Назначение, типовые конструкции
Рабочие лопатки являются одними из наиболее ответственных и дорогостоящих элементов турбины. Во время работы они подвергаются воздействию различных факторов: высоких температур, коррозии, эрозии, а также статических, динамических и температурных напряжений. Выбор конструктивной формы, размеров и материала зависит от условий, в которых им приходится работать и в значительной степени определяет надежность и экономичность эксплуатации турбин.
Конструктивно рабочую лопатку можно разделить на следующие части: рабочая часть, промтельная часть, хвостовик и элементы связей ступени рабочих лопаток.
Для снижения вибрационных напряжений, возникающих в процессе эксплуатации, на рабочие лопатки устанавливаются связи разных конструкций. Установка связей требует внесения на рабочую часть лопатки дополнительных конструктивных элементов:
— отверстий под проволоку и усиления профиля в виде поясков на наружном профиле в зоне отверстий;
— шипов (круглых или профильных) на верхнем торце лопаток под ленточные бандажи;
— цельнофрезерованных, выполненных заодно с лопаткой, бандажей в виде полок.
Характерные дефекты и причины их появления
• Механические повреждения
Наиболее распространенными и практически не зависящими от места расположения ступени в турбине являются случайные механические повреждения. Эти повреждения могут быть вызваны инородными предметами, случайно попавшими в проточную часть после ремонта, и частями разрушившихся при эксплуатации деталей, расположенных перед данной ступенью. Характер механических повреждений проявляется либо в виде забоин, которые могут быть расположены на любом участке лопатки, включая кромки, либо в виде деформации всего профиля, кромок или верхнего торца лопатки. Особенно опасны острые забоины, расположенные на кромках. В некоторых случаях (при больших размерах забоины и расположении ее в месте максимальных напряжений в лопатке) концентрация напряжений может привести в дальнейшем к разрушению.
• Усталостные повреждения
В турбине в процессе эксплуатации из-за наличия неравномерности потока всегда имеются возбуждающие силы, вызывающие колебания рабочих лопаток. При колебаниях в лопатках возникают динамические напряжения, которые способствуют накоплению усталости и при определенных условиях могут привести к усталостному разрушению бандажей, связей, самих рабочих лопаток и дисков.
Уровень динамических напряжений зависит от режима эксплуатации и конструктивных особенностей проточной части. Многочисленные экспериментальные исследования турбин разных типов и различных заводов-изготовителей показали, что для рабочих лопаток последних ступеней ЧНД основное влияние на величину напряжений оказывает такой эксплуатационный параметр, как давление в конденсаторе. В околоотборных ступенях турбин дополнительные возбуждающие силы возникают из-за значительной стационарной неравномерности потока, вызванной наличием камер отборов и аэродинамическим несовершенством их конструкции. Лопатки, расположенные в зоне фазового перехода, получают дополнительное динамическое воздействие вследствие неравномерного поля давления по окружности, так как конденсация пара происходит не одновременно во всем объеме.
• Коррозионные повреждения
Коррозионные повреждения лопаток наблюдаются во всех типах турбин. Это связано с тем, что в паровой среде всегда содержатся коррозионно-активные вещества, а от их количества зависит лишь скорость развития повреждений.
Коррозионные повреждения можно подразделить на несколько видов:
— коррозионное растрескивание под напряжением;
— коррозионно-усталостное разрушение;
— питтинговая и язвенная коррозия.
Коррозионному растрескиванию под напряжением подвержены в основном рабочие лопатки и диски, расположенные в зоне фазового перехода, т.е. там, где в паре начинает образовываться жидкая фаза и происходит ее осаждение на поверхности в виде пленки. Поскольку момент образования влаги не является постоянно привязанным непосредственно к какой-то ступени, а в зависимости от параметров острого пара, поступающего в турбину, смещается вверх или вниз по проточной части, то в образовавшейся пленке при повышении температуры происходит увеличение концентрации коррозионно-активных веществ, которые, скапливаясь в неровностях, всегда имеющихся на поверхностях, под действием статических напряжений вызывают растрескивание металла.
Коррозионно-усталостное разрушение связано с воздействием динамических сил, а коррозионно-активные вещества, попав в появившуюся микротрещину, ускоряют ее развитие, причем процесс этот идет постоянно. При этом рано или поздно разрушение детали произойдет обязательно, а время до разрушения зависит от концентрации коррозионо-активных веществ и уровня динамических напряжений в детали.
Коррозионные повреждения в виде питтингов и язв являются концентраторами напряжений и в зависимости от их размера, количества и места расположения могут привести к разрушению рабочих лопаток и дисков. При значительной потере металла вследствие коррозии снижаются прочностные характеристики лопаток и изменяются собственные частоты колебаний. Образование таких повреждений в процессе эксплуатации происходит обычно на ступенях, расположенных в зоне фазового перехода и реже в зоне влажного пара. При длительных простоях турбины питтинги и язвы могут образовываться по всей проточной части турбины (стояночная коррозия), а вблизи отборов, дренажей и запорной арматуры — наиболее интенсивно. Это является следствием конденсации пара, поступающего на поверхности проточной части неработающей турбины через неплотно закрытую или дефектную арматуру дренажей, отборов и т. п.
• Эрозионные повреждения
Рабочие лопатки ЧНД (в большей степени последние ступени) подвержены эрозионному износу. Износ входных кромок связан с наличием процессной влаги и часто усугубляется сниженной (по условиям работы котла) температурой свежего пара при сохранении расчетного начального давления. Эрозия выходных кромок связана с подсосом влаги из конденсатора или отборов и развивается, как правило, от корня лопатки. Эрозионные повреждения, особенно в виде сквозных промывов, служат концентраторами напряжений и могут привести к усталостному разрушению рабочих лопаток. При значительной потере металла вследствие эрозии снижаются прочностные характеристики, нарушается вибрационная отстройка лопаток и ухудшаются аэродинамические показатели проточной части.
Разновидностью эрозии является также повреждение рабочих лопаток твердыми частицами, которые представляют собой окалину с поверхностей нагрева котла. Как правило, такой эрозии подвержены первые ступени ЧВД и ступени ЧСД, расположенные сразу после промперегрева.
Применяемые материалы
Материалы, применяемые при изготовлении лопаток, выбираются исходя из условий эксплуатации лопатки и действующих на нее усилий. Основными материалами являются нержавеющие стали мартенситного класса марок 12X13, 20X13, 15X11МФ (12Х13Ш, 20X1ЗШ, 15Х11МФШ –стали полученные методом шлакового переплава).
Для лопаточного аппарата регулирующих ступеней ЦВД и первых ступеней, расположенных после промперегрева пара, применяют стали марок 20Х12ВНМФШ или 18Х11МНФБШ, как наиболее жаростойкие.
Стали марок 12Х13Ш и 20Х13Ш рассчитаны на работу до температуры не выше 400.. .450 °С, поэтому они применяются для рабочих лопаток части среднего и низкого давления.
Для ступеней давления ЧВД используется сталь марки 15X11МФШ. Она же применяется для изготовления лопаток наиболее нагруженных ступеней ЧНД. Сталь этой марки может работать до температуры 500…550 °С и обладает высокой прочностью и пластичностью, так как может быть термообработана до категории прочности КП70.