Моделювання процесу ерозійно-корозійного руйнування лопаток циліндрів низького тиску парових турбін

Автори

О. Л. Шубенко, Інститут проблем машинобудування ім. А. М. Підгорного НАН України (61046, Україна, м. Харків, вул. Пожарського, 2/10), shuben@ipmach.kharkov.ua, ORCID: 0000-0001-9014-1357

А. О. Тарелін, Інститут проблем машинобудування ім. А. М. Підгорного НАН України (61046, Україна, м. Харків, вул. Пожарського, 2/10), tarelin@ipmach.kharkov.ua, ORCID: 0000-0001-7160-5726

Анотація

Роботу присвячено вирішенню важливої проблеми, а саме розробці методу прогнозування інтенсивності ерозійно-корозійного руйнування матеріалу робочих лопаток ступенів низького тиску потужних парових турбін, що враховує комплекс складних фізичних процесів, які супроводжують виникнення, трансформацію ерозійно-небезпечних крапель та їх взаємодію з елементами проточної частини. Розглянуто особливості побудови деяких існуючих моделей ерозії. Докладно проаналізовано розроблену в Інституті проблем машинобудування НАН України модель, засновану на детерміновано-статистичному підході. Виконані під час дослідження розрахунки показали задовільний збіг із результатами експериментальних випробувань різних авторів, одержаними на краплеударних стендах, що сприяло успішному використанню моделі при створенні комплексного методу прогнозування зношування робочих лопаток. Для цього вона доповнюється методом визначення параметрів ерозійного середовища на базі рівняння руху крапель з урахуванням закону розподілу за розміром. Разом с тим показано, що розглянута модель, хоч і дозволяє на сучасному рівні здійснювати досить точне прогнозування розвитку ерозійного зносу, але має складнощі в побудові, пов’язані з необхідністю її ідентифікації за даними натурних експериментів, кількість яких обмежена. Встановлено, що однією з важливих причин розбіжностей є неврахування електрофізичної складової процесів, що відбуваються у двофазному потоці. У зв’язку з цим розглянуто результати комплексних досліджень електризації пари та її впливу на робочі процеси волого-парових турбін. Показано, що зміна властивостей робочого тіла як функціонального ерозійного середовища в результаті електризації викликає суттєве посилення (стосовно нейтральної вологої пари) електрохімічних процесів. При цьому змінюється кінетика накопичення пошкодженості поверхневого шару металу за рахунок спільного протікання кількох негативних процесів: крапельно-ударного впливу; електрохімічних процесів, зумовлених механічною і структурно-хімічною неоднорідністю поверхні; абсорбції водню; зміни механічних властивостей під впливом електричного поля. Зауважено, що внесок абсорбції водню у зміни механічних властивостей найбільший. За попередньою оцінкою комплексний негативний крапельно-ударний та електрофізичний вплив на поверхню металу зменшує інкубаційний період та інтенсифікує ерозійно-корозійний процес приблизно в 2 рази

Ключові слова: парова турбіна, волога пара, робочі лопатки, краплеударне руйнування, математичне моделювання, електрофізичні ефекти, електрокорозійні процеси

Повний текст: завантажити PDF

Література

1. Шубенко А. Л., Ковальский А. Э. Каплеударная эрозия лопаточных аппаратов паровых турбин. Прогнозирование и методы защиты. Вестник Национального технического университета «ХПИ». Серия: «Энергетические и теплотехнические процессы и оборудование». 2012. № 7. С. 76–87.
2. Krzyzanowski J. A. On predicting steam turbine blading erosion and turbine efficiency deterioration. ASME Proceedings Series. Turbo Expo: Power for Land, Sea, and Air. Vol. 1: Turbomachinery. 1988. Paper No. 88-GT-224, V001T01A080. 9 p. https://doi.org/10.1115/88-GT-224.
3. Ходыкина Г. И., Сапрунов Г. И. Методика численного моделирования эрозионного износа деталей энергоустановок. Проектирование, конструирование и прочность элементов конструкций реактивных двигателей. Сб. науч. трудов МАИ им. Серго Орджоникидзе. 1984. С. 52–58.
4. Поддубенко В. В., Яблоник Р. М. Влияние структуры потока капель на эрозию турбинных лопаток. Известия вузов. Энергетика. 1976. № 4. С. 88–93.
5. Ruml Z., Liska A. A model for the erosion of steam turbine blade materials. Proceedings of 7th Scientific Conferences on Erosion by Liquid and Solid Impact, England, Cambridge, University of Cambridge, September 13–15, 1987. U.K., England, Cambridge: University of Cambridge Publ., 1987. Paper 15. Р. 1–8.
6. Спринджер Дж. С. Эрозия при воздействии капель жидкости. Москва: Машиностроение, 1981. 200 с.
7. Тищенко В. А., Алексеев Р. А., Гаврилов И. Ю. Модель движения эрозионно-опасных капель в межлопаточных каналах паровых турбин. Теплоэнергетика. 2018. № 12. С. 35–44.
8. Шубенко А. Л., Ковальский А. Э. Кинетическая модель каплеударной эрозии рабочих лопаточных аппаратов паровых турбин. Известия АН СССР. Энергетика и транспорт. 1989. № 5. С. 94–101.
9. Krzyzanowsky J. A, Kovalsky A. E., Shubenko A. L. Some aspects of erosion predicting of steam turbine blading. Journal of Engineering for Gas Turbines and Power. 1994. Vol. 116. Iss. 2. P. 442–451. https://doi.org/10.1115/1.2906841.
10. Тарелин А. А. Теплоэлектрофизические процессы в паровых турбинах. Харьков: ФЛП Иванченко И. С., 2020. 184 с.
11. Tarelin A. O., Surdu N. V., Nechaev A. V. The influence of wet-steam flow electrization on the surface strength of turbine blade materials. Thermal Engineering. 2020. Vol. 67. Iss. 1. P. 60–67. https://doi.org/10.1134/S0040601520010073.
12. Орлова Д. В., Филипьев Р. А., Данилов В. И. О возможных причинах влияния электрического потенциала на сопротивление металлов микроиндентированию. Известия вузов. Черная металлургия. 2012. Т. 55. № 10. С. 66–67. https://doi.org/10.17073/0368-0797-2012-10-66-67.
13. Орлова Д. В., Данилов В. И., Зуев Л. Б., Колесник А. С., Дульбеева О. Н. О влиянии электростатического поля на микротвердость монокристаллов цинка. Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). 2012. № 4. С. 98–102.
14. Tarelin A. A. Postfact phenomena of the wet-steam flow electrization in turbines. Thermal Engineering. 2017. Vol. 64. Iss. 11. Р. 810–816. https://doi.org/10.1134/S004060151711009X.
15. Tarelin A. O., Shvetsov V. L., Mykhailenko V. H., Nechaiev A. V., Khinievich O. Ye. Electrochemical and chemical mechanisms of the erosion-corrosion process of wet-steam turbine rotor blades destruction under the influence of electrified moisture. Journal of Mechanical Engineering – Problemy Mashynobuduvannia. 2021. Vol. 24. No. 1. Р. 53–58. https://doi.org/10.15407/pmach2021.01.053.

Надійшла до редакції 12.12.2022