Введение к работе
Актуальность работы.
В настоящее время ведущими турбиностроительными фирмами разрабатьшаются 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 зашиты 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.
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.
Экспериментально определить параметры эрозионной стойкости рекомендуемой для рабочих лопаток высокохромистой лопаточной стали при различных размерах жидких частиц и скоростях их взаимодействия с поверхностью.
Оценить значения степени влажности, дисперности жидкой фазы влажно-парового потока и скорости взаимодействия частиц жидкости с входной кромкой лопатки в зазоре между сопловой и рабочей решетками в
наиболее "опасной", с точки зрения каплеударной эрозии, области по высоте лопатки.
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.
Определить длительность инкубационного периода рабочей лопатки длиной 1220 мм влажно-паровой ступени проектируемой турбины большой мощности с учетом различных активных и пассивных способов защиты, а также их комплексного применения.
Научная новизна.
С использованием современного оборудования и приборного оснащения впервые разработана оригинальная методика проведения экспериментальных исследований для определения динамики изменения характеристик поверхности и приповерхностного слоя лопаточных материалов в инкубационном периоде развития процесса каплеударной эрозии.
На основании проведенных экспериментальных исследований впервые установлено,что:
инкубационый период развития процесса каплеударной эрозии лопаточной стали при отсутствии потери массы характеризуется появлением на поверхности пластических деформаций в виде увеличивающегося числа характерных эллипсовидных 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 120 мкм длительность инкубационного периода составит 700 часов эксплуатации, при той же скорости соударения и размерах жидких частиц 20 мкм - 10 000 часов эксплуатации.
Показано, что при использовании комплекса известных активных и пассивных способов повышения эрозионной стойкости влажно-паровых ступеней турбин большой мощности инкубационный период рабочей лопатки длиной 1220 мм может быть увеличен примерно в 30 раз и составит от 25000 до 100 000 часов эксплуатации в зависимости о значений степени влажности, размера и скорости жидких частиц.
Практическая ценность
- При различных размерах жидких частиц и скоростях их
взаимодействия экспериментально определены параметры эрозионной стойкости высокохромистой лопаточной стали, которая может быть рекомендована к использованию для рабочих лопаток влажно-паровых ступеней проектируемых турбин большой мощности.
Разработан алгоритм определения длительности инкубационного периода процесса каплеударной эрозии по высоте рабочих лопаток влажно -паровых ступеней проектируемых турбин большой мощности.
Разработанный метод оценки эффективности комплексного применения различных способов защиты от эрозионного износа может быть использован при проектировании паровых турбин с сверхдлинными рабочими лопатками последних ступеней.
Достоверность и обоснованность результатов обеспечивается их многократной повторяемостью и корреляцией с результатами других исследователей, применением современных аттестованных измерительных устройств и апробированных методик измерений, определением погрешностей измерений.
Автор защищает.
1. Метод определения длительности инкубационного периода
процесса каплеударной эрозии рабочих лопаток последних ступеней
проектируемых паровых турбин большой мощности.
Методику проведения экспериментальных исследований динамики изменения характеристик поверхности и приповерхностного слоя лопаточных материалов в инкубационном периоде развития процесса каплеударной эрозии.
Результаты экспериментальных исследований структуры и динамики поверхностных и приповерхностных изменений лопаточной стали 20X13 в течение инкубационного периода процесса эрозии.
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.
