Введение к работе
ВЕРОЯТНОСТНО-СТАТИСТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МЕТОДОЛОГИИ ОЦЕНКИ ЭРОЗИОННОГО ИЗНАШИВАНИЯ ВЛАЖНОПАРОВЫХ ТУРБИН, ЕГО ПРОГНОЗИРОВАНИЕ И МЕТОДЫ ЗАЩИТЫ
Актуальность проблемы. Потребности развития промышленного производства в Российской Федерации требуот дальнейшего совершенствования эксплуатация энергетической базы страны, в той числе, парка теплоэнергетического оборудования. В г<ачесгве 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 зкологичиости.
Одним из пажных моментов ее решения является изучение эрозии влажнопаровых (ВП) проточных частей низкого давления (ЧНЛ) турбин,ее прогнозирование и разработка, широкой системи эффективных нротивоэ-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 турбоустановок в целом. Это актуально для энергетических, теплофикационных, геотермальных и приводных турбин ТЭС, ГеоТЭС, АЭС к транспортных АЗУ. Несмотря на получение к настоящему времени значительного объема теоретических результатов и экспериментальных данных, проясняющих 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 взаинноувязанными 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 маши 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 (ЭИ) проточных частей турбомашин.
Работа выполнялась в соответствии с Республиканской научно-технической програииой "Повышение надежности, экономичности и зкологичиости энергетической системы России (Энергосистема России)'.
Цель работы - комплексное изучение явления эрозионного изнашивания элементов ВП проточных частей турбин (ступеней) низкого
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 турбомашин.
Научная новизна работы заключается в развитии нового, вероятностно-статистического направления в теории и практике прогнозирования, а также 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, включаюцей 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 эрозионнозначиных факторов и показателей эрозии различных КЭ турбин, выявления вероятностно-статистических закономерностей износа и разработки иетодиі определения арозионно-усталостных свойств конкретных материалов;
выявления причин 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 турбомашин с оценкой влияния статистической неоднородности эрозионнозна-
чиных факторов на разОрос 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 проти-возрозионной 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 турбомашин;
разработки подсистемы технической диагностики эрозионного состояния лопаточного аппарата ВП ступеней, включаоцей зкспертнуп систему с элементами искусственного интеллекта;
разработки новых технических решений по совершенствованип 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;
широкий 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 турбомашин;
- оценкой погрешностей измерений и расчетов.
Практическая ценность работы заключается в:
разработке обладающих 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,иатериалоЕедчоских и режимных факторов;
предложении новой методики сбора и обработки информации о статистических характеристиках эрозионнозиачимых факторов и показателей эрозий различных КЗ;
выявлении круга эрозионнозиачимых факторов, статистическая
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 нетодик выбора рациональных параметров ряда методов противоэрозионной защиты, обеспечивавших 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 кромка-ии, лопаток-иидикаторов Ш, 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 анергетических турбомашин в системах их автоматизированного проектирования", г.Готвальд, 1985 г.; Всесосзной научно-технической конференции "Научные проблемы современного энергетического машиностроения и их решение", г.Ленинград, 1987 г.; на научном сеиииаре кафедры "Турбиностроение'' СПбГТУ, г.Санкт-Петербург, 1986, 1991, 1991 г.г.; на научно-техническом совете СКБ "Парус" АОО КТЗ, г.Калуга, 1986. 1992-1994 г.г.
Публикации. Основные материалы диссертации опубликованы в 38 печатник работах, включая 20 статей в научно-технических журналах и 6 авторских свидетельств на изобретение. .
Структура и объем работы. Диссертация состоит кз введения, мести глав, зашшчения, списка литературы из 286 наименований я приложений. Работа содержит 29 страниц основного текста, 239 иллюстраций, 83 таблицы; приложение'представлено на 10ч страницах. КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ