Статья Лопатки ГТУ. Е. С. Жирова. С. В. Фефелова. А. Ф. Ибатуллина
 Скачать 0.58 Mb.
|
|
УДК 62.135 ПОВЫШЕНИЕ РЕСУРСА ЭКСПЛУАТАЦИИ ЛОПАТОК ТУРБИН ГАЗОТУРБИННЫХ УСТАНОВОК Е. С. Жирова. С.В. Фефелова. А.Ф. Ибатуллина. ФГБОУ ВО Башкирский ГАУ, Уфа, Россия Аннотация: Создание новых поколений газотурбинных двигателей при условии сокращения сроков и затрат на их проектирование определяет необходимость разработки аналитических методов расчета и исследования температурного состояния лопаток газотурбинных двигателей в направлении формирования расчетных моделей, повышающих точность расчетов при минимизации трудоемкости их реализации. В связи с этим для повышения эффективности создания газотурбинного двигателя целесообразно применять комплексный подход к аналитическому исследованию температурного состояния охлаждаемых и неохлаждаемых лопаток турбины, основанный на разработке метода регулирования объема. Ключевые слова: газотурбинный двигатель, двигатель, теплоемкость, лопатки, температура, частота вращения INCREASING THE LIFE OF TURBINE BLADES GAS TURBINE PLANTS E.S. Zhirova. S.V. Fefelova. A.F. Ibatullina. Bashkir state agrarian university, Ufa, Russia Abstract: The creation of new generations of gas turbine engines, provided that the time and costs for their design are reduced, determines the need to develop analytical methods for calculating and studying the temperature state of gas turbine engine blades in the direction of forming computational models that increase the accuracy of calculations while minimizing the labor intensity of their implementation. In this regard, in order to increase the efficiency of creating a gas turbine engine, it is advisable to apply an integrated approach to the analytical study of the temperature state of cooled and uncooled turbine blades, based on the development of a volume control method. Keywords: gas turbine engine, engine, heat capacity, blades, temperature, rotation frequency Введение: С каждым новым поколением газотурбинных двигателей (ГТД) и силовых установок параметры рабочего цикла двигателя и температура газа перед турбиной, которая в скором времени должна достичь 2000К, растут. Из-за этого создание новых поколений газотурбинных двигателей связано с разработкой газогенератора высоких температур, реализующего эффективный рабочий процесс двигателя. Решение этой задачи обусловливает необходимость глубокого исследования и изучения рабочих процессов и физико-химических. Проведенный анализ показывает, что основными причинами повреждения лопаток газотурбинных установок являются высокие частоты вращения и повышенные эксплуатационные температуры. Нами были разделены повреждения на две категории: 1) высоко- и малоцикловую усталости; б) разрыв ползучести. Так, на рисунке 1 представлены лопатки ротора и статор турбины выполненные из сплава IN738LC, с содержанием хрома 0,016; кобальта 0,0085; титана 0,0034; алюминия 0,0044; железа 0,003; молибдена 0,00175 и др. Как видно, первая ступень лопаток турбин частично повреждена, а вторая ступень лопаток оставалась относительно целой. При этом основная причина поломок- разрыв ползучести и, как следствие- нарушение целостности конструкции.   а б Рисунок 1 Деформация лопаток ротора: а) статора; б) паровой турбины Нами был проведен анализ причин повреждения лопаток. Анализ показывает, что в непосредственной близости от направляющих опоры лопаток наблюдалось изменения цвета конструкционного материала от красновато-зеленого до темно-коричневого (рисунок 2). Использование рентгеновской дифракции (РД) и рентгено-флуоресцентной дифракции (РФД), установлено что эти цвета представлены наличием оксидов железа Cr2O3 и NiO, а также Na и S [1]. Эти сплавы являются стандартными материалами для работы в газовых турбинах, где лопатки и лопасти подвергаются высоким механическим нагрузкам и агрессивным средам. В жаропрочных сплавов Ni, наличие хрома необходимо для обеспечения термостойкости и стойкости к окислению, а другие легирующие элементы имеют важное значение для обеспечения высокой прочности и особенно сопротивление ползучести. Другие элементы, такие как алюминий и титан, позволяющие осаждению фазы гамма (Ni3(Al,Ti)) при термической обработке, которая укрепляет гранецентрированную кубическую матрицу (фаза гамма). Другой тип фазы, также очень важен для механических свойств никелевых сплавов (карбидов). Эти частицы присутствуют в этих сплавах, их получают добавлением углерода с целью формирования карбидов, которые улучшают свойства ползучести [1]
Рисунок 2 а) рабочая лопатка турбины после эксплуатации; б) фото зерна материала лопатки (200Х) при увеличении Наиболее распространенный и трудоемкий способ исследования жаропрочных сплавов Ni. Более простым, как известно, является способ математического моделирования. Нами был проведен математический расчет в стационарном состоянии потока газа с помощью программного обеспечения ANSYS Workbench 11.0. Затем, путем сопоставления результатов был проведен анализ моделирования и расчет лопаток в реальных условиях эксплуатации. Было установлено, что повреждение лопатки не было связано с центробежной и газовой нагрузкой. Причиной повреждения лопатки ротора является увеличение ее длины и контакта между концом лопатки и корпуса, как следствие, после длительного периода эксплуатации привело к ползучести. Микроструктурные исследования лопатки показали наличие непрерывной сплошной пленки карбидов в границе зерен и огрубление осадков фазы гамма, в результате воздействия высоких температур и последующей эксплуатации. Кроме того, наблюдалось большое количество двойникования в результате отжига из-за работы при высоких температурах. Что подтвердило также математические выводы. Дальнейшей исследования в этой области должны быть направлены на повышение периода эксплуатации лопаток турбин ГТУ ресурс работы которых, как показывает практика, не всегда соответствует заявленному-10 лет.  Рисунок 3 Расчетная схема дефлекторной лопатки С учетом принятых допущений развитие во времени температурного поля на участках профиля лопатки описывается следующей краевой задачей нестационарной теплопроводности с граничными условиями третьего рода на ограничивающих поверхностях:  (1.1) ; (1.2) (1.3) , (1.4)где x и  - соответственно пространственная и временная переменные,  - искомая температура,  - начальная температура лопатки,  и  - температуры поверхности лопатки со стороны охлаждающего воздуха и высокотемпературного газа соответственно, - коэффициент геометрической формы. При  задача (1.1) - (1.4) описывает тепловое состояние средней части профиля лопатки и выходной кромки, и в этом случае необходимо положить  ; При численном решении краевой задачи теплопроводности температуру определяют в дискретных точках пространства и в дискретные моменты времени. Для задачи (1.1) – (1.4) неявная абсолютно устойчивая в счете безытерационная конечно-разностная схема имеет вид:  (1.5) (1.6) (1.7) (1.8)Здесь предполагается, что геометрическая область, в которой ищется решение задачи (1.1) – (1.4), разбита на m слоев таким образом, что вектор нормали к границе каждого слоя коллинеарен орт-вектору оси x. Через  и  обозначены координаты соответственно левой и правой границы i–го слоя. С целью распространения конечно-разностного уравнения (1.5) на крайние (2-й и m+1-й) слои области введены также два фиктивных (1-й и m+2-й) граничных слоя. Температуры  (i = 1, 2,…, m+2) определяются в серединах соответствующих пространственных слоев.Плотность, теплоемкость и коэффициент теплопроводности рассчитываются в (1.5) - (1.8) следующим образом:   Отметим, что температуры наружной и внутренней поверхностей лопатки явно не присутствуют в уравнениях (1.5) – (1.8). При необходимости, на n-м временном шаге они могут быть определены по формулам  .Вывод: Разработаны расчетные методы, обеспечивающие повышение адекватности определения температурного состояния неохлаждаемых и охлаждаемых лопаток газотурбинных двигателей, за счет более полного учета коэффициентов теплопередачи в лопатке. Список литературы Буров, В.Д. Газотурбинные и парогазовые установки тепловых электростанций. Учебное пособие для вузов. Гриф УМО МО РФ/В.Д. Буров. – Москва : Московский энергетический институт (МЭИ), 2016 – 235 с. Зысин, Л.В. Парогазовые и газотурбинные тепловые электростанции: учеб. Пособие. – Санкт-Петербург : Издательство Политехн. Ун-та, 2010. – 368 с. Соколов, В.С. Газотурбинные установки : Учебное пособие – Москва : Высшая школа, 2016. – 151 с. Ценарев, С.В., Буров, В.Д., Ремезов, А.Н. Газотурбинные установки и парогазовые установки тепловых электростанций: учебное пособие. – Москва. : Издательство МЭИ, 2002. –584 с. Ионин, А.А. Газоснабжение : учебник для вузов / А.А. Ионин. – 5-е изд., стер. – Санкт-Петербург : Издательство Лань, 2012. – 439 с. |
