Методика и оборудование для определения топографии и скорости эрозионного износа лопаток влажнопаровых ступеней турбин

Для обеспечения безопасной эксплуатации паротурбинных установок необходимо проведение систематической диагностики износа лопаточного аппарата и определение остаточного ресурса эродированных лопаток.

Надежная и достоверная диагностика состояния поверхностей рабочих лопаток ЦНД в настоящее время производится со вскрытием цилиндра, что сопряжено с дополнительными затратами и не всегда возможно.

В научном центре «Износостойкость» МЭИ (ТУ) разработаны методика и измерительное устройство, позволяющие с достаточной точностью определять степень эрозионного износа рабочих лопаток последней ступени ЦНД как со вскрытием, так и без вскрытия проточной части, в том числе и при кратковременных остановах турбины.

Последние ступени ЦНД современных паровых турбин большой мощности эксплуатируются в паровой среде с расчетной степенью влажности от 8 до 14% в зависимости от типа турбин.

По высоте рабочих лопаток последних ступеней распределение степени влажности пара носит неравномерный характер и в периферийных зонах влажность может локально увеличиваться в 3^-4 раза по сравнению с расчетными значениями. Это обстоятельство приводит к значительному износу входных кромок рабочих лопаток (уменьшение хорды, изменение профиля) и может служить причиной серьезных аварий.

При некоторых режимах работы по причине попадания крупнодисперсной влаги в корневую зону последних ступеней имеет место эрозия выходных кромок рабочих лопаток, которая также может служить причиной отрыва лопатки с последующими катастрофическими последствиями.

Выявленные в МЭИ (ТУ) основные закономерности развития процесса эрозии конструкционных материалов с использованием уникального эрозионного стенда [1], а также результаты длительных натурных исследований эрозионного износа лопаток турбин позволили разработать методику определения топографии и скорости эрозии с целью осуществления своевременного ремонта или замены эродированных лопаток.

Определение остаточного ресурса эродированных рабочих лопаток последних ступеней ЦНД турбин предполагает проведение систематических измерений характеристик их изменяющегося профиля, выявление кинетики и соответствующих периодов износа, построения реальных «кривых» эрозии с учетом предельно допустимых величин хорд в различных сечениях.

Для измерения геометрических характеристик лопаток, а также выявления выступающих из ранжира лопаток и лопаток с пониженными прочностными свойствами необходимо проведение систематических измерений хорд определенного числа подряд стоящих лопаток.

Учитывая, что для достоверной и более надежной оценки скорости эрозионного износа рабочих лопаток последней ступени ЦНД паровых турбин требуется тщательная и достаточно частая диагностика геометрических характеристик, возникает необходимость доступа к ним со стороны выхлопного патрубка с целью проведения измерений не только в периоды среднего и капитального ремонта (со вскрытием крышки ЦНД), но с периодичностью не реже 1 раза в год, т. е. без вскрытия ЦНД.

С учетом конфигурации и плотной упаковки определение значений хорд эродированных лопаток как со вскрытием, так и без вскрытия цилиндра может осуществляться с помощью универсального, достаточно компактного измерительного устройства. Измерения истинных значений хорд по высоте лопаток необходимо производить с достаточно малым шагом (при этом измерения в г-м сечении повторяются 3^-5 раз и поскольку подобные измерения проводятся на пакете лопаток, то общее количество измерений составляет несколько сотен), к измерительному устройству должны быть предъявлены особые требования по быстродействию, точности измерений, удобству и простоте обращения с ним, возможности автоматического фиксирования измеренных значений на дисплее с возможностью их последующей статистической обработки.

В рамках решения-этой проблемы в НЦ «Износостойкость» МЭИ (ТУ) было разработано и внедрено в эксплуатацию измерительное устройство «Эрозимер МЭИ» (рис. 1).

Измерительное устройство состоит из ручки-держателя, в которой закреплены с возможностью параллельного перемещения измерительный рычаг и соединенный с ним электронный микрометр. Электронный микрометр «ABSOLUTE DIGI-MATIC» представляет собой устройство с возможностью однократной установки начала отсчета с сохранением абсолютной нулевой точки. Прецизионность измерений сохраняется даже в случае повышенных скоростей перемещения подвижного контактного наконечника. Погрешность измерения составляет 20 мкм. Электронный микрометр соединен с компактным переносным минипроцессором — принтером.

Минипроцессор обеспечивает статистическую обработку данных измерений и позволяет передавать их на компьютер или к дисплеям по интерфейсу. лопатка турбина износ Проведение натурных исследований эрозионного износа рабочих лопаток последних ступеней турбин без вскрытия корпуса ЦНД предполагает определение следующих параметров:

• * Протяженность и ширину (со стороны спинки и вогнутой части профиля) участков эрозионного износа входных и выходных кромок рабочих лопаток.
• * Изменение значений хорд профиля эродированной рабочей лопатки по ее высоте Z>; =f (L); построение зависимости ДЖ>; =f (L), где ДЖ>, =bi — bi, bi — номинальные (заводские) значения хорды в г-м сечении профиля. Координаты сечений (включая контрольные по регламенту завода-изготовителя) определяются индивидуально для каждого типа лопаток.
• * Локальные характеристики (протяженность по высоте лопатки ALBP, остаточные хорды Z>, и зависимости Abi =f (L)) в зонах эрозионных кратеров (сквозных промывов) с шагом по высоте не более 5 мм.

В качестве примера на рис. 2 приведено распределение значений хорд по высоте эродированных рабочих лопаток последней ступени ЦНД турбины К-255−162 (L = 1200 мм, титановый сплав ТС-5), проработавшей около 14 тыс ч. За этот период произведено 72 пуска турбины как из холодного, так и неостывшего состояний. Средняя диаграммная влажность пара перед рабочими лопатками последней ступени ЦНД — 11%. Оценка эрозионного износа рабочих лопаток ЦНД осуществлялась без вскрытия корпуса турбины.

Проведенная контрольно-измерительная диагностика, в частности, показала, что максимальное уменьшение хорды конкретной лопатки в результате эрозионного износа входной кромки в периферийном сечении достигло 6 мм.

В заключение следует отметить, что измерительное устройство «Эрозимер МЭИ» было также успешно применено в турбинах Т-100−130, Т-250/300−240 и позволяет с достаточной степенью точности без вскрытия корпуса ЦНД проводить диагностику лопаток длиной не менее 550 мм, определять их остаточный ресурс, что дает возможность своевременно осуществлять ремонт или их замену, а также исключить возникновение аварийных ситуаций.

1. Рыженков В. А. Повышение износостойкости оборудования паротурбинных электрических станций. Дисс… докт. тех. наук. М.: МЭИ, 2002. 58 с.