Введение

Проблема повышения ресурса и надежности элементов энергетического оборудования является весьма важной и актуальной [1, с. 238].

Одной из основных причин снижения ресурса работы деталей турбинных ступеней является эрозия. Под эрозией понимают ускоренное разрушение элементов турбины, в первую очередь, лопаток вследствие попадания на поверхность детали образующихся в процессе работы и перемещающихся на высокой скорости крупнодисперсных капель влаги [2]. В результате, поверхность лопатки становится неровной, губчатой, с выступами и полостями (кавернами). Даже незначительная эрозия изменяет вибрационные и прочностные характеристики лопаток, а также снижает КПД ступени [3, с. 165].

Цель исследования: изучить влияние эрозионного износа на рабочие лопатки конденсационных турбин и предложить эффективные методы борьбы с этим явлением для повышения надежности и КПД турбинных ступеней.

Задачи исследования:

1. Проанализировать механизмы и основные причины эрозии рабочих лопаток при работе с влажным паром.

2. Исследовать методы защиты лопаток от эрозии.

Причины возникновения эрозии и методы борьбы с ней

Выделяют несколько возможных причин возникновения эрозии: 1) механическое (ударное) действие образующейся влаги; 2) кавитационные пузыри; 3) коррозия; 4) опасные механические напряжения в металле в сочетании с кавитацией.

Оценить влияние эрозии на лопатки турбины и важность борьбы с этим явлением, можно при помощи формулы Л.И. Дегтярёва [4]. Формула позволяет определить удельную силу ударного воздействия капель влаги (R/F), с учетом многих параметров турбинной ступени и потока. Например, для нержавеющих сталей при влажности в конце процесса расширения в турбине от 10 до 14%, срок службы лопаток может быть менее 3000 часов (Таблица 1).

Таблица 1 – Зависимость срока службы лопаток от величины удельной силы ударного действия капель влаги [4]

Различают три основные стадии эволюции эрозии лопаток:

I – инкубационный, который иногда разделяют на два самостоятельных периода: 1 – формирование дефектов кристаллической решётки; 2 – образование микротрещин при достижении критической концентрации дефектов [5, с. 31].

II – высокая скорость увеличения износа.

III –замедление темпа износа.

Рисунок 1 иллюстрирует динамику износа входных кромок во времени, для рабочих лопаток трех последних ступеней турбины, т.к. именно там наблюдается наибольшее воздействие эрозии [6, с. 50]. На графике чётко прослеживаются стадии развития эрозионного процесса.

Рисунок 1 – Уменьшение хорды профиля рабочей лопатки (Δb2) в зависимости от времени эксплуатации

1 – первая от выхода ступень, 2 – вторая от выхода ступень, 3 – третья от выхода ступень

Результаты исследования (рис. 1) отражают неоднородность влияния процесса эрозии на рабочие лопатки ступеней турбины. Так, для третьей от выхода ступени характерно линейное уменьшение хорды профиля рабочей лопатки. В случае предпоследней ступени наблюдается неравномерное распределение износа по поверхности. Наиболее интенсивное эрозионное разрушение отмечается на последней ступени, где, начиная со второй стадии процесса, фиксируется резкое увеличение скорости износа, обусловленного воздействием капельной эрозии. Полученные результаты свидетельствуют о максимальной подверженности последней ступени турбины эрозийному износу.

Способы борьбы с эрозией разделяют на два основных вида: активные и пассивные. К активным можно отнести:

1. Снижение влажности перед турбинной ступенью. Это можно сделать несколькими способами: увеличить начальную температуру пара; снизить начальное давление; снизить разделительное давление; организовать промежуточный перегрев пара в сочетании с внешней сепарацией; повысить давление в конденсаторе [3, с. 168].

2. Снижение влажности непосредственно в проточной части турбины (методы удаления влаги):

- внутриканальная сепарация;

- отсос влаги через щели в верхней части выходных кромок сопловых лопаток (применяется рядом английских фирм), для улавливания почти всей крупнодисперсной влаги, сходящей с кромок сопловых лопаток, т.к. именно там скапливается основная часть влаги.

- снижение местных сопротивлений (проволочные бандажи на лопатках, опорные стойки, резкие изменения геометрии проточной части и т.п.) позволяет избежать локального скопления влаги в потоке пара, что, в свою очередь, уменьшает риск возникновения эрозионных повреждений.

3. Снижение ударной нагрузки от капель влаги за счет увеличения осевого зазора между сопловыми и рабочими решетками, что позволяет добиться более эффективного дробления капель. Причём, чтобы не снижать эффективность ступени, рационально проектировать ступени так, чтобы в корневой части зазор оставался минимально возможным, увеличиваясь к периферии.

4. Снижение окружной скорости на периферии лопаток за счет уменьшения высоты лопаток последних ступеней и одновременного увеличения числа потоков (только при малых мощностях, т.к. такой путь приводит к увеличению числа цилиндров и, соответственно, усложнению конструкции и уменьшению надёжности) или перехода на пониженное число оборотов.

Пассивные методы борьбы с эрозией охватывают:

1. Стеллитовые напайки из кобальтового сплава отличающегося повышенной твердостью и износостойкостью, для защиты наиболее уязвимых зон лопаток – входных кромок.

2. Использование эрозионно-стойких материалов для создания лопаток. Наибольшей популярностью в этом случае пользуются титановые сплавы, демонстрирующие превосходную стойкость к износу при сохранении необходимых прочностных параметров.

3. Применение термической и другой, например, электронной, обработки лопаток или их частей, а также покрытие поверхности лопаток гидрофобными или гидрофильными покрытиями [5, с. 38].

В технической практике компании Сименс-Шуккерт применяется метод нанесения никелевых самоплавких сплавов плазменным напылением с дальнейшей обработкой наплавленного покрытия микроплазменным оплавлением [5, с. 36].

В настоящее время, широкое распространение получают вычислительные модели, учитывающие конструкцию турбины, материалы и условия работы.Такой комплексный подход помогает изучать, как происходит эрозия и какие способы её предотвращения наиболее эффективны в каждом отдельном случае, не прибегая к дорогостоящим опытам на натурных образцах [7].

Несмотря на это, механизм капельной эрозии и методы борьбы с ним до конца не изучены. Безусловно, проблема требует дальнейших разработок и изучения, т.к. капельная эрозия значительно влияет на работу турбины, ее экономические показатели и эффективность станции в целом.