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

С инженерной точки зрения наиболее интересным является определение суммарного эрозионного износа — общего массового или объемного отделения металла деталей, подверженных наи­ большей эрозии за время эксплуатации турбины. Представляют интерес также линейный эрозионный износ, определяемый по глубине износа к изнашиваемой поверхности, и скорость изнаши­ вания — отношение величин износа ко времени, в течение кото­ рого он возник. При определении терминологии величин, харак­ теризующих эрозионное изнашивание — процесса постепенного изменения размеров детали под действием капель или твердого аэрозоля, были использованы рекомендации по терминологии АН СССР (М. М. Хрущев, М. А. Бабичев).

Для определения точных характеристик изнашивания или их точного расчетного прогнозирования во вновь создаваемых тур­ бинах в настоящее время пока нет достаточных данных.

3?, ОЦЕНКА НАИБОЛЕЕ ВЕРОЯТНЫХ МЕСТ ПОЯВЛЕНИЯ ЭРОЗИИ НА ВХОДНЫХ КРОМКАХ РАБОЧИХ ЛОПАТОК

На выпуклую поверхность входной кромки рабочей лопатки поступает несколько эрозионноопасных потоков крупнодисперс­ ной влаги. Для каждого потока может быть определена относитель­ ная скорость поступления крупных капель в направляющий аппа­ рат по методике, приведенной в гл. III.

По оценке временного критерия Т (гл. III, п. 22) и принятого WeKp = 13ч—15 (III.26) можно оценить величину наибольшей капли в потоке пара для рассматриваемого капельного потока. Распределение капель по размерам в потоке пара, подчиняющееся закону нормального распределения, может быть выражено при­ ближенной формулой, достаточно близко совпадающей с экспе­ риментом

щ!тм = ехр 1—п (£,/£„ — I)2]. (VI. 1)

Распределение капель по массе в рассматриваемом капельном по­ токе в первом приближении может быть охарактеризовано кри­

дальнейших расчетов можно воспользоваться ими. Пользуясь кри­ вой распределения капель по массе (рис. VI. 1, 1), определяем число капель по интервалам. Площадь под кривой разбивается на отдель­ ные прямоугольники с размерами капель о т |г до %+1. Для каждого прямоугольника средней представительной будет капля радиусом £;ср = 0,5 ( | г + £г+1). Доля массы капель для каждого прямо­ угольника пропорциональна его высоте. Сумма относительной массы капель по всем прямоугольникам характеризует массу жидкости в рассматриваемом потоке капель. С изменением вели­ чины максимального радиуса капель масса влаги, характеризуе­

167

мая площадью под кривой 1, остается неизменной согласно свой­ ству кривой нормального закона распределения. Число ударов капель радиусом | гср, приходящееся в секунду на единицу по­ верхности, равно

пц = О.гЗЭ^т^Гсрр'"1/-1. • (VI.2)

где kt ■— доля влаги, сосредоточенной в рассматриваемом потоке медленно летящих капель; f — площадь единицы высоты выпук­ лой поверхности лопатки, подверженная эрозии; т1 — секундная

ляются плотности пара, воды и другие физические величины, не­ обходимые для расчета разгона капель в следе. По результатам расчета обычно построением треугольников скоростей для пара и капель по группам находятся относительные скорости поступле­ ния капель на выпуклую поверхность рабочей лопатки.

Эрозия поверхности лопатки пропорциональна нормальной составляющей скорости взаимодействия капли с лопаткой РК [83]. Значение нормальных составляющих для выпуклой поверх­ ности профиля лопатки рассмотрим на примере расчета скоростей

одного из периферийных сечений лопатки последней ступени ЧНД конденсационной турбины. Точка F 2 находится на цилиндричес-

168

кой поверхности, образованной радиусом R 2. Уравнение цилин­ дрической поверхности

(wf2 — м г)2 + (zf 2 ~~ 2г)2 =

где и2, г2 — координаты центра дуги радиуса R 2, zP2, иРг — коор­ динаты точки F 2.

Рис. VI.2. Треугольники скоростей пара и капли, основные геометрические раз­ меры профиля лопатки РК для расчета на эрозию (а); капель по группам для кро­ мочного потока в осевом зазоре 18-й ступени турбины К-50-90-2 и эпюра нормаль­ ных составляющих скоростей капель для среднего сечения (б)

Уравнение нормали к поверхности лопатки в точке F 2 запи­ шется в следующем виде:

(г — z2) (uf2 — «2) = — z2) (ы — и 2).

Часть крупных капель не попадает в точку F 2, так как впередистоящая лопатка экранирует рассматриваемую точку.

Если принять, что крупные капли в пределах входной части лопатки движутся прямолинейно, то относительная скорость ка­ пель, ударившихся в лопатку в точке F 2, характеризуется векто­

ром CD2. Координаты точки D 2 конца вектора С Ь 2, лежащей на

169

где zH, ux — координаты точки Fx; zc, uc— координаты точки С. Величина нормальной ударной составляющей скорости влаги равна проекции вектора CD2 на нормаль п—п к выпуклой по­

верхности лопатки в точке F 2.

Уравнение линии, проходящей через точку D 2 перпендику­ лярно нормали п—п,

z — zD2 = kD2 (и — uDl),

где kD2 = (uF2 — и 2) (zF%— z 2).

Значение искомой нормальной составляющей скорости капли в точке F 2 определится вычислением длины вектора от точки С до линии, перпендикулярной нормали, и умножением получен­ ной величины на масштаб построения треугольников скоростей М:

составляющей на ЭЦВМ можно определить эпюры нормальных составляющих по выпуклой поверхности профиля лопатки в на­ правлении оси г. Пример расчета эпюры нормальных составляю­ щих для среднего сечения 18-й ступени турбины К-50-90-2 пока­ зан на рис. VI.2, б. От воздействия капельной влаги на обводе про­ филя различаются зоны повышенной А —Б, умеренной Б —В эрозии. У носика профиля около точки А —эрозия кратерная силь­ ная. В зоне В —Г эрозия отсутствует, поверхность лопатки очи­ щена каплями от отложений. В зоне Г—Д слой отложений дости­ гал 120—200 мкм. От точки Д до выходной кромки почти по всей высоте лопатки наблюдается вычищенная зона (см. рис. II.4, II). Указанные зоны хорошо видны на рис. 1.16.

Для расчета относительных скоростей по группам капель в осевом зазоре 18-й ступени были определены скорости разгона капель в кромочном следе вдоль его оси и построены треугольники скоростей (рис. VI.2, б). Максимальный радиус капли по We = = 14 равен 85 мкм. Однако в плоскости вращения рабочей лопатки могут оказаться более крупные капли. Как следует из расчетов, на пути 100 мм капли радиусами 100 и 125 мкм по величине абсо­ лютной скорости мало отличаются от скорости максимальной капли 85 мкм. В относительном движении скорости крупных капель при­

314 м/с. На эпюре нормальные составляющие крупных капель показаны штрих-пунктирной линией.

170

плуатации, было установлено пороговое значение wn, при котором наблюдалось начало эрозионного износа. Для незащищенных 13%- ных хромистых нержавеющих сталей по обследованию многих турбин было установлено значение wn — 140ч-150 м/с.

По данной методике был сделан расчет нормальных составляю­ щих для двух последних ступеней турбины К-50-90-2 (рис. VI.3, а).

Рис. VI.3. Эпюры нормальных составляющих удара капель по высоте 17 и 18-й ступеней турбины К-50-90-2 ЛМЗ (а); линии равных нормальных составляющих капель на развертке выпуклой поверхности рабочей лопатки 18-й ступени (б);

1 , 2 — зоны наибольшей эрозии лопаток НА; 3 — камера улавливания влаги за 17-й ступенью; 4— 7 — линии равных нормальных составляющих удара капель соответ­

ственно 350, 300, 150 и 50 м/с

Расчет был выполнен для пяти сечений по высоте ступени. По результатам обследования на эрозию турбин ЛМЗ типа К-50—К-ЮО с ЧНД на базе лопатки последней ступени длиной 665 мм была собрана подробная топография эрозионного износа вы­ пуклой поверхности этой лопатки. Две последние ступени имели противоэрозионную защиту стеллитовыми напайками. Для послед­ ней ступени у вершины расчетом получены максимальные нормаль­ ные составляющие ударов капель, равные 325 м/с. При учете ка­ пель, летящих в плоскости вращения входной кромки, появляется капельный поток с нормальными составляющими, близкими к пери­ ферийной скорости 420 м/с. Пороговая скорость 150 м/с появлялась на расчетном режиме уже на расстоянии около 0,125/ от корня.

171

По результатам расчетов на развертке выпуклой поверхности лопатки были нанесены линии равных нормальных составляющих (рис. VI.3, б). Они ограничили зоны с различной величиной обла­ стей нормальных составляющих скорости воздействия капель. Сопоставление расчетных кривых с зонами эрозии на обследован­ ных лопатках позволяет сделать вывод о степени эрозии по уровню нормальных составляющих капель.

В работах [73, 74] приведены результаты обследования тур­ бин типа К-200-130-1 ЛМЗ, установленных на станции Туров. Для последней рабочей лопатки ЧНД был выполнен расчет нор­ мальных составляющих удара капель в нескольких сечениях по

веденная по наибольшему числу точек в каждом сечении, разброс точек до 5 мм по оси z вызван, по-видимому, различной величиной выступания лопаток.

Для верхнего сечения 4—4 показаны эпюры нормальных со­ ставляющих профиля без стеллитовой напайки (пунктирная ли­ ния) и со стеллитовой напайкой. На лопатках обследованных тур­ бин только самая верхняя стеллитовая пластинка имела такую конфигурацию, как показано на выноске (рис. VI.4). У нижних

времени эксплуатации показывает, что уже после 2000 ч работы зона эрозии распространяется на 75% высоты лопатки от пери­ ферийного сечения. За последующие 38 000 ч эксплуатации зона эрозии увеличивается до 87% высоты.

По результатам расчетов и в этом случае начало зоны эрозии для стальной незащищенной поверхности обследованных рабочих лопаток соответствовало ударным нормальным составляющим около 150 м/с.

Были также выполнены расчеты распределения нормальных составляющих скоростей капель для одной из мощных турбин со старой модификацией ЧНД, у которой диафрагма последней сту­ пени чугунная с залитыми профильными лопатками (рис. VI. 5). Диафрагмы не имели системы внутриканальной сепарации. Вну­ тренний периферийный обвод был выполнен с меридиональным профилированием. Резкий подъем обвода на расстоянии трети ширины диафрагмы от входных кромок лопаток НА последней пятой ступени ЧНД приводил к срыву пленок влаги с периферий­ ного обвода диафрагмы. Это обстоятельство наряду с концентра­ цией влаги у периферии ступени привело к повышенному эрози­ онному износу входной части лопаток на расстоянии 125—130 мм от периферийного сечения (рис. VI.5) до точки а на входной кромке лопатки. При эрозионном износе периферийного участка 1 после

172