Эрозия влажнопаровых турбин АЭС, ТЭС - Оценка наиболее вероятных мест появления эрозии на входных кромках рабочих лопаток

Г ЛABA VI
ОЦЕНКА ЭРОЗИОННОЙ СТОЙКОСТИ ОСЕВЫХ ТУРБИННЫХ СТУПЕНЕЙ

Повышенное внимание к проблеме эрозионной стойкости лопаточного аппарата ВП ступеней и других элементов проточной части объясняется стремлением увеличить надежность работы турбин во время ее эксплуатации. Со времени заметного проявления эрозионного изнашивания в паровых турбинах инженерная мысль направлена на создание эмпирических формул, характеризующих эрозионную стойкость лопаточного аппарата турбинной ступени. В известных формулах, предложенных фирмами ВВС (Э. Зомм) и ВВС (А. Хопп и др.), AEG (Холь), AEI (Тодд), Д. Беккером (Англия) и др. делается попытка связать основные величины, характеризующие ВП поток, кинематику (периферийная окружная скорость РК) с эрозионной стойкостью ступени. По существу, создание формулы эрозионного критерия сводится к связи степени влажности с периферийной окружной скоростью в п-й степени, взятой с различными поправочными коэффициентами. Как показывает практика эксплуатации ВП ступеней, все названные формулы для различных конструкций турбин в зависимости от разных условий эксплуатации дают величины критериев, находящиеся иногда в значительном противоречии с наблюдаемым эрозионным износом. Изучение эрозии в паровых турбинах на основе обследования значительного количества турбин различных фирм позволило инж. Л. И. Дехтяреву (ХТГЗ) первому в 1935—1939 гг. предложить научно обоснованную теорию эро- знойного износа рабочих лопаток турбинной ступени. Им было показано, что эрозия лопаток зависит от кинематики ступени, ее геометрии, конструктивного устройства. Вопреки существовавшему тогда мнению об исключительном влиянии окружной скорости на эрозию рабочих лопаток Л. И. Дехтяревым было показано, что величина окружной скорости при значениях больше 270—300 м/с проявляет большое влияние на эрозию при небольших осевых зазорах, определенных углах р и скоростях выхода потока из соплового аппарата. Он предложил оценивать эрозионную стойкость ступени по удельному усилию от удара крупных капель о выпуклую поверхность входной кромки турбинной лопатки. Идеи Л. И. Дехтярева на новой научной основе были продолжены в работах Е. Кржижановского [73], Р. Г. Перельмана [39] и автора [27, 28, 53, 54].
С инженерной точки зрения наиболее интересным является определение суммарного эрозионного износа — общего массового или объемного отделения металла деталей, подверженных наибольшей эрозии за время эксплуатации турбины. Представляют интерес также линейный эрозионный износ, определяемый по глубине износа к изнашиваемой поверхности, и скорость изнашивания — отношение величин износа ко времени, в течение которого он возник. При определении терминологии величин, характеризующих эрозионное изнашивание — процесса постепенного изменения размеров детали под действием капель или твердого аэрозоля, были использованы рекомендации по терминологии АН СССР (М. М. Хрущев, М. А. Бабичев).
Для определения точных характеристик изнашивания или их точного расчетного прогнозирования во вновь создаваемых турбинах в настоящее время пока нет достаточных данных.

ОЦЕНКА НАИБОЛЕЕ ВЕРОЯТНЫХ МЕСТ ПОЯВЛЕНИЯ ЭРОЗИИ НА ВХОДНЫХ КРОМКАХ РАБОЧИХ ЛОПАТОК

На выпуклую поверхность входной кромки рабочей лопатки поступает несколько эрозионноопасных потоков крупнодисперсной влаги. Для каждого потока может быть определена относительная скорость поступления крупных капель в направляющий аппарат по методике, приведенной в гл. III.

Для расчета относительных скоростей по группам капель в осевом зазоре 18-й ступени были определены скорости разгона капель в кромочном следе вдоль его оси и построены треугольники скоростей (рис. VI.2, б). Максимальный радиус капли по We = 14 равен 85 мкм. Однако в плоскости вращения рабочей лопатки могут оказаться более крупные капли. Как следует из расчетов, на пути 100 мм капли радиусами 100 и 125 мкм по величине абсолютной скорости мало отличаются от скорости максимальной капли 85 мкм. В относительном движении скорости крупных капель приближаются по величине к окружной скорости кромки лопатки в рассматриваемом сечении, для среднего сечения 18-й ступени — 314 м/с. На эпюре нормальные составляющие крупных капель показаны штрихпунктирной линией.
Из сопоставления эпюры нормальных составляющих капель с эродированными лопатками, долгое время находившихся в эксплуатации, было установлено пороговое значение wn, при котором наблюдалось начало эрозионного износа. Для незащищенных 13 %- ных хромистых нержавеющих сталей по обследованию многих турбин было установлено значение wn — 140ч-150 м/с.
По данной методике был сделан расчет нормальных составляющих для двух последних ступеней турбины К-50-90-2 (рис. VI.3, а).

Рис. VI.3. Эпюры нормальных составляющих удара капель по высоте 17 и 18-й ступеней турбины К-50-90-2 ЛМЗ (а); линии равных нормальных составляющих капель на развертке выпуклой поверхности рабочей лопатки 18-й ступени (б);
1,2 — зоны наибольшей эрозии лопаток НА; 3 — камера улавливания влаги за 17-й ступенью; 4 — 7 — линии равных нормальных составляющих удара капель соответственно 350, 300, 150 и 50 м/с
Расчет был выполнен для пяти сечений по высоте ступени. По результатам обследования на эрозию турбин ЛМЗ типа К-50—К-100 с ЧНД на базе лопатки последней ступени длиной 665 мм была собрана подробная топография эрозионного износа выпуклой поверхности этой лопатки. Две последние ступени имели противоэрозионную защиту стеллитовыми напайками. Для последней ступени у вершины расчетом получены максимально нормальные составляющие ударов капель, равные 325 м/с. При учете капель, летящих в плоскости вращения входной кромки, появляется капельный поток с нормальными составляющими, близкими к периферийной скорости 420 м/с. Пороговая скорость 150 м/с появлялась на расчетном режиме уже на расстоянии около 0,125 от корня.

По результатам расчетов на развертке выпуклой поверхности лопатки были нанесены линии равных нормальных составляющих (рис. VI.3, б). Они ограничили зоны с различной величиной областей нормальных составляющих скорости воздействия капель. Сопоставление расчетных кривых с зонами эрозии на обследованных лопатках позволяет сделать вывод о степени эрозии по уровню нормальных составляющих капель.
В работах [73, 74] приведены результаты обследования турбин типа К-200-130-1 ЛМЗ, установленных на станции Туров. Для последней рабочей лопатки ЧНД был выполнен расчет нормальных составляющих удара капель в нескольких сечениях по высоте лопатки. Во время обследования на одной из турбин (ТГ № 4) по десяти лопаткам были определены зоны эрозии. На рис. VI.4 между кривыми 1 и 2 (заштриховано) показано поле границ конца зоны эрозии. Кривой 5 обозначена граница, проведенная по наибольшему числу точек в каждом сечении, разброс точек до 5 мм по оси z вызван, по-видимому, различной величиной выступания лопаток.
Для верхнего сечения 4—4 показаны эпюры нормальных составляющих профиля без стеллитовой напайки (пунктирная линия) и со стеллитовой напайкой. На лопатках обследованных турбин только самая верхняя стеллитовая пластинка имела такую конфигурацию, как показано на выноске (рис. VI.4). У нижних пластин входная кромка была скруглена.
Длина эродированной зоны по высоте лопаток (кривая 5) с верхней и нижней границами — кривые 4 и 6 в зависимости от времени эксплуатации показывает, что уже после 2000 ч работы зона эрозии распространяется на 75% высоты лопатки от периферийного сечения. За последующие 38 000 ч эксплуатации зона эрозии увеличивается до 87% высоты.
По результатам расчетов и в этом случае начало зоны эрозии для стальной незащищенной поверхности обследованных рабочих лопаток соответствовало ударным нормальным составляющим около 150 м/с.
Были также выполнены расчеты распределения нормальных составляющих скоростей капель для одной из мощных турбин со старой модификацией ЧНД, у которой диафрагма последней ступени чугунная с залитыми профильными лопатками (рис. VI. 5). Диафрагмы не имели системы внутриканальной сепарации. Внутренний периферийный обвод был выполнен с меридиональным профилированием. Резкий подъем обвода на расстоянии трети ширины диафрагмы от входных кромок лопаток НА последней пятой ступени ЧНД приводил к срыву пленок влаги с периферийного обвода диафрагмы. Это обстоятельство наряду с концентрацией влаги у периферии ступени привело к повышенному эрозионному износу входной части лопаток на расстоянии 125—130 мм от периферийного сечения (рис. VI.5) до точки а на входной кромке лопатки. При эрозионном износе периферийного участка 1 после 

8500 ч эксплуатации обвод входной кромки был изношен. В районе точки б выпуклая поверхность лопатки также была изношена, однако без нарушения обвода входной кромки 2. Оси кратеров во всей зоне 3 имели разный наклон.
На рис. VI.5 линией I—I показана граница упрочнения лопатки сплавом Т15К6. II—II — граница различаемого конца зоны повышенной эрозии.

Рис. VI.4. Области эрозии выпуклой поверхности рабочей лопатки последней ступени турбины К-200-130-1 (35 000 ч) по десяти лопаткам и эпюры нормальных составляющих удара капель:
1,2 — границы конца зоны эрозии; S— то же по наибольшему числу точек измерений; 4, 6 — границы длины эродированной зоны по высоте лопатки; 5 — то же по наибольшему числу точек; 7, 8 — границы конца зоны эрозии на стеллитовой защите; Р — то же по наибольшему числу точек измерений

II—III — граница конца зоны эрозионного износа лопатки, закаленной т. в. ч. после 9500 ч эксплуатации. На поверхности лопатки нанесены линии равных нормальных составляющих удара капель 150 и 240 м/с на основе расчетов эпюр нормальных составляющих по высоте лопатки для номинального режима работы ступени. Как видно из рис. VI.5, покрытие Т15К6 начинает интенсивно изнашиваться при wnбольше 240 м/с. Однако в зонах 5 и 6 отдельные выступающие возвышения покрытия имеют следы износа со стороны набегания капель. У границы покрытия 4 на лопатке имелись короткие эрозионные бороздки. Из анализа следов износа и результатов расчета следует, что упрочнение на лопатке следует наносить на большей длине, примерно 70% длины лопатки от периферийного сечения лопатки.

Рис. VI.5. Износ периферийного конца рабочей лопатки последней ступени ЧНД мощной паровой турбины старой модификации (8500 ч):
1 — весьма сильная эрозия входной кромки; 2 — сильная эрозия входной кромки; 3 — зона сильной эрозии; 4 — бороздчатая умеренная эрозия за защитным слоем; 5 — поверхность, покрытая сплавом Т15К6; 6 — то же со следами эрозии выступающих бугорков сплава
Рис. VI.6. Износ периферийного конца рабочей лопатки последней ступени мощной турбины (14 000 ч):
I — I — граница слабой эрозии; II—II— граница сильной эрозии;
1 — бороздчатая зона эрозии; 2—значительное утонение сечения; 3 — зона без эрозии; 4 — зоны точечной эрозии; 5 — повышенная эрозия; 6 —умеренная эрозия поверхности входной кромки; 7 — зона без эрозии
Все обследованные ЧНД мощных турбин другого типа выявили пониженную эрозию лопаток последней ступени. Поэтому представляло большой интерес провести проверку оценочной методики определения интенсивности износа по уровню нормальных составляющих удара капель для рабочих лопаток этого типа турбин. На развертке выпуклой поверхности верхнего конца лопатки последней ступени (рис. VI.6) нанесены граница начала эродированной зоны (I—I) и граница зоны повышенной эрозии (II—II) после 14 000 ч эксплуатации одной из турбин. Там же нанесены линии равных нормальных составляющих скоростей удара капель 150 и 240 м/с. Топография эрозии входной кромки периферийного конца и прилегающей к ней выпуклой поверхности лопатки показаны на рис. VI.6, А—А.

Рис. VI.7. Зоны, очерченные линиями равных нормальных составляющих удара капель для последних ступеней турбин АПТУ
Аналогичные расчеты были выполнены для пяти последних ступеней ВП турбины АЭС (рис. VI.7). При сравнительно низком уровне периферийной окружной скорости на лопатках четвертой от конца ступени — около 205 м/с, в периферийной части имеется зона возможного эрозионного износа с уровнем нормальных составляющих скоростей больше 150 м/с. На следующих ступенях эта зона распространяется вдоль входной кромки до 2/3 высоты лопатки на последней ступени. Приведенные на рис. VI.7 зоны позволяют оценить величину площади поверхности, подлежащей противоэрозионной защите.
В настоящее время одним из актуальных вопросов турбостроения является обеспечение эрозионной стойкости ВП ступеней ЧНД мощных турбин для АЭС. Необходимость пропуска через ЧНД турбин АПТУ громадных расходов пара и невозможность обеспечить эти расходы через существующие рабочие лопатки последней ступени ЧНД при 3000 (3600) об/мин обусловила в турбинах больших мощностей переход на пониженную частоту вращения 1500 (1800) об/мин [48]. Высказывается мнение, что переход на пониженную частоту вращения и пониженные периферийные окружные скорости последних ступеней ЧНД турбин АПТУ позволит повысить эрозионную стойкость рабочих лопаток за счет увеличения эффективности периферийной сепарации и за счет снижения окружной скорости концов рабочих лопаток. Однако, как видно по данным для тихоходных турбин различных фирм (табл. VI. 1), уровень периферийных окружных скоростей равен 400—500 м/с. При таких окружных скоростях системы периферийной сепарации малоэффективны (рис. V.2).
Таблица VI. 1
Основные характеристики последней ступени изготовленных и проектируемых тихоходных паровых турбин

Рис. VI.8. Эпюры нормальных составляющих удара капель для проточной части ЧНД тихоходных турбин: а — К-50-29-1 (36—40-я ступени); б — К-100-29, ХТГЗ (1—3-я ступени)
Выполнение расчетов по определению нормальной составляющей ударов капель для тихоходных турбин старой конструкции типа К-50-29-1 (ЛМЗ—Метро-Виккерс), К-100-29 (ХТГЗ) и сопоставление результатов расчетов с данными обследования рабочих лопаток (рис. VI.8) подтверждают сделанные выше выводы об уровне пороговой ударной составляющей капель для стальных  незащищенных лопаток. Однако длительность эксплуатации турбин — К-50 около 250 000 и К-100 около 19 000 ч, вызвала эрозию рабочих лопаток периферийной части 36 и 37-й ступеней, у которых значения ωn лежат на уровне 120—140 м/с. То же наблюдается в турбине К-100 для 1-й ступени ЧНД. Для 2 и 3-й ступеней протяженность зоны эрозии по высоте входной кромки, обозначенная на рисунке горизонтальными штрихами, также определяется уровнем нормальных составляющих ударов капель, лежащих немного ниже значений 150 м/с.

Рис. VI.9. Влияние утопления кромок периферийного сечения лопаток (а) последней ступени турбины К-200-130-1 на эпюры нормальных составляющих скоростей удара капель; влияние удвоенного (замкового) шага (б) на эпюры нормальных ударных составляющих:
1 — нормальный шаг; 2 — удвоенный шаг
Несоблюдение технологических норм при наборе лопаток РК в диск может привести к различному выступанию входных и выходных кромок рабочих лопаток из общего ряда или различному расположению кромок рабочих лопаток одной относительно другой. Под действием потока отраженных капель, летящих в плоскости вращения входных кромок, происходит повышенный износ входных кромок выступающих лопаток РК последних влажнопаровых ступеней ЧНД; это было отмечено еще в 30-х годах. Имелись попытки использовать экранирующее действие выступающих кромок нескольких лопаток, специально установленных через несколько рабочих лопаток (предложения фирм: «Томпсон Хоустон» (ВТН) — Англия, 1931 г., «Альстом» — Франция, 1956 г.). Повышенный износ входных кромок выступающих из общего ряда лопаток и снижение износа утопленных лопаток хорошо иллюстрируют эпюры нормальных составляющих периферийного сечения лопатки РК последней ступени турбины К-200-130-1 [74] (рис. VI.9). Выступающие из общего ряда лопатки подвергаются воздействию крупных капель, летящих в плоскости вращения входных кромок со скоростями, близкими к окружным скоростям вращения входных кромок. Для периферийного сечения лопатки последней ступени турбины К-200-130-1 периферийная окружная скорость равна 450 м/с, т. е. значительно выше пороговой скорости для начала эрозионного износа нержавеющей стали 2X13, из которой изготовлена лопатка, и стеллитовой защиты марки ВЗК.
В гл. I было отмечено увеличение эрозии входных кромок первой за замковым разрывом лопатки, если конструкция замка делает шаг лопаток увеличенным (см. рис. 1.15). Расчет эпюр нормальных составляющих для замковой и обычной лопатки РК последней ступени ВП турбины, у которой периферийная окружная скорость была равна 240 м/с при влажности за ступенью около 10%, показан на рис. VI.9, 6. Увеличение шага лопаток около замка привело к увеличению нормальных составляющих скоростей удара капель в периферийном сечении вдоль профиля на расстоянии 5 мм по оси турбины на 25%, а в сечениях 0,5 и 0,75/ — на 6—7%. На расстоянии 10 мм по оси ударные составляющие возросли в сечениях соответственно — на 42 и 20%. Область лопатки, имеющая нормальную составляющую удара капель выше пороговой для незащищенной лопаточной стали, значительно продвинулась ниже среднего сечения замковой лопатки. Обследование турбины, проработавшей главным образом в режиме частичной нагрузки более 15 000 ч, выявило повышенную эрозию входных кромок лопаток от периферийного до сечения 0,75. Следы слабой эрозии имелись в районе среднего сечения. Замковая лопатка по ходу вращения была эродирована сильнее остальных лопаток последней ступени. Результаты обследования эрозии по высоте входной кромки замковой рабочей лопатки хорошо совпадают с результатами расчетов, часть которых для периферийного конца показана на рис. VI.9, б.
Ширина зоны эрозии входной кромки утопленной лопатки вдоль поверхности в зависимости от глубины утопления лопатки была измерена на турбине Бергман—Борзиг мощностью 50 МВт [711 (рис. VI. 10). Для отечественных турбин и других турбин различной мощности (рис. VI. 10, а) не получается линейной зависимости ∆а от ∆b или ∆z. Для турбин разной мощности от 100 до 300 МВт ширина эродированной зоны на входной кромке хорошо прогнозируется предложенным методом по порогово-нормальной составляющей удара капель.
В гл. V было указано на наличие при частичных нагрузках турбины эрозионного износа выходных кромок рабочих лопаток последних ступеней. Для испытанных турбин К-50-90-2 и К-50-29-1 на режимах, близких к 50% нагрузки (см. рис. V.8), имелся минимум скорости с2 и ее составляющей с2z. По данным газодинамических измерений, были построены треугольники скоростей для пара и проведен расчет разгона кромочного капельного потока в периферийной части лопатки последней ступени для условий работы турбины при 50% нагрузки. Расчет показал, что на входной кромке нормальные составляющие капель увеличились по сравнению с номинальным режимом соответственно для сечений l= 0,5; 0,75 и 1,0 на 8; 8,5 и 12%. Увеличение нормальных составляющих произошло главным образом для крупных капель, т. е. для узкого участка входной кромки лопатки шириной по оси турбины 6—8 мм. Максимальная величина нормальной составляющей для периферийного сечения лопатки РК последней ступени К-50-90-4 увеличилась до 365 м/с при периферийной окружной скорости 415 м/с.

Рис. VI. 10. Зависимость ширин эродированных зон на выпуклой поверхности входных и выходных кромок рабочих лопаток:
а — данные по [71]:
1  — ∆b= f (Δa); 2 — ∆b= f(Δz); 3 — 7 = Δb = f(Δa) для лопаток последних ступеней различных турбин мощностью 50, 100, 160, 200 и 300 МВт;
б — ширина зоны эрозии входных кромок лопаток РК в процессе эксплуатации: 1 — эрозия рабочих лопаток с вставкой отсекателя в НА (см. рис. 1.13, б); 2 — поток ЧНД, первая рабочая лопатка перед разделением потока (см. рис. 1.15, а); 3 — эрозия рабочих лопаток (см. рис. 1.13, б) без отсекателя; 4 — опыты по эрозии рабочих лопаток фирмы ВВС [11]; 5 — поток ЧНД, первая лопатка за разделением потока
Следовательно, на режиме частичной нагрузки будет наблюдаться более интенсивный эрозионный износ входных кромок рабочих лопаток у периферийных сечений. Обследование турбин типа К-50-90-3 (4) выпуска 1967 и 1969 г., находившихся в эксплуатации от 1000 до 25 000 ч на режимах частичных нагрузок, подтверждает правильность основных положений выполненного расчета.