Диссертация (Повышение абразивной стойкости лопаточного аппарата первых ступеней цилиндров высокого и среднего давления мощных паровых турбин), страница 14

Увеличение площадипроисходит вследствие роста угла раскрытия струи при увеличении расхода.129ПотерямассыгазоабразивногомишенипотокарастетсиGотнувеличениемописываетсяотносительногозависимостью:(Δm)отн = 2,9257 (Gотн)2 - 5,2046 (Gотн) + 3,2789.Таким образом, при увеличении расхода газоабразивного потока(при неизменном значении расхода твердых частиц и увеличении расходанесущей среды) и соответствующем снижении расходной массовойконцентрации удельная потеря массы мишени (Δm/ΔS)отн растет линейно.4.2 Влияние угла атаки газоабразивного потока на динамикупроцесса абразивного износа лопаточных сталей 20Х13 и 15Х11МФИсследованиявлиянияуглаатакигазоабразивногопотоканаинтенсивность абразивного износа мишеней из сталей 20Х13 и 15Х11МФпроводились при временах экспонирования в диапазоне 300÷3600 секунд сопределенным шагом по времени (300 с), одинаковым для каждого значенияугла, согласно методике, описанной в Главе 2.

Параметры, при которыхпроводились исследования влияния угла атаки на интенсивность абразивногоизноса мишеней из сталей 20Х13 и 15Х11МФ приведены в таблице 4.3.Таблица 4.3 - Параметры испытаний мишеней при варьируемых углах атакиα газоабразивного потокаПараметр, размерностьЗначениеРасход несущей среды, кг/с5×10-4Расход частиц твердого эродента, кг/с5,8×10-5Расход газоабразивного потока, кг/с5,58×10-4Расходная массовая концентрация эродента XЭ*10,4%Угол атаки α газоабразивного потока, градус15÷90Температура поверхности мишеней, ºС25На рисунках 4.5 и 4.6 представлены экспериментальные данныевлияния угла атаки α газоабразивного потока на интенсивность абразивногоизноса мишеней из сталей 20Х13 и 15Х11МФ.130Рисунок 4.5 – Зависимость удельной потери массы «мишени» (∆/∆) от времени экспонирования для стали 20Х13 приразличных углах атаки α газоабразивного потока: 1 - 150; 2 - 300; 3 - 450; 4 - 600; 5 - 900131Рисунок 4.6 – Зависимость удельной потери массы «мишени» (∆/∆) от времени экспонирования для стали 15Х11МФпри различных углах атаки α газоабразивного потока: 1 - 15°; 2 - 30°; 3 - 45°; 4 - 60°; 5 - 90°132В результате проведенных испытаний установлено, что максимальныйизнос поверхности мишеней из сталей 20Х13 и 15Х11МФ наблюдается приуглеатакиαгазоабразивногопотока,близкомк30градусам.Соответствующие интерполяционные уравнения, описывающие поведениеполученных зависимостей для сталей 20Х13 и 15Х11МФ приведены втаблицах 4.4 и 4.5 соответственноТаблица 4.4 – Интерполяционные уравнения, описывающие поведениекривых процесса абразивного износа стали 20Х13 при различных углах атакиα газоабразивного потока№Угол атаки α, градУравнение ∆m/∆S[кг/м2]=f(t), [t-с]1234515о30о45о60о90о0,00130 + 0,0016∙t – 7,16∙10-6∙t20,0047 + 0,0016∙t – 6,32∙10-6∙t20,00017 + 0,00125∙t – 5,17∙10-6 t2–0,00141 + 0,00142∙t– 6,17∙10-6 t2–0,000865 + 0,0015∙t–5,42∙10-6 t2Таблица 4.5 – Интерполяционные уравнения, описывающие поведениекривых процесса абразивного износа стали 15Х11МФ при различных углахатаки α газоабразивного потока№Угол атаки α, градУравнение ∆m/∆S[кг/м2]=f(t), [t-с]1234515о30о45о60о90о0,00327 + 0,002178∙t - 12∙10-6∙t20,00814 + 0,00236∙t - 14∙10-6 t2-0,00066+ 0,00192∙t – 7,7∙10-6∙t2-0,00195 + 0,0018695∙t - 7,9∙10-6∙t20,00429 + 0,00239∙t - 15∙10-6 t2Заметим,чтоэкстраполяцияпредставленныхинтерполяционныхзависимостей в нулевой момент времени недопустима, поскольку онапредставляет собой результат состояния мишени до проведения испытаний.В целом интерполяционные зависимости достаточно хорошо отражаютэкспериментально полученные значения, отмечая их монотонный рост современем для каждого угла атаки α газоабразивного потока.133На рисунке 4.7 представлена зависимость численных удельной потеримассы мишеней из сталей 20Х13 и 15Х11МФ (за 60 минут испытаний) отугла атаки α газоабразивного потока.

При построении данной зависимостипринято, что при нулевом угле атаки α никакого износа мишени непроисходит. Это допущение несвободно от критики, поскольку, как отмеченовыше, движения частиц случайны и некоторые из них вполне могуттравмировать поверхность мишени и при нулевом угле атаки α в результатеслучайных отклонений в сторону поверхности от некоторой средней линиитока частиц, параллельной плоскости мишени.Рисунок 4.7 – Зависимость удельной потери массы мишени за времяиспытаний 60 минут от угла атаки α газоабразивного потока:1 – сталь 15Х11МФ; 2 – сталь 20Х13Результаты, представленные на рисунке 4.7, показывают, что винтервале углов атаки α = 0о÷30о имеет место рост абразивного износа.

Это суменьшением средней касательной составляющей скоростей частиц приросте средней нормальной составляющей. Здесь можно предположить, что вэтом интервале углов атаки α основной механизм износа состоит в«подрезывании»поверхностимишени134значительнымикасательнымисоставляющими скоростей частиц, которые уменьшаются с ростом углаатаки α, и отделении ее элементов при последующих соударениях частиц стравмированной поверхностью мишени.В интервале углов атаки α = 30о÷45о (для стали 20Х13) и α = 30о÷60о(для стали 15Х11МФ) уменьшающаяся средняя касательная составляющаяскоростей частиц вместе с возрастающей нормальной составляющей в суммене в состоянии вызвать рост абразивного износа, что приводит к егопадению.

По-видимому, в дальнейшем большую роль приобретаютнормальные составляющие скорости частиц, направленные к поверхностимишени, хотя при этом касательные составляющие скорости уменьшаютсявплоть до нуля. Это приводит к росту износа в интервале углов атакиα = 45о÷90о (для стали 20Х13) и α = 60о÷90о (для стали 15Х11МФ) посравнению с износом в интервале углов α = 0о÷30о. Эти наблюдениядемонстрируют существенную роль касательной составляющей в процессеабразивного износа особенно при малых значениях углов атаки α.4.3 Влияние температуры поверхности на динамику процессаабразивного износа лопаточных сталей 20Х13 и 15Х11МФИсследования влияния температуры поверхности на интенсивностьабразивного износа мишеней из сталей 20Х13 и 15Х11МФ проводились привременах экспонирования в диапазоне 300÷3600 секунд с определеннымшагом по времени, одинаковым для каждого значения температуры, согласнометодике, описанной в Главе 2.

Параметры, при которых проводилисьисследованиявлияниятемпературыповерхностинаинтенсивностьабразивного износа мишеней из сталей 20Х13 и 15Х11МФ приведены втаблице 4.6.135Таблица4.6-Параметрыиспытаниймишенейприварьируемыхтемпературах поверхности мишениПараметр, размерностьЗначениеРасход несущей среды, кг/с5×10-4Расход твердых частиц эродента, кг/с5,8×10-5Расход газоабразивного потока, кг/с5,58×10-4Расходная массовая концентрация эродента XЭ*10,4%Угол атаки α газоабразивного потока, градус30Температура поверхности мишеней, ºС25, 350, 550На рисунках 4.8 и 4.9 представлены экспериментальные данныевлияния температуры поверхности мишени на интенсивность абразивногоизноса мишеней из сталей 20Х13 и 15Х11МФ.136Рисунок 4.8 – Зависимость удельной потери массы «мишени» (∆/∆) от времени экспонирования для стали 20Х13 приразличных температурах поверхности мишени: 1 – 25 ºС; 2 - 350 ºС; 3 - 550 ºС137Рисунок 4.9 – Зависимость удельной потери массы «мишени» (∆/∆) от времени экспонирования для стали 15Х11МФпри различных температурах поверхности мишени: 1 – 25 ºС; 2 - 350 ºС; 3 - 550 ºС138В таблице 4.7 приведены механические свойства стали 20Х13 приразличных температурах, а также показано их изменение с ростомтемпературы материала (см.

рисунок 4.10). Стоит отметить, в литературныхданных, в частности в различных марочниках сталей и сплавов [5], неоказалось подобного рода информации по механическим свойствам стали15Х11МФ. Тем не менее, учитывая, что оба материала относятся кжаропрочным и коррозионно-стойким сталям, справедливо предположить,что характер изменения механических свойств стали 15Х11МФ будет вкакой-то мере аналогичен стали 20Х13.Таблица 4.7 - Механические свойства стали 20Х13 при повышенныхтемпературахТемператураиспытаний, °С20300400450500550σ0,2 (МПа) σв (МПа)510390390370350275710540520480430340δ5 (%)ψ%KCU (кДж / см2)21181718333766665957758364÷171196196235245216Рисунок 4.10 – Изменение предела прочности при растяжении (σв)и условного предела текучести (σ0,2) с ростом температуры материала139Из таблицы 4.7 и графика, представленного на рисунке 4.10, видно, чтопредел текучести σ0.2 и временное сопротивление σВ стали 20Х13 монотонноснижаются с ростом температуры. Такого рода снижение характеристикпрочности при увеличении температуры характерно для большинстважелезоуглеродистыхсплавов,заисключениемнизкоуглеродистыхинизколегированных сталей, в которых возможен экстремальный характерзависимости σ0.2 и σВ от температуры за счет резкого проявления у нихсинеломкости.

Вместе с тем, сталь 20Х13 является жаропрочной, поэтомуснижение характеристик прочности с ростом температуры относительноневелико по сравнению с углеродистыми и большинством легированныхсталей.Следует также отметить, что снижение характеристик прочности иповышениехарактеристикпластичностибудетнаблюдатьсяприкратковременном нагреве стали 20Х13 до температур 660…700ºС, т.е. дотемпературы, при которой проводился отпуск стали (в случае, если стальтермически обрабатывалась по режиму «закалка + высокий отпуск»). Принагреве до более высоких температур в стали 20Х13 возможно протеканиеструктурно-фазовых превращений, интенсивный рост зерна и др., и характеризменения механических свойств будет трудно прогнозируемым.