Фаддеев И. П. Эрозия влажнопаровых турбин. Л., «Машиностроение» (Ленингр. отделение), 1974.
В книге даны примеры эрозионного износа основных деталей и узлов турбин различной мощности и конструкций. Проанализированы причины возникновения и развития эрозии различных видов. Приведена классификационная схема видов эрозии. Дана оценка степени эрозионного износа деталей.
Рассмотрены основные источники возникновения эрозии лопаточного аппарата влажнопаровой турбинной ступени части низкого давления турбин. Дана классификационная схема способов защиты проточной части турбин от эрозии различных видов. Указаны некоторые новые пути снижения эрозии деталей паровых турбин.
Изучаемые в книге проблемы являются общими для стационарных паровых турбин на органическом и ядерном топливе, а также для транспортных атомных турбин и турбин, работающих на парах других, кроме воды, веществ.
Книга предназначена для инженерно-технических работников, занимающихся вопросами проектирования, расчета, исследования и эксплуатации влажнопаровых турбин. Она может быть полезной для студентов вузов энергетических специальностей.
ПРЕДИСЛОВИЕ
За последние годы в мировой энергетике, в том числе и в энергетике СССР, произошли крупные количественные и качественные изменения. Значительно увеличилась единичная мощность паротурбинных агрегатов. Эксплуатируются паротурбинные установки на органическом топливе мощностью 800 МВт (ЛМЗ, СССР), 900 МВт («Вестингауз», США), 1000 МВт («Аллис—Чалмерс», США), 1100—1300 МВт (ВВС, Швейцария), 1150 МВт («Дженерал электрик», США). Создаются новые паровые турбины мощностью 1200 МВт (ЛМЗ, СССР), 1100—1150 МВт в Англии и США (AEI, «Вестингауз»), Происходит наращивание энергетических мощностей атомных электростанций, которое в перспективе до 1980 г. будет осуществляться за счет установок с реакторами на тепловых нейтронах мощностью до 1000 МВт. Это предопределяет применение в течение ближайших лет в основном атомной паротурбинной установки на насыщенном или слабоперегретом паре. Турбоагрегаты больших мощностей для АЭС будут создаваться на пониженную частоту вращения роторов.
Предстоит ввести в действие в девятой пятилетке мощности 65—67 млн. кВт с производством электроэнергии в 1975 г. 1030—1070 млрд. кВт-ч, в том числе за счет введения в действие мощностей АЭС на 6— 8 млн. кВт. Значительно расширяется судовая атомная энергетика.
Важнейшая задача отечественной энергетики — повышение сроков службы и надежности паротурбинного оборудования. В эксплуатируемых турбинах износу подвергается весь тракт, омываемый потоками пара. Наряду с износом, вызываемым действием на поверхности деталей пара, капель, пленок и струек воды, существует также абразивный износ под действием твердых частиц отложений, продуктов коррозии и эрозионного износа деталей. Все эти виды износа в технике принято называть эрозионным износом. В настоящее время накоплен значительный опыт применения различных видов активных, пассивных и активнопассивных способов защиты деталей парового тракта турбины от эрозии. Однако задача снижения эрозионного износа деталей турбин остается весьма актуальной, так как с увеличением длин последних лопаток ЧНД мощных паровых турбин эрозия периферийных областей проточных частей последних ступеней возрастает. Стоимость ремонта крупных паровых турбин, вызванная повышенной эрозией рабочих лопаток, очень высокая.
Для создания эрозионностойких деталей в турбинах необходимо знание причин и механизма возникновения и развития эрозии этих деталей. Часто при рассмотрении эрозии в паровых турбинах оценивают износ только входных кромок рабочих лопаток ЧНД. Однако эрозии подвергаются многие узлы и детали проточной части. При обследовании проточных частей турбин различной мощности были выявлены очаги эрозии корпусов, входных и выходных патрубков, обойм, диафрагм, валов и других деталей турбин. Обследование турбин с пониженной частотой вращения показало, что несмотря на умеренные периферийные окружные скорости рабочих лопаток ЧНД имеется повышенная и сильная эрозия рабочих лопаток и других элементов проточной части этих турбин.
Основное содержание книги — обобщение причин возникновения эрозионного изнашивания в паровых турбинах, основных способов защиты от различных видов эрозии и разработка метода прогнозирования возможных мест эрозионного износа деталей лопаточного аппарата проточной части турбины.
Эрозионное изнашивание деталей влажнопаровых турбин — сложный процесс разрушения поверхностных слоев металла под действием ударов капель, пленок, струек, частиц, гидро- и пароабразивного воздействия твердого аэрозоля, транспортируемого паром и влажнопаровым потоком. При воздействии капель и частиц в поверхностных слоях металла возникают сложные механические, химические, электрические и тепловые процессы. Несмотря на большой объем исследований на экспериментальных установках по износу металлов и различных защитных покрытий, а также обширный материал выявленных случаев эрозии в турбинах, не имеется единой точки зрения о механизме и природе эрозионного износа в паровых турбинах. Большинство исследователей в настоящее время придерживается мнения о механической природе капельного разрушения поверхностей изнашиваемых деталей, отводя всем другим процессам вспомогательную роль.
Для понимания общей картины возникновения и развития очагов эрозионного изнашивания проточной части турбин большую роль играют исследования по движению полидисперсной капельно-пленочной влаги. При исследовании образования и движения капельной и пленочной влаги большое значение имеет правильная оценка возможностей различных способов защиты деталей от эрозии. Не следует переоценивать возможности отдельных способов, например только периферийной или внутриканальной сепарации, или способов испарения влаги в проточной части и т. д. Вопросы, связанные с обеспечением эрозионной стойкости ступеней турбин, должны решаться комплексом мероприятий,
направленным на ослабление действия капельной влаги в проточной части турбины. Важнейшими мероприятиями являются эффективное влагоудаление, выбор геометрии меридионального обвода проточной части, применение геометрии профилей лопаток, обеспечивающей малые удельные напряжения от удара капель и частиц, подбор эрозионностойких материалов и защитных покрытий, а также применение различных конструктивных мероприятий защиты от эрозии.
В книге использованы результаты научных исследований отечественных и зарубежных авторов. Многие результаты исследований, приведенные в книге, получены в проблемной лаборатории турбиностроения ЛПИ им. М. И. Калинина при обследовании турбин электростанций, а также в результате совместной работы кафедры турбиностроения ЛПИ с турбостроительными заводами ЛМЗ, ЛКЗ, ХТГЗ, турбинным цехом Ленэнергоремонта и отдельными электростанциями систем Ленэнерго, Харьковэнерго, Эстонэнерго.
Основные обозначения
с — абсолютная скорость потока;
w — относительная скорость потока в рабочем колесе;
v — относительная скорость капли;
Ф — коэффициент разгона капли;
С0 — условная скорость потока, рассчитанная по изоэнтропическому перепаду энтальпий;
а — скорость звука;
ср, cv — изобарная и изохорная теплоемкости;
h — перепад энтальпий;
i — энтальпия;
l — скорость падения энтальпии;
к — показатель изоэнтропы; постоянная Больцмана;
М — критерий Маха;
Кn — критерий Кнудсена;
Sh — критерий Струхаля;
We — критерий Вебера;
Т — временной критерий; температура;
V — объем; скорость;
G — массовый расход;
N — мощность;
р — давление;
р — плотность;
R — газовая постоянная;
r — радиус; радиальная ось; скрытая теплота фазового перехода;
S — площадь поверхности;
s — путь; энтропия;
l — относительная длина лопатки;
t — шаг рабочих или направляющих лопаток;
и — окружная скорость; ось координат, соответствующая окружной скорости;
ω — угловая скорость;
т — время; касательное напряжение; тангенциальная ось координат;
z — ось координат, параллельная оси турбины; число лопаток;
Сокращения:
НА — направляющий аппарат;
РК — рабочее колесо;
ЧНД, ЧСД, ЧВД, ЧСВД или
ЦНД, ЦСД, ЦВД, ДСВД — части (цилиндры) низкого, среднего, высокого, сверхвысокого давления;
ПТУ, АПТУ — паротурбинная и атомная паротурбинная установка;
ВП — влажнопаровая;
РППВ — регенеративный подогрев питательной воды;
XX — холостой ход;
БРОУ — быстродействующая редукционная охладительная установка;
ДОУ — дроссельная охладительная установка.
