Диссертация (Повышение абразивной стойкости лопаточного аппарата первых ступеней цилиндров высокого и среднего давления мощных паровых турбин), страница 13

Более отчётливо картина распределения удельногоколичества частиц N по высоте представляется в зависимости от угла α,начало которого расположено в центре соударения исходящего из соплагазоабразивного потока с поверхностью мишени (см. рисунок 3.21).117Рисунок 3.20 - Поведение удельного количества частиц N (1/мм2) по высотеРисунок 3.21 - Распределение удельного количества частиц N (1/мм2)по высоте в зависимости от угла α118Здесь отчетливо усматривается два диапазона:- параболический : N  25  1,592 *   0,042 *  2 , для- почти строго линейный для  220 ;  220 (h≈11 мм): N  13,39  0,197 * Такое существенное отличие в распределении частиц отражённогоабразиваможетбытьоправданоизменениемусловийвоздействияокружающей среды на совокупность частиц: до h ≈ 11 мм имеет местодвижение частиц абразива в пределах потока несущей среды в окрестностистенки мишени, выше - частицы движутся вне зоны этого потока.

Крометого, распределение скоростей несущей среды в пределах потока имеетотрицательную осевую составляющую (на стенке осевая составляющая равнанулю). Это, возможно, частично выражается в параболическом характерераспределения частиц абразива в пределах потока несущей среды приструйном обтекании плоской поверхности мишени.Основной проблемой является установление свободной поверхностигазовой струи с абразивом, обтекающей плоскую поверхность. В случаяхпотоков двухфазных дисперсных сред, с учетом взаимного влияниядвижущихся с различными скоростями фаз, в условиях неправильной,случайной, грубой формы частиц дискретной фазы, т.е.

в условияхслучайныхтраекторийчастиц,теоретическоерешение,пустьдажечисленное, представляется весьма затруднительным. В этих случаяхприходится прибегать к анализу экспериментальных данных. На рисунке 3.22представлено поведение средних значений длин частиц L по высоте, гдеотчетливо усматривается максимум в районе высоты в 10 мм.119Рисунок 3.22 - Поведение средних значений длин L отраженныхчастиц эродента по высотеПоведение других численных характеристик: среднеквадратическоеотклонение (σ), коэффициент асимметрии (Sk) и эксцесс (Ex), представленона рисунке 3.23.а)120б)в)Рисунок 3.23 – Поведение среднеквадратического отклонения σ (а),коэффициента асимметрии Sk (б) и эксцесса Ex (в) по высотеСреднеквадратическое отклонение (σ) в среднем монотонно возрастаетс высотой при значительных колебаниях около этого среднего поведения.При этом, осреднённая кривая имеет стремление к выполаживаниюпри h > 10 мм.

Значения коэффициента асимметрии (Sk) в целом снижаются,121оставаясь положительными и выполаживаются в среднем при h > 10 мм, чтосвидетельствует о смещении распределения по размерам в сторону большихзначений. Это смещение находит объяснение в том, что лёгкие частицыабразива более подвержены влиянию несущей среды, поле скоростейкоторой имеет отрицательную осевую составляющую. Значения эксцесса(Ex) монотонно уменьшаются, проходя через нулевое значение также приh ≈ 10 мм, отвечающее нормальному распределению, с тенденциейв дальнейшем к более равномерному распределению.Таким образом, эти результаты в целом свидетельствуют о том, чтоширина абразивной струи на расстоянии в 35 мм от её оси при соударении сплоскостью мишени достигает величины ≈ 10 мм. Необходимо такжеотметить, что 39% частиц абразива из общего числа уловленных приходитсяна частицы, покинувших поток несущей среды после соударений со стенкоймишени. На рисунке 3.24 представлено сравнение средних значенийразмеров частиц в состоянии поставки и после 1 минуты эксперимента насоответствующих интервалах.1 – состояние поставки; 2 – после 1 минуты испытанийРисунок 3.24 – Распределение средних значений размеров твердых частицэродента в состоянии поставки и после 1 минуты эксперимента насоответствующих интервалах122Здесь отчетливо видно увеличение мелкодисперсной фракции врезультате дробления: процентный состав абразива от 12 мкм до 300 мкм врезультате дробления возрастает, в то время как от 300 мкм до 750 мкм –убывает.

Особенно интенсивно это дробление наблюдается в диапазоне300-550мкм,засчёткоторогоивозрастаетпроцентныйсоставмелкодисперсной фракции. Отметим также, что процентный состав абразивабольших 700 мкм практически остаётся прежним. Последнее наблюдениевозможно связано с тем, что крупные частицы абразива длиной более 600мкм не успевают разогнаться потоком несущей среды до скоростей(кинетических энергий), достаточных для их дробления при соударении смишенью.

Об этом же свидетельствует и распределение средних значенийдлин частиц абразива по высоте (см. рисунок 3.21). Таким образом, основноедробление приходится на частицы размерами в диапазоне 300-550 мкм,которые, по-видимому, приобретают необходимую энергию со сторонынесущей среды достаточной для дробления.В результате проведенных испытаний и последующей обработкиданныхнеобходимоотметитьнескольковажныхмоментов.Частьотражённых частиц эродента вновь попадает в поток несущей среды, другаячасть – покидает его. В обоих случаях происходит изменение характеристикэродента,аименнополидисперсностииполискоростности.Этообстоятельство может оказывать влияние на абразивный износ как элементовконструкций турбомашин, расположенных выше основного потока (шипыбандажей, надбандажные уплотнения) так и расположенных далее понаправлению движения потока.123ГЛАВА4ИССЛЕДОВАНИЯДИНАМИКИПРОЦЕССААБРАЗИВНОГО ИЗНОСА ЛОПАТОЧНЫХ СТАЛЕЙ 20Х13 И 15Х11МФ4.1 Влияние концентрации твердых частиц эродента на динамикупроцесса абразивного износа лопаточных сталей 20Х13 и 15Х11МФИсследованиявлияниярасходагазоабразивногопотоканаинтенсивность абразивного износа мишеней из сталей 20Х13 и 15Х11МФпроводились при временах экспонирования в диапазоне 300÷3600 секундс определенным шагом по времени (300 с), одинаковым для каждогозначения угла, согласно методике, описанной в Главе 2.

Параметры, прикоторых проводились исследования влияния расхода и концентрации частицгазоабразивного потока на интенсивность абразивного износа мишеней изсталей 20Х13 и 15Х11МФ приведены в таблице 4.1.Таблица 4.1 - Параметры испытаний мишеней при варьируемых расходах иконцентрации частиц газоабразивного потокаПараметр, размерностьЗначениеРасход несущей среды, кг/с5,00×10-4, 4,17×10-4,3,33×10-4Расход частиц твердого эродента, кг/с5,8×10-5Расход газоабразивного потока, кг/с5,58×10-4; 4,75×10-4;3,91×10-4Расходная массовая концентрация эродента XЭ*10,4%; 13,9%; 17,4%Угол атаки α газоабразивного потока, градус30Температура поверхности мишеней, ºС25На рисунках 4.1и 4.2 представлены экспериментальные данныевлиянияконцентрациитвердыхчастицэродентанаабразивного износа мишеней из сталей 20Х13 и 15Х11МФ.124интенсивностьРисунок 4.1 – Зависимость удельной потери массы «мишени» (∆/∆) от времени экспонирования для стали 20Х13при различных концентрациях твердых частиц эродента: 1 – 10,4%; 2 – 13,9%; 3 – 17,4%125Рисунок 4.2 – Зависимость удельной потери массы мишени (∆/∆) от времени экспонирования для стали 15Х11МФпри различных концентрациях твердых частиц эродента: 1 – 10,4%; 2 – 13,9%; 3 – 17,4%126С увеличением расхода несущей среды и неизменным расходомтвердых частиц эродента, снижается расходная массовая концентрация XЭ*.Несмотря на указанное обстоятельство, удельная потеря массы мишенивозрастает с увеличением расхода газоабразивного потока.Объяснение данному явлению может заключаться в следующем.

Сувеличением расхода несущей среды должна увеличиваться средняя скоростьпотока и, как следствие, средние скорости твердых частиц. Но, как былоотмечено выше, частицы движутся по различным траекториям с различнымискоростями, значения которых являются случайными и измерить которыеневозможно. Здесь можно выдвинуть предположение, что при увеличениирасхода несущей среды растет запас ее кинетической энергии. Посколькурасход твердых частиц эродента неизменен, то поток воздуха с увеличениемрасхода может разогнать одно и тоже количество частиц до большихзначений скоростей, вызывая тем самым интенсификацию процессаабразивного износа.На рисунке 4.3 приведены графики, демонстрирующие зависимостьудельной потери массы «мишени» (∆/∆) от расходной массовойконцентрации эродента XЭ* для сталей 20Х13 и 15Х11МФ при различныхвременах экспонирования на стенде.

При малом времени экспозиции(t = 300 секунд) изменение концентрации слабо влияет на удельную потерюмассы мишеней обоих типов сталей. При большом времени экспозиции(t = 3600 секунд) это влияние проявляется более отчетливо, причеминтенсивность потери удельной массы мишени из стали 15Х11МФ вышестали 20Х13.

Таким образом влияние расхода и концентрации частицгазоабразивного потока на интенсивность износа сталей 20Х13 и 15Х11МФначинает активно проявляться при длительных временах экспонирования,когда поверхность мишеней довольно сильно изношена.1271 – сталь 15Х11МФ, t = 300 с.; 2 – сталь 20Х13, t = 300 с.;3 – сталь 20Х13, t = 3600 с.; 4 – сталь 15Х11МФ, t = 3600 сРисунок 4.3 - Зависимость удельной потери массы «мишени» (∆/∆) отрасходной массовой концентрации эродента XЭ* для сталей 20Х13 и15Х11МФ при различных временах экспонирования на стендеВ таблице 4.2 представлены численные значения относительныхвеличин (Δm/ΔS)отн, (Δm)отн, (ΔS)отн для стали 20Х13.

Пример расчетаприведен ниже:Gотн i = Gi / G1, где G1 = 3,91×10-4 кг/с;(Δm)отн i = (Δm)i / (Δm)1, где (Δm)1 = 0,01×10-3 кг;(ΔS)отн i = (ΔS)i / (ΔS)1, где (ΔS)1 = 182,37×10-9 м2;(Δm/ΔS)отн i = (Δm/ΔS)i / (Δm/ΔS)1, где (Δm/ΔS)1 = 0,055 кг/м2;На рисунке 4.4 показано поведение зависимостей указанных величинот относительного расхода газоабразивного потока. Данное сравнение было128сделано, чтобы понять характер изменения удельной потери массы мишени сизменением расхода газоабразивного потока.Таблица4.2–ЧисленныезначенияотносительныхвеличинGотн, (Δm/ΔS)отн, (Δm)отн, (ΔS)отнiGотн i(Δm)отн i(ΔS)отн i(Δm/ΔS)отн i1111121,211,2741,061,2031,421,811,291,35Рисунок 4.4 – Зависимость относительных величин (Δm/ΔS)отн, (Δm)отн,(ΔS)отн для стали 20Х13 от относительного расходагазоабразивного потока GотнПлощадь пораженной области поверхности растет с увеличениемотносительного газоабразивного потока Gотн и описывается зависимостью:(ΔS)отн = 1,8634 (Gотн)2 - 3,8509 (Gотн) + 2,9875.