книги из ГПНТБ / Фаддеев И.П. Эрозия влажнопаровых турбин
.pdf
И. П. Ф А Д Д Е Е В
ЭРОЗИЙ
ВЛАЖНОПАРОВЫХ ТУРБИН
r i |
Ч-/*/ |
|
ЭКЗЕМiпчПг/1
ЛЕНИНГРАД
„ М А Ш И Н О С Т Р О Е Н И Е "
ЛЕНИНГРАДСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ
1 9 7 4 ,
Ф15 |
|
|
|
|
УДК 621.165.51 : 620.193.1 |
Н<^и5лиоте а |
*■. |
I |
|
|
^ ^ |
j UI/TАЛЬНОГО ЬАУ |
I |
|
|
|
|||
3 # |
& |
/ |
|
|
Фаддеев И. П. |
Эрозия влажнопаровых турбин. Л., «Ма |
|||
шиностроение» |
(Ленингр. отд-ние), 1974, 208 |
с. |
|
|
В книге даны примеры эрозионного износа основных дета лей и узлов турбин различной мощности и конструкций. Про анализированы причины возникновения и развития эрозии раз личных видов. Приведена классификационная схема видов эро зии. Дана оценка степени эрозионного износа деталей.
Рассмотрены основные источники возникновения эрозии лопаточного аппарата влажнопаровой турбинной ступени части низкого давления турбин. Дана классификационная схема спо собов защиты проточной части турбин от эрозии различных видов. Указаны некоторые новые пути снижения эрозии дета лей паровых турбин.
Изучаемые в книге проблемы являются общими для стацио нарных паровых турбин на органическом и ядерном топливе, а также для транспортных атомных турбин и турбин, работаю щих на парах других, кроме воды, веществ.
Книга предназначена для инженерно-технических работ ников, занимающихся вопросами проектирования, расчета, исследования и эксплуатации влажнопаровых турбин. Она может быть полезной для студентов вузов энергетических спе циальностей.
Табл. 9. Ил. 79. Список лит. 83 назв.
Рецензент иж. А. П. О г у р ц о в
Редактор канд. техн. наук И. К. Т е р е н т ь е в
30303— 122 038(01)— 74 122~ 74
© Издательство «Машиностроение», 1974 г.
П Р Е Д И С Л О В И Е
За последние годы в мировой энергетике, в том числе и в энер гетике СССР, произошли крупные количественные и качественные изменения. Значительно увеличилась единичная мощность па ротурбинных агрегатов. Эксплуатируются паротурбинные уста новки на органическом топливе мощностью 800 МВт (ЛМЗ, СССР), 900 МВт («Вестингауз», США), 1000 МВт («Аллис—Чалмерс», США), 1100—1300 МВт (ВВС, Швейцария), 1150 МВт («Дженерал электрик», США). Создаются новые паровые турбины мощ ностью 1200 МВт (ЛМЗ, СССР), 1100—1150 МВт в Англии и США (AEI, «Вестингауз»), Происходит наращивание энергетических мощностей атомных электростанций, которое в перспективе до 1980 г. будет осуществляться за счет установок с реакторами на тепловых нейтронах мощностью до 1000 МВт. Это предопределяет применение в течение ближайших лет в основном атомной паро турбинной установки на насыщенном или слабоперегретом паре. Турбоагрегаты больших мощностей для АЭС будут создаваться на пониженную частоту вращения роторов.
Директивами XXIV съезда КПСС перед отечественным энерго машиностроением поставлены крупные задачи. Предстоит ввести в действие в девятой пятилетке мощности 65—67 млн. кВт с про
изводством электроэнергии в |
1975 г. 1030—1070 млрд. кВт-ч, |
в том числе за счет введения |
в действие мощностей АЭС на 6— |
8 млн. кВт. Значительно расширяется судовая атомная энергетика. Важнейшая задача отечественной энергетики — повышение сроков службы и надежности паротурбинного оборудования. В эксплуатируемых турбинах износу подвергается весь тракт, омываемый потоками пара. Наряду с износом, вызываемым дей ствием на поверхности деталей пара, капель, пленок и струек воды, существует также абразивный износ под действием твердых частиц отложений, продуктов коррозии и эрозионного износа деталей. Все эти виды износа в технике принято называть эрози онным износом. В настоящее время накоплен значительный опыт применения различных видов активных, пассивных и активно пассивных способов защиты деталей парового тракта турбины от эрозии. Однако задача снижения эрозионного износа деталей турбин остается весьма актуальной, так как с увеличением длин
1
последних лопаток ЧНД мощных паровых турбин эрозия перифе рийных областей проточных частей последних ступеней возрас тает. Стоимость ремонта крупных паровых турбин, вызванная повышенной эрозией рабочих лопаток, очень высокая.
Для создания эрозионностойких деталей в турбинах необхо димо знание причин и механизма возникновения и развития эро зии этих деталей. Часто при рассмотрении эрозии в паровых тур бинах оценивают износ только входных кромок рабочих лопаток ЧНД. Однако эрозии подвергаются многие узлы и детали про точной части. При обследовании проточных частей турбин различ ной мощности были выявлены очаги эрозии корпусов, входных и выходных патрубков, обойм, диафрагм, валов и других деталей турбин. Обследование турбин с пониженной частотой вращения показало, что несмотря на умеренные периферийные окружные скорости рабочих лопаток ЧНД имеется повышенная и сильная эрозия рабочих лопаток и других элементов проточной части этих турбин.
Основное содержание книги — обобщение причин возникнове ния эрозионного изнашивания в паровых турбинах, основных способов защиты от различных видов эрозии и разработка метода прогнозирования возможных мест эрозионного износа деталей лопаточного аппарата проточной части турбины.
Эрозионное изнашивание деталей влажнопаровых турбин — сложный процесс разрушения поверхностных слоев металла под действием ударов капель, пленок, струек, частиц, гидро- и паро абразивного воздействия твердого аэрозоля, транспортируемого паром и влажнопаровым потоком. При воздействии капель и частиц в поверхностных слоях металла возникают сложные меха нические, химические, электрические и тепловые процессы. Несмотря на большой объем исследований на экспериментальных установках по износу металлов и различных защитных покрытий, а также обширный материал выявленных случаев эрозии в турбиннах, не имеется единой точки зрения о механизме и природе эро зионного износа в паровых турбинах. Большинство исследовате лей в настоящее время придерживается мнения о механической природе капельного разрушения поверхностей изнашиваемых де талей, отводя всем другим процессам вспомогательную роль.
Для понимания общей картины возникновения и развития очагов эрозионного изнашивания проточной части турбин боль шую роль играют исследования по движению полидисперсной ка пельно-пленочной влаги. При исследовании образования и движе ния капельной и пленочной влаги большое значение имеет пра вильная оценка возможностей различных способов защиты дета лей от эрозии. Не следует переоценивать возможности отдельных способов, например только периферийной или внутриканальной
сепарации, или |
способов |
испарения |
влаги в проточной части |
и т. д. Вопросы, |
связанные |
с обеспечением эрозионной стойкости |
|
ступеней турбин |
должны |
решаться |
комплексом мероприятий, |
4
направленным на ослабление действия капельной влаги в про точной части турбины. Важнейшими мероприятиями являются эффективное влагоудаление, выбор геометрии меридионального обвода проточной части, применение геометрии профилей лопаток, обеспечивающей малые удельные напряжения от удара капель и частиц, подбор эрозионностойких материалов и защитных покры тий, а также применение различных конструктивных мероприятий защиты от эрозии.
В книге использованы результаты научных исследований оте чественных и зарубежных авторов. Многие результаты исследова ний, приведенные в книге, получены в проблемной лаборатории турбиностроения ЛПИ им. М. И. Калинина при обследовании турбин электростанций, а также в результате совместной работы кафедры турбиностроения ЛПИ с турбостроительными заводами ЛМЗ, ЛКЗ, ХТГЗ, турбинным цехом Ленэнергоремонта и отдель ными электростанциями систем Ленэнерго, Харьковэнерго, Эстонэнерго.
Основные о б о з н а ч е н и я
с — абсолютная |
скорость |
потока; |
|||
w — относительная |
скорость |
потока в рабочем колесе; |
|||
v — относительная |
скорость |
капли; |
|||
Ф — коэффициент |
разгона |
капли; |
|||
С0 — условная |
скорость потока, рассчитанная по изо- |
||||
энтропическому перепаду энтальпий; |
|||||
а — скорость звука; |
|
теплоемкости; |
|||
ср, cv — изобарная |
|
и |
изохорная |
||
h — перепад энтальпий; |
|
|
|||
i — энтальпия; |
|
|
|
|
|
/ — скорость |
падения энтальпии; |
||||
к — показатель |
изоэнтропы; |
постоянная Больцмана; |
|||
М — критерий Маха; |
|
|
|||
Кп — критерий |
Кнудсена; |
|
|
||
Sh — критерий |
Струхаля; |
|
|
||
We — критерий |
Вебера; |
температура; |
|||
Т — временной |
|
критерий; |
|||
V — объем; скорость; |
|
|
|||
G — массовый |
расход; |
|
|
||
N — мощность; |
|
|
|
|
|
р — давление; р — плотность;
R— газовая постоянная;
г— радиус; радиальная ось; скрытая теплота фазового
перехода;
S — площадь поверхности; s — путь; энтропия;
7 |
— относительная длина лопатки; |
лопаток; |
|||
t |
— шаг рабочих или направляющих |
||||
и — окружная скорость; |
ось координат, соответствую |
||||
|
щая |
окружной скорости; |
|
||
© — угловая |
скорость; |
напряжение; |
тангенциальная |
||
т — время; |
касательное |
||||
|
ось |
координат; |
|
турбины; число |
|
z — ось |
координат, параллельная оси |
||||
лопаток;
6
х — ось |
координат; |
степень |
сухости; |
|
у — ось |
координат, |
степень |
влажности; |
|
б, б — толщина |
пленки; средняя толщина пленки; |
|||
б*, б** — толщина |
вытеснения; толщина потери импульса; |
|||
%— длина свободного пробега молекул;
£— радиус капли;
п— число капель;
|
|
о |
— коэффициент |
поверхностного |
натяжения; |
|||||||
|
F, |
ц — коэффициент |
динамической |
вязкости; |
|
|||||||
|
f |
— площадь |
поверхности лопатки; |
|
|
|||||||
а ,'Р , |
у — углы |
потока; |
|
|
|
|
|
|||||
|
|
b — хорда |
профиля; |
|
|
|
|
|||||
|
|
/ — скорость |
ядрообразования; |
капли; |
|
|||||||
|
Сх — коэффициент |
сопротивления |
|
|||||||||
|
|
£ — коэффициент |
потерь; ось координат. |
|
||||||||
И н д е к с ы : |
|
|
соответственно |
перед |
ступенью, за НА, |
|||||||
О, |
1, |
2 — сечения |
||||||||||
|
|
|
за |
РК; |
|
|
потока жидкости; |
|
|
|||
|
|
' — параметры |
лопаток |
НА; |
||||||||
|
сл — параметры |
кромочного |
следа |
|||||||||
и, |
z, |
t — теоретическая величина; |
|
|
оси координат; |
|||||||
г — проекции |
|
на |
соответствующие |
|||||||||
стрелка |
над |
символом — векторная |
величина; |
величина; |
||||||||
черта |
над символом — безразмерная |
или |
средняя |
|||||||||
|
|
п — пар; |
|
|
вне пограничного слоя; |
|
||||||
|
оо — параметры |
|
||||||||||
|
кр — критический; |
линии насыщения; |
|
|||||||||
|
|
s — параметры |
на |
|
||||||||
|
г-тый параметр; |
|
|
|
|
|
|
|||||
С о’к’р а щ е н и я:
НА — направляющий аппарат; РК — рабочее колесо;
ЧНД, ЧСД, ЧВД, ЧСВД или ЦНД, ЦСД, ЦВД, ДСВД — части (цилиндры) низкого,
среднего, высокого, сверх высокого давления;
ПТУ, АПТУ — паротурбинная и атомная паротурбинная установка;
ВП — влажнопаровая; РППВ — регенеративный подогрев
питательной воды; XX — холостой ход;
БРОУ — быстродействующая ре дукционная охладитель ная установка;
ДОУ — дроссельная охладительная установка.
Г Л А В А I
ЭРОЗИОННЫЙ ИЗНОС УЗЛОВ И ДЕТАЛЕЙ ТУРБИН
Как показали осмотры паровых тракторов в основном проточ ных частей турбин на электростанциях, эрозионное изнашивание их деталей происходит в результате воздействия твердых и жидких частиц, транспортируемых паром. В паровом тракте турбины твер дые частицы появляются из различных источников — это про дукты коррозии, эрозии и отложений парогенератора, трубопро водов и других деталей турбоустановки. Наличие твердых частиц оказывает большое влияние на эрозионное изнашивание деталей паровых турбин, поэтому необходимо выявление мест и интен сивности поступления в паровой тракт твердого аэрозоля.
1 ЭРОЗИЯ КОРПУСОВ
Эрозионный износ корпусов турбин появляется в местах воз действия капельно-пленочной влаги и гидроабразивных потоков. При конструировании корпусных частей, расположенных в зонах появления капельной и пленочной влаги, основное внимание уде ляется конструктивной взаимосвязи установленных в корпусе деталей с учетом их технологичности при изготовлении и дальней шей сборке. Для предохранения от возможного эрозионного износа часто не предусматривают каких-либо мероприятий.
Эрозия корпусных элементов в большинстве эксплуатируемых турбин развивается сравнительно медленно, поэтому все без исклю чения турбины по корпусным деталям считаются эрозионнонадеж ными. На самом деле в процессе эксплуатации появляются от дельные очаги интенсивного износа корпусных деталей во многих турбинах.
В турбинах довоенных выпусков на низкие параметры пара корпус ЦНД, включая выходной патрубок, а также часто выход ная часть корпуса среднего давления в случае выполнения тур бины многоцилиндровой, изготовлялись из чугуна. С переходом на параметры пара 8,83 МПа, 500—535° С влажнопаровые части корпусов мощных, паровых турбин стали выполнять стальными сварными или сварнолитыми. Аналогичная картина наблюдалась, и в судовых турбинах.
Чугунные детали слабо противостоят эрозионному износу. При конструктивных просчетах появлялись значительные очаги
8
