Автореферат (Повышение абразивной стойкости лопаточного аппарата первых ступеней цилиндров высокого и среднего давления мощных паровых турбин)

3ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность работыОсновными причинами абразивного износа лопаточных аппаратов и других элементов проточной части цилиндров высокого давления (ЦВД) и цилиндров среднего давления (ЦСД) мощных паровых турбин является взаимодействие с их функциональными поверхностями высокотемпературного (до 550 ºС)двухфазного потока, содержащего твердые частицы магнетита Fe3O4, поступающих в основном из пароперегревательных труб парогенератора и паропроводов.Процесс абразивного износа является необычайно сложным явлением. Из-замногообразия форм полидисперсных твердых частиц, скоростей и углов атаки,траектории их движения и взаимодействие с поверхностью следует рассматривать на основе статистического анализа.Характерной особенностью абразивного износа является его быстрое развитие: при определенных условиях разрушение лопаточных аппаратов первыхступеней, требующее их ремонта или замены, происходит, как правило,за 1÷3 года эксплуатации, что приводит к снижению КПД ступени на 8÷12%.В настоящее время известны различные способы борьбы с абразивным износом, базирующиеся на применении различных сепарационных устройств (активные способы), расположенных в паропроводах, клапанах и т.д.

и удаляющихбольшую часть твердых частиц, а также формировании различных типов покрытий, модификаций функциональных поверхностей, химических промывок (пассивные способы), которые позволяют повысить абразивную стойкость лопаточных аппаратов, воспринимающих ударное воздействие твердых частиц, прошедших сепарационные устройства.Одним из перспективных направлений борьбы с абразивным износом являются ионно-плазменные технологии, которые применяются для защиты лопаточных аппаратов от каплеударной эрозии и коррозии.

В частности, такие технологии активно используются в авиастроении, где проблема абразивного износаповерхностей широко распространена.4Разработка новых способов снижения абразивного износа лопаточных аппаратов первых ступеней паровых турбин, должна базироваться на экспериментальном моделировании системы «поверхность – эродент» в условиях, максимально приближенных к реальным и ее всестороннем изучении. Для исследования динамики развития процесса абразивного износа дискретным твердым эродентом необходимо применение статистического метода анализа.Применение ионно-плазменных покрытий в сочетании с активныминаправлениями снижения абразивного износа может оказаться перспективнымспособом для защиты лопаточных аппаратов, эксплуатирующихся в экстремальных условиях воздействия пароабразивного потока при высоких температурах.Цель работы:Повышение абразивной стойкости лопаточного аппарата первых ступенейцилиндров высокого и среднего давлений мощных паровых турбин на основеформирования на функциональных поверхностях ионно-плазменных покрытий, увеличивающих срок его эксплуатации.Объекты исследования: элементы конструкций лопаточных аппаратов первых ступеней ЦВД и ЦСД мощных паровых турбин, изготовленных из сталей20Х13 и 15Х11МФ, в условиях абразивного износа.Основные задачи работы:1.

Разработать методику проведения экспериментальных исследований процесса абразивного износа лопаточных сталей и покрытий.2. Разработать и создать экспериментальный стенд для проведения исследований процесса абразивного износа лопаточных сталей и покрытий в диапазоне температур, максимально приближенных к реальным условиям эксплуатации первых ступеней ЦВД и ЦСД мощных паровых турбин.3. Получить новые знания о динамике развития процесса износа лопаточныхсталей при высокоскоростном воздействии газоабразивного потока.4. Экспериментально определить влияние различных факторов (угла атакигазоабразивного потока, расходной массовой концентрации частиц, темпера-5туры поверхности мишени) на интенсивность процесса абразивного износаприменяемых лопаточных сталей.5.

Определить параметры, при которых наблюдается максимальный абразивный износ лопаточных сталей.6. Изучить влияние различных составов абразивостойких покрытий на интенсивность процесса абразивного износа при его максимальных параметрах.Научная новизна работы:Впервые получены зависимости удельной потери массы мишеней изсталей 20Х13 и 15Х11МФ, характеризующие абразивную стойкость данныхматериалов, при параметрах, соответствующих рабочим условиям эксплуатации первых ступеней ЦВД и ЦСД мощных паровых турбин от:- расходной массовой концентрации твердых частиц эродента XЭ*;- угла атаки α газоабразивного потока;- температуры поверхности мишени tпо которым определены параметры их максимального абразивного износа:XЭ* = 10,4%, α = 30º, t = 550 ºС;Впервые получены статистические характеристики отраженных твер-дых частиц эродента, анализ которых косвенно доказывает, что в динамикепроцесса абразивного износа лопаточной стали имеется определённый промежуток времени, который можно рассматривать как инкубационнопереходный период к установившемуся периоду с постоянной скоростью износа;Получены зависимости удельной потери массы мишеней из сталей20Х13 и 15Х11МФ с защитным ионно-плазменным покрытием на основеCr-CrC при параметрах максимального экспозиционного абразивного износа.Практическая ценность.- Установлено, что сталь 20Х13 на 30% превышает стойкость к абразивномуизносу стали 15Х11МФ при параметрах, соответствующих рабочим температурам эксплуатации первых ступеней ЦВД и ЦСД мощных паровых турбин.6- Предложен алгоритм оценки эффективности применения пассивных способов повышения абразивной стойкости лопаточных сталей.- Разработанный состав ионно-плазменного покрытия в сочетании с активнымиспособами защиты может быть использован для повышения абразивной стойкости лопаточных аппаратов первых ступеней ЦВД и ЦСД мощных паровыхтурбин и продления срока их эксплуатации.Достоверность и обоснованность полученных в работе результатов обеспечивается их корреляцией с результатами других исследователей, применением современных аттестованных измерительных устройств и апробированныхметодик измерений, определением погрешностей измерений.Апробация работы: Основные результаты настоящей работы докладывались на следующих научно-технических конференциях, симпозиумах и семинарах:- Международные научно-технические конференции студентов и аспирантов«Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (Москва 2013, 2015,2016 гг.);- 7-ая Международная школа-семинар молодых ученых и специалистов(Москва 2014 г.);- научный семинар НЦ «Износостойкость», НИУ «МЭИ»;- заседание кафедры Паровых и газовых турбин, НИУ «МЭИ».На защиту выносятся:1.Методика проведения экспериментальных исследований динамикиразвития процесса абразивного износа сталей 20Х13 и 15Х11МФ.2.Алгоритм оценки эффективности применения пассивных способовповышения абразивной стойкости сталей 20Х13 и 15Х11МФ.3.Результаты исследований динамики развития процесса абразивногоизноса стали 20Х13.4.Результаты исследований влияния различных факторов на интенсив-ность процесса абразивного износа сталей 20Х13 и 15Х11МФ.75.Результаты оценки эффективности применения ионно-плазменногопокрытия для защиты от абразивного износа лопаточного аппарата первыхступеней ЦВД и ЦСД мощных паровых турбинПубликации.По результатам диссертационной работы было опубликовано 9 печатныхтрудов, в том числе 5 статей в журналах, рекомендованных ВАК, 1-ой статьев журнале, входящем в базу данных SCOPUS и 3 докладах на научнотехнических конференциях.Структура и объем работы.Диссертационная работа изложена на 179 страницах и состоит из введения,5 глав, выводов по работе и списка литературы.

Работа содержит 110 рисунков и 16 таблиц. Список литературы содержит 116 наименований.ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫВо введении показана актуальность проблемы абразивного износа лопаточных аппаратов первых ступеней ЦВД и ЦСД мощных паровых турбинвследствие эксплуатации в экстремальных условиях воздействия двухфазного потока при высоких температурах.В первой главе проведен обзор литературы по тематике абразивногоизноса лопаточных аппаратов первых ступеней ЦВД и ЦСД мощных паровых турбин, по методам и методикам исследования процесса абразивного износа конструкционных материалов.

Установлены факторы, влияющие на егоинтенсивность, а также различные активные и пассивные способы борьбы сабразивным износом элементов конструкций проточных частей паровых турбин. Сформулированы цели и поставлены задачи исследований.Во второй главе приводится описание созданного экспериментального стенда и методики проведения экспериментальных исследований динамики развития процесса абразивного износа лопаточных сталей с использованием современного оборудования и приборного оснащения.8Созданный экспериментальный стенд относится к установкам струйноабразивного типа.