Б. Пассивные способы
ПРИМЕНЕНИЕ ЭРОЗИОННОСТОЙКИХ МАТЕРИАЛОВ
Наиболее подверженные капельной эрозии рабочие лопатки влажнопаровых ступеней изготовляются из сталей довольно узкого наименования. Для рабочих лопаток последних ступеней мощных паровых турбин отечественные заводы применяют нержавеющие стали 1X13, 2X13, 15Х12ВМФ (ЭИ802), 15Х11МФ или их упрочненные варианты.
Эрозионная стойкость применяемых марок сталей хорошо известна в процессе длительной эксплуатации рабочих лопаток. Известна также необходимость защиты всех лопаточных сталей от эрозии. Поэтому в настоящее время продолжаются поиски новых сплавов для ВП ступеней, более эрозионностойких в эксплуатации.
Известно применение титанового сплава, содержащего 4% алюминия, для лопаток последней ступени. На одной из электростанций длительное время проходили испытания в процессе эксплуатации два пакета лопаток длиной 665 мм из титанового сплава.
Установленные в 1959 г. лопатки к моменту обследования в 1971 г., проработав в турбине более 73 000 ч, ниже стеллитовой защиты имели меньший эрозионный износ, чем лопатки из стали 2X13. Однако стальные лопатки до установки новых титановых уже были в эксплуатации, поэтому сравнение не является чистым. Стеллитовые пластинки и входная кромка периферийного сечения на стальных и титановых лопатках изношены одинаково (рис. V. 10). Кроме турбины 50 МВт, опытные титановые лопатки были установлены на турбинах 200 и 300 МВт [35, 36]. За состоянием лопаток велось наблюдение при очередных ревизиях. Лопатки показали вполне удовлетворительную эксплуатационную надежность. Однако промышленный эксперимент на мощных турбинах показал, что титановый сплав с 4% алюминия из-за недостаточно высокой прочности не может быть использован для рабочих лопаток последних ступеней более высокой мощности без противоэрозионной защиты входных кромок периферийной части. Сравнительные лабораторные исследования усталостной прочности титановых сплавов ВТЗ-1, ВТ-5 и стали 2X13 показали, что усталостная прочность титановых сплавов ниже, чем у стали 2X13. Припаиваемые к входным кромкам стеллитовые пластинки резко снижают усталостную прочность титановых лопаток. В настоящее время продолжаются поиски более прочного титанового сплава.
Например, исследуется термически стабильный, хорошо свариваемый титановый сплав ТС-5 [351.
Появляются отдельные сообщения о применении пластмасс для высоконапряженных последних лопаток ЧНД паровых турбин.
Рис. V. 10. Эрозия периферийных концов лопаток 18-й ступени турбины К-50-90-2 (1, 2) и средней части лопаток (3, 4):
1,3 — титановый сплав ВТ-5; 2, 4 — сталь 2X13 (73 000 ч эксплуатации)
Фирма «Броун—Бовери» считает перспективным для рабочих лопаток будущих турбин мощностью свыше 2000 МВт применение пластмасс с включением бора и углерода, если будут решены вопросы предотвращения эрозии. Плотность пластмасс в пять раз меньше, чем у турбинной лопаточной стали, при прочности на растяжение около 750 МПа.
КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ МЕРОПРИЯТИЯ СНИЖЕНИЯ ЭРОЗИИ
Среди пассивных способов защиты от эрозии конструктивнотехнологические мероприятия являются одними из самых распространенных. Правильный конструкторский подход к выполнению деталей проточной части, работающей в области влажного пара, может значительно снизить эрозионный износ деталей, подверженных воздействию гидро-, пароабразивного потока.
Рассмотрим некоторые конструктивные мероприятия по уменьшению эрозионного износа рабочих лопаток. Большое значение для эрозии периферийного конца рабочей лопатки последней ступени имеет форма меридионального обвода диафрагмы. Стремление повысить экономичность последних ступеней путем организации рационального с аэродинамической точки зрения меридионального обвода в периферийной части каналов диафрагмы привело к выполнению наклонного под большим углом, выступающего в поток массивного литого козырька (см. рис. 1.2, 1.14). Как показало обследование ряда турбин, от указанного козырька отражается влага, сброшенная с рабочей лопатки впередистоящей ступени. Отраженная влага вызывает эрозию рабочих лопаток ступени. Поэтому следует отказаться от литого козырька, выступающего в поток, заменив его легким коротким козырьком, с влагоулавливающим буртиком. С противоэрозионной точки зрения форма меридионального обвода должна быть ближе к прямолинейной. Как показала эксплуатация турбин с профильным меридиональным обводом последних ступеней, например турбин К-300-240-1 ХТГЗ с литыми чугунными диафрагмами старого образца, эрозия периферийного конца рабочей лопатки пятой ступени ЧНД была гораздо выше, чем в турбинах со сварной диафрагмой новой модификации, имеющей прямолинейный — конический обвод. Правда, эрозия последней пятой ступени в турбине К-300-240 ХТГЗ была уменьшена за счет двух мероприятий — выполнения конического прямолинейного обвода проточной части диафрагмы и выполнения внутриканальной сепарации. В турбинах для АЭС ХТГЗ осевое расстояние между предпоследней ступенью и входными кромками лопаток последней ступени выполнено большим. Отсутствует выступающий козырек влагоулавливающего выступа (см. рис. V.1). С противоэрозионной точки зрения такая конструкция меридионального обвода является предпочтительной.
В последних ступенях турбин ЛМЗ на базе рабочей лопатки длиной 665 мм в турбинах типа К-50-90-1 (2) и К-100-90-2 был применен прямолинейный конический обвод. В турбинах типа К-50-90-3 (4). Т-50-90, К-100-90-5 (6) обвод диафрагмы был изменен на коническо-цилиндрический. Как следствие этой модернизации стала наблюдаться повышенная эрозия периферийных концов лопаток турбин К-50-90-3 (4) и К-100-90-5 (6).
В местах горизонтальных разъемов корпусов, обойм, диафрагм создается возможность щелевого течения пара в местах неплотностей. При расширении пара в щели, как и в сопле, происходит вымывание металла. Наблюдается щелевой износ. Шелевой поток пара появляется не только в местах горизонтальных разъемов, но и в кольцевых пазах соединения деталей обтекателя перед первой ступенью ЧНД. Интенсивный размыв металла приводит к гидроабразивному износу дисков рабочих колес в ЧНД (см. рис. 1.4). Происходит ослабление металла дисков из-за его износа. Для устранения данного износа необходима конструктивная проработка соединения, не допускающая образования щелей.
При обследовании турбин на эрозию была отмечена эрозия выступающих из общего ряда лопаток, выступающих частей разъемов корпусов, обработанных по половинкам и других деталей, подверженных встрече с каплями или струями воды c нормальными составляющими скоростей к изнашиваемым поверхностям более 140—150 м/с. Образовавшиеся при износе частички твердого аэрозоля, в свою очередь, вызывают износ проточной части турбины. Поэтому устранение этого вида износа является важным.
Во время обследования отмечался износ выступающих из общего ряда по входным и выходным кромкам лопаток. Для уменьшения износа выступающих лопаток необходимо строго соблюдать допуски на сборку лопаток.
Вибрационная отстройка лопаток с помощью бандажных связей общеизвестна и широко применяется. Разные фирмы применяют различные виды бандажных связей, считая свои конструкции наилучшими. Как показали результаты обследований на эрозию, введение в капельный поток бандажных связей приводит к повышенной эрозии рабочих лопаток в районе связи. При устройстве бандажных связей следует иметь в виду возможный отскок капель от плоско срезанных торцов, боковых поверхностей выступов, и по возможности их конструктивно устранять.
В кромочных следах лопаток направляющего аппарата образуется крупнодисперсная влага. Для уменьшения дисперсности раздробленной в кромочном следе влаги выходные кромки лопаток НА следует выполнять возможно более тонкими.
У периферии ступени концентрируется влага в виде капельнопленочной пелены. Под действием пара эта влага транспортируется через ступень. В старых конструкциях турбин отсекание этих пристеночных потоков осуществлялось, например, пластинчатыми отсекателями [система фирмы «Сименс—Шуккерт» (рис. 1.13, б)]. Интенсивность износа рабочих лопаток с отсекателями резко снижалась.
Помимо различных устройств, отводящих влагу с поверхности лопатки, имеются предложения по выполнению на выходных кромках специальных уступов, разбрызгивающих влагу при сходе с лопаток1. По мнению авторов, абсолютная скорость капель при этом приближается к скорости основного потока. Близкой по замыслу к патенту ЧССР является лопатка НА с зубцами на выходной кромке для разбрызгивания влаги в кромочном следе.
1 Пат. ЧССР, кл. F01d, 14с, 10/03, № 125219, 1965 г.
2 Фр. пат., кл. F01d, № 1399801, 1964 г.
Имеется предложение для организации движения влаги, сброшенной с впереди стоящей ступени установкой на входе в следующий направляющий аппарат системы плоских лопаток различной ширины. Лопатки направляющего аппарата выполнены пустотелыми с системой водоотводящих отверстий.
Значительное поле деятельности для конструктора предоставляется при выполнении рабочих лопаток с эрозионно-стойкими наклонными поверхностями. При обследовании эрозионных лопаток из обычных лопаточных сталей было отмечено, что эрозия незащищенной стальной поверхности возникает при взаимодействии капель с эродированной поверхностью при нормальных составляющих скоростей капель больше 140—150 м/с. Ориентировкой входных кромок рабочих лопаток, наиболее подверженных эрозии, по отношению к основным капельным потокам можно резко снизить эрозию входных кромок. Однако протяженность вдоль поверхности рабочей лопатки ориентированной площадки может оказаться недостаточной. Применением наклонного оребрения можно расширить ориентированные площадки вдоль входной кромки. Одновременно с увеличением защитных функций канавки оребрения будут служить для отвода влаги к периферии.
На отдельных рабочих лопатках была отмечена эрозия периферийного торцового сечения по выпуклой поверхности лопатки. Для устранения этого вида эрозии торцовую поверхность лопатки необходимо наклонить от выпуклой к вогнутой стороне профиля под углом 12—45° к вектору окружной скорости периферийного конца с тем, чтобы нормальная составляющая удара капель была меньше 140—150 м/с для незащищенной лопатки.
Часто возникает эрозия входного угла периферийного конца лопатки. Она вызывается влагой, срывающейся с внешнего обвода соплового канала. Для ее устранения было предложено выполнять угол лопатки срезанным, установкой срезанной поверхности наклонной с углом установки, обеспечивающим взаимодействие с влагой при нормальных составляющих скоростей капель 140—150 м/с.
Применяемые на лопатках стеллитовые напайки при высоких окружных скоростях также подвержены эрозии. Эрозию входной части напаек можно резко сократить, выполнив ее с определенным углом установки. Для стеллита марки ВЗК, применяемого отечественными заводами для напаек, пороговая нормальная составляющая скорости удара капель для появления эрозии равна 300—320 м/с. На поверхности напаек можно предусмотреть защитные канавки с углами установки боковых поверхностей, обеспечивающими взаимодействие с каплями в указанном диапазоне нормальных составляющих. Этим будет значительно увеличена стойкость стеллита.
1 Пат. ЧССР, кл. F01d, 14с, 10/03, № 130855, 1967 г.
При выполнении стеллитовых напаек необходимо выполнять входную часть напайки, заостренной с минимальным радиусом скругления. В противном случае появится интенсивная эрозия входной части стеллитовой напайки.
Выходные кромки лопаток при работе на частичных режимах подвергаются интенсивной эрозии. Для предохранения возможно применение закалки т. в. ч. выходных кромок1 или придание выходной кромке эрозионностойкой формы путем скоса кромки под углом, обеспечивающим встречу с каплями, затягиваемыми в прикорневую область при работе на частичных режимах, с нормальными составляющими скоростей ниже пороговых для начала интенсивной эрозии.
Выступающие хвостовики лопаток должны быть скошены к поверхности диска с тем, чтобы не появлялось эрозии выступающих частей.
Для предохранения от эрозии головок заклепок они не должны выступать над поверхностью диска в районе обода.
Во время обследования на эрозию выявлена эрозия торцовых поверхностей балансировочных грузов, вставленных на боковых поверхностях дисков ротора в пазе типа «ласточкин хвост». Капельная влага под действием насосного эффекта диска, двигаясь к периферии, ударяется о торцовую поверхность груза с окружными скоростями больше пороговых эрозионного износа материала груза. Для устранения этого вида износа достаточно торцовую поверхность груза наклонить под углом к плоскости диска.
ПРИМЕНЕНИЕ НЕОПЛАЧИВАЕМЫХ ЛОПАТОК
Основная идея этого способа, предложенного М. Б. Явельским, заключается в разгоне влаги до больших скоростей выполнением поверхности лопаток ВП проточной части несмачиваемой. Несмачиваемая поверхность может быть получена нанесением специальных тонких покрытий на силиконовой основе.
На кафедре турбиностроения ЛПИ были испытаны несмачиваемые поверхности лопаток направляющего аппарата на плоской решетке пародинамического стенда ПС-1. Лопатки выполнялись из тефлона. Был испытан профиль сечения А—А (см. рис. 1.9) модели направляющего аппарата 29-й ступени турбины К-300-240 ЛМЗ. С помощью скоростной киносъемки было исследовано движение капельно-пленочной влаги по поверхности лопатки.
1 Фр. пат., кл. FOld, № 1353911, 1964 г.
Характер движения влаги значительно отличается от движения по смачиваемой лопатке, так как происходит движение отдельных частиц, по форме близких к шаровым. Если учесть, что диаметр модальных капель меньше толщины пограничного слоя 0,1—0,15 мм, то попавшая в зону пристеночного течения капля получает значительное вращательное движение от соприкосновения со слоями текущего с высокой скоростью пара. Возникающая подъемная сила, действующая на вращающуюся каплю, катящуюся в начальный момент по поверхности лопатки, перемещает каплю к внешней границе пограничного слоя. Под действием подъемной силы капля может быть поднята в проток и разогнана в ядре потока до значительной скорости. Это обстоятельство положительно сказывается на уменьшении эрозии рабочих лопаток.
По визуальной оценке, движение капель по несмачиваемой поверхности лопаток происходит иначе, чем по смачиваемым лопаткам. Совершенно иначе выглядит картина схода влаги с задней кромки направляющих лопаток. Язычки влаги в кромочном следе при низких числах равных 0,5—0,6, значительно короче, чем для смачиваемой лопатки. Однако в потоке за выходными кромками исследованных сопловых несмачиваемых лопаток фотографированием с помощью короткоимпульсной вспышки были зарегистрированы значительные по размерам (до 150 мкм в диаметре) сгустки влаги — деформированные капли и куски нераздробленной пленки. Такие крупные частицы влаги могут вызвать значительную эрозию рабочих лопаток. Поэтому выполнение сопловых и рабочих лопаток несмачиваемыми не решает проблемы эрозии. Несмачиваемость профильных поверхностей проточной части будет ослаблять концентрацию влаги у периферии проточной части за счет меньшего отбрасывания влаги к периферии рабочих лопаток центробежными силами, способствовать большему разгону влаги. Но выполнение поверхностей проточной части несмачиваемыми следует комбинировать с другими способами противоэрозионной защиты. Например, входную часть лопаток НА выполнять с системой внутриканальной сепарации — отверстиями или щелями, а остальные части профиля делать несмачиваемыми. На рабочих лопатках выпуклую сторону входных кромок выполнять с продольными или наклонными противоэрозионными канавками, а остальные части профильной поверхности рабочей лопатки делать несмачиваемой. Таким комбинированным использованием различных способов защиты можно получить ощутимый противоэрозионный эффект.
