Диссертация (Повышение абразивной стойкости лопаточного аппарата первых ступеней цилиндров высокого и среднего давления мощных паровых турбин), страница 5

Дуковитц[92] разработал теорию, учитывающую влияние колебаний потока и волн,возникающих в поверхностном слое материала, на процесс абразивногоизноса хрупких материалов.Компьютерные модели абразивного износа, описанные выше, увеличиливозможности прогнозирования развития процесса эрозии твердыми частицами,опираясь на известные теоретические и экспериментально подтвержденныезависимости интенсивности абразивного износа от различных параметров(скорость потока, угол атаки и т.д.).Современные методы вычислительной гидрогазодинамики позволяютмоделироватьпроцессы,происходящиевлопаточныхаппаратахтурбоустановок, (см.

рисунок 1.27) [28, 54, 55, 83, 99] с большим количествомдопущений. Также, с помощью различных расчетных программ возможнопроводить апробацию новых технических решений, направленных на снижениеабразивного износа лопаточных аппаратов, перед их предполагаемымвнедрением в промышленное производство (см. рисунок 1.28).37а)б)Рисунок 1.27 – Компьютерное моделирование вихрей в окрестностивыходной кромки сопловой лопатки с исходной геометрией (а) и сопловойлопатки, изношенной вследствие абразивного износа (б) [54]а)б)Рисунок 1.28 – Компьютерное моделирование процесса абразивного износа впроточной части паровой турбины: а) исходная геометрия первой ступениЦВД; б) модернизированная геометрия первой ступени ЦВД [55]При использовании различных теоретических моделей и вычислительныхметодов крайне важно помнить о том, что они не могут учесть всегомногообразия факторов, влияющих на протекание процесса абразивного износаматериалов.38Экспериментальныеустановкидляисследованийпроцессаабразивного износа конструкционных материаловПо организации взаимодействия абразивных частиц с поверхностьюобразца различают два основных вида стендов: установки струйноабразивного типа и установки центробежного типа.

В таблице 1.2 приведенысведения об используемых в зарубежных фирмах и институтах установкахдля исследований абразивного износа, в том числе при высоких температурах(свыше 500 ºС) [2, 35, 65, 67, 103, 114].Таблица 1.2 – Экспериментальные установки для исследований процессаабразивного износа, используемые в зарубежных фирмах и институтах[2, 35, 65, 67, 103, 114]Тип подачи воздухаИнститутUniversity of California, Berkeley (USA)Газовая Подающая Центроструятрубкабежный++Iowa State University (USA)Kentucky Center for Energy ResearchLab (USA)+Metalspray International (USA)+Mitsubishi Heavy Industries (Japan)+University of Nottingham (UK)+University of Surrey (UK)+University of Cape Town (South Africa)+Hiroshima University (Japan)Kanazawa Institute of Technology (Japan)+Kawasaki Heavy Industries (Japan)+Ishikawajima-Harima Industries (Japan)+Cranfield University (UK)+++Установки струйно-абразивного типа (твердые частицы разгоняются39потоком воздуха) для исследований процесса абразивного износа приповышенной температуре могут быть разделены на две большие группы.Первая группа включает установки, которые разработаны так, чтобы поток,несущий частицы, и образец были нагреты до одинаковой температуры.

Ихназывают изотермическими установками струйно-абразивного типа. Втораягруппа установок струйно-абразивного типа называется неизотермическимиустановками: в данных стендах нагревается только образец, в то время какпоток, несущий частицы, предварительно не подогревается.Наряду с установками струйно-абразивного типа также используютсяустановки центробежного типа. В центробежном ускорителе частицыабразива разгоняются под действием центробежных сил.

Для этого естьрадиальные каналы в роторе, а сам ротор вращается электродвигателем. Вцентробежном ускорителе возможно испытание сразу до четырех образцов,что ускоряет исследования и позволяет в одном эксперименте исследоватькак эталонный образец, так и образец с покрытием. Но существеннымнедостатком является разное сопротивление движению частиц по каналу, чтообусловливает разные силовые характеристики. Также к недостаткам можноотнести наличие в схеме высокооборотного двигателя с возможностьюизменения частоты вращения и современной системы управления, чтоусложняет и удорожает конструкцию.Главная проблема описанных типов установок состоит в определениискорости движения твердых частиц. Есть три различных метода длявычисленияскоростичастиц.Впервомметоде,известномкакфотографический метод, быстродействующая камера используется чтобысфотографироватьпоследовательныеположенияоднойчастицызаопределенный промежуток времени и таким образом вычисляется скорость.Второй метод называется метод вращающегося диска.

В этом методескорость определяется, оценивая время пролета частиц между двумядисками, закрепленными на общем валу, вращающемся с некоторойуказанной скоростью. В третьем методе используется лазер (LDV). Данная40методика основана на эффекте Допплера.Другие существующие стенды для изучения абразивной эрозии, такили иначе, являются продолжением упомянутых выше машин.

В таблице 1.3приведены параметры и внешний вид установок для исследований процессовабразивного износа, используемых в России и за рубежом.Таблица 1.3 – Установки для исследований процессов абразивного износа,используемые в России и за рубежомОрганизация(город, страна)Внешний вид/схема установкиОсновныепараметрыСкорость:Компания Дженерал300 м/сЭлектрикТемпература:(Скектади, США)980 0СНаучноисследовательскийСкорость:центр объединенных265 м/стехнологийТемпература:(Восток Харфорд,1260 0ССША)41Организация(город, страна)Внешний вид/схема установкиОсновныепараметрыЛаборатория ВВСматериаловУниверситет ДейтонСкорость:научно-330 м/сисследовательскогоТемпература:институтан.д.(УДНИ)(Дейтон, США)НациональныйСкорость:научно-300 м/сисследовательскийТемпература:совет (ННС)750 0С(Оттава, Канада)42Организация(город, страна)Внешний вид/схема установкиОсновныепараметрыСкорость:Университет200 м/сКранфилдТемпература:(Кранфилд, Англия)850 0ССкорость:ЕНИЦ200 м/с(Милан, Италия)Температура:800 0С43Организация(город, страна)Внешний вид/схема установкиОсновныепараметрыИнженерномеханическийфакультет,Национальноготайваньского-университета наукии технологии(Тайбэй, Тайвань)ГАНГ им.

Губкина-(Москва, РФ)44Организация(город, страна)Внешний вид/схема установкиОсновныепараметрыФранцузскийВысший институт,Лаборатория-Материалов имашиностроения(Лион, Франция)Скорость:Феникс Триболоджи80 м/сЛтд.Температура:100 0СТаллинскийполитехнический-институт(Таллин, Латвия)45Сложность изучения процесса абразивного износа заключается в егостатистическом характере, вследствие того, что в большинстве случаев,частицы твердого абразива (эродент) имеют различную форму, движутся впотоках несущей фазы (газ, пар и т.д.) по случайным траекториям ивзаимодействуют с поверхностями элементов энергетического оборудованияс различными скоростями и под разными углами, вызывая их травмированиеи износ [28].Как было отмечено выше, теоретические модели не могут в полноймере описать процессы абразивного износа материалов ввиду различныхпричин,втомчисленехваткизначенийразличныхпоправочныхкоэффициентов, определить которые можно только экспериментальнымпутем и затем, на основании полученных данных, оптимизироватьтеоретическую модель.

К примеру, определение скоростей и углов атакитвердымичастицамиповерхностейлопатокявляетсякрайнетрудновыполнимой задачей [30]. Таким образом, очевидно заключить, чтонаиболее точным и, что более важно, максимально приближенным креальности способом изучения процессов абразивного износа является ихэкспериментальное моделирование в лабораторных условиях на специальныхстендах и установках.1.6 Современные способы активной и пассивной защиты отабразивного износа лопаточных аппаратов первых ступеней цилиндроввысокого и среднего давления паровых турбинСпособынаправленынаповышенияабразивнойстойкостиснижениеколичестватвердыхсоднойабразивныхсторонычастиц,поступающих с основным потоком пара в проточную часть турбин, а сдругой стороны, на защиту рабочих поверхностей лопаток.

Известные насегодняшний день способы можно разделить на два направления: активное ипассивное.46Активное направление защитыАктивноенаправлениезащитыпредставляетсобойустановкусепарационных и других специальных устройств, направленных на удалениетвердых частиц эродента, в различных местах паротурбинной установки,таких как:- отсечные клапана [17, 37 - 39];- паропроводы горячего промперегрева (ГПП) [17, 37 - 39];- проточная часть турбины [17, 37 - 39].В настоящее время известны различные устройства для удалениячастиц оксидной пленки и снижения повреждений проточной части турбины,вызванных абразивным износом.