Диссертация (Повышение абразивной стойкости лопаточного аппарата первых ступеней цилиндров высокого и среднего давления мощных паровых турбин), страница 11

рисунок 3.1). Таким образом, соударения частиц споверхностями сопловых и рабочих лопаток в зависимости от начальныхусловий, их размеров и формы происходят с различными скоростями и подразными углами.1, 2, 3 – размеры частиц (10, 50, 500 мкм соответственно)Рисунок 3.1 – Траектории движения твердых частиц в направляющемаппарате мощной паровой турбиныРасчетами было установлено, что частицы, размер которых непревышает 10 мкм, могут проходить направляющий аппарат ступени, неконтактируя с лопатками.

С увеличением размеров отмечен рост числачастиц, ударяющих по вогнутой поверхности, а также перемещение точекудара к входной кромке лопаток (см. рисунок 3.2); также изменяетсяскорость соударений (от 10 до 80 м/с) и углов атаки. Некоторые частицы,94отражаясь от поверхности лопатки, снова попадают на нее и «скачут» по нейдо выходной кромки, или отражаясь от поверхности, возвращаются впаровой поток и уносятся в межвенечное пространство.Рисунок 3.2– Схема воздействия твердых частицна поверхности лопаточного аппаратаКрупные частицы могут отражаться от вогнутой поверхности,пересекать межлопаточный канал и ударять по выпуклым поверхностямсоседних лопаток в области косого среза со скоростями 40-80 м/с. В эту жеобласть могут попадать и частицы размерами менее 10 мкм, которыедвижутся вблизи периферийного обвода и сносятся вторичными течениями.Частицы, отраженные от рабочих лопаток, движутся к направляющимлопаткам под углом относительно парового потока, а их скорость можетдостигать 50-140 м/с.В зависимости от характера движения частиц в межлопаточном каналеих скорость и угол выхода из направляющего аппарата лежат в широкомдиапазоне, даже для частиц одного размера.

Следовательно, скорость, угол иместо встречи частиц с рабочими лопатками, а также траектории ихотражения оказываются существенно различными (см. рисунок 3.2). Такжеследует подчеркнуть, что частицы абразива имеют неправильную, грубуюформу, т.е. случайны по форме, и не могут быть охарактеризованы лишь95одним, как в случаях сферической формы, или тремя, как в случаях,например, эллипсоидной формы, параметрами.Таким образом, ввиду многообразия форм твердых частиц, их размеров,скоростей и углов атаки их движение по существу является случайным [34].Также является случайным распределение мест соударений частиц споверхностью и реакция поверхности на данные возмущения. Поэтому,абразивный износ поверхности дискретным твердым эродентом являетсяслучайным процессом, а в этом случае динамика его развития должна бытьотражена в поведении статистических характеристик этого процесса.3.1Экспериментальноеоборудованиеиметодикаисследованийповедения статистических характеристик динамики процесса абразивногоизносаВданнойстатистическихГлавепредставленыхарактеристикрезультатыгазоабразивногоанализапотока,вповедениячастности,поведений оценок математического ожидания М (среднего значения),среднеквадратического отклонения σ, коэффициента асимметричности Sk иэксцесса Ex размеров отраженных частиц эродента со временем в результатеих взаимодействия с мишенью.

Было выдвинуто предположение, что, если,начиная с некоторого момента времени такие характеристики, в дальнейшемперестают существенно изменяться, это может свидетельствовать онаступлении установившегося периода, а, следовательно, возможномсуществовании некоторого предшествующего этапа.̅ – математическое ожидание случайной величины, в данном конкретномслучае среднее значение линейного размера твердых частиц:̅ = ∑=1 , [1]где n – количество уловленных отраженных частиц, – линейный размерi – ой частицы.96 – степень сгущенности вокругСреднеквадратичное отклонение̅:математического ожидания =√̅ 2∑=1( −)(−1), [1]Коэффициент асимметричности – это показатель симметричностикривой распределения.

При левосторонней асимметрии ее показатель являетсяположительным и в распределении преобладают более низкие значения величины̅ . При правостронней – показатель отрицательный и преобладают более высокиезначения. У всех симметричных распределений, в том числе и у нормальногораспределения (распределения Гаусса) величина асимметрии равна нулю(см. рисунок 3.3).

Формула для коэффициента асимметрии является следующей: =̅ 3∑=1( −)∙ 3, [1]Рисунок 3.3 – Коэффициент асимметричностиПрименительнокнастоящимисследованиямизменениезначениякоэффициента асимметричности с течением времени будет свидетельствовать оследующем:97- положительные значения - уменьшение оценки математического̅ , т.е. смещении наиболее вероятных длин частиц в сторонуожидания мелкодисперсной составляющей;- отрицательные значения - увеличение оценки математического ожидания̅,т.е.смещениинаиболеевероятныхдлинчастицвсторонукрупнодисперсной составляющей.Эксцесс характеризует степень колеблемости исходных данных, чемсильнее вариация, тем более пологой является кривая распределения и наоборот, чемоднороднее совокупность, тем в большей степени варианты ряда сконцентрированыоколо средней, и тем более островершинней будет кривая распределения.

В качествеэталона высоты распределения в статистике принимается кривая нормальногораспределения (см. рисунок 3.4). Доказано, что стандартный момент 4-го порядка уэтой кривой равен 3. Формула для показателя эксцесса является следующей: =̅ 4∑=1( −)∙ 4− 3, [1]Рисунок 3.4 – Коэффициент эксцессаПрименительно к настоящим исследованиям изменение значения эксцесса с течением времени будет свидетельствовать о следующем:98- положительные значения эксцесса - меньшая «размытость»плотности распределения в связи с отсутствием дробления частицкрупнодисперсной фракции.- отрицательные значения эксцесса - большая «размытость»плотности распределения в связи с дроблениями частиц крупнодисперснойфракции.Экспериментальные исследования проводились на абразивном стенде«НИУ «МЭИ», подробно описанном в Главе 2. Схема проведенияэкспериментальныхисследованийпроцессаабразивногоизносаконструкционных материалов приведена на рисунке 3.3.Отраженные твердые частицы эродента после взаимодействия споверхностью мишени, а также «выбитые» частицы самой мишенисобирались в течение одной минуты после каждого эксперимента с помощьюспециальной «ловушки», представляющей собой металлическую пластину сзакрепленной на ней двухсторонней токопроводящей клейкой лентой,размерами 25 мм × 7 мм (см.

рисунок 3.5). За одну минуту до конца каждогоэксперимента, не прерывая его, в держатель образца вставлялась «ловушка».Расположение «ловушки» относительно оси стабилизирующей трубкибыло выбрано так, чтобы существенно не менять структуру отраженногогазоабразивного потока. Изменения структуры отраженного потока могливозникнуть, например, при полном окружении «ловушкой» области вокруггазоабразивнойструи.Полностьюисключитьтакоевлияниенепредставлялось возможным, и после нескольких вариантов расположения«ловушки» был принят вариант, демонстрируемый на рисунке 3.5.

При такомрасположении «ловушки» частицы, попавшие на нее, представляли собойчастную выборку из всей генеральной совокупности отраженных частицтвердого эродента.99Рисунок 3.5 – Схема проведения экспериментальных исследований процессаабразивного износа конструкционных материалови расположение «ловушки» [28]При настоящих исследованиях угол атаки α газоабразивного потокасоставлял 90о, испытания проводились при температуре 25ºС. Расходнесущей среды (воздух) составлял 37,3×10-5 кг/c, расход твердых частиц100эродента – 8,3×10-5 кг/c. Время экспонирования мишеней варьировалось исоставляло от 1 до 35 минут.В проведенных экспериментах в качестве твердых частиц эродентаиспользовались частицы электрокорунда (Al2O3), внешний вид которых всостоянии поставки представлен на рисунке 3.6.Рисунок 3.6 – Внешний вид твердых частиц (электрокорунд)в состоянии поставкиРазмеры частиц электрокорунда, использовавшегося в настоящихисследованиях, отвечают реальным размерам твердых частиц окалины Fe3O4,попадающих в паровую турбину (см.

рисунок 1.12). В частности, их размерыколеблются от нескольких миллиметров (частицы, собранные перед ситамиклапанов ЦВД) до долей миллиметра (частицы, собранные после ситклапанов ЦСД). В турбину попадают частицы, пропускаемые ситами,диаметр отверстий в которых обычно равен 2,5 мм [38].После проведения каждого эксперимента «ловушка» с уловленнымичастицами извлекалась из держателя образца. Для получения изображениячастиц (см. рисунок 3.7) использовался растровый электронный микроскопTESCAN MIRA 3 LMU.

При этом не учитывались «выбитые» частицымишени, попавшие в «ловушку» в течение эксперимента, что былоосуществлено при помощи специального режима растрового электронного101микроскопа, позволяющего разделять исследуемые объекты по значениям ихплотности.1- твердая частица эродента; 2 - токопроводящий скотчРисунок 3.7 – Схематичное изображение области «ловушки» с уловленнымиотраженными твердыми частицами эродента (а) и участок фотографии суловленными частицами (б) для анализа их линейных размеровМишени были изготовлены из стали 20Х13, которая применяется дляизготовления элементов лопаточного аппарата первых ступеней цилиндровЦВД и ЦСД паровых турбин.102Наоснованииматематическогополученных̅,ожиданиячисленныхзначенийсреднеквадратическогооценокотклонения,коэффициента асимметричности и эксцесса определялись функциональныезависимости этих величин от времени экспонирования t на стенде, а именно:̅ = (),  = (), = (), = ().Послезначенияопределенияпроизводныхфункциональныхоценокзависимостейматематическоговычислялисьожидания̅,среднеквадратического отклонения , коэффициента асимметричности иэксцесса при каждом времени экспонирования t на стенде и строилисьграфики поведения этих производных по времени.

По данным графическимзависимостям определялось время, начиная с которого значения указанныхпроизводных близки к нулевым, что свидетельствует о наступленииустановившегося периода процесса абразивного износа, и, следовательно,существовании некоторого предшествующего этапа до указанного времени.3.2 Поведение статистических характеристик отраженных твердыхчастиц эродента при их взаимодействии с поверхностями лопаточныхсталейГенеральной совокупностью исходного эродента было принято егоколичествокилограммов.всостоянииПоэтому,поставки,приоценкекотороесоставасоставлялоуловленныхнесколькочастиц,статистический анализ размеров исходного эродента проводился нанескольких частных выборках, каждая из которых содержала от 200 до 500уловленных частиц.