В турбинных ступенях, работающих влажным паром, часто наблюдается эрозия поверхности рабочих лопаток. В результате эрозии происходит как бы выщербление металла, поверхность лопатки становится неровной, губчатой, с выступами и полостями (кавернами). Эрозия может захватить значительную часть профиля, иногда до 0,2—0,3 хорды; причем даже незначительная эрозия меняет вибрационные и прочностные характеристики лопаток, что может быть причиной их поломок, а также ухудшает к. п. д. ступени.
Примеры эродированных лопаток показаны на рис. 3-24. Процесс эрозионного разрушения лопаток во времени показывает, что можно выделить три стадии эрозии: первая, начальная — очень большой интенсивности; вторая — с существенно меньшей скоростью разрушения и третья — когда новый износ практически отсутствует или резко замедлен. Время каждой из этих стадий зависит от условий работы лопаток и материалов, из которых они изготовлены.
Имеются примеры (на турбинах ТЭС), когда после нескольких лет работы резко возрастала эрозия лопаток последних ступеней. Наряду с другими причинами этому способствовали большее число пусков турбины и работа ее при пониженных нагрузках.
Хотя проблемами эрозии лопаток занимаются в течение нескольких десятилетий, до сих пор нет единой, вполне обоснованной гипотезы о механизме эрозии.
Эрозия лопаток может возникать по причинам физического и химического характера, от кавитации и от чисто механического воздействия капель влаги на лопатки. Видимо, решающей причиной эрозии является сложное, взаимосвязанное ударное и кавитационное воздействие влаги. Специальными опытами было установлено, что при ударе капель возникают кавитационные пузыри, причиной появления которых может быть большая разница в тангенциальной скорости капли, ударяющей о лопатку, и радиальной скорости капли при ее растекании, благодаря чему местное статическое давление внутри капли резко падает. Другая гипотеза предполагает появление в капле при соприкосновении ее с поверхностью лопатки волны сжатия, отражающейся от поверхности, раздела капля — пар и возвращаемой к лопатке в виде волны разрежения, в зоне которой и образуются кавитационные пузырьки.
Кавитационные пузырьки, попадая в область повышенного давления, разрушаются (захлопываются), при этом появляются ударные волны с очень большими импульсами, весьма большими давлениями и температурами. Следует отметить, что в турбинных лопатках в связи с многократностью ударов капель о поверхность лопаток, несмотря даже на небольшую силу удара, возможно разрушение материала, которое согласно некоторым исследованиям носит в лопатках усталостный характер. В то же время при больших скоростях соударения сила удара капли настолько велика, что повреждение может вызываться даже одним ударом. Можно предположить, что разрушение начинается с микроскопических трещин и язвин, постепенно захватывающих все большие поверхности. Наиболее опасным является удар о гладкий участок. Косвенно это подтверждается затуханием процесса эрозионного разрушения лопаток, когда поверхность лопатки становится шероховатой и на ней образуется много каверн. В образовавшихся полостях скапливается влага, воспринимающая удар новых капель.
Для анализа процессов, вызывающих эрозионное воздействие капель на лопатки, рассмотрим спектр потока на выходе из сопловой решетки. Как видно из рис. 2-8, жидкую фазу, покидающую сопловую решетку, можно разделить на три потока:
частицы, прошедшие через канал без контакта с поверхностью профиля;
частицы, образовавшиеся в результате отражения и срыва капель;
частицы, возникшие при дроблении пленки, сходящей с выходных кромок сопловых лопаток.
Эти потоки имеют разные скорости и разные направления, отличающиеся от местных скоростей и углов потока паровой фазы.
Условно весь влажный пар, выходящий из сопловой решетки, разделим на три группы:
Рис. 3-25. Входные треугольники скоростей паровой и жидкой фаз для периферийного сечения ступени большой веерности. Один штрих означает параметры жидкой фазы, два штриха — паровой фазы; индекс «пл» относится к потоку крупных капель, возникших при дроблении пленки, сходящей с выходных кромок сопловых лопаток, индекс «ср» — к частицам, образовавшимся в результате отражения и срыва капель.
Таблица 3-1
Сравнительный расчет коэффициента эрозии последних ступеней при р2 3 кПа, δα=10 см, а1э=15°
использованной формулы меняется от весьма высокой до недопустимой. Разные методы расчета дают при сравнении ступеней лучшие условия по эрозии как для первой, так и для второй ступеней.
Интересное сравнение коэффициентов эрозии для гипотетических лопаток проведено в [107] (рис. 3-29). Коэффициент эрозии для периферии лопатки в зависимости от ее длины l2 представлен по разным формулам на рис. 3-29,а. Кривые здесь показывают, что Е=f(l2) имеет в исследованном диапазоне размеров лопаток максимум. Это объясняется тем, что с ростом l2 и, следовательно, иа одновременно благоприятно увеличивается теплоперепад ступени, уменьшается начальная влажность, возрастает скорость потока.
Для принятых при расчете кривых рис. 3-29,a данных этот максимум l2 по различным формулам меняется от 650 до 1140 мм (n=50 c-1). Влияние давления пара р2 в различных формулах оказывается даже качественно иным (рис. 3-29,б), то же самое относится и к влиянию нагрузки Р/Рном (рис. 3-29,б).
При использовании статистического материала для оценки эрозионной надежности следует учитывать, что влажность в последней ступени турбины в зависимости от нагрузки меняется по-разному для турбин высоких параметров с промперегревом в парогенераторной установке и для турбин насыщенного пара, имеющих промперегрев, осуществляемый свежим паром.
В первом случае, как показывает график на рис. 3-30, наихудшие условия (из-за снижения температуры промперегрева) соответствуют нагрузке Р=0,3Рном.
По данным КВУ коэффициент эрозии по (3-16) по сравнению с режимом Рном увеличивается в 1,8 раза. По данным фирмы Альстом [98] для таких турбин наивысший критерий эрозии по (3-10) отвечает режиму Р= =0,55Рном, увеличиваясь по сравнению с номинальной нагрузкой на 13%.
Для турбины насыщенного пара КВУ наибольший коэффициент эрозии отвечает режимам Р— (0,4-4-06) Рном, где он выше, чем при номинальном режиме, на 20%. Для оценки эрозионной надежности лопаток при внутриканальной сепарации в сопловых лопатках последней ступени необходимо учитывать, что как при уменьшении расхода пара, так и при ухудшении вакуума сокращается перепад давлений в щелях влагоудаления и ухудшается его эффективность (см. рис. 3-4).
Для предупреждения эрозии, что является безусловным требованием нормальной работы турбины, возможны два принципиально различных метода: активный и пассивный.
Активный метод
- Уменьшение влажности перед ступенью у^ достигается повышением начальной температуры пара и снижением начального давления (в турбине без внешней
сепарации), применением промежуточного перегрева пара, понижением разделительного давления, применением эффективной внешней сепарации, увеличением теплоперепада в последней ступени, где, очевидно, следует ожидать наибольшей опасности эрозии.
Положительное влияние оказывают различные виды периферийного влагоудаления и применение ступеней-сепараторов (см. § 3-2 и 3-3).
- Уменьшение фактической влажности перед рабочей лопаткой достигается применением различных высокоэффективных способов влагоудаления в проточной части. По данным ХТГЗ внутриканальная сепарация позволяет улавливать до 35—40% крупнодисперсной влаги.
Эрозия рабочих лопаток, которая в одной из турбин ХТГЗ протекала со скоростью 0,02 мм/ч, практически прекратилась после организации эффективного влагоудаления из ступени. Опыты ХТГЗ, проведенные как на модельной турбине, так и на ТЭС на турбине Рэ=100 МВт, показали, что отсос за сопловой решеткой последней ступени резко снижает эрозионный износ рабочих лопаток; при этом, правда, ухудшился и к. п. д. ступени.
С точки зрения уменьшения эрозии эффективным может быть отсос влаги через выходные кромки сопловых лопаток.
Опыты МЭИ и КТЗ (см. § 3-1) подтвердили возможность улавливания почти всей крупнодисперсной влаги, сходящей с кромок сопловых лопаток.
На рис. 3-31,а показана эродированная периферийная часть лопатки последней ступени турбины фирмы АЕИ, работающая с обычной диафрагмой, а на рис. 3-31,б — с диафрагмой, имевшей отсос влаги через выходные кромки. Рисунок 3-31,в иллюстрирует скорость эрозии в обоих этих случаях: через 29 дней (700 ч) в обычной ступени эродировало до 15% материала лопаток (уменьшение массы лопаток), а в ступени с отсосом — только 3%. Щели в выходных кромках располагаются в верхней части лопаток, где, с одной стороны, скапливается основная часть влаги, с другой — скорости потока наименьшие, что благоприятно для такого типа сепарации.
Влияние на эрозию лопаток отсоса влаги через щели на обводах сопловых лопаток турбин КВУ (см. рис. 3-9) показано па рис. 3-31,а и д,
Поскольку, как показал опыт эксплуатации [65, 159], местные сопротивления (проволока на лопатках, стойки, резкие изломы проточной части и т. п.) вызывают локальную концентрацию влаги и повышенную в результате этого эрозию, то желательно избегать их в элементах проточных частей, работающих влажным паром. Так, например, образовавшиеся на проволочных связях потоки крупной влаги проходят затем через следующие ступени и в том числе через каналы сопловых решеток. Некоторые примеры отрицательного воздействия этих изломов и т. п. показаны на рис. 3-32 [65].
Рис. 3-31. Влияние отсоса влаги в сопловых лопатках на эрозию рабочих лопаток.
а — периферийная часть лопатки последней ступени турбины АЕИ после работы с обычной диафрагмой; б — то же после работы с диафрагмой, имевшей отсос через щели в выходных кромках; в — уменьшение массы лопатки за счет эрозии в зависимости от времени работы: 1 — для условий рис. 3-31,а: 2 — для условий рис. 3-31,6; г — лопатка турбины КВУ после 13 тыс. ч работы (без влагоудаления); д — то же с внутриканальной сепарацией по рис. 3-9.
Если при облопачивании ротора отдельные лопатки выходят из своего ряда, т. е. выступают (в меридиональной плоскости) против потока, то эти выступающие лопатки подвергаются очень сильной эрозии. Разъедание входных кромок выступающих лопаток может быть большим даже при незначительной, малозаметной эрозии остальных лопаток. Если какая-либо из лопаток выпадает из ряда, т. е. сдвинута по потоку, то повышенной эрозии будет подвергаться и соседняя лопатка (рис. 3-33).
Рис. 3-32. Влияние формы периферийного обвода проточной части на эрозию входных кромок рабочих лопаток последних ступеней.
а — проточная часть реактивной турбины после т=44 000 ч; б — эрозия в зоне перекрыши ступени после τ=40 000 ч; в — эрозия в зоне периферийного обвода диафрагмы после Т=5000 ч; г — то же для другой турбины после τ=4200 ч; д — эрозия в зоне излома периферийного обвода диафрагмы после τ=7000 ч.
Рис. 3-33. Схема эрозионного воздействия на входные кромки рабочих лопаток при их неравномерной установке.
а — лопатка выдвинута против потока; б — лопатка выдвинута по потоку; δ — зона эрозионного воздействия; δмакс — зона интенсивного воздействия.
3. Уменьшение ударного воздействия капель влаги на рабочие лопатки достигается увеличением осевого зазора δа между сопловыми и рабочими лопатками. При этом увеличивается коэффициент скольжения ν, прогрессирует дробление капель. В ступенях большой веерности увеличение зазора в корневой зоне, особенно при малых углах α1э, может привести к радиальному отрыву потока; в то же время в периферийной зоне, где к тому же реакция ступени велика, увеличение зазора слабо сказывается на экономичности. Поэтому рационально проектировать ступени так, чтобы в корневой части зазор оставался минимально возможным, увеличиваясь к периферии. Ряд фирм в последних ступенях ЦНД увеличивает зазор до δа=100 мм и более.
Некоторые заводы и фирмы выполняют рабочие лопатки с крупнопористой поверхностью в той части, где ожидается эрозионное разрушение. По мнению авторов работ [59, 90], влага, которая воспримет удары капель, будет задерживаться в порах. В определенной мере это достигается в зубчиковых лопатках, широко применяемых американскими и японскими фирмами, так как здесь сочетаются организация водяной подушки, воспринимающей удар капель, и хорошая сепарация влаги по радиальным пазам (см. § 3-3).
- Снижение окружной скорости на периферии лопаток ип (согласно приведенным выше формулам) ведет к уменьшению эрозии лопаток. Поскольку при этом не должна сократиться кольцевая площадь выхода, что особенно важно для турбин насыщенного пара и вообще для турбин с малым располагаемым теплоперепадом, то уменьшение ип может быть достигнуто:
уменьшением высоты лопаток последних ступеней с одновременным увеличением числа потоков. Этот способ реализуем только при малых мощностях, так как приводит к соответствующему увеличению числа цилиндров с вытекающими отсюда усложнением конструкции, большим тепловым расширением, снижением вибрационной надежности валопровода, увеличением размеров агрегата и общим его удорожанием;
применением полуторного выхода;
переходом на пониженную частоту вращения (см. § 4-3).
Естественно, что снижение ип при сокращении кольцевой площади лопаток означает рост выходных потерь и ухудшение экономичности турбины.
Пассивные методы борьбы с эрозией включают:
применение для лопаток эрозионно-устойчивых материалов;
установку на лопатках накладок из эрозионно-устойчивых материалов (но непригодных для изготовления всей лопатки);
термическую, электроискровую обработку лопаток или отдельных их частей, а также покрытие поверхности лопаток.
В литературе приводится много сведений по экспериментальным исследованиям эрозионной стойкости материалов, однако сравнение данных различных организаций практически невозможно ввиду разных условий испытаний и различных показателей эрозии. Опыты фирмы ББЦ лучше всего характеризуют закаленную хромистую нержавеющую сталь.
По результатам других испытаний хорошие антиэрозийные свойства показывают аустенитные стали и нержавеющие стали, часто применяемые для рабочих лопаток (см. гл. 5). Эрозийностойкими оказались и титановые сплавы, в том числе в опытах с вращающимися образцами. По этим опытам после 4 ч работы износ (по объему) образцов, выполненных из сплава Ti и А1, по сравнению с образцом из стали 1X13 сократился в 11 раз.
ЛМЗ имеет опыт работы лопаток из титанового сплава длиной 665, 765 и 960 мм, проработавших десятки тысяч часов на натурных турбинах, включая лопатку с ип=540 м/с.
Стеллитовые накладки широко применяются на лопатках ЦНД многих паровых турбин, в том числе турбин ЛМЗ и УТМЗ.
Данные фирмы «Альстом» [98] также подтверждают эрозионную стойкость лопаток со стеллитовыми накладками. Накладки из стеллита прикрепляются на входных кромках спинки лопаток в периферийной ее части; состав стеллита: кобальт — 62%, хром — 25%, вольфрам — 7%.
По опытам ЛМЗ потери объема образцов за 3 ч оказались у стеллита в 33 раза меньше, чем у образцов из стали 2X13.
По испытаниям фирмы АЕИ также установлен малый износ стеллита, особенно стеллита-12, полученного электронной плавкой в вакуумной камере. Фирма «Вестингауз» применяет стеллит-5В [107].
В связи с тем, что на ряде турбин АЭС был обнаружен отрыв стеллитовых накладок от лопаток, много внимания уделяется способу соединения накладок с основным материалом лопаток. Во многих случаях при одноконтурных схемах АЭС не разрешается использование стеллита из-за содержания в нем кобальта (см. § 4-2).
Существенно зависит эрозионная стойкость от режима термообработки материала лопаток. Хорошие результаты защиты от эрозии показало электроискровое упрочнение материалов, применяемое ХТГЗ [26, 51]. На поверхность лопатки, где следует ожидать эрозии, наносится металл электрода — твердый сплав Т15К6 (79% карбида вольфрама, 15% Ti и 6% Со), обладающий хорошим сцеплением с основным материалом лопатки. Поверхность лопатки при этом становится шероховатой. Опыт ХТГЗ при относительно высокой периферийной окружной скорости (ип=500 м/с) на турбине К-220-44 весьма успешен. Однако этот способ из-за применения кобальта неприемлем для АЭС с одноконтурной схемой.
Другим способом, не имеющим ограничения для турбин, работающих радиоактивным паром, является закалка входных кромок то ками высокой частоты. Этот способ для рабочих лопаток последних ступеней, изготовленных из качественных сталей (см. табл. 5-2), успешно применяется ХТГЗ в турбинах для АЭС. В частности, в турбине К-500-65 на п=50 с-1 лопатки проработали несколько десятков тысяч часов.
Опыт эксплуатации турбин как со значительными ип, вплоть до ип=530-580 м/с (в частности, в турбинах ЛМЗ, ХТГЗ, УТМЗ, фирм ББЦ, «Вестингауз»), при умеренной влажности, так и с меньшими окружными скоростями на периферии лопаток, но большей влажностью показал, что указанные выше активные и пассивные методы позволяют избежать опасного эрозионного повреждения лопаток.
Во многих случаях наблюдается эрозия выходных кромок рабочих лопаток последних ступеней конденсационных турбин. Эта эрозия охватывает нижнюю или среднюю часть по высоте лопатки (рис. 3-34). Так как толщина и площадь профиля здесь существенно выше, чем в периферийной зоне, то в общем эрозия выходных кромок менее опасна, чем входных. Однако следует учитывать, что даже небольшое изъязвление профиля может стать источником поломки лопатки, тем более серьезной, чем ниже расположено это сечение.
Рис. 3-34. Эрозионный износ выходных кромок рабочих лопаток последней ступени.
а — характер износа лопатки мощной турбины: I — зона эрозии и вычищенного металла; II — зона темно-бурых отложений; III — вычищенная зона со следами струйных отложений; IV — вычищенная околокромочная зона; 1,2 — лопатки находились в эксплуатации около 1 тыс. ч; 5 — эрозия выходной кромки лопатки, проработавшей около 14 тыс. ч; б — схема потока
Причин эрозии выходных кромок несколько. Это — и отрывные явления, и вызванные ими обратные токи, характерные для многих ступеней большой веерности при частичных режимах, и попадание влаги с выступающих частей задней поверхности диска, и отбрасывание влаги от стенок выходного патрубка, и впрыск конденсата в выходной патрубок при холостом ходе. Отсюда вытекают меры по предотвращению эрозии выходных кромок, в частности оптимальное проектирование ступени, удаление стенок патрубка от лопаток, выбор мест для впрыска конденсата и его сепарация и др. Отметим, что на эрозию выходных кромок отрицательно влияет неравномерность установки лопаток.
В ступенях высокого давления, несмотря на большую влажность, доходящую в отдельных турбинах (перед внешней сепарацией) до 0,15, эрозия рабочих лопаток не наблюдалась. Это объясняется главным образом высокими коэффициентами скольжения v и в первую очередь в связи с меньшей разницей в плотностях паровой и жидкой фаз; не столь крупными, как в ЦНД, каплями влаги; меньшими, чем в ЦНД, окружными скоростями.
