Параметры, влияющие на эрозионный износ входных кромок

Эрозионные повреждения рабочих лопатках паровой турбины

Эрозионные повреждения – повреждения металла, происходящее в результате удара крупных капель о поверхность рабочих лопаток. На нижеприведенных рисунках видно, что наиболее уязвимым местом лопатки являются входная кромка периферийных сечений.

 

 

Износ периферийного конца рабочей лопатки последней ступени ЦНД мощной паровой турбины: 1,2,3 – сильная эрозия входной кромки; 4 – умеренная эрозия за защитным слоем

 

 

Опишем механизм появления эрозионного износа лопатки. Рассмотрим треугольник скоростей пара на входе в рабочее колесо. Крупные капли на выходе из НА существенно отстают от основного парового потока. В относительном движении скорость крупных капель W₁^’ существенно отличается от скорости основного парового потока W₁, как по величине, так и по направлению.

 

Давление от удара крупной капли, можно определить по формуле:

, где

 

c = 1,5…2,0; a_воды = 1430 м/с - скорость звука в воде; r’ - плотность капли;

w’_1n - нормальная к поверхности составляющая скорости капли.

Из рисунков видно, что максимальная нормальная составляющая скорости крупной капли w’_n практически равна окружной скорости U. Поэтому окружная скорость U – основной фактор, определяющий эрозионный износ лопаток.

 

 

Интенсивный эрозионный износ начинается при w’_n > 160…170 м/с. При меньших скоростях эрозия лопатки практически отсутствует. На нижеприведенном рисунке отмечены области одинаковых нормальных скоростей соударения капель с выпуклой поверхностью лопаток одной из паровых турбин АЭС [Фаддеев И.П.].

 

 

Области максимальных нормальных скоростей соударения практически совпадают с областями повышенного эрозионного износа. В области максимальных нормальных скоростей величина Dp_уд может достигать 200 МПа., что превышает предел выносливости материала s _{-1 ­}. Таким образом, выбивание металла с поверхности лопатки происходит при повышенном удельном давлении Dp_уд, возникающем при ударе капли об эту поверхность.

 

Параметры, влияющие на эрозионный износ входных кромок

 

Используя модель усталостного разрушения, оценим скорость эрозионного износа входной кромки лопатки по формуле Трояновского [Трояновский ПГТ АЭС]:

 

где

k - коэффициент, зависящий от прочности металла лопатки и состояния ее поверхности.

n_у - число крупных капель, выпадающих в единицу времени на поверхность контакта в

области входных кромок (частота соударений капель с лопаткой). Частота соударений n_у

увеличивается при следующих условиях:

- с увеличением числа направляющих лопаток z₁;

- с увеличениемокружной скорости в периферийном сечении u_п;

- суменьшениемчасти хорды профиля Db, принимающей удары крупных капель;

- суменьшением степень реактивности у периферии r_п.

 

Для оценки интенсивности эрозионного износа рабочих лопаток используются и другие зависимости, в частности, эмпирические [Амелюшкин В.Н.]:

, где

- объем изношенного металла и длина участка эрозии вдоль входной кромки, мм³¤мм;

- расход пара (кг ¤ с) и степень влажности пара, проходящего через ступень;

F - площадь проходного сечения направляющего аппарата, м²;

Т - время эксплуатации рабочей лопатки, час;

- относительная скорость капли перед входной кромкой рабочей лопатки, м ¤ с;

- пороговое значение скорости капли, определяющее начало эрозия, м ¤ с;

- опытный коэффициент эрозионного износа, зависящий от материала лопатки;

- опытный коэффициент, учитывающий среднегодовую загруженность турбины и

увеличивающийся с уменьшением загруженности турбины;

- периферийный фактор, учитывающий распределение крупных капель вдоль высоты

рабочей лопатки. Значение последнего коэффициента может меняться от 1.5 до 5.5.

 

Анализ вышеприведенных формул позволил выделить основные параметры, влияющие на эрозионный износ. Эти параметры приведены в порядке интенсивности влияния на эрозию:

1. Окружная скорость U в периферийном сечении лопаток.

2. Средняя влажность пара в турбинной ступени y.

3. Крупнодисперсность влаги l.

4. Давление и плотность пара в турбинной ступени. Плотность пара, являясь обратной

величиной удельного объема, влияет на коэффициент разгона капель паровым

потоком, а также на его крупнодисперсность. Известно, что интенсивная эрозия

лопаток имеет место при р < 20 kПа, то есть в последних ступенях ЦНД [Трояновский

ПГТ АЭС].

5. Плавность обвода проточной части ЦНД.