Диссертация (Повышение абразивной стойкости лопаточного аппарата первых ступеней цилиндров высокого и среднего давления мощных паровых турбин)

СОДЕРЖАНИЕВВЕДЕНИЕ…………………………………………………………………….4ОСНОВНЫЕ СОКРАЩЕНИЯ И ОБОЗНАЧЕНИЯ…………………………9ГЛАВА1АБРАЗИВНЫЙИЗНОСЭЛЕМЕНТОВПРОТОЧНЫХЧАСТЕЙ ЦИЛИНДРОВ ВЫСОКОГО И СРЕДНЕГО ДАВЛЕНИЯПАРОВЫХ ТУРБИН…………………………………………………………101.1 Анализ состояния проблемы абразивного износа лопаточныхаппаратов первых ступеней паровых турбин……………………………1.2Причиныобразованиятвердыхчастиц,10характеристикигазоабразивного потока …………………………………………………....201.3 Факторы, влияющие на интенсивность процесса абразивного износаматериалов ………………………………………………………………….251.4 Основные механизмы деформирования и разрушения поверхностиматериаловпривысокоскоростномвоздействиигазоабразивногопотока………………………………………………………………………...341.5 Методы и средства исследования процесса абразивного износаматериалов……………………………………………………………….......1.6Современныеспособыактивнойипассивнойзащиты35отабразивного износа лопаточных аппаратов первых ступеней цилиндроввысокого и среднего давления паровых турбин………………………….461.7 Постановка задач исследований………………………………………..

69ГЛАВА2МЕТОДИКИОПИСАНИЕЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГОПРОВЕДЕНИЯИССЛЕДОВАНИЙСТЕНДАИПРОЦЕССААБРАЗИВНОГО ИЗНОСА ……………………………………………………... 722.1 Экспериментальный стенд для изучения процесса абразивного износаконструкционных материалов…………………………………………………...722.2 Методика проведения исследований и измерения основных величин……... 852.3 Оценка погрешностей измерений…………………………………………… 89ГЛАВА 3 СТАТИСТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ДИНАМИКИ РАЗВИТИЯ2ПРОЦЕССА АБРАЗИВНОГО ИЗНОСА……………………………………. 943.1 Экспериментальное оборудование и методика исследований поведениястатистических характеристик динамики процесса абразивного износа……….. 963.2 Поведение статистических характеристик отраженных твердых частицэродента при их взаимодействии с поверхностями лопаточных сталей………1033.3 Поведение статистических характеристик частиц мишени при ихвзаимодействии с поверхностями лопаточных сталей ………………………1103.4 Статистический анализ отражённых твердых частиц эродента принормальном обтекании абразивной струёй плоской поверхности……………ГЛАВА4ИССЛЕДОВАНИЯАБРАЗИВНОГОИЗНОСАДИНАМИКИЛОПАТОЧНЫХ115ПРОЦЕССАСТАЛЕЙ20Х13И 15Х11МФ…………………………………………………………………… 1244.1 Влияние концентрации твердых частиц эродента на динамикупроцесса абразивного износа лопаточных сталей 20Х13 и 15Х11МФ …… 1244.2 Влияние угла атаки газоабразивного потока на динамику процессаабразивного износа лопаточных сталей 20Х13 и 15Х11МФ………………4.3Влияниетемпературыповерхностинадинамикупроцессаабразивного износа лопаточных сталей 20Х13 и 15Х11МФ………………ГЛАВА5ПОВЫШЕНИЕАБРАЗИВНОЙ130135СТОЙКОСТИЛОПАТОЧНОГО АППАРАТА ПЕРВЫХ СТУПЕНЕЙ ЦИЛИНДРОВВЫСОКОГО И СРЕДНЕГО ДАВЛЕНИЯ ПАРОВЫХ ТУРБИН………….

1415.1 Оборудование для формирования ионно-плазменных покрытий…………. 1435.2 Исследование абразивной стойкости лопаточных сталей 20Х13и 15Х11МФ с ионно-плазменными покрытиями ……………………………...1485.3 Технико-экономическое обоснование применения ионно-плазменногопокрытия для повышения абразивной стойкости лопаточных аппаратовцилиндров высокого и среднего давления паровых турбин…………………. 162ВЫВОДЫ……………………………………………………………………...

166СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ………………………….. 1683ВВЕДЕНИЕАктуальность работыОсновными причинами абразивного износа лопаточных аппаратов идругих элементов проточной части цилиндров высокого давления (ЦВД) ицилиндров среднего давления (ЦСД) мощных паровых турбин являетсявзаимодействие с их функциональными поверхностями высокотемпературного(до 550 ºС) двухфазного потока, содержащего твердые частицы магнетита Fe3O4,поступающих в основном из пароперегревательных труб парогенератора ипаропроводов.

Процесс абразивного износа является необычайно сложнымявлением. Из-за многообразия форм полидисперсных твердых частиц, скоростейи углов атаки, траектории их движения и взаимодействие с поверхностьюследует рассматривать на основе статистического анализа.Характерной особенностью абразивного износа является его быстроеразвитие: при определенных условиях разрушение лопаточных аппаратовпервых ступеней, требующее их ремонта или замены, происходит, как правило,за 1÷3 года эксплуатации, что приводит к снижению КПД ступени на 8÷12%.В настоящее время известны различные способы борьбы с абразивнымизносом, базирующиеся на применении различных сепарационных устройств(активные способы), расположенных в паропроводах, клапанах и т.д.

иудаляющих большую часть твердых частиц, а также формировании различныхтипов покрытий, модификаций функциональных поверхностей, химическихпромывок (пассивные способы), которые позволяют повысить абразивнуюстойкость лопаточных аппаратов, воспринимающих ударное воздействиетвердых частиц, прошедших сепарационные устройства.Одним из перспективных направлений борьбы с абразивным износомявляются ионно-плазменные технологии, которые применяются для защитылопаточных аппаратов от каплеударной эрозии и коррозии. В частности, такиетехнологии активно используются в авиастроении, где проблема абразивногоизноса поверхностей широко распространена.4Разработка новых способов снижения абразивного износа лопаточныхаппаратов первых ступеней паровых турбин, должна базироваться наэкспериментальном моделировании системы «поверхность – эродент» вусловиях, максимально приближенных к реальным и ее всестороннем изучении.Для исследования динамики развития процесса абразивного износа дискретнымтвердым эродентом необходимо применение статистического метода анализа.Применение ионно-плазменных покрытий в сочетании с активныминаправлениями снижения абразивного износа может оказаться перспективнымспособомдлязащитылопаточныхаппаратов,эксплуатирующихсявэкстремальных условиях воздействия пароабразивного потока при высокихтемпературах.Цель работы:Повышение абразивной стойкости лопаточного аппарата первых ступенейцилиндров высокого и среднего давлений мощных паровых турбин на основеформированиянафункциональныхповерхностяхионно-плазменныхпокрытий, увеличивающих срок его эксплуатации.Объекты исследования: элементы конструкций лопаточных аппаратовпервых ступеней ЦВД и ЦСД мощных паровых турбин, изготовленных изсталей 20Х13 и 15Х11МФ, в условиях абразивного износа.Основные задачи работы:1.

Разработать методику проведения экспериментальных исследованийпроцесса абразивного износа лопаточных сталей и покрытий.2. Разработать и создать экспериментальный стенд для проведенияисследований процесса абразивного износа лопаточных сталей и покрытий вдиапазоне температур, максимально приближенных к реальным условиямэксплуатации первых ступеней ЦВД и ЦСД мощных паровых турбин.3. Получить новые знания о динамике развития процесса износа лопаточныхсталей при высокоскоростном воздействии газоабразивного потока.4.

Экспериментально определить влияние различных факторов (угла атакигазоабразивногопотока,расходной5массовойконцентрациичастиц,температуры поверхности мишени) на интенсивность процесса абразивногоизноса применяемых лопаточных сталей.5. Определить параметры, при которых наблюдается максимальныйабразивный износ лопаточных сталей.6. Изучить влияние различных составов абразивостойких покрытий наинтенсивность процесса абразивного износа при егомаксимальныхпараметрах.Научная новизна работы:Впервые получены зависимости удельной потери массы мишеней изсталей 20Х13 и 15Х11МФ, характеризующие абразивную стойкость данныхматериалов,припараметрах,соответствующихрабочимусловиямэксплуатации первых ступеней ЦВД и ЦСД мощных паровых турбин от:- расходной массовой концентрации твердых частиц эродента XЭ*;- угла атаки α газоабразивного потока;- температуры поверхности мишени t,по которым определены параметры их максимального абразивного износа:XЭ* = 10,4%, α = 30º, t = 550 ºС;Впервыеполученыстатистическиехарактеристикиотраженныхтвердых частиц эродента, анализ которых косвенно доказывает, что вдинамикепроцессаабразивногоизносалопаточнойсталиимеетсяопределённый промежуток времени, который можно рассматривать какинкубационно-переходный период к установившемуся периоду с постояннойскоростью износа;Получены зависимости удельной потери массы мишеней из сталей20Х13 и 15Х11МФ с защитным ионно-плазменным покрытием на основеCr-CrC при параметрах максимального экспозиционного абразивного износа.Практическая ценность.- Установлено, что сталь 20Х13 на 30% превышает стойкость к абразивномуизносу стали 15Х11МФ припараметрах, соответствующих рабочим6температурам эксплуатации первых ступеней ЦВД и ЦСД мощных паровыхтурбин.- Предложен алгоритм оценки эффективности применения пассивныхспособов повышения абразивной стойкости лопаточных сталей.- Разработанный состав ионно-плазменного покрытия в сочетании с активнымиспособами защиты может быть использован для повышения абразивнойстойкости лопаточных аппаратов первых ступеней ЦВД и ЦСД мощныхпаровых турбин и продления срока их эксплуатации.Достоверность и обоснованность полученных в работе результатовобеспечивается их корреляцией с результатами других исследователей,применением современных аттестованных измерительных устройств иапробированныхметодикизмерений,определениемпогрешностейизмерений.Апробациядокладывалисьработы:наОсновныеследующихрезультатынастоящейнаучно-техническихработыконференциях,симпозиумах и семинарах:- Международные научно-технические конференции студентов и аспирантов«Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (Москва 2013, 2015,2016 гг.);- 7-ая Международная школа-семинар молодых ученых и специалистов(Москва 2014 г.);- научный семинар НЦ «Износостойкость», НИУ «МЭИ»;- заседание кафедры Паровых и газовых турбин, НИУ «МЭИ».На защиту выносятся:1.Методика проведения экспериментальных исследований динамикиразвития процесса абразивного износа сталей 20Х13 и 15Х11МФ.2.Алгоритм оценки эффективности применения пассивных способовповышения абразивной стойкости сталей 20Х13 и 15Х11МФ.3.Результаты исследований динамики развития процесса абразивногоизноса стали 20Х13.74.Результатыисследованийвлиянияразличныхфакторовнаинтенсивность процесса абразивного износа сталей 20Х13 и 15Х11МФ.5.Результаты оценки эффективности применения ионно-плазменногопокрытия для защиты от абразивного износа лопаточного аппарата первыхступеней ЦВД и ЦСД мощных паровых турбинПубликации.По результатам диссертационной работы было опубликовано 9 печатныхтрудов, в том числе 5 статей в журналах, рекомендованных ВАК, 1-ой статьев журнале, входящем в базу данных SCOPUS и 3 докладах на научнотехнических конференциях.Структура и объем работы.Диссертационная работа изложена на 179 страницах и состоит из введения,5 глав, выводов по работе и списка литературы.