Требования, предъявляемые к материалам основных деталей турбин, котлов, турбогенераторов и компрессоров
Общим для материалов всех деталей является необходимость их минимальной стоимости при условии обеспечения остальных требований, связанных с условиями эксплуатации. Поэтому применение более дорогостоящих материалов, в том числе содержащих дефицитные легирующие элементы, требует соответствующих обоснований.
Требования, предъявляемые к материалам деталей газовых турбин
Анализ напряженного состояния деталей ГТУ и условий их эксплуатации позволяет выявить комплекс необходимых требований к материалу этих деталей.
Известно, что наилучшая работоспособность нагруженных деталей обеспечивается при сочетании высокой деформационной способности (пластичности) материала. Однако в большинстве случаев такое сочетание прочностных и пластических свойств не может быть достигнуто. В связи с этим в каждом конкретном случае должен быть установлен минимально допустимый уровень пластичности, гарантирующий надежную работу детали в машине. К сожалению, вопрос о значениях минимально допустимых уровней пластичности все еще является дискуссионным. Преимуществами для обеспечения высокой работоспособности деталей обладают те материалы, которые имеют наибольшую долговечность на стадии развития трещин, т. е. имеют более высокие характеристики трещиностойкости.
Диски турбин.
Работоспособность замковых выступов диска зависит от таких характеристик материала, как предел упругости, пластичность, сопротивление ползучести, длительная прочность, чувствительность к концентрации напряжений, модуль упругости и коэффициент линейного расширения (по сравнению с коэффициентом линейного расширения металла лопаток), а также жаростойкость в контакте с продуктами сгорания топлива. Для обеспечения высокой прочности замковой части желательно, чтобы материал наравне с высокой длительной прочностью обладал высокой длительной пластичностью, позволяющей предупредить хрупкие разрушения. При достаточной пластичности ползучесть материала играет положительную роль, так как приводит к перераспределению напряжений, вследствие чего снижается уровень максимальных напряжений и повышается работоспособность замкового соединения. Определенную роль в прочности межпазовых выступов диска, работающих в условиях вибрационных нагрузок, передаваемых от лопаток, может играть и усталостная прочность материала.
Для обеспечения надежной работы полотна диска материал должен противостоять действию теплосмен, т. е. обладать определенной термостойкостью. Значения его длительной прочности и сопротивления ползучести должны быть такими, чтобы не допустить разрушения диска и появления чрезмерной вытяжки. Требование к длительной пластичности вызвано необходимостью обеспечения работоспособности диска вблизи концентраторов напряжений (отверстий, галтелей), расположенных в нагретой части полотна диска. К дискам, изготовленным из перлитных сталей, предъявляется также требование повышенной стойкости против хрупких разрушений.
Для дисков турбин с длительным сроком службы важным требованием является стабильность структуры и свойств материала во всем интервале рабочих температур. Разупрочнение материал может привести к возникновению в диске таких пластических деформаций, которые, изменив его напряженное состояние, приведут к заметному снижению работоспособности. Дополнительные выделения упрочняющей фазы могут привести к уменьшению объема материала (отрицательной ползучести), в результате чего напряжения в диске перераспределятся (в некоторых местах возрастают).
К материалу диска иногда предъявляются также требования по его релаксационной стойкости. Эти требования зависят от условий работы. Низкая релаксационная стойкость металла может вызвать появление остаточных деформаций даже при напряжениях, меньших предела упругости, которые при многократных пусках, характерных для транспортных и авиационных ГТД, могут вызвать термоусталостное разрушение диска. В этом случае желательно, чтобы материал имел высокий уровень релаксационной стойкости. В дисках стационарных турбин, во время эксплуатации которых имеют место лишь единичные пуски и остановы, снижение уровня температурных напряжений в процессе релаксации приводит к повышению работоспособности. Следовательно, в этом случае желательно, чтобы сопротивление релаксации было пониженным.
Для многорежимных ГТУ требования по жаропрочности, термостойкости, сопротивлению ползучести, релаксационной стойкости зависят от характера изменений температуры и напряжений во время работы.
При выборе той или иной марки сплава для дисков конструктор вынужден учитывать их технологичность и стоимость. В тех случаях, когда на освоение технологии изготовления дисков из специального сплава требуются длительное время и большие затраты, вопрос о целесообразности его применения должен решаться в зависимости о предполагаемой серийности изготовления проектируемой ГТУ.
Для дисков турбин ГТУ разного назначения перечисленные выше требования к материалу не могут быть сформулированы в виде перечня конкретных значений пределов текучести, ползучести, длительной прочности, пластичности, сопротивления термической и механической усталости, релаксации, склонности к хрупким разрушениям, количеству и размерам допустимых металлургических дефектов, критических значений коэффициента интенсивности напряжений при циклическом нагружении и т. д. Тем не менее, в настоящее время установились некоторые представления о механических свойствах, которыми должны обладать разрабатываемые материалы дисков ГТУ различных типов.
В последние годы для изготовления высоконагруженных дисков, работающих при высоких температурах, применяют технологию горячего изостатического прессования (ГИП) порошков трудно-деформируемых материалов. Качество порошков, их чистота от примесей, состав защитной атмосферы, режимы прессования и термической обработки дисков после прессования должны обеспечивать, с одной стороны, получение свойств материал дисков на уровне свойств образцов из деформированного сплава того же состава, а с другой — отсутствие дефектов, способных вызвать разрушение.
Рабочие лопатки турбин.
Выбор материала рабочих лопаток обычно проводят по характеристикам длительной прочности при рабочих температурах металла, которые должны обеспечивать необходимый запас прочности по отношению к максимальным растягивающим напряжениям. В охлаждаемых лопатках обычно не удается существенно снизать температуру кромок. Поэтому для этих лопаток помимо жаропрочности одним из важнейших требований к металлу является жаростойкость в продуктах сгорания соответствующего топлива при температурах, близких к температуре газа. Требование по жаростойкости предъявляется, разумеется, и к металлу неохлаждаемых лопаток. Именно с этим требованием значительные трудности возникают при выборе материала лопаток судовых ГТУ, работающих в контакте с отложениями, в состав которых входят агрессивные соли морской воды. Аналогичная ситуация возникает и с энергетическими ГТУ, эксплуатирующихся в условиях загрязненного воздуха и с использованием загрязненного топлива.
Определенные требования предъявляются также к сопротивлению металла термоусталости (для ГТУ, работающих в условиях быстрых пусков и остановок). Как уже отмечалось выше, статистика повреждений показывает, что лопатки часто повреждаются в результате ударов посторонними предметами и обломками поврежденных деталей. В большинстве случаев это приводит к образованию зазубрин, вмятин и царапин, действующих как надрезы, вызывающие концентрацию напряжений и тем самым уменьшающих их сопротивление усталости. Большая вероятность ударного повреждения лопаток вызывает повышенные требования по чувствительности лопаточных материалов к надрезам в условиях действия статической и усталостной нагрузок. Материал лопаток с бандажами должен обладать определенной релаксационной стойкостью. Это требование вызвано необходимостью сохранения определенного натяга в бандаже, создаваемого при сборке лопаток в увеличивающегося при работе закрученных лопаток под действием центробежных сил, который обеспечивает демпфирование колебаний лопаток и уменьшение амплитуды колебаний.
Направляющие лопатки. Материал направляющих лопаток (так же как в рабочих) должен иметь следующие характеристики: жаростойкость, термостойкость в условиях резких изменений температуры, соответствующих изменению температуры газа, которое наблюдается при пусках, остановах и изменениях режима работы ГТУ; длительная прочность; сопротивление ползучести, обеспечивающее их работоспособность при рабочих напряжениях в течение всего срока службы при температурах, иногда существенно превышающих среднюю температуру газа (в связи с ее неравномерностью по окружности).
Жаровые трубы.
К материалу камер сгорания ГТУ предъявляются следующие требования: высокие жаростойкость, термостойкость, свариваемость и технологическая пластичность, допускающая гибку в процессе изготовления, по возможности высокая теплопроводность и низкий коэффициент линейного расширения, а также такой уровень значений предела текучести и сопротивления ползучести, чтобы возникающие термические напряжения не приводили к значительным пластическим деформациям (короблению). Для обеспечения требований по термостойкости материал не должен охрупчиваться в процессе эксплуатации и не должен обладать чувствительностью к надрезу как в исходном состоянии, так и после длительных выдержек при рабочих температурах. В ряде случаев высокая теплопроводность металла обеспечивается применением теплопроводных материалов (медь, никель) с жаростойкими покрытиями. В других случаях, наоборот, применяют малотеплопроводные покрытия (эмали), предупреждающие возможные кратковременные местные перегревы металла.
Крепеж.
Для соединения между собой различных деталей турбин, работающих при высоких температурах, применяют болты и шпильки, изготовляемые из высокопрочных и жаропрочных сплавов. Так, например, в некоторых конструкциях турбинные диски соединяются между собой стяжными болтами, направляющие аппараты крепятся к статору также с помощью болтов и т. д. Крепежные детали в процессе эксплуатации испытывают действие переменных температур и нагрузок. Для обеспечения работоспособности крепежных деталей их материал должен иметь: 1) релаксационную стойкость (для сохранения необходимого натяга в соединении); 2) структурную стабильность во время эксплуатации (исключающую как разупрочнение материала, так и упрочнение, которое сопровождается уменьшением объема, способным в ряде случаев вызывать значительные увеличения натяга); 3) длительную прочность (для обеспечения необходимого запаса прочности); 4) нечувствительность к надрезу и высокую длительную пластичность, предупреждающие разрушение по резьбе; способность противостоять повторным нагрузкам (при повторных натягах); сопротивление вибрационным нагрузкам.
Регенераторы.
Главным требованием к материалам регенераторов является требование технологичности, обеспечивающей возможность прокатки тонких листов и тонкостенных труб, свариваемости и штампуемости. Материалы элементов регенераторов должны обладать высокой коррозионной стойкостью в условиях рабочих и стояночных режимов в среде воздуха и продуктов сгорания топлива. Материал регенераторов ГТУ, работающих на сернистых топливах и особенно топливах, содержащих ванадий, должен противостоять сернистой и ванадиевой коррозии. Металл регенератора и его сварные соединения должны обладать термостойкостью. Это требование вытекает из наличия в регенераторе градиентов температур, меняющихся во времени (при пусках и остановах турбины и изменениях режимов ее работы). Поскольку на экономичность ГТУ существенное влияние оказывает плотность регенератора, то материал его элементов в процессе эксплуатации должен сопротивляться действию различных факторов, вызывающих образование несплошностей (трещин, язв и т. д.). Такие несплошности могут возникать, например, если металл склонен к МКК (регенераторы, работающие в морских условиях), или если металл сварных соединений склонен к локальным разрушениям (по околошовной зоне), или если металл обладает низким сопротивлением вибрационным нагрузкам, возникающим при недостаточно жестких конструкциях.
Определенные требования предъявляются также к технологии сварки, пайки и термической обработки элементов конструкции, зависящей от материала и условий работы регенератора. В случае применения паяных конструкций паяное соединение должно противостоять действию вибрации.
