Диссертация (Повышение абразивной стойкости лопаточного аппарата первых ступеней цилиндров высокого и среднего давления мощных паровых турбин), страница 9

Большинство известных активныхспособов защиты направлено на снижение концентрации твердых частицпосредством установки различных сепарационных устройств в проточной частитурбоустановок, в то время как практически нет сведений о внедренииразличных пассивных направлений, направленных на защиту поверхностейэлементов конструкций первых ступеней ЦВД и ЦСД паровых турбин.Для определения путей решения данной проблемы, необходимо провестикомплексные экспериментальные исследования, которые позволят определитьфакторы, влияющие на интенсивность процесса абразивного износа лопаточныхматериалов, а также понять механизмы развития данного процесса Необходиморазработать ряд требований к защите сопловых и рабочих лопаток, которыебудут учитывать комплексное использование как активных, так и пассивныхнаправлений защиты.70Вследствие всего вышеперечисленного в работе были поставленыследующие задачи:1.

Разработать и создать экспериментальный стенд для проведенияэкспериментальных исследований процесса абразивного износа различныхматериалов и покрытий в условиях, максимально приближенных к реальнымусловиям эксплуатации первых ступеней ЦВД и ЦСД мощных паровыхтурбин;2.

Разработать методику проведения экспериментальных исследованийпроцесса абразивного износа различных материалов и покрытий;3. Получить новые знания о динамике развития процесса износаконструкционныхматериаловпривысокоскоростномвоздействиигазоабразивного потока;4. Экспериментально установить влияние различных факторов наинтенсивность процесса абразивного износа различных конструкционныхсталей, применяемых для изготовления сопловых и рабочих лопаток первыхступеней ЦВД и ЦСД мощных паровых турбин;5. Разработать состав перспективного абразивостойкого покрытия ипоказать эффективность его применения при выявленных параметрахмаксимального абразивного износа.71ГЛАВА 2 ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО СТЕНДА ИМЕТОДИКИПРОВЕДЕНИЯИССЛЕДОВАНИЙПРОЦЕССААБРАЗИВНОГО ИЗНОСА2.1 Экспериментальный стенд для изучения процесса абразивного износаконструкционных материаловДля разработки методики проведения исследований процесса абразивногоизноса сталей, применяемых для изготовления лопаточных аппаратов первыхступеней ЦВД и ЦСД паровых турбин необходимо было определиться сэкспериментальным оборудованием, позволяющим провести планируемыеисследования.В соответствии со стандартом ASTM G76 [47], по которому созданымногочисленные зарубежные экспериментальные установки [65, 67, 103,114], в «НИУ «МЭИ» создан экспериментальный стенд [8], позволяющийпроводить комплексные исследования процессов абразивного износаконструкционных материалов, защитных покрытий и различных способовупрочнений при варьируемых расходах и углах атаки газоабразивногопотока, а также температурах мишени.

Экспериментальный стенд относитсяк установкам струйного типа. Принципиальная схема экспериментальногостенда и схема взаимодействия твердых частиц эродента с поверхностьюисследуемых мишеней представлены на рисунках 2.1 и 2.2 соответственно,технические характеристики стенда приведены в таблице 2.1.Экспериментальный стенд предназначен для решения следующихзадач:- моделирование процессов абразивного износа различных материалов изащитных покрытий;- изучение стойкости к ударно-динамическому воздействию различныхматериалов и защитных покрытий;- исследование динамики разрушения материалов и защитных покрытий.721 - винтовой компрессор; 2 - фильтр; 3 – поплавковый ротаметр; 4 – трубка Вентури;5 – камера смешения; 6 – дозатор частиц; 7 – стабилизирующая трубка; 8 – мишень;9 – спиральный нагревательный элемент; 10 – керамический нагреватель;11 – термоэлектрический преобразователь; 12 – магистраль подачи воздуха;13 – магистраль подачи абразива; 14 – держатель мишени;15 – поворотная задвижкаРисунок 2.1 – Принципиальная схема экспериментального стенда:73Рисунок 2.2 – Схема взаимодействия газоабразивного потокас поверхностью мишениТаблица 2.1 - Технические характеристики экспериментального стендаПараметрРасход несущей среды (воздух), кг/сУгол атаки α газоабразивного потока, градусыТемпература мишени, °СЗначение1,6×10-5 ÷ 5×10-410÷9025÷600Для размещения необходимого оборудования, в частности держателеймишеней, магистралей подачи несущей среды и твердых частиц эродентаиспользуется абразиво-струйная камера САВ-110Р напорного типа, внешнийвид которой приведен на рисунке 2.3.

Основное оборудование стендаприведено на рисунке 2.4.74Рисунок 2.3 – Внешний вид абразиво – струйной камеры САВ-110Р75Рисунок 2.4 – Основное оборудование экспериментального стенда(магистрали подачи несущей среды и твердых частиц эродента, держатели образцов)76Экспериментальный стенд работает следующим образом. Сжатыйвоздух из винтового компрессора ВК-10Е (1) (см. рисунок 2.5) поступает вмагистраль подачи (12), далее проходит через фильтр (2) (см. рисунок 2.6 а),где осуществляется его очистка от примесей. Требуемый расход воздуха,который в дальнейшем определяет среднюю скорость газоабразивногопотока, контролируется расходомером (3) (см.

рисунок 2.6 б). Возможностьизменения средней скорости потока реализуется посредством регулированиярасхода воздуха.Рисунок 2.5 – Винтовой компрессор ВК-10Е77а)б)Рисунок 2.6 – Внешний вид фильтра (а) и расходомера (б)Так как стенд позволяет проводить исследования абразивной стойкостипри различных температурах поверхности мишени, в его конструкциипредусмотрено наличие двух идентичных «линий». При проведениитребуемых испытаний (высоко- или низкотемпературных), воздух черезповоротные задвижки (15) может направляться в соответствующую линию.После прохождения трубки Вентури (4), где поток воздуха ускоряется, онпоступает в камеру, где происходит его смешение с потоком твердых частицэродента, поступающих по своей магистрали (13) из дозатора частиц (6)(см. рисунок 2.7).

Основные технические характеристики дозатора частицLambda Doser приведены в таблице 2.2.78Рисунок 2.7 – Дозатор порошков Lambda DoserТаблица 2.2 – Технические характеристики дозатора твердых частицХарактеристикаОписаниеот 50 мг/мин до 50 г/мин (для NaCl)от 0,08 г/мин до 40 г/мин (для Al2O3)Расход твердых частицот 0,09 г/мин до 43 г/мин (для SiC)Интерфейсаналоговый, RS485 (опция)6 × 7 × 13 см (контроллер)Габариты (В × Ш × Д):30 × 12 × 5 см (емкость)Питание220В / 50ГцРабочие температурыокружающей среды0 ÷ 40°СРабочая относительная влажностьокружающей среды0 ÷ 90%79Лабораторный дозатор порошков Lambda Doser разработан длядобавления свободно текущих порошков, кристаллических субстанций итвердых веществ в лабораторный реактор или иную тару.

Дозатор имеетстеклянную емкость для порошка объемом 250 мл. Крепление в приемнойтаре осуществляется с помощью шлифа NS29/32. Цифровой контроллеруправляет движениями поршня, который закрывает выходное отверстие.Можно запрограммировать процесс дозирования (по времени, скорости ходапоршня,циклично),чтопозволяетосуществлятьавтоматическоерегулирование расхода при дозировании твердых частиц. Дозатор можетработать в среде инертного газа, что особенно важно для порошков,чувствительных к кислороду и влаге.

Контроллер дозатора позволяет задатьпрограмму из 30 сегментов: скорость и время работы при данной скорости.Таким образом, можно задать порционное введение порошков. Дозаторимеет возможность перемещения для подачи твердых частиц в ту или инуюлинию стенда.После камеры смешения газоабразивный поток проходит черезстабилизирующую трубку (7), где происходит выравнивание потока, ивзаимодействует с поверхностью мишени (8), закрепленной в держателе (14).Посколькувданнойконструкциистендастабилизирующаятрубканеподвижна, угол атаки α газоабразивного потока варьируется путемизменения угла расположения мишени относительно оси потока, иконтролируется с помощью градуированной шкалы на держателе мишенидля проведения испытаний при комнатной температуре (см.

рисунок 2.8).Специальная поворотная часть держателя позволяет регулировать угол атакигазоабразивного потока в диапазоне 10 ÷ 900.80а)б)Рисунок 2.8 – Внешний вид держателя мишени для проведения абразивныхиспытаний при комнатной температуре: (а) – общий вид;(б) - шкала расположения мишени относительно оси потокаПри проведении высокотемпературных испытаний воздух нагреваетсяпосредством спирального нагревательного элемента (9) до поступления вкамеру смешения.

Мишень, закрепленная в держателе (см. рисунок 2.9),подогревается посредством хомутового керамического нагревателя (10) (см.рисунок 2.9). Мощность спирального нагревательного элемента регулируетсяс помощью лабораторного автотрансформатора (регулировка напряжения)(см.рисунок2.10).Контрольтемпературыповерхностимишениосуществляется с помощью термоэлектрического преобразователя ДТПК0211,2/1, один конец которого совпадает с технологическим углублением вмишени и плотно прилегает к ее поверхности, а второй соединяется сизмерителем-регулятором двухканальным ОВЕН 2ТРМ1 (11) (см. рисунок2.10), на дисплее которого отображается значение температуры.81Рисунок 2.9 – Внешний вид держателя мишени для проведения абразивныхиспытаний с нагревом: 1 – мишень; 2 – хомутовый керамический нагревательРисунок 2.10 – Оборудование для регулирования мощности спиральногонагревателя и контроля температуры поверхности мишени82Однимизназначенийэкспериментальногостендаявляетсяисследование динамики разрушения материалов.

Для этого необходимонаблюдать и регистрировать процессы, протекающие непосредственно вобласти взаимодействия газоабразивного потока с поверхностью мишени.Поэтому камера экспериментального стенда была оснащена специальнойсистемой, включающей в себя быстродействующую фоторегистрирующуюкамеру и импульсный осветитель. Внешний вид фоторегистрирующейкамеры и системы освещения приведен на рисунке 2.11.а)б)Рисунок 2.11 –Внешний вид фоторегистрирующей камеры (а)и системы освещения (б)83Растровый электронный микроскоп Tescan Mira3 LMUСканирующий электронный микроскоп высокого разрешения Mira 3 LMU(см.