WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

На правах рукописи

Медников Алексей Феликсович

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

Специальность 05.04.12 – Турбомашины и комбинированные турбоустановки

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 2012 Диссертация выполнена на кафедре Паровых и газовых турбин Национального исследовательского университета «МЭИ».

Научный консультант:

кандидат технических наук, доцент Лебедева Александра Ивановна

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, главный конструктор проекта ОАО «ВНИИАМ» Кукушкин Александр Николаевич кандидат технических наук; ведущий научный сотрудник Национального исследовательского университета «МЭИ» Куршаков Александр Валентинович

Ведущая организация:

филиал ОАО «Силовые машины» «Ленинградский Металлический завод»

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

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

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью учреждения, просим присылать по адресу: 111250, Москва, ул.

Красноказарменная, д. 14, Ученый совет Национального исследовательского университета МЭИ.

Автореферат разослан « 24 » апреля 2012 года.

Ученый секретарь диссертационного совета Д12.157.09, к.т.н., доцент А.И. Лебедева

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы.

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

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

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

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

Цель работы.

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

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

3. Оценить значения степени влажности, дисперности жидкой фазы влажно-парового потока и скорости взаимодействия частиц жидкости с входной кромкой лопатки в зазоре между сопловой и рабочей решетками в наиболее “опасной”, c точки зрения каплеударной эрозии, области по высоте лопатки.

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

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

Научная новизна.

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

• На основании проведенных экспериментальных исследований впервые установлено, что:

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

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

• Определено, что для наиболее ”опасного” сечения по высоте рабочих лопаток длиной 1220 мм последней влажно-паровой ступени проектируемой турбины большой мощности, соответствующего наибольшей каплеударной нагрузке, для скорости соударения 700 м/с и размеров жидких частиц 1мкм длительность инкубационного периода составит 700 часов эксплуатации, при той же скорости соударения и размерах жидких частиц 20 мкм – 10 0часов эксплуатации.

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

Практическая ценность - При различных размерах жидких частиц и скоростях их взаимодействия экспериментально определены параметры эрозионной стойкости высокохромистой лопаточной стали, которая может быть рекомендована к использованию для рабочих лопаток влажно-паровых ступеней проектируемых турбин большой мощности.

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

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

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

Автор защищает.

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

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

3. Результаты экспериментальных исследований структуры и динамики поверхностных и приповерхностных изменений лопаточной стали 20Х13 в течение инкубационного периода процесса эрозии.

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

Апробация работы.

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

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

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

- научный семинар НЦ «Износостойкость», НИУ МЭИ;

- заседание кафедры Паровых и газовых турбин, НИУ МЭИ.

Публикации.

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

Структура и объем работы.

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

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

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

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

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

Каплеударное воздействие моделировалось с использованием уникального эрозионного стенда ”Эрозия-М”, в вакуумной камере которого с помощью генератора жидких частиц формировался монодисперсный поток жидкости (конденсат водяного пара в виде капель), с которым соударялись исследуемые образцы, закрепленные на концах вращающейся штанги.

Вследствие соударении с потоком капель на поверхности образца образовывалась полоса микроповрежденностей материала, так называемый эрозионный “след”, шириной L. Капли соударялись с поверхностью образца под углом в 90°.

Для проведения экспериментов с некоторым шагом по времени было выбрано 8 пар образцов из лопаточной стали 20Х13, предварительно термообработанных для достижения механических свойств металла заготовок лопаток и отполированных до 10 класса чистоты. Исследования проводились при скорости взаимодействия (соударения) 250 м/с и диаметре капель конденсата 800 мкм при обеспечении условия отсутствия взаимного влияния одновременно соударяющихся капель. В качестве характеристики каплеударного воздействия выбрана каплеударная нагрузка m - масса жидкости, выпавшая на единицу поверхности образца, кг/м2. Характеристикой длительности инкубационного периода выбрана относительная каплеударная нагрузка -, равная отношению значения m 0i текущей каплеударной нагрузки к значению каплеударной нагрузки, m0i m0 ' при котором зафиксирована первая потеря массы образца ( m = 1 - 0i окончание инкубационного периода). Контроль за потерей массы образцов осуществлялся с использованием электронных весов с точностью измерений 1·10-8 кг.

Исследования поверхности стальных образцов после каплеударного воздействия различной длительности проводились с использованием:

оптического микроскопа Axiovert 25C и растрового электронного микроскопа Tescan Mira3 LMU, позволяющих получить фрактограммы поверхности и приповерхностного слоя до и после каплеударного воздействия для последующего металлографического анализа; микротвердомеров MHD-10T и DuraScan 20, позволяющих производить измерения микротвердости участков поверхности и приповерхностного слоя; профилометра Dektak 150 для получения 3-D карт и профилограмм поверхности, зависимостей, характеризующих изменения параметров шероховатости с изменением каплеударной нагрузки; наноиндентора НаноСкан-3D для получения 3-D карт и профилограмм поверхности на наноуровне, зависимостей, характеризующих изменение значений нанотвердости участков эродированной поверхности с изменением каплеударной нагрузки.

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

С использованием профилометра получены профилограммы (для каждого участка эрозионного ”следа” получено от 300 до 500 профилей поверхности) и 3D-карты поврежденной поверхности образцов на различных участках эрозионного ”следа” и определены параметры шероховатости (максимальные на профиле значения пиков Rp и впадин Rv, расстояние между пиками и впадинами Sm).

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

В методику исследования инкубационного периода стали 20Х13 входит не только проведение исследований изменений рельефа поверхности образцов до и после каплеударного воздействия, но и исследования изменения характеристик (изменение структуры приповерхностного слоя, измерение микротвердости вглубь и по поверхности слоя металла) приповерхностного слоя.

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

В третьей главе в соответствии с разработанной методикой проведения экспериментальных исследований характеристик поверхности и приповерхностного слоя лопаточных материалов при высокоскоростном каплеударном воздействии проведено исследование динамики изменения в течение инкубационного периода поверхностных и приповерхностных характеристик образцов из лопаточной стали 20Х13 при увеличении относительной каплеударной нагрузки, которое показало следующее:

m 0i - Диапазон значений относительной каплеударной нагрузки 0 0,09 характеризуется появлением необратимых пластических m 0i деформаций с возникновением двойников деформации и полос скольжения, началом возникновения эллипсовидных гребней и изменением рельефа материала.

- При значениях относительной каплеударной нагрузки 0,09 0,m 0i на поверхности лопаточной стали возникает пластическая деформация в виде эллипсовидных гребней при примерно одинаковых соотношениях длины (l) и ширины (b) b/l=4 этих гребней, число которых увеличивается до уменьшения относительного расстояния между ними (х), равному xiнач/xiкон=1,7 (см. рис.1).

Также в этом диапазоне относительной каплеударной нагрузки зафиксировано появление первых микрокаверн на эллипсовидных гребнях.

Рис. 1. Влияние длительности каплеударного воздействия на изменение параметров возникающих на поверхности эллипсовидных гребней (а). Схематическое изображение эллипсовидных гребней (б), появляющихся на поверхности лопаточной стали в процессе каплеударного воздействия (l и b - длина и ширина гребней соответсвенно, х - расстояние между гребнями) - Диапазон значений относительной каплеударной нагрузки 0,25 0,75 характеризуется увеличением количества каверн на m 0i эллипсовидных гребнях, их слиянием и образованием более глубоких и обширных каверн без фиксации потери массы образцов на электронных весах с точностью измерений 10-8 кг.

- Диапазон значений относительной каплеударной нагрузки 0,75 1,0 характеризуется развитием повреждений поверхности, m 0i обусловленных образованием тоннелей, начинающихся в эрозионных кавернах и распространяющихся вглубь приповерхностного слоя.

Образование большего количества разноориентированных тоннелей приводит к разрушению поверхности и потере массы, зафиксированной на электронных весах с точностью измерений 10-8 кг.

Изменение параметров рельефа, характеризующих размер выступов (Rp) и впадин (Rv) в поперечном сечении подверженной каплеударному воздействию поверхности, показана на рисунке 2.

Рис. 2. Изменение параметров рельефа поверхности (Rp, Rv) в зависимости от длительности каплеударной нагрузки mo (0 1,0) в инкубационном периоде m 0i развития процесса каплеударной эрозии лопаточной стали Выявлено, что в процессе каплеударного воздействия в диапазоне относительных значений каплеударной нагрузки происходит m = 0 1,0i изменение структуры и снижение значений нанотвердости (~ на 25%) приповерхностного слоя лопаточной стали 20Х13 (см. рис. 3).

Анализ и обобщение полученных результатов исследования поверхности и приповерхностного слоя лопаточной стали 20Х13 позволил выявить 4 стадий зарождения и развития повреждений поверхности в инкубационном периоде процесса каплеударной эрозии лопаточной стали 20Х13 (см. рис.4), после окончания которых, заканчивался и инкубационный период ( = 1 = m0' - длительность инкубационного периода).

m 0i Ранее оценка длительности инкубационного периода m0 производилась посредством определения точки пересечения касательной, проведенной к участку с максимальной скоростью эрозии, с осью абсциcc, отражающей длительность инкубационного периода. Проведенные исследования выявили, что уточненное значение длительности инкубационного периода m0' оказался меньше ранее принятого на 20% (см. рис. 4).

Рис. 3. Изменение значений нанотвердости поверхности лопаточной стали в зависимости от длительности каплеударной нагрузки mo (а), фрактограмма поверхности с отпечатками наноиндентора (б) Рис. 4. – Характерные стадии зарождения и развития повреждений поверхности в инкубационном периоде процесса каплеударной эрозии лопаточной стали При оптических исследованиях приповерхностного слоя лопаточной стали 20Х13, подверженного каплеударному воздействию, выявлено изменение его структуры. Изменение структуры приповерхностного слоя выражается в виде зон, появляющихся в месте приложения каплеударного воздействия, в которых форма и размеры зерен, отличаются от структуры материала, не подверженного каплеударному воздействию.

На основании проведенных исследований микротвердости приповерхностного слоя (см. рис.5 и рис.6) выявлено, что в течение инкубационного периода на I и II стадии происходит резкое разупрочнение материала на глубину, не превышающую значение радиуса соударяющейся с образцом капли. В конце II и на III стадии выявлено постепенное упрочнение приповерхностного слоя. Упрочнение приповерхностного слоя происходит вплоть до окончания IV стадии инкубационного периода, после которой вновь происходит резкое разупрочнение за счет отрыва отдельных упрочненных фрагментов материала с поверхности.

Рис. 5. Изменение значений микротвердости поверхностного слоя лопаточной стали в зоне каплеударного воздействия на всех стадиях развития инкубационного периода эрозии (а), схема измерений микротвердости (б) б) Рис. 6. Изменение значений микротвердости приповерхностного слоя лопаточной стали в зоне каплеударного воздействия на всех стадиях развития инкубационного периода эрозии (а), схема измерений микротвердости (б) В четвертой главе приведены результаты исследований на эрозионную стойкость при различных параметрах соударения образцов с каплями жидкости лопаточной сталей 20Х13 и перспективной высокохромистой лопаточной стали без и с ионно-плазменными защитными покрытиями.

Проведенные исследования на эрозионную стойкость стали 20Х13 на модернизированном эрозионном стенде показали корреляцию с данными для этой стали, полученными ранее в МЭИ при одинаковых условиях экспонирования образцов. Проведенные в данной работе исследования на эрозионную стойкость стали 20Х13 с многослойным ионно-плазменным защитным покрытием показали увеличение инкубационного периода в 4 раза, по сравнению со сталью без покрытия. Фрактограммы поверхности образцов с покрытием показали существенно другой характер процесса разрушения системы покрытие-подложка, чем выявленные в исследованиях лопаточной стали 20Х13 без покрытия.

В работе были проведены исследования эрозионной стойкости образцов из высокохромистой лопаточной стали, рекомендуемой в качестве материала для перспективных проектируемых рабочих лопаток длиной 1220 мм.

Исследования на эрозионную стойкость высокохромистой лопаточной стали проводились на эрозионном стенде МЭИ при трех скоростях соударения (250, 300 и 350 м/с) и трех диаметрах капель (800, 1000 и 1200 мкм). В результате испытаний при данных параметрах соударения были получены характерные кривые эрозии, по которым были определены длительности инкубационного периода, значения максимальной и установившейся скоростей эрозии.

Проведенные сравнения кривых эрозионного износа и характерных параметров развития этого процесса показали, что по критериям эрозионной стойкости высокохромистая лопаточная сталь, не более чем в 1,5-2 раза превышает эрозионную стойкость стали 20Х13, а значит для этой стали X также применимы обнаруженные закономерности развития инкубационного периода, полученные для стали 20Х13.

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

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

l - окружная скорость вращения на периферии рабочих лопаток длиной 12мм может достигать значения в 700 м/с;

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

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

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

- диаметры капель 20, 80, 120 мкм;

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

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

l l Выбранные параметры двухфазного потока приведены на рисунке 7.

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

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

m = Gв / Sэр = (Gк Кул Z n )/ Sэр, (1) где Sэр = dk·lk - площадь эродированной поверхности, [м2] dk – диаметр капель [м], lk – длина эрозионного “следа” [м];

Gв = Gк Кул Z n - масса воды, выпавшая на поверхность, [кг] Gк = Vk k, Vk = · (dk)3/6 – объем капли [м3], k – плотность воды [кг/м3];

Кул = lk / ldk – коэффициент улавливания, lk - длина эрозионного “следа” [м], ldk - расстояние между центрами капель [м];

Z - число потоков капель;

n = Cуд / ( D) – частота соударения [1/с], Cуд - скорость соударения капли с поверхностью [м/с], D - диаметр расположения поверхности относительно оси вращения [м];

– время экспонирования [c].

Рис. 7. Распределение значений размеров жидких частиц (а) и влажности (б) двухфазного потока в зазоре между сопловой и рабочими лопатками влажно-паровой ступени проектируемой турбины с длиной лопатки 1220 мм а) б) в) Рис. 8. Значения инкубационного периода m0 и уточненного значения инкубационного периода m0’ из номограмм эрозионного износа для скоростей соударения Суд = 500 м/с (а), 600 м/с (б),700 м/с (в) и диаметров капель dk = 20, 80, 120, 300 мкм При определении длительности инкубационного периода рабочей лопатки по формуле (1) были использованы значения инкубационного периода mo' полученные на эрозионном стенде. Результаты этих расчетов показаны на рисунке 9.

Рис.9. Влияние размера жидких частиц двухфазного потока на длительность инкубационного периода процесса эрозии лопаточной стали при различных скоростях соударения: 1 – Суд=700 м/с; 2- Суд=600 м/с; 3- Суд=500 м/с При расчетах допускалось, что по всей высоте проточной части турбины равномерно располагаются капли одного диаметра dk с расстоянием между ними равным 4dk, капли соударяются с входной кромкой под углом в 90°, для расчета использовались характерные объемы жидкой и паровой фазы в расчетных сечениях по ометаемой площади.

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

Рассчитанные значения длительности инкубационного периода экспл (измеряемые в часах эксплуатации турбины) по высоте сверхдлинных рабочих лопаток при реализуемых в последней ступени скоростях соударения и диаметрах капель приведены на рисунке 10.

Полученные значения длительности инкубационного периода показали, что на периферии рабочей лопатки при скорости соударения 700 м/с и диаметре капель 120 мкм длительность инкубационного периода не превышает 7часов. При уменьшении диаметра капли до 20 мкм на периферии инкубационный период эрозии рабочей лопатки закончится через 10 0часов работы турбины. Полученные зависимости изменения длительности инкубационного периода высокохромистой лопаточной стали с защитными ионно-плазменными покрытиями от скорости соударения и диаметра капель показывают эффективность применения ионно-плазменных покрытий только при диаметрах капель не превышающих 20-80 мкм. Из этого следует, что одни пассивные способы защиты не смогут продлить срок эксплуатации проектируемых сверхдлинных лопаток, необходима их комплексная защиты с применением как пассивных, так и активных способов.

Рис. 10. Прогнозируемое время эксплуатации проектируемой турбины с длиной рабочей лопатки 1220 мм последней влажно-паровой ступени до появления эрозионного износа (окончание инкубационного периода) в зависимости от размера и скорости соударения жидких частиц с входной кромкой:

1 - dk = 120 мкм; 2 - dk = 80 мкм; 3 - dk = 20 мкм В рамках комплексной защиты в работе предлагается использовать такие перспективные и хорошо зарекомендовавшие себя способы активной и пассивной защиты, как:

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

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

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

- формирование защитного ионно-плазменного покрытия на рабочей поверхности лопатки;

- изготовление вставок из эрозионно-стойких материалов;

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

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

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

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

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

I стадия (0mIoi0,09), где moi=1 – длительность инкубационного периода, характеризуется появлением необратимых пластических деформаций с возникновением двойников деформации и полос скольжения.

II стадия (0,09mIIoi0,25) характеризуется появлением и ростом числа эллипсовидных гребней на пластически деформированной поверхности металла при сохранении на приблизительно одинаковом уровне их длины и максимальной ширины и уменьшающимся расстоянием между ними, появление первых микрокаверн на гребнях без фиксации потери массы на электронных весах с точностью измерений 10-8 кг.

III стадия (0,25 mIIIoi0,75) характеризуется увеличением количества каверн на эллипсовидных гребнях, их слиянием и образованием более глубоких и обширных каверн без фиксации потери массы.

IV стадия (0,75 mIVoi1,0) характеризуется развитием повреждений поверхности, обусловленное образованием тоннелей, начинающихся в эрозионных кавернах и распространяющимися вглубь поверхностного слоя.

Образование большего количества разноориентированных тоннелей приводит к разрушению поверхности с потерей массы.

- выявлено, что в процессе каплеударного воздействия при m0i = 01,происходит изменение структуры и снижение значений нанотвердости (~ на 25%) приповерхностного слоя лопаточной стали 20Х13.

• С целью определения длительности инкубационного периода процесса каплеударной эрозии рабочих лопаток проектируемых паровых турбин большой мощности:

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

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

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

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

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ 1. Медников А.Ф., Рыженков В.А., Селезнев Л.И., Лебедева А.И.

Исследование процесса изменения характеристик рельефа поверхности лопаточной стали в инкубационном периоде развития каплеударной эрозии // Теплоэнергетика. 2012. № 5. С. 69-2. Рыженков В.А., Качалин Г.В., Медников А.Ф., Медников Ал.Ф., Кудряков О.В., Варавка В.Н. Кинетика зарождения и развития процесса эрозионного разрушения поверхности сталей при каплеударном воздействии // Надежность и безопасность энергетики, 2012, № 1(16), С.67-3. Рыженков В.А., Лебедева А.И., Медников А.Ф. Современное состояние и способы решения проблемы эрозионного износа лопаток влажнопаровых ступеней турбин // Теплоэнергетика. 2011. № 9. С. 9-4. Селезнев Л.И., Рыженков В.А., Медников А.Ф. Феноменология эрозионного износа материала конструкционных сталей и сплавов жидкими частицами // Теплоэнергетика. 2010. № 9. С. 12-5. Варавка В.Н., Кудряков О.В., Медников Ал.Ф., Ирха В.А.

Закономерности и параметры каплеударной эрозии титановых сплавов // Известия ВУЗов Сев.-Кавк. Регион. Технические науки, № 6, 2011 г., С.92-98.

6. Медников А.Ф., Лебедева А.И. Оценка инкубационного периода при эрозии металла рабочих лопаток паровых турбин // Тез. докл. XV Межд.

науч.-техн. конф. студ. и асп. «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика». М.: Издательство МЭИ, 2009. Т.3 C.246-27. Медников А.Ф., Лебедева А.И. Расчетно-экспериментальный метод определения величины инкубационного периода и построения кривой эрозионного износа материала турбинных лопаток влажно-паровых ступеней // Тез. докл. XVI Межд. науч.-техн. конф. студ. и асп. «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика». М.: Издательство МЭИ, 2010. Т.3 C.278-28. Рыженков В.А. Лебедева А.И., Качалин Г.В., Медников А.Ф.

Определение эрозионной, абразивной и коррозионной стойкости конструкционных материалов элементов паровых турбин с поверхностным упрочнением и защитными покрытиями // Тр. всеросс. научн.-практ. конф.

”Повышение надежности и эффективности эксплуатации электрических станций и энергетических систем”, Москва, 2010, т.2, С.136-19. Медников А.Ф., Лебедева А.И. Методы оценки поврежденности лопаточных сталей в инкубационном периоде при эрозионном износе вследствие каплеударного воздействия // Тез. докл. XVII Межд. науч.-техн.

конф. студ. и асп. «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика». М.:

Издательство МЭИ, 2011. Т.3 C. 239-210. Медников А.Ф., Лебедева А.И. Исследование инкубационного периода развития процесса эрозии материала рабочих лопаток влажнопаровых ступеней турбин // Тез. докл. XVIII Межд. науч.-техн. конф. студ. и асп. «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика». М.: Издательство МЭИ, 2012. Т.4 C.248-2




© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.