Исследование зависимости степени эрозии от физических свойств пара на примере паровых турбин

I. Проблема разрушения лопаток паровых турбин
1. Введение
Современная техника невозможна без использования машин и механизмов. Элементы турбин, работающих на влажном паре, подвергаются непрерывному воздействию капель или струй жидкости, вследствие которой возможен износ (эрозия) поверхностей лопаток, дисков, диафрагм, обойм, корпусов и других деталей.

2. Постановка проблемы
Причиной эрозии лопаток, которые имеют наибольшую длину, является удар водяных капель с относительной высокой скоростью. Присутствие воды объясняется тем, что пар расширяется в турбине, пока не станет влажным.

Анализ условий, в которых находятся отдельные элементы оборудования, показывает, что наиболее характерными видами эрозии являются:
ударное воздействие капель
кавитационная эрозия
щелевая эрозия

При больших скоростях соударения капель с поверхностью деталей и больших размерах капель эрозионное разрушение существенно возрастает.

Наиболее сильный износ выходных кромок лопаток последних ступеней наблюдается у турбин, работающих длительное время на различных нагрузках, особенно на режимах холостого хода.

II. Теоретическая часть. Характеристики пара. Физические процессы: эрозия и кавитация.
2. Причины и механизм возникновения ударной эрозии

На первом этапе τ1, так называемом инкубационном периоде, видимых повреждений поверхности нет, потерь массы материала зафиксировать не удается.
Этап τ2, характеризуется тем, что имеет место максимальная скорость эрозии и в течение этого отрезка времени она остается практически постоянной.
Во время следующего отрезка времени τ3, по различным причинам эрозия снова ослабевает.

Давление при ударе жидкости об абсолютно твердую поверхность выражается хорошо известной формулой гидроудара Н.Е. Жуковского:
где ρ2 - плотность жидкости; a - скорость звука в жидкости; ω - скорость соударения.
С учетом того, что деформация твердого тела (стали) является упругой, действительное импульсное давление Р будет несколько меньше.
P = ρ2 aω

Время возрастания кривой нагрузки при ударе имеет длительность в пределах нескольких микросекунд. Время снижения давления составило 15...20 мкс.
При скоростях соударения 150...600 м/с, вызывающих эрозию рабочих лопаток паровых турбин, расчетное давление составляет 25...95 МПа.
Предел текучести для рабочих лопаток, определенных в статических условиях, составляет 68...80 МПа.

III. Качественное описание процессов на примере модели: «Высокопрочный удар капли о преграду»
4. Схема удара капли
Схема удара капли: a — до растекания; b — образование струи; c — подход ударной волны к вершине капли, образование тороидальной области разрежения; d — образование обширной области разрежения с очагами кавитации; 1 — невозмущенная жидкость; 2 — свободная поверхность; 3 — ударная волна; 4 — твердая поверхность; 5 — граница пятна контакта; 6 — область сжатой жидкости; 7 — струя; 8 — область кавитации.

5. Кавитация
КАВИТАЦИЯ (от лат. cavitas — пустота), образование в капельной жидкости полостей, заполненных газом, паром или их смесью теоретическая прочность на разрыв воды равна: 1,5•108 Па (—1500 кгс/см2 ).
Максимальное растяжение тщательно очищенной воды, достигнутое при растяжении воды при 10°С, составляет — 2,8•107 Па (— 280 кгс/см2 ).

Если кавитационная каверна захлопывается вблизи от обтекаемого тела, то многократно повторяющиеся удары приводят к разрушению (к так называемой кавитационной эрозии) поверхности обтекаемого тела — лопастей гидротурбин, гребных винтов кораблей и других гидротехнических устройств.

где р — гидростатическое давление набегающего потока, рн— давление насыщенного пара, — плотность жидкости, v∞ — скорость жидкости при достаточном удалении от тела.

IV. Эрозионное изнашивание конструктивных элементов проточных частей паровых турбин
На практике конструктивные элементы паровых турбин подвержены:
Каплеударной эрозии входных рабочих лопаток, их стеллитовой защиты входных кромок, выходных кромок и торцевых сечений;
Гидроабразивной эрозии хвостовиков рабочих лопаток, заклепок и их торцевых сечений;
Кавитационной эрозии профильных поверхностей рабочих лопаток и периферийного ленточного бандажа.

V. Подведение итогов: ответ на поставленный вопрос «зависимость изменения степени и скорости эрозии от различного воздействия факторов»
Эрозия возникает при наличии крупных капель воды движущихся с большой скоростью разрушения (10...20 м/с).

Скорость эрозии зависят от: