Розвиток теорії каплеударной ерозії та створення ефективного протиерозіїного захисту робочих лопаток парових турбін

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ ПРОБЛЕМ МАШИНОБУДУВАННЯ ім. А.М.Підгорного

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

Спеціальність 05.05.16 - турбомашини та турбоустановки

Розвиток теорії краплеударної ерозії та створення ефективного протиерозійного захисту робочих лопаток парових турбін

Ковальський Олександр Едуардович

Харків - 2008

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Теоретичні і експериментальні дослідження закономірностей ерозійного зношування робочих лопаток останніх ступенів потужних парових турбін, проведені різними турбінобудівними фірмами, зв'язані, насамперед, з розробкою в проточній частині протиерозійних заходів, спрямованих на підвищення ерозійної надійності та економічності даних ступенів.

Значний внесок у вирішення цієї проблеми внесли:

а) з зарубіжних вчених - А. Г. Еванс, У. Ф. Едлер, Дж. Брантон, М.К. Рочестер, Р.М. Блоуерс, Ф.П. Боуден, Дж. Е. Філд, Дж. Спрінжер, Е. Кжижановски та ін.;

б) з вітчизняних вчених - І.І. Кіріллов, Р.М. Яблонік, Г.А. Філіппов, Б.М. Трояновський, І.П. Фаддєєв, О.А. Поваров, О.Л. Шубенко, Р.Г. Перельман, В.В. Фомін, В.В. Пряхін та ін.

Однак, незважаючи на великий досвід створення активних і пасивних способів протиерозійного захисту, накопичений на цей момент, як і раніше, спостерігаються випадки серйозних пошкоджень робочих лопаток останніх ступенів циліндрів низького тиску (ЦНТ) парових турбін, які обумовлені виникненням у проточній частині ерозійно-небезпечної краплинної вологи.

Це обумовлено тим, що при проектуванні останніх ступенів ЦНТ і розробці способів їхнього протиерозійного захисту використовуються недостатньо фізично обґрунтовані критерії ерозійної небезпеки, яка виникає у проточній частині, а також застосовуються занадто спрощені методи прогнозування характеристик ерозійного зношування робочих лопаток.

Таким чином, поглиблене вивчення закономірностей краплеударної ерозії робочих лопаток останніх ступенів, можливостей створення їхнього ефективного протиерозійного захисту є актуальною темою наукових досліджень, спрямованих на вирішення важливої проблеми стаціонарної енергетики України - збільшення експлуатаційної надійності, продовження робочого ресурсу парових турбін для ТЕС й АЕС із поліпшеними показниками потужності та економічності.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Тематика роботи тісно пов'язана з науковими програмами, планами і темами, які виконувалися у відділі оптимізації процесів і конструкцій турбомашин ІПМаш НАН України в період з вересня 1987 по вересень 2007 року.

Матеріали дисертації являють собою узагальнення наукових результатів, отриманих автором як відповідальним виконавцем таких бюджетних і госпдоговірних тем:

- “Розробка наукових основ комплексного моделювання і організації обчислювального експерименту для вдосконалювання процесів проектування, дослідження та експлуатації складних теплоенергетичних систем”, № ДР 01880019078;

- “Розробка і розвиток методів математичного моделювання, обчислювального і фізичного експерименту для створення та раціональної експлуатації складних теплоенергетичних систем”, № ДР 0193U007788;

- “Розробка, розвиток і узагальнення методів та засобів математичного моделювання і натурно-обчислювального експерименту для створення та удосконалювання традиційних та перспективних теплоенергоперетворювальних систем”, № ДР 0197U012283;

- “Розвиток теорії і розробка комплексних системних методів та засобів для створення і високоефективного функціонування теплоенергетичних установок”, № ДР 0100U004808;

- “Розробка і розвиток комплексних методів та способів удосконалення техніко-економічних показників і забезпечення надійності теплоенергетичних установок ТЕС і АЕС”, № ДР 0104U005620;

- “Розробка методів підвищення ефективності та надійності парових і газових турбін”, № ДР 0107U001787;

- “Розробка методу розрахунку і прогнозування характеристик ерозійної стійкості робочих лопаток ЦНТ парових турбін та оптимізація їхніх параметрів за критерієм ерозійної небезпеки” (договір с ВАТ “Турбоатом” № 351-91 від 25.04.91), № ДР 01910040051;

- “Розробка методів і програмних засобів оцінки і зниження напруженого стану елементів парових турбін при їхньому проектуванні та модернізації” (договір з Інститутом проблем міцності НАН України №41-97 від 2.09.97), № ДР 0197U018511;

- “Підвищення експлуатаційної надійності та ресурсу турбоустановок ТЕС та АЕС України при їх модернізації з метою продовження терміну служби на 10-15 років” (договір з Міністерством освіти та науки України № 2/1308-97 від 1.08.97), № ДР 0198U004128;

- “Проведення теоретичних і експериментальних досліджень по вдосконаленню показників зносостійкості волого-парових турбінних ступенів енергетичних турбін для АЕС на базі нових прогресивних технологій захисту лопаток і математичного моделювання краплеударної ерозії” (договір з Інститутом фізики твердого тіла, матеріалознавства і технологій Національного наукового центру “Харківський фізико-технічний інститут” № 2-17/05 від 1.01.2005), № ДР 080999UP0009.

Мета і задачі дослідження. Метою даної дисертаційної роботи є вдосконалювання способів протиерозійного захисту робочих лопаток останніх ступенів ЦНТ енергетичних турбін і підвищення на цій базі їх основних експлуатаційних показників.

Для цього були поставлені і вирішені такі задачі дослідження:

- розробка математичної моделі нестаціонарних хвильових напружень, що визначають кінетику ерозійного руйнування матеріалу робочої лопатки внаслідок високошвидкісних ударів досить великих вторинних крапель вологи в початковій фазі ерозійного процесу;

- обґрунтування фізичного механізму ерозійного руйнування лопаткового матеріалу в різних умовах краплеударного впливу;

- розробка математичної моделі удару ерозійно-небезпечної краплі вологи по вхідній кромці робочої лопатки на периферії останнього ступеня потужної парової турбіни;

- обґрунтування зростаючої ролі квазістатичних напружень, які встановлюються в робочій лопатці на пізніх стадіях її ударної взаємодії з ерозійно-небезпечною краплею, у процесі ерозійного руйнування лопаткового матеріалу;

- розробка математичної моделі квазістатичних напружень, які з'являються у робочій лопатці при зіткненні з великими вторинними краплями вологи;

- розробка універсальної математичної моделі краплеударної ерозії лопаткових матеріалів при високошвидкісному ударному впливі ерозійно-небезпечних крапель вологи;

- ідентифікація комплексної математичної моделі ерозії робочих лопаток останніх ступенів ЦНТ;

- визначення факторів ерозійного зношування, що істотно впливають на ерозійну стійкість, економічність і вібраційну надійність останніх ступенів ЦНТ за допомогою розробленої інформаційної системи прогнозування ерозійного зношування робочих лопаток;

- розробка нового ефективного способу пасивного захисту від ерозії робочих лопаток останніх ступенів ЦНТ;

- розробка наукових основ нового способу активного захисту останніх ступенів ЦНТ від ерозії за допомогою надвисокочастотного електромагнітного поля (НВЧ ЕМП);

Об'єкт дослідження - робоча лопатка останнього ступеня потужної парової турбіни.

Предмет дослідження - робочі процеси в частинах низького тиску енергетичних турбін, що визначають ерозійне зношування робочих лопаток останньої ступені.

Методи дослідження - методи математичного і фізичного моделювання робочих процесів у волого-парових турбінних ступенях, що обумовлюють ерозійне зношування робочих лопаток.

Наукова новизна одержаних результатів. На основі проведених теоретичних і експериментальних досліджень вирішена актуальна наукова-прикладна проблема інформаційного забезпечення ефективного комплексного захисту останніх ступенів енергетичних турбін від ерозійного зношування та підвищення на цій базі їхньої потужності й економічності. Наукова новизна одержаних результатів полягає в такому:

1. Вперше на базі розробленої математичної моделі напружень у хвилі Релея запропонований фізично обґрунтований метод визначення основних факторів ерозійного руйнування, що діють у матеріалі робочих лопаток при їхньому співударянні з ерозійно-небезпечними краплями вологи.

2. Вперше розроблена математична модель нестаціонарного гідро-динамічного процесу, що виникає на плямі контакту великої вторинної краплі вологи з робочою лопаткою при їхньому високошвидкісному співударянні, і запропонований метод розрахунку параметрів її силового впливу на робочу лопатку.

3. Вперше запропонована універсальна математична модель схованого періоду ерозійного руйнування лопаткового матеріалу, що враховує кі-нетику даного процесу та основні фактори ерозійного впливу вторинних крапель на матеріал у початковій і завершальній стадіях їхньої ударної взаємодії з робочою лопаткою.

4. Вперше теоретичним шляхом виявлена локалізація вібраційних напружень у периферійній частині довгих робочих лопаток останніх ступенів у зонах розвиненого ерозійного зношування профільної поверхні.

5. Вперше запропоновано науковий підхід до розробки комплексного протиерозійного захисту останніх ступенів енергетичних турбін на базі інформаційної системи прогнозування зношування їхніх робочих лопаток при зміні геометричних і режимних характеристик даних ступенів, а також умов експлуатації паротурбінних установок (ПТУ).

6. На базі розробленої універсальної математичної моделі ерозії, інтегрованої в інформаційну систему прогнозування ерозійного зношування робочих лопаток останніх ступенів ЦНТ, запропоновано фізично обґрунтований критерій їхньої ерозійної стійкості, що дозволив визначити метод, параметри та умови нанесення на вхідні кромки високоефективного протиерозійного захисного покриття.

7. Запропоновано і обґрунтовано новий ефективний спосіб активного захисту робочих лопаток останніх ступенів від ерозії за допомогою підведеного в проточну частину надвисокочастотного електромагнітного поля (НВЧ ЕМП), який дозволяє забезпечити істотне підвищення потужності, економічності та вібраційної надійності даних ступенів.

Практичне значення одержаних результатів.

1. Розроблена математична модель напружень у хвилі Релея, що виникають у робочій лопатці при співударянні із вторинними краплями вологи, дозволяє знаходити їхні характеристики, які визначають кінетику ерозійного руйнування лопаткового матеріалу, встановлювати механізм ерозійного руйнування матеріалу вхідних кромок при зміні умов краплеударного навантаження та проводити фізично обґрунтовані оцінки його довговічності.

2. Запропоновано універсальну математичну модель інкубаційного періоду руйнування матеріалу робочих лопаток при високошвидкісному ударному впливі ерозійно-небезпечних крапель вологи, на базі якої розроблений фізично обґрунтований метод прогнозування ерозійного зношування робочих лопаток останніх ступенів при зміні їх режимних і геометричних характеристик.

3. Запропонований науковий підхід до проблеми ерозійного зношування робочих лопаток останніх ступенів енергетичних турбін і створена для її розв'язання інформаційна система дозволяють розробляти комплексні проблемно-орієнтовані протиерозійні заходи в проточній частині з урахуванням режимів експлуатації паротурбінних установок.

4. Розроблена комплексна математична модель ерозії робочих лопаток, інтегрована в інформаційну систему прогнозування характеристик ерозійної і вібраційної надійності останніх ступенів, дозволяє створювати ефективні вакуумні протиерозійні захисні покриття для робочих лопаток цих ступенів, істотне збільшуючи їхню ерозійну стійкість і вібраційну надійність.

5. Теоретично і експериментально обґрунтовані метод, параметри та технологічні умови нанесення на вхідні кромки робочих лопаток останніх ступенів енергетичних турбін тонкого хромового вакуумного протиерозійного захисного покриття, що дозволяє збільшити ерозійну стійкість робочих лопаток більш ніж в 5,5 разів у порівнянні із традиційними способами їхнього пасивного захисту від ерозії.

6. Розроблено новий спосіб активного захисту робочих лопаток останнього ступеня від ерозії, захищений патентом України, що дозволяє підвищити ефективність периферійного вологовидалення з осьового зазору даного ступеня більш ніж в 5,9 разів у порівнянні з традиційними способами його реалізації. Запропонований спосіб активного захисту від ерозії, який використовує властивості НВЧ ЕМП, дозволяє значно підвищити ерозійну стійкість, потужність й економічність останнього ступеня.

7. Обґрунтовано необхідність використання при організації в проточній частині активного захисту робочих лопаток від ерозії за допомогою НВЧ ЕМП плазмових конструкційних НВЧ-поглинаючих покриттів з керметів і розроблений метод оцінки міцності зчеплення таких покриттів з підкладкою з лопаткового матеріалу.

Результати дисертаційної роботи впроваджені: на ВАТ “Турбоатом”, м. Харків (акт про впровадження від 27.01.1989 р., довідка про обсяг застосування результатів науково-дослідної роботи від 17.08.1990р.), в ІФТТМТ ННЦ ХФТІ, м. Харків (довідка про використання результатів досліджень від 26.10.2006р.).

Особистий внесок здобувача. Сформульований фізично обґрунтований критерій ерозійної стійкості робочих лопаток останніх ступенів [1]; на базі чисельних досліджень характеристик ерозійного зношування останніх ступенів установлені і проаналізовані причини великого розкиду експериментальних даних про ерозійне зношування; розроблена процедура дворівневої ідентифікації комплексної математичної моделі ерозії робочих лопаток [2]; за даними натурних досліджень зон ерозійних пошкоджень робочих лопаток різних енергетичних турбін виконана ідентифікація запропонованої математичної моделі ерозії; показана її працездатність при прогнозуванні зношування робочих лопаток останніх ступенів різного типорозміру [3]; проведені комплексні чисельні дослідження ерозійної стійкості останніх ступенів потужних парових турбін; виявлений і обґрунтований сильний вплив експлуатаційних режимів ПТУ на характеристики ерозійного зношування робочих лопаток останніх ступенів [5], [24], [27]; проведений аналіз впливу фактора корозійної небезпеки, що діє у волого-парових турбінних ступенях, на процес краплеударної ерозії робочих лопаток останнього ступеня; обгрунтований зневажливо малий вплив даного фактора на ерозійний процес [6]; обґрунтована структура та сформульовані основні принципи побудови універсальної інформаційної системи прогнозування ерозійної й вібраційної надійності останніх ступенів ЦНТ; проведені чисельні дослідження показників ерозійної й вібраційної надійності даних ступенів на різних експлуатаційних режимах ПТУ [8], [22], [23]; проведені обчислювальні дослідження ерозійної стійкості робочої лопатки останнього ступеня потужної парової турбіни при зміні масової витрати плівкової вологи через цей ступінь, проведений аналіз впливу сепараційно-випарного видалення плівки конденсату з напрямного апарата ступеня на інтенсивність ерозії робочих лопаток у периферійних перерізах [9]; розроблена структура універсальної інформаційної системи прогнозування основних експлуатаційних характеристик останніх ступенів енергетичних турбін, що змінюються внаслідок ерозійного зношування робочих лопаток; на базі чисельних досліджень ерозійної стійкості останнього ступеня потужної парової турбіни визначені її характеристики, які сильно впливають на інтенсивність ерозійного зношування робочих лопаток [10], [26]; за допомогою розробленої інформаційної системи виконані комплексні чисельні дослідження змін економічності останнього ступеня, а також вібраційних характеристик її робочої лопатки, викликані зміною форми пера внаслідок ерозії; виявлена локалізація вібраційних напружень у периферійній зоні робочих лопаток останніх ступенів, обумовлена ерозійним процесом на вхідних кромках [12], [28], [29]; обґрунтована можливість практичної реалізації та висока ефективність захисту останніх ступенів потужних парових турбін від ерозії за допомогою підведеного в проточну частину надвисокочастотного електромагнітного поля (НВЧ ЕМП) [13]; виконана постановка завдання по створенню нового способу активного захисту останніх ступенів від ерозійного зношування, що грунтується на фізичних властивостях НВЧ ЕМП; обґрунтована необхідність і метод нанесення на напрямні лопатки останніх ступенів конструкційного НВЧ-поглинаючого покриття, що дозволяє забезпечити їхній протиерозійний захист за допомогою НВЧ ЕМП [16]; запропонований метод розрахунку основних параметрів вакуумного протиерозійного захисного покриття робочих лопаток, обґрунтований вибір товщини та умов нанесення на вхідні кромки ефективного тонкого вакуумного протиерозійного захисного покриття [19]; запропонований новий спосіб активного захисту від ерозії робочих лопаток останніх ступенів і принципова схема його реалізації в проточній частині потужних парових турбін [21].

Роботи [4], [7], [11], [14], [15], [17], [18], [20], [23], [25] написані без співавторів.

Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертаційної роботи доповідалися, обговорювалися та одержали позитивну оцінку на:

7-th International Conference on Erosion by Liquid and Solid Impact (Cambridge, England, UK, 1987); IX-th Conference Steam Turbines of Large Output (Karlovy Vary, Czechoslovakia, 1989); респ. наук.-техн. конференції “Математическое моделирование и вычислительный эксперимент для совершенствования энергетических и транспортных турбоустановок в процессе исследования, проектирования, диагностирования и безопасного функционирования” (Зміїв, 1991); міжнар. наук.-техн. конференції “Совершенствование энергетических и транспортных турбоустановок методами математического моделирования, вычислительного и физического экспериментов” (Зміїв, 1994); міжнародних науково-технічних конференціях “Удосконалювання турбоустановок методами математичного і фізичного моделювання” (Харків, Україна, 1997, 2000, 2003); VIII всесоюзній конференції “Двухфазный поток в энергетических машинах и аппаратах” (Ленінград, Росія, 1990); International Conference on Erosive and Abrasive Wear (ICEAW-98) incorporating IX-th International Conference on Erosion by Liquid and Solid Impact (ELSI IX) (Cambridge, England, 1998); міжнародних конгресах двигунобудівників (Рибач'е, Крим, Україна, 1998, 1999, 2000, 2001, 2004, 2005, 2006, 2007); міжнародної конференції “Оценка и обоснование продления ресурса элементов конструкций” (Київ, 2000).

Публікації. Основні результати дисертації викладено в 29 наукових роботах; 21 робота - у виданнях, затверджених ВАК України, з них 8 статей без співавторів і 1 патент; 8 робіт - матеріали конференцій.

Структура і обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається із вступу, восьми розділів, висновків, переліку використаних джерел з 270 найменувань та 4 додатків. Обсяг дисертації становить 308 сторінок друкованого тексту, 74 рисунка, 11 таблиць, усього 372 сторінки.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

напруження кінетика ерозійний руйнування

У вступі обґрунтовано актуальність роботи; сформульовані мета і задачі досліджень; викладені дані, що розкривають наукову новизну та практичне значення роботи; наведена інформація про апробацію роботи, публікації і особистий внесок автора.

Перший розділ присвячено аналізу існуючих математичних моделей краплеударної ерозії, методів прогнозування ерозійного зношування робочих лопаток останніх ступенів потужних парових турбін, сучасних способів їхнього протиерозійного захисту. З урахуванням його результатів була сформульована концепція побудови універсальної інформаційної системи прогнозування ерозійної небезпеки в проточній частині.

У результаті проведеного аналізу було встановлене таке.

Відомі в цей час математичні моделі краплеударної ерозії містять багато фізичних протиріч і тому не можуть служити теоретичною базою для створення універсальної інформаційної системи прогнозування ерозійного зношування робочих лопаток.

Способи активного захисту робочих лопаток від ерозії, що грунтуються на традиційних механізмах виведення із проточної частини ерозійно-небезпечної краплинної вологи, є недостатньо ефективними і призводять до значного зниження потужності та економічності останніх ступенів внаслідок значних втрат робочого тіла.

Способи активного протиерозійного захисту, у яких реалізується більш раннє скидання плівкового конденсату в паровий потік, також не можуть розглядатися як перспективні, оскільки істотного зменшення розмірів вторинних крапель вологи таким шляхом досягти не вдається. Крім того, опубліковані дані натурних досліджень останніх ступенів ЦНТ енергетичних турбін показують, що навіть порівняно невеликі за розміром вторинні краплі можуть здійснювати інтенсивний ерозійний вплив на робочі лопатки.

Способи пасивного захисту робочих лопаток від ерозії, розроблені до цього часу, є недостатньо ефективними, оскільки не враховують природи імпульсного краплеударного навантаження лопаткового матеріалу та пов'язану із цим навантаженням кінетики його ерозійного руйнування.

Надійне прогнозування характеристик ерозійного зношування робочих лопаток останніх ступенів ЦНТ енергетичних турбін, істотне підвищення їх основних експлуатаційних показників можна забезпечити тільки за допомогою інформаційної системи прогнозування ерозійної небезпеки в проточній частині, що базується на універсальній математичній моделі краплеударної ерозії лопаткових матеріалів, враховуючої основні фактори ерозійного впливу на матеріал.

Другий розділ дисертації присвячено теоретичному обґрунтуванню механізму краплеударной ерозії робочих лопаток парових турбін.

У ньому наведена постановка задачі про хвильові напруження, що виникають у робочих лопатках волого-парових ступенів при співударянні з ерозійно-небезпечними краплями вологи і її розв'язок, що дозволило обґрунтувати діючий у лопатковому матеріалі механізм ерозійного руйнування, який відповідає характерним умовам роботи останніх ступенів ЦНТ потужних парових турбін.

Відомі в цей час математичні моделі напруженого стану робочих лопаток, обумовленого ударами великих вторинних крапель вологи, або є занадто спрощеними і тому не дозволяють пояснити багато експериментальних даних по краплеударній ерозії, або є надто складними та мають такі особливості, які не дозволяють їх використати для прогнозування ерозії робочих лопаток.

Таким чином, побудова фізично обґрунтованої математичної моделі напруженого стану робочих лопаток останніх ступенів ЦНТ внаслідок високошвидкісних ударів ерозійно-небезпечних крапель конденсату є основним етапом у визначенні і обґрунтуванні фізичного механізму краплеударної ерозії.

Хвильові напруження в робочій лопатці внаслідок ударів ерозійно-небезпечних крапель були знайдені в результаті розв'язання диференціальних рівнянь руху пружного ізотропного середовища (матеріал робочої лопатки) з урахуванням початкових і граничних умов, які забезпечують пошук такого розв'язку цих рівнянь, що відповідає основному факторові ерозійного руйнування матеріалу робочої лопатки, яка випробовує високошвидкісний краплеударний вплив - хвилі Релея.

Впливом інших хвиль (поздовжньої, поперечної) на процес эрозійного руйнування робочих лопаток, як показали опубліковані результати досліджень різних авторів, можна зневажити.

Розв'язок задачі про хвилю Релея з урахуванням відзначених вище початкових і граничних умов, а також умови (1), що відбиває характер навантаження поверхні робочої лопатки тиском внаслідок удару ерозійно-небезпечної краплі, дозволило повністю визначити основний руйнуючий фактор початкової стадії процесу ерозійного руйнування лопаткового матеріала - напружень, обумовлених поширенням хвилі Релея.

У даній роботі наведена математична модель нестаціонарних напружень у хвилі Релея, побудована на базі класичного підходу до цієї проблеми, що був запропонований Тимошенко й Гуд'єром. Розроблена модель хвильових напружень виражається залежностями (2) - (8).

Чисельні дослідження були виконані для характерних умов кра-плеударного навантаження вхідних кромок робочих лопаток останніх ступенів ЦНТ енергетичних турбін у периферійних перерізах.

Із рис. 2 добре видно, що точки поверхні робочої лопатки випробовують різну кількість циклів навантаження залежно від свого розташування стосовно центра удару краплі.

У наведених формулах використані такі позначення:

M_R - стала, залежна від пружних властивостей матеріалу, у якому поширюється хвиля Релея; для лопаткової сталі типу 20Х13 вона може бути прийнята як така, що дорівнює M_R = 1,58; p - осереднений за площею плями контакту тиск від удару краплі, що приймається протягом усього часу ударної взаємодії краплі із твердою перешкодою сталим; R = r/(C₁t₁) - безрозмірна радіальна координата точок поверхні перешкоди в кільцевій зоні , охопленої хвильовим процесом, що відраховується від центра удару краплі; R = r_n/(C₁t₁) - безрозмірна радіальна координата границі плями контакту краплі з поверхнею перешкоди, відлічувана від центра удару краплі; r_n = a(t) - поточне значення радіуса плями контакту краплі з перешкодою; C₁ - швидкість поздовжньої хвилі в матеріалі перешкоди; t₁ - час, відлік якого виконується з моменту виникнення контакту краплі (струму) з перешкодою при їхньому співударянні до моменту відриву фронту поздовжньої хвилі від фронту ударного тиску p; - час відриву фронту поздовжньої хвилі від фронту тиску; - час відриву фронту хвилі Релея від фронту тиску; T_R = t_R/t₁ - безрозмірний час відриву фронту хвилі Релея від фронту тиску; T = t/t₁ - безрозмірний поточний час; h² = ²_м /( + 2G); k² = ²_м /2G; , де - циклічна частота хвилі Релея, _м - густина матеріалу перешкоди; и G - константи Ламе матеріалу перешкоди.

Для діапазону ударних чисел Маха (, де - швидкість звуку в конденсаті, що становить найбільший інтерес із погляду проблеми краплеударної ерозії робочих лопаток останніх ступенів потужних парових турбін, теоретичним шляхом отримана формула для визначення часу ударної взаємодії ерозійно-небезпечної краплі з робочою лопаткою, що добре кореспондує відомим експериментальним оцінкам.

Отримані результати дають підставу говорити про механізм руйнування лопаткового матеріалу при одиночному ударі ерозійно-небезпечної краплі вологи як про механізм малоциклової утоми, що реалізується на деякому віддаленні від центра удару краплі.

З іншого боку, при характерних режимах роботи останніх ступенів ЦНТ енергетичних турбін реалізується механізм багатоциклової утоми лопаткового матеріалу.

Третій розділ дисертації присвячено розробці універсальної математичної моделі краплеударної ерозії матеріалу робочих лопаток останніх ступенів потужних парових турбін.

Перший етап її розробки був пов'язаний з побудовою і обґрунтуванням математичної моделі високошвидкісного удару великої вторинної краплі конденсату по робочій лопатці.

На рис. 3 наведено схему ідеалізації удару по вхідній кромці робочої лопатки ерозійно-небезпечної краплі сферичної форми, що приймалася при побудові математичної моделі нестаціонарної течії конденсату в даній краплі.

У роботі наведена аналітична модель нестаціонарної течії конденсату в ерозійно-небезпечній краплі, відповідно до якої гідродинамічні параметри в сферичній ерозійно-небезпечній краплі при її високо-швидкісному співударянні з робочою лопаткою розглядаються як сталі в межах малих інтервалів часу ударної взаємодії, що визнаються за допомогою формули (3). При цьому на кожному кроці за часом взаємодії (t_k) сферична крапля заміняється еквівалентною циліндричною зі змінною висотою H(t) і радіусом основи L(t), що співпадає з радіусом плями контакту a(t) сферичної краплі, що деформується при ударі. Конденсат, присутній в ерозійно-небезпечній краплі, розглядається як ідеальна нестислива рідина. Його течія у краплі передбачається потенційною і осесиметричною.

У такій постановці гідродинамічний процес в ерозійно-небезпечній краплі визначається потенціалом швидкостей U(r,z), який задовольняє рівнянню Лапласа без правої частини.

Верхній торець і бічна циліндрична поверхня еквівалентної краплі передбачаються вільними, а швидкість руху конденсату в краплі на нижньому торці (плямі контакту з лопаткою) приймається такою, що дорівнює швидкості нормального удару лопатки по торцю краплі.

Як приклад був виконаний розрахунок нестаціонарного тиску на плямі контакту й сили удару, що діє на робочу лопатку в периферійному перерізі останнього ступеня турбіни КТ-40/32-6,4 ВАТ “Турбоатом”, при її співударянні з ерозійно-небезпечною краплею модального розміру.

Для параметрів у розрахунку приймалися такі значення: радіус краплі r_k = 510-⁵ м; густина конденсату в краплі _ж = 1000 кг/м³; швидкість нормального удару по вхідній кромці м/с; густина матеріалу робочої лопатки (20Х13) _м = 7800 кг/м³. Коефіцієнт Пуассона, модуль Юнга та модуль зрушення для лопаткового матеріалу (20Х13) приймалися відповідно:  = 0,3; E = 2,1810¹¹ Н/м²; G = 8,3810¹⁰ Н/м².

Результати розрахунку сили удару як функції часу ударної вза-ємодії краплі з лопаткою , виконані за допомогою розробленої математичної моделі, наведені на рис. 6 (крива 2).

Там же для порівняння наведені розрахункові значення нестаціонарної сили удару , отримані Р.Г. Перельманом на основі чисельного моделювання високошвидкісного удару краплі вологи по поверхні робочої лопатки = F_уд/(_жV₀C₀r_k²); =C₀t/r_k (крива 1).

З порівняння кривих 1 і 2, наве-дених на рис. 6, видно, що сила удару, що діє на робочу лопатку з боку еро-зійно-небезпечної краплі, визначеної в результаті інтегрування тиску (12) по площі плями контакту зі змінним радіусом, монотонно зростає протягом усього часу ударної взаємодії (t_k).

З іншого боку, сила удару краплі, визначена за методом Р.Г. Перельмана, має інший характер зміни, що суперечить відомим експериментальним даним.

Розроблена математична модель удару ерозійно-небезпечної краплі вологи по робочій лопатці дозволила обґрунтувати зростаючу в часі контакту роль квазістатичних напружень, що встановлюються в робочій лопатці на пізніх стадіях її ударної взаємодії з великими вторинними краплями вологи.

Другий етап розробки універсальної математичної моделі краплеу-дарної ерозії лопаткових матеріалів пов'язаний з побудовою математичної моделі квазістатичних напружень, що виникають у робочій лопатці внаслідок удару ерозійно-небезпечної краплі, які діють у лопатковому матеріалі протягом такого інтервалу часу ударної взаємодії: t_ст < t  t_k.

При розробці математичної моделі квазістатичних напружень передбачалося (так само як і при побудові математичної моделі хвильових напружень), що за межами плями контакту як нормальні, так і дотичні напруження дорівнюють нулю.

Задача про квазістатичні напруження в робочій лопатці внаслідок удару ерозійно-небезпечної краплі розглядалися в рамках класичного підходу до вирішення контактних задач, що базується на використанні потенційних функцій Буссинеска. З метою спрощення розв'язання задачі приймалася умова, що дотичні зусилля на плямі контакту ерозійно-небезпечної краплі з робочою лопаткою відсутні.

У виразі (16) параметр краплеударного навантаження n_j вхідної кромки визначає кількість ерозійно-небезпечних крапель вологи радіуса r_j, що випадають в одиницю часу на одиницю площі поверхні робочої лопатки поблизу розглянутої точки. Цей параметр, також як розміри (r_j) і швидкості нормального зіткнення () з робочою лопаткою вторинних крапель, що попадають на вхідну кромку в заданій точці, визначалися за відомим методом розрахунку. Індекс j змінюється від j = 1 до j = 10.

Адекватність залежності інкубаційного періоду краплеударної ерозії лопаткових матеріалів у вигляді (16) реальному процесу ерозійного руйнування, що розвивається в точках спочатку гладкої профільної поверхні робочої лопатки при ерозійному впливі досить крупних краплин вологи, оцінювалася за результатами порівняння розрахункових значень інкубаційного періоду ерозії з даними ерозійних випробувань зразків лопаткових матеріалів на краплеударних стендах, опублікованих різними авторами. Результати такого порівняння наведені на рис. 7.

Четвертий розділ дисертації присвячено ідентифікації побудованої математичної моделі ерозії робочих лопаток останніх ступенів ЦНТ.

Ідентифікація розробленої універсальної математичної моделі краплеударної ерозії виконувалася послідовно на двох рівнях:

а) ідентифікація математичної моделі процесу ерозійного руйнування лопаткового матеріалу за результатами стендових випробувань зразків при спрощеному і контрольованому краплеударному (струмоударному) навантаженні;

б) ідентифікація комплексної математичної моделі ерозійного зношування робочих лопаток останніх ступенів ЦНТ за даними їхніх натурних досліджень в умовах, коли краплеударне навантаження, що припадає на вхідні кромки робочих лопаток, є істотно більш складним і визначається неточно контрольованими умовами утворення різних потоків ерозійно-небезпечної краплинної вологи.

Ідентифікація математичної моделі ерозії на 1-му рівні зводилась до визначення констант ерозійної міцності (С_Е, k_Е) для обраного лопаткового матеріалу, а також емпіричних констант (, , , ) у рівняннях, що описують ерозійне зношування як функцію часу експозиції експериментального зразка при контрольованому краплеударному навантаженні в умовах стендового експерименту. Ця задача вирішувалась методами лінійного регресійного аналізу.

Ідентифікація математичної моделі ерозії на 2-му рівні зводилась до визначення методами лінійного регресійного аналізу взаємодії випадкової величини Z (ширини зони ерозійних пошкоджень вхідної кромки натурної робочої лопатки в заданому перерізі) і детермінованої величини z (ширини зони ерозійних пошкоджень у тому ж перерізі), що визначається за розробленою комплексною моделлю ерозії. При цьому передбачалося, що величина Z підкоряється нормальному закону розподілу. Як нульова гіпотеза приймалася гіпотеза про лінійну залежність випадкової величини Z від детермінованої величини z. Дана гіпотеза перевірялася за критерієм Стьюдента.

На рис. 8 наведено результати прогнозування в часі експлуатації ширини зони ерозійних пошкоджень на вхідній кромці робочої лопатки останнього ступеня ЦНТ польської енергетичної турбіни потужністю 200 МВт (ТК_200) у різних за висотою перерізах за допомогою запропонованого методу прогнозування характеристик ерозійного зношування.

Там же наведені дані натурного експерименту про зміни за часом експлуатації останнього ступеня енергетичної турбіни ТК-200 зон ерозійних пошкоджень її робочої лопатки в перерізах: , .

Порівняння отриманих теоретичних результатів з даними натурного експерименту дозволяє зробити висновок про те, що розроблена комплексна математична модель ерозії робочих лопаток останніх стуненів ЦНТ енергетичних турбін і запропонований на цій базі метод її прогнозування дозволяє визначати основні характеристики зношування натурних робочих лопаток.

П'ятий розділ дисертації присвячено побудові інформаційної системи прогнозування ерозії робочих лопаток останніх ступенів потужних парових турбін та їхніх основних показників, які змінюються в часі експлуатації внаслідок ерозійного зношування робочих лопаток.

Основними елементами інформаційної системи є:

1. Математична модель течії вологої пари в турбінних ступенях, що зберігає свою працездатність при варіюванні режимних параметрів ступенів у широкому діапазоні значень і дозволяє враховувати процеси утворення та трансформації вологи в проточній частині (в інформаційній системі використовується модель течії ВТІ).

2. Універсальна математична модель ерозії робочих лопаток останніх ступенів ЦНТ, запропонована в даній дисертаційній роботі.

3. Тривимірна скінченноелементна модель робочої лопатки останнього ступеня ЦНТ із формою, що змінюється внаслідок ерозійного зношування, вхідної ділянки профільної поверхні, розроблена в ІПМаш НАНУ під керівництвом д.т.н. Ю.С. Воробйова за участю автора даної роботи.

Змінні в часі геометричні характеристики робочої лопатки задавалися відповідно до профілю її поперечних перерізів, обраних за довжиною лопатки, що змінюються внаслідок ерозії.

При проведенні чисельних досліджень змін вібраційних характеристик робочої лопатки розглядалися її вільні коливання.

У результаті проведених чисельних досліджень встановлено, що власні частоти коливань робочої лопатки останнього ступеня ЦНТ внаслідок ерозійного зношування підвищуються до 5 %. При цьому форми переміщень змінюються незначно, однак вищі форми вібраційних напружень у місцях розташування найбільш розвинених ерозійних пошкоджень набувають помітних сплесків.

Результати прогнозування ерозійного зношування робочої лопатки останнього ступеня ЦНТ турбіни К-220-44 ВАТ “Турбоатом”, отримані за допомогою запропонованої інформаційної системи в найбільш ерозійно-небезпечній периферійній зоні на момент часу t_е = 20000 годин і t_е = 100000 годин експлуатації на номінальному режимі, показані на рис. 10.

На рис. 11 наведено результати розрахунку ерозійної небезпеки, що визначені за розробленим відносним критерієм (), яка виникає в точках опуклої поверхні робочої лопатки з різними осьовими координатами () в периферійному перерізі () останнього ступеня турбіни К-220-44-2М ВАТ “Турбоатом” при різних значеннях температури охолоджувальної води в конденсаторі. Наведені результати дозволяють розробляти обґрунтовані протиерозійні заходи в проточній частині, що враховують геометричні і режимні характеристики ступенів, а також реальні умови експлуатації паротурбінних установок.

Шостий розділ присвячено розробці і експериментальному обґрунтуванню високої ефективності нового способу пасивного захисту від ерозії робочих лопаток останніх ступенів енергетичних турбін.

На основі універсальної математичної моделі краплеударної ерозії лопаткових матеріалів, інтегрованої в інформаційну систему прогнозування ерозійного зношування робочих лопаток останніх ступенів ЦНТ парових турбін, було сформульовано та вирішено задачу створення для цих лопаток високоефективного протиерозійного захисного покриття за технологією атомно-іонного розпилення (АІР) матеріалів у вакуумі.

Запропонована інформаційна система дозволяє визначати на профільній поверхні робочої лопатки зони з найменшою ерозійною стійкістю та обґрунтовано вибирати такі параметри протиерозійного покриття, які зможуть забезпечити надійний пасивний захист робочої лопатки від ерозійного зношування.

Одним з основних питань при створенні протиерозійного захисного покриття для робочої лопатки останнього ступеня є питання про величину і знак структурних макронапружень, що виникають у захисному покритті на поверхні розділу "підкладку - покриття", і результат їхньої суперпозиції з напруженнями, що виникають у покритті при експлуатації робочої лопатки. Проведені розрахунково-експериментальні дослідження показали, що тонке (  20 мкм) хромове вакуумне покриття, у якому осереднені за товщиною внутрішні напруження є стискаючими і дорівнюють _ос  300 МПа, дозволяє компенсувати найбільші розтягуючи напруження у хвилі Релея на зовнішній поверхні покриття в периферійній зоні довгої робочої лопатки останнього ступеня потужної парової турбіни від ударів досить великих ерозійно-небезпечних крапель.

Чисельний експеримент на розробленій моделі ерозії показав, що товщину хромового вакуумного протиерозійного покриття на вхідній кромці, обрану відповідно до розрахункових параметрів напружень у хвилі Релея і законом її загасання вглиб покриття, у найбільш ерозійно-небезпечній точці профільної поверхні робочої лопатки останнього ступеня потужної парової турбіни можна прийняти такою, що дорівнює   25 мкм.

Для експериментального обґрунтування високої ерозійної стійкості запропонованого для захисту від ерозії робочих лопаток останніх ступенів ЦНТ тонкого хромового вакуумного покриття, одержуваного методом АІР, виконана порівняльна оцінка його ерозійної стійкості по відношенню до захисного покриття, одержуваного методом електроіскрового зміцнення поверхні робочих лопаток сплавом Т15К6, що використовується у ВАТ “Турбоатом”. Для порівняння було обрано саме таке протиерозійне покриття, оскільки відомо, що його ерозійна стійкість приблизно на 20 % вище, ніж ерозійна стійкість лопаткової сталі, зміцненою загартуванням ТВЧ, що також застосовується у ВАТ "Турбоатом" для захисту робочих лопаток від ерозії.

Порівняльна експериментальна оцінка проводилася на стенді та за методикою ІФТТМТ ННЦ ХФТІ. Отримані результати стендових випробувань захисних покриттів наведено на рис. 12.

В експерименті на стенді встановлено, що ерозійна стійкість розроб-леного захисного покриття, отриманого методом АІР, в 5,7 разів перевищує ерозійну стійкість захисного покрит-тя, отриманого методом електроіскрового зміцнення. Макродефекти (шорсткість) зовнішньої поверхні покрит-тя, отриманого методом електроіскрового зміцнення, виступають у ролі штучно створених на профільній поверхні робочої лопатки сильних концентраторів нап-ружень у хвилі Релея, що обумовлюють інтенсивний процес його ерозійного руйнування.

Концентратори напружень подібного роду на зовнішній поверхні тонкого хромового вакуумного захисного покриття відсутні.

Сьомий розділ дисертації присвячено розробці наукових основ нового способу активного захисту робочих лопаток від ерозії - за допомогою НВЧ ЕМП. На цей спосіб активного захисту отриманий патент України.

У цьому розділі обґрунтована можливість істотного підвищення потужності, економічності та ерозійної стійкості останніх ступенів потужних парових турбін при переході від традиційних способів периферійного вологовидалення до принципово нового способу їхнього активного захисту від ерозії, що базується на використанні властивостей НВЧ ЕМП. Аналіз можливостей поліпшення показників потужності, економічності та ерозійної стійкості останніх ступенів ЦНТ, які відкриваються в рамках даного підходу, виконаний на прикладі останнього ступеня ЦНТ енергетичної турбіни К-220-44 ВАТ "Турбоатом", що має високі експлуатаційні показники.

В основі запропонованого способу активного захисту робочих лопаток останніх ступенів ЦНТ від ерозії лежить ефект розігріву НВЧ ЕМП деяких речовин, здатних інтенсивно поглинати НВЧ-енергію. При цьому металеві поверхні елементів конструкції проточної частини не здатні поглинати енергію НВЧ ЕМП, а можуть тільки багаторазово її перевідбивати в об'ємі ступеня. Ідея даного способу протиерозійного захисту полягає в закритті традиційно застосовуваних на периферії останніх ступенів кільцевих вологовидаляючих щілин високоміцним радіопрозорим матеріалом (кварцовим склом) і використання їхнього об'єму для підведення в проточну частину по стандартних хвилеводах НВЧ ЕМП, здатного зробити необхідний теплофізичний вплив на плівковий конденсат, що є основним джерелом ерозійно-небезпечних крапель.

Запропонована і обґрунтована принципова схема організації в проточ-ній частини ЦНТ енергетичних турбін периферійного вологовидалення за допомогою НВЧ ЕМП.

З урахуванням розглянутих особливостей течій плівки сопловими ло-патками останніх ступенів ЦНТ було встановлено таке.

Нагрівальні елементи, що несуть на собі конструкційне НВЧ-поглинаюче покриття, варто розмістити на периферії ступенів у зонах увігнутої поверхні напрямних лопаток, які безпосередньо прилягають до їхніх вихідних кромок. Параметри генераторів НВЧ ЕМП визначаються за допомогою запропонованої інформаційної системи за результатами чисельних досліджень в проточній частині ерозійної небезпеки, що виникає. Як генератори НВЧ-енергії можуть бути використані стандартні промислові магнетрони, що працюють у безперервному режимі.

Проведена оцінка впливу витоку робочого тіла в кільцеву щілину вологовидалення на потужність й економічність останнього ступеня турбіни К_220-44 ВАТ "Турбоатом" дозволила визначити можливе збільшення відносного внутрішнього ККД і потужності даного ступеня за умови, що витоку пари відбуватися не буде. З урахуванням розрахункової оцінки зростання потужності ступеня, а також оцінки витрат електричної потужності НВЧ-генератора на випар плівкового конденсату в периферійній зоні її напрямного апарата отримана оцінка можливого зростання електричної потужності, що склала кВт.

На основі загальної теорії НВЧ-нагріву визначена ефективність периферійного вологовидалення за допомогою НВЧ ЕМП. При виконанні необхідних чисельних досліджень використовувалась математична модель взаємодії плоскої електромагнітної хвилі НВЧ-діапазона з НВЧ-поглинаючими матеріалами, запропонованої Ю.К. Ковнеристим, що була адаптована до умов розглянутої задачі.

У результаті чисельного експерименту на даній математичній моделі було встановлене таке:

а) конденсатна плівка, що рухається напрямними лопатками у периферійній зоні останнього ступеня потужної парової турбіни, яка має товщину ~ 10 мкм, практично не поглинає енергії НВЧ ЕМП;

б) для успішної реалізації в проточній частині активного захисту робочих лопаток від ерозії за допомогою НВЧ ЕМП необхідно на периферії напрамних лопаток у зонах найбільшої концентрації плівкового конденсата розмістити нагрівальні елементи, що несуть на собі конструкційне НВЧ-поглинаюче покриття.

На прикладі керамічного покриття, пори якого заповнені яким-небудь провідним матеріалом (наприклад конденсатом) відпрацьована методика розрахунку основних параметрів НВЧ-поглинаючого покриття, яке дозволяє забезпечити високу ефективність його роботи. Результати чисельних досліджень наведені на рис. 13.

Подані на рис. 13 результати дозволяють вибрати режим і параметри газотер-мічного напилювання НВЧ-поглинаючого покриття з оксиду алюмінію на підкладку з лопаткового матеріалу за критерієм (1-|R|²), що визначає ефективність поглинача НВЧ-випромінювання.

Такий підхід до розробки НВЧ-поглинаючого покриття дозволив запропонувати більше ефективні поглиначі НВЧ-випромінювання - кермети.

Для виготовлення зразка нагрівального елемента, що може бути розміщений на ввігнутій поверхні порожньої соплової лопатки в периферійній зоні останнього ступеня ЦНТ енергетичної турбіни, використаний кермет складу: Al₂O₃ - 60% (вагових), Ni - 40% (вагових).

При встановленні працездатності запропонованого нагрівального елемента його випробовували у НВЧ-печі. Експериментальний нагрівальний елемент і контрольні зразки з лопаткового матеріалу без покриття з конденсатною плівкою встановлювали на теплоізолюючій основі для виключення можливого перетоку тепла, що в них виділяється, до елементів конструкції НВЧ-печі. Після підведення НВЧ ЕМП у робочу камеру НВЧ-печі було встановлене таке.

Зразок нагрівального елемента з НВЧ-поглинаючим покриттям із кермету зазначеного складу після включення НВЧ-печі швидко нагрівався, забезпечуючи кипіння і випар конденсатної плівки, що перебувала на ньому. Водночас сталеві контрольні зразки без покриття, що несуть на собі таку ж конденсатну плівку, не нагрівалися, зберігаючи початковий рівень температури конденсату. Експеримент проводився на режимі роботи НВЧ-печі, близькому до передбачуваного режиму підведення НВЧ-енергії в канали соплової решітки останнього ступеня ЦНТ за розробленою схемою.

З урахуванням отриманих експериментальних даних виконана розрахункова оцінка ефективності вологовидалення з периферійної зони останнього ступеня за допомогою запропонованого нагрівального елемента. Для розглянутого як приклад останнього ступеня вона склала  = 5,9 %, що в 5,9 разів перевищує ефективність сучасних систем периферійного вологовидалення за напрямним апаратом останніх ступенів, у яких використовуються традиційні способи сепарації вологи.

Восьмий розділ дисертації присвячено розробці методу розрахунку міцності зчеплення з поверхнею підкладки з лопаткового матеріалу часток плазмового НВЧ-поглинаючого покриття з кермету.

Контрольованими параметрами процесу нанесення плазмових покриттів є температура і тиск у зоні контакту рідких часток покриття із твердою підкладкою. Відомі математичні моделі незадовільно описують процес ударної взаємодії краплі розплаву матеріалу покриття, що наноситься плазмою, із твердою підкладкою, у результаті якої на плямі контакту повинні забезпечуватися необхідні параметри (тиск, температура) процесу напилювання.

Експериментальні дослідження, проведені різними авторами, показали, що для створення міцного плазмового покриття на поверхні металевої підкладки необхідно забезпечити швидкість нормального співударяння з нею краплі розплаву матеріалу покриття в діапазоні 100 - 300 м/с. При цьому діаметр часток покриття, що напилюються плазмою, звичайно лежить у діапазоні 20200 мкм.

Зазначений діапазон швидкостей нормального удару, а також діапазон розмірів рідких часток плазмового покриття відповідає діапазону параметрів удару ерозійно-небезпечних крапель вологи, що попадають на вхідні кромки робочих лопаток останніх ступенів ЦНТ енергетичних турбін, закономірності якого були розглянуті в 2-му й 3-му розділах дисертації.

В.В. Кудиновим було показано, що фізичні процеси, пов'язані з високошвидкісним ударом і розтіканням краплі води твердою підкладкою, відбуваються на основі закономірностей, які можна віднести також і до процесів, пов'язаних з ударом і розтіканням цією підкладкою краплі розплаву матеріалу плазмового покриття (металів, оксидів).

Таким чином, наведені вище теоретичні результати можна віднести також і до удару по підкладці з лопаткового матеріалу (20Х13) сферичної краплі розплаву оксиду алюмінію й нікелю, які можуть використовуватися при створенні плазмового НВЧ-поглинаючого керметного покриття. При цьому варто прийняти обґрунтовану В.В. Кудиновим гіпотезу про те, що кожна крапля розплаву матеріалу плазмового покриття взаємодіє із твердою підкладкою індивідуально.

...