экспериментов.

При создании методов расчета конкретных КЭ общая схема оценки параметров ударного нагружения подлежит детализации путем уточнения расчетных соотноиений определения искомых кинематических и расходных характеристик воздействия конкретных потоков зродента с целью'учета индивидуальных особенностей конструкции и назначения эродирующих элементов. Подобная детализация проведена.применительно к условиям каплеударного нагружения обойм и ободов диафрагм, корпусов ЧНД, сопловых и рабочих (входные и выходные кромки) лопаток и периферийного ленточного бандажа со стороны девятнадцати различных формирующихся во ВП турбинной ступени потоков капельной влаги. При построении алгоритмов расчета процессов образования и движения потоков капельной влаги используются известные методы газодинамики влажного пара. Дополнительно разработан ряд методик: приближенной оценки полей скоростей в зонах вихревых структур последних ступеней ЧНД при пониженных объемных пропусках пара; расчета траектории движения влаги по поверхности проволочных демпферных связей рабочих лопаток под действием системы центробежных, инерционных и фрикционных сил; оценки расходных параметров потоков вторичных капель, образующихся при разбрызгивании пленок жидкости на плоских и криволинейных неподвижных и перемещающихся поверхностях в процессе взаимодействия с каплями влаги. На основе последней из них выполнен анализ процесса массопереноса вторичной влаги и исследованы отличия действия механизмов перераспределения влаги по поверхностям сопловых и рабочих лопаток.

Для отдельных потоков, наносящих локальное эг )Зйонное повреждение, построение методов вероятностно-статистической оценки параметров нагружения в полном объеме оказывается невозможным из-за отсутствия достоверных алгоритмов расчета количественных сторон процесса их образования и расходных характеристик. Учет влияния таких потоков проводится в форме решения вопроса о наличии условий протекания ЭИ под их воздействием на^рснове определения для микроплощадок поверхности КЭ величин комплекса ДО,,, подсчитанного по параметрам соударения максимальных капель. Области с Ип>Нд являются потенциально возможной зоной ЭИ п^и достаточном для этого числе воздействующих капель. В областях с Иг/ЭДи условия для эрозии не реализуются неза- г висино от количества поступившей влаги.Линия равных значений Нп=Иц

16

определяет положение границы потенциально возможной зоны ЭИ.

Для всесторонней оценки степени износа отдельных КЭ и эрозионного состояния ВП ступеней в произвольные моменты времени эксплуатации турбины сформирована совокупность тридцати двух показателей ЭИ, характеризующих: I) геометрию зоны эрозии (размеры и площадь зоны ЭИ и др.), 2) потерю материала (наибольшая глубина ЭИ в заданных сечениях КЗ, объем, масса эродированного материала и Др.), 3) рельеф эродированной поверхности (средние глубина, ширина устья и шаг расположения эрозионных каверн), А) специфические показатели износа лопаточного аппарата (уменьиение хорды профиля в контролируемых сечениях лопаток, величина шести-восьми низших частот собственных колебаний, дисбаланс рабочего колеса и др.), 5) эрозионную надежность (гамма-процентный ресурс, остаточные гамма-процентный ресурс и вероятность безотказной работы и др.), б) экономичность (снижение мощности и КПД ступени и ЧНД, экономические потери в стоимостной выражении от эксплуатации эродирующих ступени и турбины и др.).

Для каждой группы показателей разработаны методы вероятностно-статистической оценки. В их основе лежит расчет для всей совокупности микроплощадок зоны эрозии КЭ статистических характеристик нормально распределенных продолжительности инкубационных периодов и глубин ЭИ с последующей композицией его результатов. Ее алгоритм зависит от физической сущности рассчитываемого показателя износа.

Алгоритм вероятностного расчета показателей геометрии зоны ЭИ основан на выявлении в пределах множества микроплощадок дискретизации эродирующей поверхности КЭ тех из них, которые к расчетному моменту времени исчерпали свой инкубационный период. Формирование зоны ЭИ на поверхности КЭ в соответствии с данным алгоритмом физически корректно отражает наблюдаемую картину развития износа в эксплуатационных условиях. На начальном этапе наблюдается высокая степень моза-ичности расположения эродированных локальных микроучастков, по мере увеличения числа' которых в области наибольших уровней ударного воздействия наблюдается образование и рост зоны сплошного повреждения.

Алгоритм вероятностного расчета показателей потери материала эродирующим,КЭ основан на суммировании индивидуальных объемных и массовых потерь всего множества микроплощадок дискретизации.изнашиваемой поверхности, определяющихся глубиной износа поверхностного слоя в их пределах к расчетному моменту времени.

Алгоритм расчета показателей рельефа эродирующей поверхности основан на использовании эмпирических-регрессионных соотношений для

- 17

осредпенных размеров эрозионных неровностей поверхности хромистых сталей на различных стадиях процесса каплеударного ЭИ в зависимости от размера воздействуощих капель. Оии получены аппроксимацией опытных данных по износу в условиях воздействия монодисперсных потоков влаги. Сопоставление расположения расчетных линий равных средних высот неровностей на поверхности входных кромок рабочих лопаток последних ступеней судовой турбииы и К-300-240 ЛМЗ с результатами замеров показали их удовлетворительное соответствие.

Алгоритм вероятностной "оценки динамических характеристик эродированного лопаточного аппарата ВП ступеней основан на контроле за изменением величины массовых потерь материала и инерционных характеристик профилей по высоте лопаток. Представление результатов контроля оказывается наиболее удобным для дальнейшего подключения метода начальных параметров расчета собственных частот и форм изгибно-кру-тильных колебаний. Как показали расчеты лопаток последних ступеней турбин К-300-240 ЛМЗ, К-800-240 ЛМЗ и судовых турбин ЛКЗ, изменение во времени шести низших собственных частот имеот, как правило, немонотонный характер. Он проявляется в уменьшении частот на начальном этапе эксплуатации и возрастании при больших временах наработки. Наибольшие отклонения от исходных частот непродированннх лопаток достигают * 15...17 %. У эродированных лопаток амплитуды колебаний высоких кратностей возрастают до 3,5...5,5 раз при достаточной стабильности амплитуд низших кратностей, рост которых не превышает 10...30 %. Неоднородность потери материала лопаток по окружности ступени обуславливает появление дисбаланса, соизмеримого через 20... 30 тыс. ч работы с величиной центробежных сил от балансировочных гру зов.Диапазон относительного разброса дисбаланса при таких наработках турбины достигает до 50 % от средней величины, а.затем снижается.

Алгоритм вероятностного расчета показателей экономичности ВГ1 ступеней и турбин основан на суммировании статистически неоднородных величин индивидуальных вкладов отдельных эродированных лопаток в снижение внутренней мощности ступени, приближенно пропорциональных размерам зон ЭИ их профильных поверхностей. Установлена пропорциональность величин снижения КПД и мощности ступеней, а также скорости роста экономических потерь в стоимостном выражении длине зон ЭИ по второй степени. Для ряда турбин ЛМЗ, КТЗ и ЛКЗ найдены эмпирические коэффициенты в соответствующих расчетных зависимостях.Согласно выполненных расчетов для последних ступеней турбин различных типоразмеров, прогнозируемое изменение мощности и КПД через 50 тыс. ч эксплуатации

18

может достигать соответственно 9...18 % и 5...9%. Относительный уровень их статистического разброса невысок - до 2...2,6 % и 0,3...2 %.

На основе разработанных методов прогнозирования кинетики показателей ЭИ был выполнен количественный анализ влияния на них отклонения режима работы турбины от .номинального. Имеется выраженный макси-мум массовых потерь материала на режимах с меньшей величиной объемного пропуска пара или мощности, чем номинальный. Разработаны методы выявления области зрозионнобезопасных для заданной вероятности отсутствия износа режимов эксплуатации и режима максимального износа КЗ. Они основаны на вычислении в фиксированные моменты времени математических ожиданий и стандартных отклонений массовой потери материала G, для всего множества опорных режимов работы турбины и построении в четырехмерном пространстве возможных значений параметров газодинамики рабочего .тела гиперповерхностей их равных величин. Гиперповерхность G, = 0 разграничивает подпространства зрозионнобезопасных и зрозионноопасных режимов. Положение режима максимального износа характеризуется точкой касания гиперкривой, являющейся геометрическим местом точек возможных сочетаний величин параметров газодинамики рабочего тела при изменении нагрузки турбины в соответствии с программой ее регулирования, и некоторой гиперповерхности равных математических ожиданий массовой потери материала. Точка касания определяет максимально эроэионноопасное сочетание параметров работы турбины, а касающаяся гиперповерхность - величину возможного наибольшего износа КЗ. Положение режима максимального износа у различных КЗ неодинаково. Вследствие этого при оценке данного режима для ступени целесообразно ориентироваться на режим максимального износа ее рабочего лопаточного аппарата, а для ЧНД - лопаточного аппарата последней ступени. Он не является фиксированным для конкретного КЗ, изменяясь пропорционально величине ресурса элемента. Согласно расчета последней ступени судовой турбины, при изменении ресурса с 20 до 100 тыс. ч положение режииа перемещается с Р_^7,6 кПа, 0=4,7 кг/с, Gus=0,6 и ьэ=3,'( г до р2=8,8 Kna,G=?,3 кг/с ,Glb-=0,64 и G,г.

В четвертой главе представлены результаты анализа методических погрешностей прогнозирования показателей эрозии КЗ применительно к условиям зксплуатации и конструкции современных турбомапшн. Они включают оценку величины и условий проявления возможных источников несоответствия расчетных и экспериментальных данных с выявлением группы наиболее влиятельных из них. Разработаны методологические пути обеспечения точности оценки эрозионного состояния проточной части турбин.

19

Причинами несоответствия результатов расчета данным натурных обследований эксплуатировавшихся турбин являются: I) погрешности задания эрозионно-усталостных свойств материалов; 2) погрешности определения параметров ударного нагружения эродирующей поверхности; 3) погрешности представления режимов эксплуатации турбины.

Наиболее значительно проявление неточности вероятностно-статистических оценок показателей ЭИ вследствие неучета в процессе прогнозирования кинетики износа КЭ действительных значений материаловедче-ских эрозиопнозначимых факторов, ответственных за наличие методических погрешностей задания свойств материалов. Погрешности оценки показателей ЭИ материалов существенно различны в процессе износа. С наименьшей точностью поддается прогнозированию период максимальной скорости эрозии, тогда как для периода установившейся скорости неучет натсриаловедчсских факторов приводит к меньшим в 5... 15 и более раз величинам погрешностей. Эта закономерность справедлива для кинетики погрешностей показателей ЭИ натурных КЭ. Однако диапазон их изменения заметно уже из-за разновременности протекания характерных периодов эрозии у разных микроплощадок эродирующей поверхности.

Были исследованы последствия неучета действительных значений следувщих факторов состояния поверхности и поверхностного слоя при характерных для иих диапазонах возможного изменения у КЭ проточных частей: I) исходной шероховатости поверхности КЭ; 2) толщины пленки жидкости; 3) уровня напряженного состояния поверхностного слоя под действием эксплуатационных и остаточных технологических напряжений; 4) физико-хииичоских свойств жидкости; 5) температуры материала КЭ; б) толщины противоэрозиопных покрытий; 7) содержания химических элементов; 8) твердости материала; 9) угла соударения частицы эродента с поверхностью КЭ. Установлены механизмы влияния исследованных факторов, а также получены количественные данные о диапазонах максимально возможных погрешностей различных показателей ЭИ материалов и натурных КЭ. При анализе износа материалов достаточно исследовать влияние погрешности задания факторов на погрешность оценки продолжительности инкубационного периода "фиктивной" Е0 толщины слоя материала, так как погрешности оценки максимальной и установившейся скоростей и глубины ЭИ, объемных и массовых потерь однозначно определяются ими. Необходимая исходная экспериментальная информация - графики зависимостей *СИ и Е0 от величины исследованных факторов -получена с помощью разработанной методики обработки известных данных о кинетических кривых ЭИ различных материалов в условиях стендовых

20

испытаний и приведена в диссертационной раооте.

Неучет действительных значений материаловедческих факторов может Сыть причиной относительной погрешности оценки массовых потерь материала в периоде установившейся скорости ЭИ, находящейся для случаев каплеударного и газоабразивного нагружения в диапазоне -20... ->60 %, кавитационного - -20...*300%. Для скоростей ЭИ характерны более широкие диапазоны величин погрешностей .Распределение факторов по грушам в зависимости от степени влияния возможной ошибки их задания на погрешности расчета потерь материала индивидуально для каждого из видов ЭИ. В группе сильного влияния (погрешность более ¿40%) оказываются: при каплеударнои нагруженли - толщина пленки на поверхности КЗ, интенсивность напряжений в поверхностном слое, твердость материала, содержание углерода, угол соударения; при кавитационнон -интенсивность напряжений, твердость чл содержание углерода; при газоабразивнок -толщина пленки, твердость и угол соударения. Качественно аналогичные результаты характерны для точности расчета показателей ЭИ турбомагаин.

Погрешности методик расчета газодинамики многофазных потоков, используемых в рамках методов вероятностной оценки параметров ударного нагружения III уровня, оказывают иеньшее воздействие на погрешности вычислений показателей ЭИ. Это подтверждается анализом данных натурных обследований турбин ЛМЗ и ЛКЗ мощностью 8...1200 МВт и объясняется благоприятной структурой зависимостей оценки повреждения dj в статистических моделях механических видов ЭИ. При использовании для выявления свойств материалов и определения параметров ударного нагружения одинаковых расчетных методик имеет место взаинная компенсация мультипликативных систематических погрешностей их оценки.

Проявление погрешностей задания режима работы турбины характерно для расчета показателей износа КЭ, проводимых в процессе индивидуального мониторинга эрозионного.состояния конкретных турбомапин. Их источниками являются дискретность представления режимов, имеющих неодинаковую эрозионную опасность, и инструментальные погрешности средств измерения контролируемых параметров рабочего тела. Разработаны методики анализа влияния данных источников погрешностей и показаны особенности их реализации применительно к расчету конкретных турбин.

Величины погрешностей оценки показателей ЭИ определяются взаимный сочетанием графика относительной продолжительности работц турбины и зависимости -потери натериала эродирующим КЭ от нагрузки. При увеличении числа интервалов ретшиой дискретизации погрешности снижаются. Снижение тем интенсивнее, чей равномернее распределение про-

21

должительности работы на различных режимах или чем ближе область наиболее часто реализующихся режимов к положению режима максимального износа.При этом проявляется прбтивоположная тенденция увеличения погрешности расчета вследствие возможности ошибочного формирования графика относительной продолжительности работы турбины на различных режимах из-за инструментальной погрешности средств измерений.

Наиболее эффективным средством повышения точности расчетной оценки показателей ЭИ при прогнозировании кинетики эрозии КЭ проточной части ВП турбин является максимальный учет действительных значений материаловедческих эрозионнозначимых факторов путем коррекции используемых в статистических моделях механических видов износа эрози-онно-усталостных свойств. Разработанные на основе анализ^ экспериментальных данных зависимости оценки корректирующих коэффициентов обеспечивают определение действительных величин свойств материалов по их величинам, известным для других значений материаловедческих факторов. Наибольшую роль играет точность коррекции И«. Для уменьшения влияния погрешностей задания режима работы турбины необходим выбор рационального сочетания степени дискретности представления графика относительной продолжительности работы турбины на различных режимах и класса точности используемых средств измерений. Предложена методика оценки границ интервала рациональных величин степени режимной дискретности и определения ее оптимального значения, при котором достигается минимально возможная при данном классе приборов погрешность оценки показателей ЭИ. Оптимальная степень режимной дискретизации и нижняя граница интервала допустимых значений степени дискретности возрастают с увеличением класса точности приборов. Предельно достигаемый минимальный уровень погрешности примерно в 1,2 раза выше инструментальной погрешности используемых средств измерений.

В пятой главе выполнен анализ вероятностно-статистического явления эрозии ЧНД турбин с определением индивидуальных вкладов статистической неоднородности величин отдельных и комплексных вкладов нескольких арозионноэначиных факторов в случайный разброс показателей эрозионной стойкости и надежности эродирующих ступеней, а также с ранжированием их по степени воздействия и выявлением основных, определяющих статистические характеристики износа.

На основе методологии единой статистической теории эрозии разработаны частные методики анализа степени влияния внутриступенчатого и межтурбипного разбросамрозионнозначимых факторов. С их помощью выполнены расчеты применительно к конструкции и условиям эксплуатации

22

турбин различной мощности и назначения (К-300-240 ЛМЗ и судовой турбины), позволившие получить количественную информацию для различной продолжительности вксплуатации об эрозионной надежности (гамма-процентном ресурсе), эрозионной стойкости и показателях ЭИ лопаточного аппарата последних ступеней (длнны и ширины зоны ЭИ, протяженности зоны износа входных кромок, износа хорды профилей и массовой .потери материала). Информация включает данные об относительных диапазонах случайного разброса величин показателей, предельных отклонениях при минимально и максимально допустимых значениях факторов, отклонениях математических ожиданий от значений, найденных при детерминистском расчете без учета разброса зрозионнозначииых факторов.

Несимметричность полей допусков конструктивных и материаловедче-ских факторов относительно их номинальных значений и нелинейность функциональной связи между величинами факторов и показателей ЭИ обуславливает несовпадение для показателей износа КЭ проточной части ВП турбин значений математических ожиданий при вероятностном расчете и их величин при детерминистском расчете. Результаты детерминистских расчетов нельзя рассматривать как некие осреднешше показатели эрозии. Возможная относительная погрешность может достигать +13... »16 "/„.

Поликристаллическая структура материалов обуславливает вероятностный разброс генерируемых импульсом поверхностного давления микронапряжений с появлением в отдельных зернах положительных компонент тензора напряжений. Их средний уровень в 1,3...2 раза выше по сравнению с результатами детерминистского анализа, причеи треть зерен находится под действием более высоких напряжений. Выявленные скорости соударения капель, при которых в поверхностном слое возможно существование малого числа (менее 0.5...1 %) зерен с величиной нормальных напряжений, превышающих предел выносливости материала, хорошо ' коррелируют с экспериментально регистрируемыми пороговыми скоростями соударения для хромистой стали, титанового сплава и стеллита.

Статистическая неоднородность эрозионнозначимих факторов, в первую очередь, материаловедческих, является причиной снижения показателей надежности эродирующих КЭ и их поверхностной противоэрозионной защиты. Технологические мероприятия повышения стабильности зрозион-нозначимых факторов однозначно положительно сказываются на повышении показателей надежности. Наиболее эффективный оказывается воздействие на разброс эрозионно-усталостных свойств материала КЭ, содержание углерода, твердости стеллитовых пластин, толщины покрытий.

Изменение показателей ЭИ рабочих лопаток с изменением ширины меж-

23

венцового зазора ступени имеет немонотонный характер с достижением максимальных значений при индивидуальной для каждой ступени величине зазора. Разработана методика нахождения наиболее эрозионноопаской величины иежвенцового зазора и вероятностных оценок его эрозионнобе-зопасных величин с заданной вероятностью выполнения одного из следующих критериев: I) нулевого износа хорды профиля; 2) отсутствия следов эрозионного повреждения профильной поверхности. 1.

Расположение факторов по степени их воздействия на разброс показателей ЭИ имеет индивидуальный вид как для различных показателей, так и для'различных ступеней. Оно определяется степенью предрасположенности факторов к формированию случайного разброса показателей ЭИ и шириной допустимых диапазонов отклонений этих факторов в натурных ступенях. В числе факторов, оказывающих наибольшее воздействие на внутритурбинный разброс весовых показателей, - отклонение ширины иежвенцового зазора, твердости поверхности КЗ и содержания углерода в хромистых сталях. Для приводных турбин, имеющих широкий спектр возможных графиков работы, доминирующее влияние на иежтурбинный разброс показателей ЭИ оказывают отклонения продолжительности эксплуатации турбины на различных режимах, а для турбин с меньшей неоднородностью графиков работы (коэффициенты вариации продолжительности на различных режимах менее 13...20 *(,) - отклонение ширины иежвенцового зазора.

Расположение факторов по степени предрасположенности к формированию случайного разброса и по степени влияния на разброс показателей ЭИ неодинаково из-за различий в системе допусков отдельных факторов. С точки зрения обеспечения стабильности эрозионного состояния ВП ступеней являются чрезмерно большими допуски на ширину иежвенцового зазора и твердость поверхности КЗ и высокими - допуски на содержание углерода в хромистых сталях, угол установки выходных'кромок сопловых лопаток, осевое смещение входных кромок рабочих лопаток.

В тестой главе разработаны научные основы ряда перспективных мероприятий повышения эффективности проектирования и эксплуатации ЧНД турбин.

I. Прогнозирование кинетики износа и проект1фованиб противоэро-зионяой защиты КЭ нанесением износостойких материалов или модификацией свойств поверхностных слоев.

Были проведены экспериментальные исследования качественных особенностей эрозии поверхностно упрочненных материалов применительно к износу в условиях струс.ударного иагружения образцов из стали 20X13 с поверхностной лазерной закалкой на различную глубину в пределах 80...

24

240 ыки, а также с плавленными покрытиями из композиционных экзотермически реагирующих порошков ПТ-19Н-01 и ПТ-19НВК-01 толщиной 300... 400 мкц без применения и с дополнительным применением лазерного упрочнения. Анализ кинетических кривых средней глубины и скорости ее изменения позволил установить увеличение числа характерных периодов износа: в случае тонких противозрозионных слоев - до четырех, толстых - до пяти. Отсутствует инкубационный период износа защищаемого материала. Наличие слоя упрочнения снижает максимальную скорость ЭИ завещаемого материала пропорционально относительной эрозионной стойкости защиты вплоть до величины его установившейся скорости износа.

Причиной проявления особенностей кинетики ЭИ являются качественные и количественные различия нестационарного процесса формирования напряженного состояния микрообьеиов покрытия и защищаемого КЗ под воздействием системы первичной и вторичной волн напряжений нагрузки и разгрузки в условиях их отражения, преломления от поверхностей раздела материалов, интерференции, дифракции и рефракции. Разработана волновая модель формирования напряженного состояния поверхностно упрочненных КЗ турбомашин, учитывающая особенности реальных покрытий -микрошероховатость поверхности раздела и неоднородность микротвердости по глубине материалов. Поле напряжений характеризуется значительной неравномерностью вдоль поверхности раздела материалов. В результате решения задачи дифракции плоских волн в системе двумерных клиновидных изотропных и неоднородных сред получены аналитические зависииости для определения напряжения в произвольных точках однослойного покрытия и КЗ. Для многослойных покрытий разработан алгоритм построения циклов нагружения, основанный на подходах теории графов.Согласно расчетов, уровень напряжений может в. 2...8 раз отличаться от вычисленного без учета реальных особенностей покрытий, причем в зависииости от закона изиенения ыикротвердостн разница в величинах напряжений однородного и неоднородного материалов достигает 10...20

Волновая модель положена в основу статистических моделей повреждения поверхности КЗ при возможных кеханизиах исчерпания ресурса покрытий - собственно эрозии, усталостных отслаивания и растрескивания.

Вероятностный учет относительного различия Ч* 1 !„ уровней напряженного состояния упрочненного б * и однородного б 1„ материалов позволяет выполнить коррекцию зависимостей статистической оценки эро-зионно-усталостного повреждения от одиночного акта ударного нагружения в моделях различных видов ЭИ.Применительно к каплеударной эрозии = [ч* 4(гк /И«)1 '^(Ии) ,]п> /N0 .

Для моделей' кавитациониого и газоабразивного повреждения коррекция соответствующих зависимостей аналогична.

Эрозионная стойкость покрытий малой толщины 8 1 при Ч1 »(3 1)>1 заметно ниже стойкости однородного материала. Степень снижения стойкости определяется параметрами микрогеонетрии поверхности раздела. Каждое покрытие характеризуется некоторой переходной толцииоЛ. Ее следует использовать в качестве разграничителя тонких покрытий, при расчете и проектировании которых необходам учет волновых процессов формирования напряженного состояния, и толстых накладок, которые в процессе ЭИ ведут себя как однородный материал. Переходная толщина пропорциональна отноиенив шпедансов контактирующих материалов, обратно пропорциональна интенсивности ударного нагружения и практически не зависит от размеров микронеровностей поверхности раздела. Согласно расчета переходных толщин ряда материалов покрытий поверхности КЭ из хромистых сталей и титановых сплавов при уровнях нагружения N„<8 цэ /с2,-характерных для периферийных сечений рабочих лопаток большой веерности, их значения составляют 40...140 икн.

Предложенный подход к коррекции статистических моделей ЭИ однородных материалов позволяет использовать для прогнозирования эрозии КЭ с покрытиями разработанные в рамках статистических теорий II уровня методологические подходы и методики вероятностной оценки показателей износа. Совокупность показателей ЭИ поверхностно улрочненых КЭ расширяется за счет введения показателей эрозионной надежности защиты - гамма-процентного ресурса и вероятности безотказной работы слоя покрытия до его сквозного износа в пределах заданной площади.

Удары частиц эродента обуславливают в тонких покрытиях их отслаивание вследствие усталостного разрушения иикрообъемов материалов вблизи поверхности раздела под действием волн напряжений. В зависимости от сочетания свойств контактирующих материалов и конструктивных параметров покрытий возможно как разрушение покрытия, обеспечивающее проявление его защитных функций, так и разрушение слоя КЭ, инициализируемое присутствием покрытия.. Для вероятностной оценки продолжительности разрушения микрообъемов материалов и определения мест первоначального его проявления получены расчетные соотношения.

Механизм исчерпания ресурса покрытий вследствие усталостного растрескивания нормально наружной поверхности связан с воздействием переменных положительных компонент эксплуатационных и остаточных напряжений. В основе метода^прогнозирования кинетики растрескивания лежат принципы линейной механики разрушения и разработанная модель 'сквозно-

26

го роста трещин с учетом тормозящего воздействия поверхности раздела. Оно моделируется введением переменности величины критического коэффициента интенсивности напряжений материала покрытия в соотношение Формана для оценки скорости роста усталостной трещины. В произвольной точке фронта трещины критический коэффициент считается экспоненциальной функцией ее удаления от поверхности раздела материалов. Для расчета поля напряжений от эксплуатационных и остаточных технологических нагрузок разработана схема трехмерного негода конечных элементов, связанная с минимизацией потенциальной энергии системы "КЗ-покрытие".

Тормозящее действие поверхности раздела неравномерно вдоль фронта трещины, вследствие чего происходит постепенное ее вытягивание вдоль наружной поверхности покрытия с формированием эллиптической конфигурации. Рост трещины замедляется и через 15...25 тыс. ч работы турбины прекращается. Метод позволяет оценить время роста и размер остановившихся усталостных трещин. Результаты расчета согласуются с данными натурных обследований поверхностных трещин в плазменных покрытиях сплавами КБХ и колманой рабочих лопаток судовых турбин ЛКЗ.

Варьирование конструктивных параметров покрытий и закона изменения микротвердости по глубине дает возможность целенаправленного управления показателями эрозионной стойкости и надежности противоэрози-онной защиты. Для рационального проектирования покрытий, обеспечивающих достижение требуемого ресурса защиты с учетом ожидаемых условий эксплуатации турбины, разработаны основанные на моделях исчерпания ресурса покрытий по различным механизмам разрушения инженерные методики оценки их конструктивных параметров.

Методика выбора размеров, формы и места нанесения покрытия основана на условии недопущения с заданной вероятностью проявления эрозионного повреждения поверхности КЗ в течение установленного ресурса. Она предусматривает выделение из множества микроплощадок эродирующей поверхности подмножества с меньшими значениями продолжительности инкубационных периодов ЭИ. Методика позволяет проектировать покрытия минимально необходимых размеров постоянной или линейно изменяющейся ширины. Ее корректность подтверждается сравнением расчетного положения противоэрозионной защиты и экспериментально регистрируемых зон эрозии отдельных КЭ применительно к износу вводных кромок рабочих лопаток последних ступеней судовых турбин с различными типами покрытий.

Методика выбора рациональной толщины покрытия основана на расчете и сравнительной анализе величин характерных видов толщин: I) предельных по условиям неразрушекия путей растрескивания и отслаивания

27

в течение заданного времени эксплуатации; 2) оптимальной, характеризующейся минимальным уровнем напряженного состояния покрытия; 3) переходной. Их нахождение сводится к решению задачи условной минимизации целевой функции - зависимости величины наибольшей нормальной компоненты тензора напряжений от толщины покрытия. Рациональная толщина покрытия связывается с одной из характерных толщин и ее выбор представляет компромисс между необходимостью получения защиты с требуемым уровнем эрозионной надежности и недопущением разрушения из-за отслаивания или растрескивания. Для высохонагруженных КЭ лопаточного аппарата она лежит в диапазоне 200...400 ики, а для менее нагруженных статорных КЭ оказывается выше. При невозможности назначения толщины большей, чем переходная, негативное влияние поверхности'раздела на показатели эрозионной надежности защиты подлежит нейтрализации подбором рационального сочетания параметров ее микрогеометрии. При проектировании покрытий роторных КЭ целесообразно выполнение покрытия переменной толщины вдоль защищаемой поверхности с ее увеличением в направлении уменьшения нагрузки от центробежных сил. Это совпадает с направлением повышения интенсивности эрозионного воздействия.

Методика выбора рациональных параметров микрогеометрии поверхности раздела для предварительно назначенной толщины покрытия основана на условии непревьшения с заданной вероятностью в поверхностном Лое КЭ максимальными напряжениями вторичных волн максимальных величин напряжений в случае гладкой поверхности раздела. При использовании в качестве покрытия материала с величиной импеданса, превышающего импеданс материала КЭ, вид и режим предварительной технологической обработки поверхности должны назначаться из условия увеличения обоих размеров микронеровностей: высоты - до 10...40 мкм, протяженности боковых сторон - до 30...40 мкм. Это благоприятно скажется на повышении стойкости материала КЭ к отслаиванию и адгезии защитного слоя при обеспечении максимально возможной для выбранной толщины эрозионной стойкости покрытия. В противном случае целесообразно увеличение высоты микронеровностей до 10...40 мкм при одновременном уменьшении протяженности их сторон до 10...15 ики. При этом эрозионная стойкость может быть в 3.. .4 раза ниже максимально возможной, поэтому толщину покрытия следует назначать превышающей переходную толщину.

Методика установления рационального закона изменения микротвердости по глубине покрытия и КЭ основана на условии повышения усталостной долговечности упрошенного материала по сравнению с исходным не-упрочненным. Количественной характеристикой долговечности служит без-

28

размерный комплекс У - отношение усталостных повреждений упрочненного и неупрочненного материалов. Установлены зависимости связи его величины с механическими свойствами и твердостью материалов. Методика обеспечивает построение закона изменения микротвердости, реализующего предварительно заданное распределение ¥ по глубине. Сформулированы рекомендации по заданно благоприятной с точки зрения увеличения эрозионной стойкости зависимости У. Их составной частью является выбор рациональной степени упрочнения поверхности покрытия, основанный на анализе зависимости от твердости величины потерь материала к моменту исчерпания заданного ресурса КЗ.Подход обеспечивает возможность разработки технологии упрочнения с учетом индивидуальных особенностей конструкции КЗ и ступени, режимов эксплуатации турбины.Рациональной степени упрочнения соответствует массовая потеря материала, превышающая на 5...15 % потенциально возможную минимальную величину.

2. Формирование стратегии ремонта эродирующих ступеней с заменой предельно изношенных рабочих лопаток.

Периодическое удаление эродированных лопаток приводит к искажению формы кинетических кривых показателей экономичности ВП ступеней по сравнению с эксплуатацией турбины без ремонта лопаточного аппарата. Разработан метод вероятностной оценки экономической эффективности и кинетики показателей экономичности ступеней при йзвестной стратегии замен рабочих лопаток. Он включает учет влияния на статистические характеристики распределений показателей случайных сочетаний уровней эрозионной стойкости удаляемых и устанавливаемых лопаток, а также времени их наработки к расчетному моменту времени. Эффективность ремонтов ВП ступени определяется сравнениеи экономических потерь в стоимостном выражении, накопленных за весь срок службы турбины, по двум вариантам - без заиены и с заменой лопаток. Рационально выбранная стратегия позволяет снизить экономические потери. Величина снижения рассматривается как экономический эффект данного противозрозионного мероприятия. В зависимости от конструкции ступени, интенсивности эрозионных процессов, стратегии реионта и технологии восстановления функциональных свойств изношенных лопаток по эффекту замена ыожет быть как положительной, так и отрицательной. Она не целесообразна, если удельные затраты на изготовление новых лопаток превышают положительный аффект от повышения среднего КПД ступени (осреднонного за весь срок работы турбины). Предложена методика оценки принадлежности стратегии замен к экономически выгодной или убыточной по результатам расчета порогового значения удельных затрат, ограничивающего диапа-

29

зон допустимых интенсивностеи эрозионных процессов. ,

Планирование стратегии ремонтов эродирующих ступеней йключает построение графика замен лопаток - определения моментов времени их проведения и количества заменяемых при каждом ремонте лопаток. Планирование базируется на технико-экономических критериях вероятностной оценки предельной величины ЭИ лопаток. Совместное использование экономического критерия с методом вероятностного .прогнозирования кинетики показателей экономичности, а технического - с методом вероятностного прогнозирования кинетики динамических характеристик лопаток позволяет построить две несовпадающие вероятностные функции моментов наступления срока замен эродированных лопаток. Их композиция определяет итоговую функции, преимущественно совпадающую с функцией для экономического критерия. Лишь на ограниченных временных интервалах необходимость замены лопаток может лимитироваться техническим критерием. Итоговая вероятностная кривая для произвольного момента времени характеризует долю лопаток, достигших предельного износа, и определяет число лопаток, подлежащих замене в ходе проводимого в этот момент первого ремонта. Для последующих ремонтов число заменяемых лопаток определяется суммированием предельно изношенных среди установленных исходно и во время предыдущих ремонтов. Объем запасных лопаток оценивается по графику замен и принятой технологии восстановления.

Эффективность стратегии замен зависит от числа и сроков проведения ремонтов и достигает наибольшего значения при их оптимальном сочетании. Преждевременная по отношению к оптимальному моменту замена так же нежелательна, как и опоздание. Сформулированы задачи оптимизации стратегии замен лопаток в вероятностной и детерминистской постановках. Они сводятся к условной минимизации нелинейных целевых функций - зависимостей величины достигаемого за весь срок службы турбины экономического эффекта. При единовременных перелопачиваниях лопаточного аппарата оптимальным является их проведение в равномерно распределенные моменты времени. Оптимальное число ремонтов обратно пропорционально величине удельных затрат на изготовление новых лопаток. В ранках вероятностного подхода рассмотрены две формулировки оптимизационной задачи: I) моменты времени ремонтов фиксированы; 2) ограничения на моменты времени ремонтов отсутствуют и допустимо их определение в зависимости от протекания эрозионных процессов. Первая задача удобна при планировании замен лопаток турбин ТЭС и АЭС. Вторая задача является более общий, определяя максимально достижимую эффективность данного противоэрозиоиного мероприятия. В графиках ремонта она 30

позволяет учесть процессы ЭИ путей взаимного согласования числа и моментов остановов турбины, определяемых с учетом и без учета эрозии.

3. Техническая диагностика эрозионного состояния ВП турбин.

Статистический подход к расчету эрозионных процессов является теоретической основой для создания алгоритмического обеспечения диагностики эрозионного состояния ЧНД и реализации ее основной направленности - индивидуализации прогнозирования ЭИ конкретных турбин. Разработаны функционально-логическая структура, программное и информационное обеспечение подсистемы диагностики эрозионного состояния лопаточного аппарата ВП ступеней, эксплуатирующейся под управлением ЭВМ типа IBM PC AT с операционной системой US DOS. Возможности подсистемы позволяют решать основные задачи текущей и опережающей вероятностной оценки ЭИ лопаток и их остаточного ресурса с учетом присущих диагностируемой турбине особенностей регана эксплуатации и размеров ступеней. Информация о текущей состоянии лопаточного аппарата включает данные о минимальных, средних и максимальных значениях показателей ЭИ входных кромок лопаток - размеров зон эрозии, износа хорды, массы потерянного материала, шести низших собственных частот колебаний и остаточного ресурса. Алгоритм функционирования подсистемы обеспечивает ее обновление каждые 1000 ч эксплуатации, исходя из результатов непрерывного контроля параметров рабочего тела средствами измерений технического обеспечения. Предусмотрена возможность неоднократной корректировки результатов прогнозирования согласно получаемой во время остановов турбины информации о реальном состоянии ступеней. Наличие интеллектуальной надстройки в виде экспертной системы с использованием элементов искусственного интеллекта реализует возможность формирования рекомендаций обслуживающему персоналу по срокам и объемам замен. Программное обеспечение разработано на языке Hjz6o-PcMCCl£ 3.0. Для размещения подсистемы требуется малый объем ресурсов управляющей ЭВИ - не более 18 К оперативной и 120...700 К внешней памяти.

Автоматизация эрозионных расчетов и разработки противозрозион-ных мероприятий.

Созданный вычислительный комплекс WEAR автоматизированного прогнозирования кинетики всей совокупности показателей ЭИ и разработки противоэрозионных мероприятий позволяет решать широкий круг проектных и эксплуатационных задач анализа эрозионного состояния ЧНД турбин. Он может быть использован автономно или в качестве подсистемы в САПР паровых турбин. Техническое обеспечение комплекса ограничено минимальным набором аппаратных средств на основе ЭВИ типа IBM PC XT/AT

31

с операционной системой US DOS. Алгоритмическое обеспечение базируется на методах единой статистической теории ЭИ. В состав программного обеспечения входят 98 работающих в системе диалога "человек - ЗВМ" программ, в том числе, с элементами искусственного интеллекта, объемом 2,9 Н. Их исходные тексты написаны на языке TUZ&0-P(16Ca£ 3.0. Программы реализуют законченное решение конкретной задачи и предназначены для самостоятельного использования или включения в вычислительные цепочки с целью решения комплексных многоэтапных задач. Ксхо-'дя из практики проектирования и эксплуатации; намечен ряд типовых задач эрозионных расчетов, для каждой из которых разработана рациональная вычислительная цепочка последовательно активизируемых программ..

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные результаты диссертационной работы состоят в следующем:

1. Разработана расчетно-зкспериментальная концепция эрозионного изнаяивания КЗ турбоиашин как вероятностно-статистического явления, опирающаяся на. сформированную базу экспериментальных данных натурных обследований эрозионного состояния ЧНД турбин различных типоразмеров и выявленные вероятностные закономерности кинетики износа. Концепция реализована при построении единой статистической теории эрозии трехуровневой структуры, обладающей свойствами модульности и открытости. В ее ранках выполнена увязка механических видов ЗИ - каплеударного, кавитащшниого, газо- и гидраабразивиого. Установлены общие методологические принципы построения структурных элементов теории. На их ой-

■ нове разработаны общая схема иатаиатической формализации процесса накопления эрозионных повреждений в ыикрообъемах материала дискретными ■цепями А.А.Маркова. Предложены статистические зрозионно-усталостние модели механических видов 311 однородных и поверхностно упрочненых материалов. Разработаны методы вероятностной оценки параметров ударного воздействия потоков эродента на поверхность КЗ. Рассмотрены методы вероятностного прогнозирования кинетики показателей эрозии КЭ и ВП ступеней тридцати двух наименований. Предложены методы выявления эро-зионно-усталостнык свойств материалов с использованием статистической фильтрации экспериментальной информации для отсеивания влияния разброса конструктивных и режимных эрозионнозначимых факторов.

2. Созданный комплекс автоматизированных эрозионных расчетов и разработки противоэрозионной защиты турбомашин позволяет автономно или в составе САПР паровых турбин с' помощью ЗВЙ выполнить вероятностное прогнозирование кинеуихи ЭИ лопаточного аппарата и других КЭ, оценку ожидаемой эффективности ряда методов противоэрозионной защиты

32

и ее оптимальное проектирование. Он включает 98 прикладных программ объемом 2,9 М. Использование комплекса в практике проектирования ВП турбин увеличивает эффективность конструкторского труда.

3. Созданы научные основы ряда перспективных методов противозро-зионной защиты КЗ турбоиашин, обеспечивающие требуемый уровень надежности эродирующих КЗ проточной части. Разработаны принципы оптимального проектирования поверхностного упрочнения КЗ. Обосновывающая их волновая модель формирования напряженного состояния покрытия и защищаемого КЗ с учетом интерференции, дифракции и рефракции волн напряжений позволяет выполнить оценку величин напряжений. По расчету напряжения в 2...8 раз отличаются от вычисленных без рассмотрения реальных особенностей поверхностного упрочнения. Предложенные негодики выбора конструктивных параметров покрытий и распределения микротвердости по глубине позволяют повысить эрозионную стойкость упрочненых КЗ: за счет рационального назначения степени упрочнения материала - до 4...10 раз, за счет рационального выбора параметров микрогеометрии поверхности раздела материалов и толщины покрытия - до 3...4 и 2...3 раз соответственно. Разработаны принципы формирования стратегии замен предельно эродированных лопаток и ее,оптимизации с определением распределения во времени моментов выполнения замен, числа удаляемых лопаток и объема запасных КЗ. Данная стратегия в 2.5...3 раза снижает величину падения КПД эродирующих ступеней, доходящу» у современных турбин после 50000 ч эксплуатации до 5...9 У, (абсолвтных), исключается возможность нарушения вибрационной отстройки рабочих лопаток из-за изменения низших собственных частот колебаний, достигающего у изношенных лопаток последних ступеней величины + 15...17 %. Селективный подход к созданию стеллитовой защиты лопаток позволяет уменьшить длину зоны ЭИ входных кромок в 1,5.'. .2,7 раза, а падение КПД и мощности эродированных ступеней - в 2...7 раз. Методики выбора эрозионно-безопасной конфигурации КЗ ротора и ширины иежвенцового зазора ступени позволяют снизить гидроабразивную эрозию КЗ и каплеударную эрозию входных кромок рабочих лопаток при незначительной, на 0,1...0,3 X увеличений иассогабаритных показателей турбоагрегата. Установлена переменность положения режима эксплуатации с максимальным износом, приближающегося к номинальному при увеличении срока службы турбины.

Разпаботанная подсистема технической диагностики эрозионного состояния лопаточного аппарата ВП ступеней обеспечивает выполнение непрерывного контроля турбины без вскрытия проточной части, предоставляя текущую информацию о средних значениях и диапазонах разброса пока-

33

)

эателей ЭИ и остаточного ресурса рабочих лопаток. Для ее функционирования требуется малый объем ресурсов управляющей ЭВМ - не более 18 К оперативной и 120...700 К внешней памяти. Наличие экспертной системы с элементами искусственного интеллекта позволяет давать рекомендации обслуживающему персоналу по срокам и объему необходимого ремонта.

5. Предложенные новые технические решения по совершенствованию методов противоэрозионной защиты и диагностики эрозионного состояния лопаточного аппарата, методов исследования эрозионных и адгезионных свойств материалов позволяют снизить вероятность зарождения усталостных трещин и увеличить долговечность рабочих лопаток до 2...2,2 раза, а также повысить точность диагностики и прогнозирования кинетики ЭИ.

6. Анализ процесса эрозии ВП турбин как вероятностно-статистического явления и ранжирование режимных, конструктивных и материаловед-ческих факторов по степени влияния выявили возможность воздействия присущего турбинным ступеням статистического отклонения величин ряда из них на случайный разброс различных показателей в диапазоне -22...

♦ 34 %. Целенаправленное воздействие на статистическую неоднородность ширины межвенцового зазора, твердости поверхности КЗ, содержания углерода в хромистых сталях, угла установки сопловых и осевого положения рабочих лопаток оказывается наиболее результативным с точки зрения повышения эрозионной надежности (95%-го ресурса поверхностно ул-рочненых КЭ - в 1,5...2 раза).

7. Ранжирование по степени влияния причин возможного несоответствия результатов расчета показателей ЭИ данным натурных обследований показало наиболее значительное воздействие неучета действительных ве-

' личин факторов состояния поверхности и поверхностного слоя КЭ. Пред- • ,'ложенные и научно обоснованные методологические пути обеспечения точности прогнозирования кинетики износа на основе коррекции эрозионно-усталостнык свойств материалов и выбора рациональной степени дискретизации режимов работы турбины позволяют исключить возможную относительную погрешность расчета массовых показателей ЭИ, достигающую до -20...+45 % при неточности задания свойств и до ± 10...12 % при неточности представления режимов эксплуатации.

8. Результаты исследований использованы А00 "Калужский турбинный завод" при проектировании серии турбин для ГеоТЭС на океанских месторождениях и разработке системы диагностики приводных турбин, а также в разработках НПО "Турбина" (г.Москва) и А00 "Читаэнерго" по проблеме технической диагностики эрозионного состояния турбин.

Основное содержание диссертации опубликовано в работах:

34

1. A.c. 1089280 СССР.. Лопатка турбоматины / А.В.Лагерев, В.Т. Буглаев, В.В.Лагерев (СССР).- Опубл. в Б.И., 1984, 16.

2. A.c. II93534 СССР. Образец для определения прочности сцепления покрытия с подложкой / А.В.Лагерев, В.Т.Буглаев, В.В.Лагерев (СССР).- Опубл. в Б.И.-, 1985, 43.

3. A.c. I2I3793 СССР. Лопатка турбомашины / А.В.Лагерев, Ц.П.Фаддеев (СССР).

4. A.c. I35055I СССР. Способ испытаний на1 эрозионную стойкость иатериалов / А.В.Лагерев, И.П.Фаддеев и др.- Опубл. в Б.И., 1987, 4.

5. A.c. 1377416 СССР. Установка для эрозионного испытания / :'..(!. Фаддеев. А.В.Лагерев и др. (СССР).- Опубл. в Б.И., 1988, 8.

6. A.c. 1538099 СССР. Способ испытаний материалов лопаток турбин на эрозионную стойкость / А.В.Лагерев,- Опубл. в Б.И., 1990, 3.

7. Лагерев A.B. Особенности выбора и прогнозирование долговечности однослойных и многослойных эрозионностойких покрытий рабочих лопаток паровых турбин.- Минск, 1985.- 40 е.- Деп. в НИИЭинформэнерго-иаш 25.09.85, 274эм-Д85.

8. Лагерев A.B. Выбор рациональных параметров противозрозионных покрытий рабочих лопаток и обоснование прочностных критериев их проектирования с целью повышения надежности эксплуатации влажнопаровых турбинных ступеней:Автореферат дис.' . . .канд.техн.наук.-Л. ,1986.-16 с.

9. Лагерев A.B. Прогнозирование долговечности тонких эрозионностойких покрытий рабочих лопаток влажнопаровых ступеней турбонаиин/ Сб.научн.тр.// КПИ.- Калинин, 1987,- С. 86-90.

10. Лагерев A.B. Разработка оптимальной стратегии ремонта эродирующих влажнопаровых турбинных ступеней//Изв.вузов. Машиностроение,- 1989.- I.- С. 89-93.

11. Лагерев A.B. Расчет эрозионной стойкости защитных покрытий турбиниых лопаток,- Брянск, 1989.- 117 е.- Деп. в ЦНИИТЗИтяжмаш 15.03.89, 366-ТМ89.

12. Лагерев A.B. Планирование замены эродированных турбинных лопа-ток//Теплоэнергетика.- 1990,- 5.- С. 5В-60.

13. Лагерев A.B. Основы проектирования эрозионностойких защитных покрытий рабочих лопаток влажнопаровых турбин.- Брянск,1990,- 109 с,-Деп. в ЦНИИТЗИтяжмаш 10.05.90, 59?-тм90.

14. Лагерев A.B. Прогнозирование изменения геометрии поверхности эродирующих лопаток паровых турбин во время эксплуатации//Изв.вузов. Машиностроение,- 1990.- 6,- С. 43-48.

15. Лагерев A.B. Стохастическое прогнозирование кинетики потерь в процессе эрозионного изнашивания влажнопаровой турбинной ступени.-Брянск, 1991.- 81 е.- Деп. в ЦНИИТЗИтяжмаш 26.02.91, 73I-TM9I.

16. Лагерев A.B. Вероятностная оценка падения мощности эродирующей влажнопаровой турбинной ступени в процессе эксплуатации//Изв. вузов. Энергетика,- 1991.- 9,- С: Ю8-Г14.

17. Лагерев A.B. Приложение теории марковских процессов к прогнозированию каплеударной эрозии турбинных лопаток/уИзв. АН СССР. „ Энергетика и транспорт,- 1991.- 5,- С. I09-II8.

18. Лагерев A.B. Напряженное состояние защитных покрытий и поверхностного слоя конструкций при эрозионном и кавитационнои видах изно-са/УТрение и износ.- 1992,- 5.- С. 837-847.

' 19. Лагерев A.B. Экономически допустимое эрозионное повреждение рабочих лопаток//Изв.вузов. Машиностроение.- 1992,- 4-6.-". 81-86.

20. Лагерев A.B., Клибашев В.К. Генератор капель/ЛенЦНТИ.- ,Л., 1985.- 924-85,- 3 с.

21. Лагпрев A.B., Фаддеев И.П. Использование теории графов при автоматизированном проектировании многослойных эрозионностойких покрытий.- Л.,1984.-28 е.- Деп. в НИИЭинформэкергомаш 10.01.85, 243зи-Д85.

2?.. Лагеров A.B., Вуглаев В.Т., Лагерев В.В. Повышение трещино-стойкости кроной турбинных лопаток конструктивными мерами.- Брянск, 1986.- 10 е.- Дсп. в НИИЭинформэнергомзш 30.12.86, 345-зм86.

23. Фаддеев И.П., Лагеров A.B. Вероятностная оценка напряженного состояния поверхностного слоя рабочей лопатки при каплеударном нагру-жении//Изв.вузов. Энергетика.- 1984.- 3.- С. 62-67.

24. Фаддеев И.П., Лагсрег. A.B. Управление эрозионной стойкостью рабочих лопаток турбомпшин путем пзнонсния микротвердости поверхностного слоя//11зв.вупоп. Машиностроение,- 1985,- X.- С. 74-78.

25. Фаддеев H.H., Лагеров А.Н. Алгоритм и пакет подпрограмм выбора оптимальной толщины эрозионностойких покрытий рабочих лопаток паровых турбип//'Гез .докл . 5 Респ. н-т .конф. "Мат. модели процессов и конструкций гшерг. турбоиашин в системах их аптоыатнзир. проектирования", II-13 септ. 1985 г.-Харьков, 3985,- Ч. 1,- С. 126-127.

26. Фаддеев И. 11., Лагерев A.B. Влияние капельного потока на формирование напряженного состояния тонких эрозионностойких покрытий рабочих лопоток//Тез.докл . 7 Всос. копф. "Двухфазный поток в э.перг. машинах и аппаратах", 23-25 окт. I9B5 г.- Л., 1985.- Ч. 3.- С. 350-352.

27. Фаддеев И.П., Лагерев A.B. Выбор оптимальной толщины эрозионностойких покрытий рабочих лопаток паровых турбин//Изв.вузов. Машиностроение,- 1985,- 12,- С. 71-76.

28. Фаддеев И.П., Лагерев A.B. Прогнозирование долговечности рабочих лопаток с эрозиошшетойкими покрытиями при высокоскоростном каплеударном нагру:кеш1и//Проблсмн прочности.- 1986.- 5,- С. 50-54.

29. Фаддеев И.П., Лагерев A.B. Вероятностные характеристики эрозионного износа поверхностно упрочненных рабочих лопаток судовых тур-бин//Судостроение.- 1986,- 8.- С. 28-30.

30. Фаддеов И.П., Лагерев A.B. Выбор параметров шероховатости по: верхностей раздела эрозионностойких защитных покрытий и рабочих лопаток паровых турбин//Изв.вузов.Машиностроение.- 1986,- II,- С, 79-84.

31. Фаддеев И.П., Лагеров A.B. Обоснование условий рационального выбора параметров эрозионностойких покрытий рабочих лопаток паровых

■ турбин на стадии проектирования//Тез.докл. Всес. н-т.конф."Научн. проблеии совр.энерг.маииностр.", 27-28 янв. 1987. г.- Л., 1987.

32. Фаддеев И.П., Лагерев A.B. Прогнозирование усталостного раст-

! рескивания противозрозионных защитных покрытий рабочих лопаток турбо-машин//Изв.вузов. Машиностроение,- 1987,- II.- С. 69-73.

33. Фаддеев И.П., Лагерев A.B. Прогнозирование кинетики роста зо-

■ ни эрозионного износа рабочих лопаток паровых турбин//Теплоэнерге-I тика,- 1988,- I,- С. 49-51.

34. Фаддеев И.П., Лагерев A.B. Прогнозирование процесса эрозии рабочих лопаток судовых турбин//Судостроение.- 1989.- 5,- С, 18-20.

35. Фаддеев И.П., Лагерев А.В.Управление кавитационной стойкостью поверхностно упрочняемых конструктивных элементов турбинного оборудо-вания/УИзв.вузов. Энергетика,- 1989.- 10.- С. 53-5?.

36. Фаддеев И.П., Лагерев A.B. Статистические закономерности кап-леударной зрозии//Изв. АН СССР. Энергетика и транспорт.- 1990,- 4.

37. Фаддеев И.П., Лагерев A.B. Выбор покрытий для противоэрозион-ной защиты рабочих лопаток судовых турбин//Судостроение.-1991.- 8.

38. Фаддеев И.П., Лагерев A.B., Ермолович С.К. Влияние защитного покрытия на напряженное состояние поверхностного слоя рабочих лопаток турбомашин/УИзв.вузов. Энергетика,- 1985.- 9.- С. 52-57.

Подписано к печати 04.34. Тираж 100 экз.

Заказ ¿3d, Бесплатно

Отпечатано на ротапринта СПбГТУ

I9525I, Санкт-Петербург, Политехническая ул., 29