Автореферат (Разработка научно-методологических основ создания перспективных высокотемпературных энергетических комплексов), страница 8

Для изготовления прототиповвыбран порошок с размером частиц 5 мкм из материала на основе железа с содержанием хрома14-15,5 %, никеля – 3,5-5,5 % и меди – 2,4-4,5%, содержание остальных компонентов, включаякремний, молибден, марганец и ниобий, не превышает 1 %. Из выбранного порошка по SLMтехнологии были изготовлены опытные образцы для определения шероховатости поверхностии коэффициента теплопроводности λ, а также каналы прямоугольного сечения 2×10 мм дляпроведения теплогидравлических испытаний.

По результатам замеров величина шероховатости изготовленных образцов составила Ra = 5,37 мкм. Экспериментально получена зависимость от температуры коэффициента теплопроводности λ, значение которого возрастает от 12до 19 Вт/(м·К) при увеличении температуры от 100 до 450 °С.Еще одним важным свойством образцов, изготавливаемых посредством послойногосплавления металлических порошков, отличающих их от образцов, изготавливаемых традиционными способами, является шероховатость поверхности, оказывающая существенное влияние как на тепловые, так и на гидравлические характеристики систем охлаждения теплонапряженных деталей.

С целью установления степени влияния способа изготовления на указанные характеристики была выполнена серия экспериментальных исследований, в ходе которыхполучены гидравлические и тепловые характеристики образцов каналов, изготовленных по28SLM-технологии, и каналов с шероховатостью, соответствующей шероховатости литой лопатки, изготовленных фрезерованием, и проведено их сравнение.

Исследования проводилисьна гладких каналах прямоугольного сечения, а также на каналах с односторонним поперечнымребром высотой 0,5 мм, установленном на одной из широких сторон канала на относительномрасстоянии l/d = 15 от входа.Установлено, что пропускная способность канала, изготовленного по SLM-технологии,меньше на 5-6 % по сравнению с каналом, изготовленным фрезерованием. Распределение отношения Nu/Nu0 (где Nu0= 0,018·Re0,8) по длине канала с единичным прямоугольным интенсификатором представлено на рисунке 21.

Влияние шероховатости поверхности канала в области установки ребра не выявлено, отношения Nu/Nu0 для обеих моделей имеют одинаковыезначения. Рост теплоотдачи из-за большей шероховатости наблюдается только при l/d > 24.Таким образом, полученные экспериментальные результаты на гладких каналах и каналах сединичным интенсификатором свидетельствуют о незначительном влиянии шероховатостиповерхности, обусловленной изготовлением образцов по SLM-технологии, на коэффициенттеплоотдачи, что подтверждает возможность проведения верификации теплогидравлическихрасчетных моделей охлаждаемых теплонапряженных деталей на основе экспериментальныхисследований их прототипов, изготовленных селективным лазерным спеканием из выбранного материла.1,71,6Nu/Nu01,51,41,31,21,11036912151821242730l/d12341, 2 – стенка с ребром; 3, 4 – гладкая стенка; 1, 3 – фрезерование; 2, 4 – SLM-технологияРисунок 21 – Распределение Nu/Nu0 по длине канала при Re = 52100С целью прямого подтверждения возможности применения прототипов охлаждаемых деталей, изготовленных по SLM-технологии, для осуществления опережающей верификациипроведен комплекс сравнительных испытаний натурной лопатки, изготовленной литьем повыплавляемым моделям в серийном производстве, и ее прототипа (рисунок 22).

Сравнениеполученных результатов гидравлических испытаний показало, что пропускная способностьлопатки, выполненной литьем, на 5 % выше пропускной способности ее прототипа, что объясняется большей шероховатостью внутренних каналов охлаждения.На рисунке 23 приведены результаты тепловых испытаний натурной лопатки и прототипадля двух расходов воздуха. Как видно из представленных графиков, значения плотности теплового потока q, полученные на основе экспериментальных исследований прототипа и лопатки, практически совпадают, отличие на всех участках поверхности не превышает 5 %.29а) лопатка, изготовленная поб) прототип лопатки, изготовленный посерийной технологииSLM-технологииРисунок 22 – Рабочая лопатка газотурбинной установки450400350q, кВт/м2300250200150100-5050-1001020l, мм12341, 3 – прототип; 2, 4 – лопатка; 1, 3 – G = 3 г/с; 2, 4 – G = 6 г/сРисунок 23 – Распределение плотностей тепловых потоков-40-30-2030Полученное совпадение расходных характеристик и плотностей тепловых потоков в контрольных точках натурной лопатки и ее прототипа подтверждает возможность проведения верификации тепловой и гидравлической моделей системы охлаждения на базе экспериментальных исследований прототипов, изготовленных по технологии селективного лазерного спекания.Сравнение эффективности усовершенствованной методики проектирования теплонапряженных деталей с существующей проведено по временным затратам на реализацию комплексапроектировочных и доводочных работ.

Показано, что применение SLM-технологии, позволяющей изготавливать прототипы теплонапряженных деталей, имеющих сложную конструктив-30ную форму, только на основе их электронных моделей без выпуска конструкторской и технологической документации, дает возможность усовершенствовать существующую методикупроектирования, исключив из последовательности разработки ряд трудоемких и длительныхопераций. Применение усовершенствованной методики проектирования теплонапряженныхдеталей сокращает длительность их создания на девять месяцев, что составляет более 30 % отее первоначального значения.Глава 5 посвящена разработке стоимостных прогнозных моделей и исследованию влияния новых технических решений на финансово-экономические и инвестиционные показателиперспективных высокотемпературных энергетических комплексов.Конкурентоспособность перспективных энергетических комплексов наряду с тепловойэкономичностью определяет величина капитальных затрат, необходимых для их сооружения,которые в свою очередь зависят от использованных при проектировании научно-обоснованных технических решений.

Выбор рациональной комбинации решений, используемых при создании перспективных высокотемпературных энергетических комплексов на основе паротурбинных технологий, осуществлен с применением приемов и методов функционально-стоимостного анализа, для проведения которого установлены зависимости между основными техническими характеристиками энергетического комплекса и его агрегатов и их стоимостнымипоказателями. Для установления таких зависимостей разработан комплекс математическихмоделей, обеспечивающих прогнозирование стоимости как отдельных агрегатов, так и энергоустановки в целом.В основу создания прогнозных стоимостных моделей оборудования был положен затратный подход в сочетании с методом трендов, сравнительным методом и методом поэлементного расчета для отдельных узлов и деталей перспективного энергетического комплекса.Для разработки совокупности моделей прогнозирования стоимости построена структурно-элементная схема как для комплекса в целом, так и для его отдельных агрегатов, оказывающих наибольшее влияние на стоимость и претерпевающих существенные изменения приповышении начальных параметров пара.

На основе анализа характеристик структурных элементов комплекса, в том числе особенностей конструкций, и реализуемых ими функций определены методы оценки стоимости каждого из элементов и построены соответствующие прогнозные модели. Общая стоимость создания перспективного энергетического комплекса получена путем агрегирования затрат по его отдельным структурным элементам.Основными элементами энергетического комплекса, претерпевающими существенные изменения при увеличении начальных параметров, являются паровая турбина, котельная установка, главные паропроводы, а также водородно-кислородная камера сгорания.

Методологияформирования прогнозных стоимостных моделей для всех указанных элементов базируетсяна определении затрат на конструкционные материалы, необходимые для их изготовления, изатрат, связанных с осуществлением технологических операций с учетом их трудоемкости,включающих заработную плату промышленно-производственного персонала и стоимость использования обрабатывающего оборудования.Одним из наиболее сложных объектов для моделирования является паровая турбина. Наее примере показана последовательность разработки прогнозных стоимостных моделей.

Впервую очередь на основе анализа разработанной структурно-элементной схемы определеныдетали и узлы, вносящие основной вклад в изменение стоимости при увеличении начальныхпараметров пара и изменении его расхода, к которым относятся высокотемпературные цилиндры высокого и среднего давления (ЦСД), где сосредоточены элементы, изготовленные из жаропрочных дорогостоящих материалов, а также цилиндры низкого давления, на долю которыхприходится более половины всей массы турбины.

На основе анализа условий функционирования деталей и узлов были выявлены параметры, определяющие массогабаритные показателитурбины и ее элементов, зависящие от расхода, начального давления и температуры пара. Повышение начальных параметров пара приводит к росту температур по проточной части, чтовызывает снижение предела длительной прочности и, как следствие, увеличение массогаба-31ритных характеристик деталей, изменение марочной структуры используемых конструкционных материалов, в большой степени определяющей стоимость оборудования, увеличение теплоперепада, приводящее к росту количества ступеней давления, а, следовательно, вызывающее удлинение корпуса и ротора.