Абразивный износ лопаточного аппарата

1.6. Абразивный износ лопаточного аппарата

1.6.1. Явление абразивного износа

Абразивный износ, или эрозия твердыми части­цами, характерна для сопловых и рабочих лопаток первых ступеней ЦВД и ЦСД блочных турбин ТЭЦ. Первые повреждения лопаток такого типа появи­лись в 50–х годах на турбинах с начальной темпера­турой около 500 ºС. С тех пор важность этой про­блемы растет с каждым годом.

На рис. 1.38 приведен пример абразивного из­носа выходных кромок соплового аппарата 1–й сту­пени ЦСД, а на рис. 1.39 – рабочих лопаток. Характерной особенностью абразивного износа явля­ется его быстрое развитие: катастрофический износ лопаток может произойти за 1–3 года.

Рис. 1.38. Абразивный износ сопловых лопаток 1-й ступени ЦСД турбины Т–250/300–23,5 ТМЗ

Рекомендуемые материалы

Рис. 1.39. Абразивный износ рабочих лопаток регулирующей ступени турбины К–200–12,8 ЛМЗ

а – общий вид пакета; б, в – вид на выходные и входные кромки

Абразивный износ приводит к следующим по­следствиям:

1) к снижению надежности облопачивания сту­пени. Разрушенные выходные кромки сопловых ло­паток являются источником увеличенных возму­щающих импульсов, действующих на рабочие ло­патки и вызывающих их вибрацию и усталость. Подвергнувшиеся износу рабочие лопатки обладают меньшей прочностью и создают опасность поло­мок и разрушения лопаток последующих ступеней;

2) к уменьшению экономичности ступени, вы­званной нарушением потока в проточной части;

3) к сокращению межремонтного периода, увели­чению длительности ремонта и ремонтных затрат.

По оценкам американских специалистов годовой ущерб от абразивного износа в среднем составляет 1 долл. на 1 кВт установленной мощности; в неко­торых случаях он увеличивается в 3–3,5 раза. Если в 1969–1977 гг. затраты на устранение поврежде­ний составляли около 7 % от всех ремонтных за­трат, то в 1977–1985 гг. они достигли 25 %.

Абразивный износ имеет другую природу, чем капельная эрозия. Абразивом служат частицы маг­нетита Fе₃O₄ неопределенной формы с многочис­ленными острыми выступами; при контакте с уда­ром по поверхности, по–видимому, происходит про­цесс скалывания частиц поверхности рабочей ло­патки. Процесс абразивного износа на экспериментальных стендах практически не изучен. Имеются косвенные сведения о существовании инкубацион­ного периода, аналогичному тому, который существует при капельной эрозии. Так на одной из зару­бежных ТЭС на энергоблоке 800 МВт с начальны­ми параметрами 24,5 МПа и 538 ºС после наработ­ки первых 80 000 ч износа не было, а затем за по­следующие 40000 ч входные кромки рабочих лопа­ток первой ступени подверглись износу на четверть. Иногда, наоборот, абразивный износ проте­кает очень быстро.

Установлено, что одним из главных факторов, определяющих износ, является угол встречи части­цы с поверхностью (рис. 1.40). Максимальная ско­рость износа наблюдается при угле встречи 15–20º.

Рис. 1.40. Зависимость скорости абразивного износа от уг­ла встречи абразивной частицы с поверхностью

Размер абразивных частиц к настоящему време­ни нельзя считать достаточно точно установлен­ным. Некоторые косвенные измерения говорят о том, что условный диаметр частиц составляет 100 мкм и менее; чем меньше размер частиц, тем больше их число. Иногда размер абразивных частиц может достигать 300 мкм.

Плотность магнетита р = 5080 кг/м³, т.е. в 5 раз больше воды. Это предопределяет малые значения коэффициентов скольжения даже при малых размерах частиц. Кроме того, твердая частица, попавшая в канал вместе с паром, обладая инерцией, приобре­тает траекторию движения, определяемую ее разме­ром, начальной скоростью, плотностью окружаю­щего пара и другими факторами.

Рис. 1.41. Зоны абразивного износа (заштрихованы) сопловых и рабочих лопаток от мелких (а) и крупных (б) абразивных частиц

При больших коэффициентах скольжения, ко­гда скорость абразивных частиц с_1а на выходе из сопел (рис. 1.41, а) мало отличается от скорости пара с₁, относительные скорости частиц w_1а и пара w₁ также будут близки; частицы будут легко вхо­дить в канал рабочей решетки и, отклоняясь от потока пара, попадать на сторону давления профиля. Однако входная и средняя часть профиля будут по­вреждаться сравнительно мало, так как угол встре­чи Δβ будет мал. В зоне выходной кромки, где Δβ будет достигать 15–20º, будет наблюдаться мак­симальный износ.

При малых коэффициентах скольжения (рис. 1.41, б) абразивному износу подвергаются входные кромки рабочих лопаток точно так же, как и при каплеударной эрозии. Однако при этом про­исходит и другое явление. Часть частиц отражается от входной кромки с небольшой относительной скоростью w′_1а, имея окружную скорость и, следовательно, абсолютную скорость с′_1а, близкую к от­носительной скорости и. Эти частицы вызывают аб­разивный износ со стороны разрежения в зоне вы­ходных кромок.

Одним из самых важных параметров, определяю­щих абразивный износ, является отношение u/cф. Чем выше теплоперепад ступени, тем больше ско­рость пара и абразивных частиц, и поэтому больше износ. Поэтому абразивный износ лопаток регули­рующих ступеней возрастает с уменьшением на­грузки до тех пор, пока не начнет прикрываться по­следний регулирующий клапан. Для первой ступени ЦСД (для турбин с промежуточным перегревом) с уменьшением нагрузки интенсивность эрозионного износа будет изменяться мало, так как при этом поч­ти не будет изменяться ее теплоперепад.

1.6.2. Источники абразивных частиц

Основным источником абразивных частиц явля­ются поверхности труб основного и промежуточ­ного пароперегревателей котла, коллекторов котла и паропроводов, на которых естественным образом образуются окислы, в частности, магнетит. В про­цессе эксплуатации слой окислов увеличивается и, достигнув критической толщины, начинает отслаи­ваться. Наиболее легко окисляются трубы, выпол­ненные из перлитных сталей. Чем выше температура пара, тем интенсивнее идет процесс коррозии. Имеются примеры из практики, когда снижение температуры пара приводило к прекращению эро­зионного износа. Отслаиванию окислов способст­вуют переходные режимы работы, при которых в паропроводах действуют циклические темпера­турные напряжения.

1.6.3. Меры борьбы с абразивным износом

"5 Языки программирования высокого уровня (ЯПВУ)" - тут тоже много полезного для Вас.

Самой радикальной мерой является исключение образования отслаивающихся окислов путем пра­вильного выбора материалов паропроводов, паро­перегревателей и коллекторов котла, например применением аустенитных материалов. Однако эти ма­териалы имеют большую стоимость и ряд эксплуа­тационных недостатков: больший коэффициент ли­нейного расширения и меньшая теплопроводность приводят к повышенным температурным удлинени­ям и напряжениям.

Определенный эффект дает увеличение зазора между сопловой и рабочей решетками. Увеличение зазора, во–первых, способствует разгону абразив­ных частиц и меньшей скорости встречи с рабочей лопаткой (рис. 16.41, а), вследствие чего умень­шается их износ. Во–вторых, скорость отражения абразивных частиц от входных кромок рабочих ло­паток будет меньше, число частиц, достигающих сопловых лопаток (рис. 16.41, б), также умень­шится, что приведет к уменьшению износа стороны разрежения сопловых лопаток.

Основным способом борьбы с абразивным изно­сом является создание на изнашиваемых зонах про­филей лопаток твердых покрытий. Эти меры широ­ко используются зарубежными турбостроительны­ми фирмами. Используют два вида покрытия: диф­фузионное и плазменное.

Для создания диффузионного покрытия гото­вую лопатку помещают в пары бора. В результате химической реакции между нержавеющей сталью и бором, протекающей при температуре примерно 940 ºС, на поверхности образуется очень твердый слой толщиной около 0,15 мм, практически не отделимый от основного металла. После покрытия лопатка проходит термообработку. К сожалению, само покрытие не обладает высокой пластично­стью, чувствительно к концентрации напряжений и, главное, усталостная прочность снижается на 40–50 %. Поэтому диффузионное покрытие целе­сообразно использовать для сопловых лопаток. При этом сопротивление абразивному износу уве­личивается примерно в 30 раз.

Плазменное покрытие толщиной около 0,2 мм осуществляется плазменной струей при температу­ре примерно 650 ºС. Оно не ухудшает свойств ос­новного металла и, хотя твердость его меньше, чем у диффузионного покрытия, оно считается более эффективным. Недостатком технологии плазменно­го покрытия является ограничение по зонам лопатки, точнее, пакета лопаток, куда может проникнуть плазменная струя. В частности, ею нельзя покрыть входную часть профиля лопатки со стороны по­верхности давления. Плазменное покрытие умень­шает абразивный износ примерно в 20 раз.

Имеются сведения об установке на паропрово­дах специальных сепараторов центробежного типа, улавливающих абразив.