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

М. Б. Явельским1 было проведено испытание на эрозионной

10%), полученные методом порошковой металлургии. Испытания показали, что относительная эрозионная стойкость пластин Т5КЮ на 60% выше, чем у стеллита. Износ поверхности пластин указанных сплавов происходил без образования развития пило­ образного рельефа поверхности. Высокая эрозионная стойкость пластин Т15К6 и Т5К40 объясняется высокой твердостью входя­ щих в состав сплава компонентов и технологическими особенно­ стями получения сплавов.

Из других материалов в качестве защитных пластин были по­ пытки применения закаленных напаек из высоколегированной инструментальной стали. Замена стеллита была вызвана поисками материалов с коэффициентом линейного расширения, близким к материалу лопаток. Однако стойкость всех испытанных мате­ риалов уступает стеллитам, поэтому в настоящее время такие материалы для защиты от эрозии не применяются.

Стеллитовые напайки значительно изменяют аэродинамическую

вым или на сверхзвуковых. Напайки увеличивают нагрузку ло­ патки от центробежных сил, их припайка резко снижает усталост­ ную прочность лопаток [35]. Поэтому стремятся применить раз­ личные покрытия, мало меняющие форму профиля лопатки. Пер­ вым из отечественных заводов применил на рабочих лопатках ЧНД паровых турбин электроискровое покрытие ХТГЗ [31]. Лопатки последних ступеней турбины К-100, К-160, К-300 были покрыты сплавом Т15К6 на аппарате ИАС-2М, разработанном ЦНИИТмашем.

Толщина покрытия была неравномерной и колебалась на по­ крываемой поверхности от 0,1 до 1,5 мм. При окружных скоростях до 450 м/с и с хорошо организованным отводом влаги периферий­ ной сепарацией защита сплавом Т15К6 была достаточно эффек­ тивной. Однако нанесение сплава на поверхность лопаток вручную приводило к большой неравномерности защиты лопатки. Напри­ мер, на одной из обследованных лопаток старой модификации на поверхности в 5 мма толщина покрытия менялась от 0,2 до 1,2 мм. При переходе на большие окружные скорости рабочих лопаток влажнопаровых ЧНД стойкость сплава Т15К6 оказалась недоста­ точной. Поэтому были продолжены поиски других способов защиты входных кромок отэрозии, например закалкой т. в. ч., покрытием другими сплавами и др.

Для противоэрозионной защиты рабочих лопаток применяется покрытие металлизацией. Металлизацией (напылением) был на­

капель металла на подготовленную поверхность без оплавления ме­ талла поверхности. Металл покрытий можно наносить дуговой, газопламенной, высокочастотной и плазменной металлизацией.

При дуговой металлизации материал напыления должен быть в виде проволоки. В связи с тем, что многие эрозионностойкие сплавы в виде проволок получить не удается, этот способ имеет ограниченное применение. Газопламенная и высокочастотная металлизация значительно сужает количество материалов, кото­ рые можно применять для упрочнения рабочих лопаток.

В процессе плазменной металлизации при высокой температуре плазменной струи 20 000—30 000° С наносятся любые тугоплав­ кие материалы. Поток инертного газа обеспечивает незначитель­ ное окисление металла покрытия. Для плазменной металлизации возможно применение присадочных материалов в виде проволоки, порошка и смеси порошков. При нанесении покрытия нагрев ос­ новного материала остается минимальным.

Перед плазменной металлизацией предварительно готовят поверхность металла лопатки очисткой стальной крупкой разме­ ром 0,3—0,5 мм при давлении подающего воздуха 0,4—0,5 МПа. При этом с поверхности лопатки удаляются окисные пленки и создается развитый рельеф. Между предварительной подготовкой поверхности и металлизацией не должно проходить больше 2—4 ч.

Для металлизации применяются порошки частиц сферической формы, полученные спеканием в вертикальной печи, или порошки, полученные грануляцией жидкого металла соосным потоком воды или газа. Размер фракций порошка 60—120 мкм.

Напыление производится специальным плазмотроном (плаз­ менной горелкой). Все плазмотроны, применяемые для плазмен­ ной металлизации — устройства с газовой стабилизацией плазмы, отличающиеся только по конструкции и мощности.

Для придания металлизированному напылению поверхности оплавленного покрытия напыленный металл оплавляют игольча­ той плазменной дугой. Перед расплавлением покрытий произво­ дился предварительный подогрев лопаток газовой горелкой до 300—400° С. После расплавления обеспечивалось замедленное охлаждение лопаток с печью. Указанные тепловые условия при расплавлении и остывании устраняли появление трещин в стали лопаток в самой защитной зоне и ее окрестности.

Для сравнительно небольших окружных скоростей перифе­ рийных концов лопаток (260—280 м/с) применяется хромирование выпуклой стороны входных кромок периферийной части рабочих лопаток последних ступеней. Прочность сцепления электроосажденного хрома с основой определяется главным образом приро­ дой основного металла детали—лопатки. Сцепление хрома со сталью отличается высокой прочностью. Прочность сцепления хрома со сталью при испытании на сдвиг достигает 300 МПа.

Временное сопротивление хрома разрыву уменьшается с уве­ личением слоя покрытия. Для покрытия толщиной 0,1 мм ав =

162

= 500ч-600 МПа. При увеличении толщины слоя хрома до 0,5 мм

ав снижается до 160—300 МПа.

Усталостная прочность стали, покрытой слоем хрома, сни­ жается. Этот недостаток увеличивается с ростом толщины покры­ тия. Например, по данным М. Б. Черкеза, при толщине слоя хрома до 0,2 мм усталостная прочность стали снижается на 20—25%. Снижение предела усталости хромированных деталей является результатом больших остаточных растягивающих напряжений, возникающих в слое электролитического хрома. Дополнительной термообработкой упрочненных рабочих лопаток (нагрев до 650° С с выдержкой 2 ч) можно повысить предел усталости основного металла. При этом эрозионная стойкость покрытия снижается

менее чем на 15%.

Эксплуатационная проверка стойкости хромированных рабо­ чих лопаток показала, что после длительной работы с постоянной частотой вращения на резкопеременных режимах нагрузки хроми­ рованное покрытие изнашивается, после чего начинается интен­ сивная эрозия металла лопаток. Лабораторные исследования этого вида покрытий на эрозионной машине также не подтвердили на­ дежной противоэрозионной защиты хромированием.

Термические способы упрочнения — карбидохромирование и термодиффузионное хромирование с последующим борированием были исследованы в связи с возможностью создания чрезвычайно твердого поверхностного упрочненного слоя. Упрочненный слой получался достаточно тонким. При карбидохромировании произ­ водилась цементация активированным древесным углем в зернах с активатором углекислым барием. Хромирование производилось вакуумным неконтактным методом с металлизатором феррохромом.

Исследование микрошлифов, вырезанных в продольном и по­ перечном направлениях, показало при карбидохромировании ска­ лывание хромированного слоя. На границах зерен появлялось выделение карбидов в виде сплошной сетки и сыпи по зерну.

При термодиффузионном хромировании с последующим бори­ рованием во многих местах хромированный слой был пронизан прожилками боридов. В слое имелись микротрещины. Наблюда­ лось скалывание хромированного слоя. Во время лабораторных испытаний на эрозионной машине, проведенных М. Б. Явельским, образцы с покрытием термохимическими способами упрочнения показали низкую противоэрозионную стойкость.

Упрочнение кромок рабочих лопаток закалкой т. в. ^ч. может создать значительный по толщине — до 3—5 мм твердый поверх­ ностный игольчатовидный слой структуры металла мартенситного типа. Такая структура поверхностного слоя определяет его эро­

зионную стойкость.

Закалка рабочих лопаток т. в. ч. была разработана В^ В. 1авранеком в ХПИ. Упрочненные закалкой т. в. ч. лопатки обладают рядом преимуществ: 1) возможностью полной автоматизации; 2) стабильностью процесса; 3) высокой производительностью,

Г Л A B A VI

ОЦЕНКА ЭРОЗИОННОЙ сто й ко сти ОСЕВЫХ ТУРБИННЫХ СТУПЕНЕЙ

Повышенное внимание к проблеме эрозионной стойкости лопа­ точного аппарата ВП ступеней и других элементов проточной части объясняется стремлением увеличить надежность работы турбин во время ее эксплуатации. Со времени заметного проявле­ ния эрозионного изнашивания в паровых турбинах инженерная мысль направлена на создание эмпирических формул, характе­ ризующих эрозионную стойкость лопаточного аппарата турбинной ступени. В известных формулах, предложенных фирмами ВВС (Э. Зомм) и ВВС (А. Хопп и др.), AEG (Холь), AEI (Тодд), Д. Бек­ кером (Англия) и др. делается попытка связать основные вели­ чины, характеризующие ВП поток, кинематику (периферийная окружная скорость РК) с эрозионной стойкостью ступени. По существу, создание формулы эрозионного критерия сводится к связи степени влажности с периферийной окружной скоростью в п-й степени, взятой с различными поправочными коэффициен­ тами. Как показывает практика эксплуатации ВП ступеней, все названные формулы для различных конструкций турбин в зави­ симости от разных условий эксплуатации дают величины крите­ риев, находящиеся иногда в значительном противоречии с наблю­ даемым эрозионным износом. Изучение эрозии в паровых турбинах на основе обследования значительного количества турбин различ­ ных фирм позволило инж. Л. И. Дехтяреву (ХТГЗ) первому в 1935—1939 гг. предложить научно обоснованную теорию эрознойного износа рабочих лопаток турбинной ступени. Им было показано, что эрозия лопаток зависит от кинематики ступени, ее геометрии, конструктивного устройства. Вопреки существовав­ шему тогда мнению об исключительном влиянии окружной ско­ рости на эрозию рабочих лопаток Л. И. Дехтяревым было пока­ зано, что величина окружной скорости при значениях больше 270—300 м/с проявляет большое влияние на эрозию при неболь­ ших осевых зазорах, определенных углах р и скоростях выхода потока из соплового аппарата. Он предложил оценивать эрозион­ ную стойкость ступени по удельному усилию от удара крупных капель о выпуклую поверхность входной кромки турбинной лопатки. Идеи Л. И. Дехтярева на новой научной основе были продолжены в работах Е. Кржижановского [73], Р. Г. Перель­ мана [39] и автора [27, 28, 53, 54].

166