Файл: Фаддеев И.П. Эрозия влажнопаровых турбин.pdf

2. ДВИЖЕНИЕ КАПЕЛЬНОЙ ВЛАГИ В ВЫХОДНЫХ ПАТРУБКАХ

При выборе конструктивной схемы выходного патрубка совре­ менной мощной паровой турбины со значительной длиной рабочей лопатки последней ступени предъявляется несколько основных требований, направленных на обеспечение высокой надежности и экономичности. Температура пара на входе в ЧНД на номиналь­ ных режимах редко превышает 250° С, поэтому влажнопаровая часть корпуса и выходной патрубок выполняются сварными из стального листового проката.

А

Подчинение внутреннего устройства конструкции выходного патрубка требованиям обеспечения минимальности аэродинами­ ческих потерь приводит к выполнению его с аэродинамическими направляющими вставками, отработанными на моделях. Отра­ ботка модели патрубка обычно производится на воздухе — одно­ фазной среде и не учитывает движения капельной влаги за по­ следней ступенью. Крупнодисперсная капельная влага в выход­ ном патрубке движется по криволинейным траекториям, встре­ чается со стенками, аэродинамическими вставками, распорными трубками и выступающими поверхностями внутри патрубка. При ударе капель происходит разбрызгивание влаги, ее отражение. Капельная влага собирается в пленки и струйки, стекающие по поверхности патрубка в конденсатор.

Частичные нагрузки турбины характерны незаполнением последней ступени паром по высоте лопаток РК [25]. Незаполнение ступени накладывает отпечаток на характер течения влаги в патрубке. Места ударов капель влаги о внутренние обводы патрубка показаны на рис. 1.2, снятом в одной из мощных турбин, проработавшей около 1000 ч главным образом на частичных ре­ жимах. Заштрихованные области подвержены наиболее интенсив­ ному воздействию капельной влаги. Большая закрутка капельной влаги, сходящей с рабочего колеса в верхней части лопатки, ха-

10

растеризуется несимметричностью полученной картины воздей­ ствия влаги.

Ребро жесткости 1, выполненное в патрубке в виде листового рассекателя, и поддерживающие ребра 2 в нижней части патрубка являются наиболее выступающими частями внутреннего обвода, приближенными к вращающимся задним кромкам рабочих лопа­ ток. Капельная влага ударяется о боковые поверхности указанных листовых ребер, разбрызгивается и попадает в корневую зону обратных токов, образующихся на частичных режимах работы турбины. Осевшая влага в виде пленок и струек стекает по аэро­ динамическим вставкам 3 и 4 на втулочный обвод 5 внутренней поверхности патрубка, по которому попадает на втулку и боковую поверхность диска рабочего колеса последней ступени.

Летящий в выходном патрубке поток капель при наличии кон­ центратора влаги на рабочих лопатках последней ступени или при сходе с периферийного обвода из щели между рабочей лопаткой и обоймой может вызвать эрозионный износ аэродинамических вставок 6, ребер жесткости или распорных труб 7. При обследова­ нии некоторых отечественных и зарубежных мощных турбин наблюдались указанные случаи эрозионного износа.

3. ЭРОЗИЯ ОБОЙМ

Осмотры деталей, омываемых влажным паром, выявили нали­ чие развитой эрозии не только на лопаточном аппарате, подвер­ женном сильному воздействию капельно-пленочной влаги. Эрозии подвержены детали обойм диафрагмы в местах соприкосновения с высокоскоростным многофазным потоком. Через последние сту­ пени влажнопаровых турбин проходит значительное количество частиц нерастворимых солей, продуктов коррозии и частичек металла от изношенных деталей турбин. Поэтому наблюдается износ, характерный для деталей, находящихся в потоке, содержа­ щем абразивные частицы. Наибольшему воздействию такого по­ тока подвержены поверхности над верхними концами рабочих лопаток.

Обычно обоймы последних ступеней диафрагм некоторых круп­ ных и большинства турбин средней мощности изготовлены из се­ рых чугунов марок СЧ 15—32, СЧ 28—48, МСЧ 32—52. Первый ферритно-перлитный, остальные — перлитные. Твердость указан­ ных марок чугунов находится в пределах НВ 160—240. В струк­ туре серых чугунов большая часть углерода находится в виде графита — мягкого и непрочного вещества. Графит делает чугун непрочным при ударном воздействии капель. При любой струк­ туре серого чугуна от повторяющихся капельных ударов проис­ ходит выбивание графита, а затем износ и выламывание частичек металла.

Особый вид износа получает чугун под действием гидроабра­ зивного потока. Детали гидромашин—турбин и насосов, работаю-

ц

щих в гидроабразивных потоках, имеют бороздчатый характер износа поверхностей деталей, соприкасающихся с потоком воды, содержащим твердые абразивные частицы [56]. В аналогичные условия попадают поверхности обойм диафрагм или корпусов влажнопаровых ступеней, расположенных над торцовыми поверх­ ностями концов рабочих лопаток. В зазоре между лопатками и поверхностью обоймы движется высокоскоростной капельный и гидроабразивный поток, который вызывает износ указанной по­ верхности. Данный износ наблюдался на ряде отечественных и зарубежных турбин.

На рис. 1.3 показаны проточные части последних ступеней турбин, на которых наблюдался эрозионный износ поверхностей обойм.

Виды А и £ на поверхности обойм турбины К-50-90-2, расположенные над РК 17 и 18-й ступеней, дают общее представ­ ление о характере их износа.

В турбине К-50-90-2 ЛМЗ изношенные поверхности, показан­ ные на виде А и Б (рис. 1.3, а), имели небольшой свес над перед­ ними кромками за профиль концов рабочих лопаток. Задние кромки лопаток РК 17-й предпоследней ступени были открыты до горла на длину по оси 18 мм.

На виде А пятимиллиметровая по ширине передняя часть поверхности обвода имела круглоовальные изъязвления диа­ метром 1—1,5 мм и глубиной 0,5—1 мм, переходящие по краю указанной пятимиллиметровой зоны в продольные по окруж­ ности вращения борозды с расстоянием между гребнями 0,8—1 мм. Далее по ширине обоймы продольные борозды переходили в бо­ розды общего параболического направления с изогнутостью в сто­ рону вращения колеса.

Характер износа поверхности обоймы над входной частью про­ филя лопатки объясняется сходом влаги с входных кромок рабочих лопаток. Сход капельно-пленочной струи происходит с утолщен­ ной передней кромки и из канавки за стеллитовой напайкой, раз­ мещенной на рабочих лопатках 17-й ступени на длине 100 мм от верхнего конца. Открытие осевого зазора под задней кромкой ло­ паток РК 17-й ступени позволило сбросить влагу с рабочих лопа­ ток во влагоулавливающую щель между обоймой и диафрагмой последней 18-й ступени. Поэтому на виде А нет бороздки от влаги, стекавшей с задней кромки рабочих лопаток.

Двигавшаяся по боковой поверхности обоймы влага вызывала иной вид эрозии обоймы — бородчато-чешуйчатой (рис. 1.3, вид В). Короткие бороздки 4 промыли кольцевые следы 3 от обработки по­ верхности резцом. Характер эрозионного износа поверхности обоймы над периферией лопатки РК последней 18-й ступени ана­ логичен износу поверхности над лопатками РК 17-й ступени. Обе кромки периферийного профиля рабочих лопаток 18-й сту­ пени были прикрыты со свесом 3—4 мм. Над передней кромкой характер эрозии поверхности не изменился. Увеличилась только

.12

Ф2000

J 4

Рис. 1.3. Износ корпу­ сов и обойм в районе последних ступеней ЧНД турбин типа: а—

в— К-Ю0-90-5 (82000ч);

= 530/535° С, промпе-

регрев 3/3,3 МПа, 525/530° С (36 000 ч);

д — предпоследняя обандаженная ступень тихоходной турбины

13

ширина передней изношенной зоны до 12—13 мм и наметилась бороздка 1 от влаги (рис. 1.3, вид Б). Над задней кромкой намети­ лась бороздка 2 глубиной 0,3—0,4 мм шириной 5—8 мм на расстоя­ нии 20 мм от задней боковой стенки обоймы.

Аналогичный характер эрозионного износа наблюдался над последней 22-й ступенью турбины К-50-90-3 ЛМЗ [73], прорабо­ тавшей около 40 тыс. ч. В турбине перед последней ступенью вы­ полнен регенеративный отбор, изменена конфигурация перифе­ рийного обвода предпоследней и последней, ступеней. Характер эрозионного износа (рис. 1.3, вид Г) аналогичен износу поверх­ ности над 18-й ступенью. Однако передняя и задняя зоны износа располагаются на меньшем расстоянии от боковых поверхностей. Отчетливо просматриваются бороздки 1 и 2 над передней и задней кромками.

В турбине К-100-90-5 ЛМЗ с длиной лопатки последней сту­ пени 665 мм наблюдался более значительный бороздчатый износ над передней и задней кромками (рис. 1.3, вид Д ). Турбина про­ работала около 82 000 ч [73 ]. Значительный износ в виде бороздок можно объяснить повышенной влажностью за соплами последней ступени турбины К-100-90-5 (у = 13%) и длительной эксплуата­ цией.

Аналогичный износ наблюдался над последней ступенью гурбины К-50-90-2 (,у = 14,6%), проработавшей около 100 000 ч. Величина бороздок увеличивается с увеличением степени влаж­ ности и часов работы ступени.

Над периферийными концами рабочих лопаток последних шести ступеней одной из влажнопаровых турбин АЭС был обна­ ружен эрозионный износ поверхности корпуса над концами лопа­ ток реактивных ступеней. Металл был вычищен до блеска. По­ верхность имела все признаки износа, характерные для влажно­ паровых ступеней обычных стационарных турбин. Над входными и выходными кромками рабочих лопаток наблюдались промытые канавки шириной 2,5—3 мм глубиной 1,5—2 мм. Имелись следы бороздок, аналогичных наблюдаемым в стационарных турбинах.

4.ЭРОЗИОННЫЙ;ИЗНОС ВАЛОВ, ДИСКОВ, УПЛОТНИТЕЛЬНЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ

Большое внимание устранению эрозии наиболее подверженных эрозионному износу деталей — лопаточного аппарата часто остав­ ляет в стороне от каких-либо мер защиты элементы отдельных де­ талей и поверхностей валов, дисков, уплотнительных поверх­ ностей.

Кроме щелевого износа в разъеме корпуса ЧНД при эксплуата­ ции наблюдался щелевой износ на поверхности втулок дисков ра­ бочих колес ЧНД в районе диафрагменных уплотнений, у пери­ ферии дисков РК в щелях между диафрагмой и ободом рабочего колеса, в задних концевых уплотнениях. Во время износа поверх-

14

ного уплотнения с 0,6—0,8 мм на сторону до 1,5—2,5 мм и увеличе­ ние зазора под правым усиком уплотнения до 3—3,5 мм.

Продукты эрозии, влага и абразивные частицы, ударяясь о диск РК и поверхность диска диафрагмы и двигансь по траекториям3, вызвали кольцевой эрозионный износ полотна диска на глубину 0,8—1,2 мм. Кольцевая бороздка 2 была расположена примерно по диаметру разгрузочных отверстий.

Щелевая эрозия уплотнительной втулки была обнаружена в турбине К-50-29-1 (рис. 1.5) в районе уплотнения 40-й ступени

вержены износу диафрагмы со стороны входа влажного пара в сту­ пень.

Характер и вид эрозии диафрагмы турбины К-50-90-2 ЛМЗ со стороны входа пара после 80 000 ч работы показан на рис. 1.6. Боковые поверхности обода диафрагмы и периферийные торцовые поверхности каналов имели эрозионный износ.

На ударно-капельную природу указанных изъязвлений ука­ зывает одинаковый характер разрушений чугунных образцов на ударной струйной установке [56] и показанных на рис. 1.6 по­ верхностей. Входная сторона диска диафрагмы покрыта отложе­ ниями.

Поступавшая в диафрагму последней ступени ЧНД турбины К-100-90-5 капельная влага имела значительный угол атаки. Это привело к появлению на ободе в канале за лопатками 1 теневой области 2 от ударов капель (рис. 1.6).

Обод диафрагмы последней ступени ЛМЗ со стороны входа пара в ступень с длиной рабочей лопатки 665 мм эродирован до­ вольно значительно на всех обследованных турбинах данного типа, находившихся в эксплуатации более 30 000—40 000 ч. Для обода и диска характерно вымывание чугуна (3) потоком капель, ударившихся о скругленную стальную входную кромку лопа­

глубина вымытого перед кромкой направляющей лопатки металла достигает 3—5 мм.

Показанная на рис. 1.6 диафрагма находилась в эксплуатации 80 000 ч. Протяженность областей эрозии обода в осевом направле­ нии показана на рис. 1.3 и составляет около 155 мм. Обод влаго-

16