Тхабисимов А.Б., аспирант Качалин Г.В., кандидат технических наук, старший научный сотрудник Медников А.Ф., кандидат технических наук
Сидоров С.В., аспирант (Национальный исследовательский университет «МЭИ»)
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЙ СТЕНД ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ АБРАЗИВНОЙ СТОЙКОСТИ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ И ЗАЩИТНЫХ ПОКРЫТИЙ
Представлено описание экспериментального стенда для изучения абразивной стойкости конструкционных материалов и защитных покрытий. Описаны основные узлы и принцип работы стенда.
Ключевые слова: турбомашины, абразивный износ, экспериментальный стенд.
EXPERIMENTAL RIG FOR RESEARCH OF STRUCTURAL MATERIALS AND PROTECTIVE COATINGS ABRASIVE RESISTANCE
In this paper presented the description of experimental rig for the study of the abrasive resistance of structural materials and coatings. The basic components and operation of the stand are described.
Keywords: turbomachines, abrasive wear, experimental rig.
В процессе эксплуатации функциональные поверхности элементов проточных частей турбомашин подвержены различным видам износа, в том числе и абразивному износу. Известные на сегодняшний день активные способы снижения абразивного износа направлены на снижение концентрации твердых частиц в газоабразивном потоке путем их удаления из проточной части [1-4]. Тем не менее, не удается полностью исключить попадание частиц в проточную часть, поэтому наряду с использованием активных способов целесообразно применение пассивных способов защиты, таких как нанесение защитных покрытий, в том числе путем формирования на функциональных поверхностях износостойких покрытий, продлевающих срок службы оборудования и снижающих затраты на ремонт.
Известно, что параметры взаимодействия твердых частиц, находящихся в газоабразивном потоке, с рабочими элементами проточной части изменяются в широком диапазоне значений. Основополагающими параметрами являются: угол, скорость соударения и концентрация частиц, а также температура рабочей поверхности [2-3]. На сегодняшний день недостаточно изучено влияние этих параметров на интенсивность абразивного износа лопаточных материалов [1, 3, 4].
Для изучения абразивной стойкости конструкционных материалов и защитных покрытий в широком диапазоне параметров соударения твердых частиц в «НИУ «МЭИ» была проведена модернизация экспериментального стенда, позволяющего моделировать условия абразивного износа сопловых и рабочих лопаток первых ступеней цилиндров высокого и среднего давлений мощных паровых турбин.
Принципиальная схема и внешний вид экспериментального стенда показаны на рисунке 1.
Основные технические характеристики стенда:
- диапазон изменения угла взаимодействия абразивного потока с поверхностью образца, градусы: 0^90;
- диапазон изменения скорости взаимодействия абразивного потока с поверхностью образца, м/с: 30^230;
- диапазон изменения температуры поверхности образца, С: 20^550.
Принцип работы экспериментального стенда заключается в следующем. Сжатый воздух от винтового компрессора 1 подается к фильтр-регулятору 2 (см. рис. 1), где происходит его очистка от различных взвесей и примесей и снижение давления, значение которого регистрируется манометром 9. Установленный далее по воздушному тракту ротаметр 11 предназначен для контроля расхода воздуха, значение которого позволяет однозначно определить скорость воздушного потока. Далее по тракту поток воздуха поступает в разгонное суживающееся сопло 5, а затем в камеру смешения 4, где увлекает за собой твердые частицы. Температура воздуха контролируется с помощью термоэлектрического преобразователя 10, установленного в воздушном потоке до камеры смешения. После камеры смешения газоабразивный поток выходит из стабилизирующей трубки 6 и взаимодействует с поверхностью экспериментального образца. Расход твердых частиц, поступающих в камеру смешения по магистрали подачи абразива контролируется частотой работы вибропитателя 3. В качестве абразивного материала выступают частицы А1203 (электрокорунд). Для организации равномерной и непрерывной подачи твердых частиц используется лабораторный вибропитатель БЯ-100.
а)
/
б)
1 - компрессор; 2 - фильтр-регулятор; 3 - вибропитатель; 4 - камера смешения; 5 - разгонное сопло; 6 - стабилизирующая трубка; 7 - держатель образца с возможностью контроля угла поворота; 8 - система нагрева образца; 9 - манометр; 10 - термоэлектрический преобразователь
Рис. 1. Принципиальная схема (а) и внешний вид (б) экспериментального стенда по изучению абразивной стойкости материалов и покрытий
Угол расположения образца относительно оси потока контролируется с помощью градуированной шкалы на держателе для проведения испытаний при комнатной температуре (см. рисунок 3(а)). Специальная поворотная часть держателя позволяет регулировать угол взаимодействия газоабразивного потока с поверхностью образца в диапазоне 0 - 90° (см. рисунок 3(б)).
Для проведения испытаний при температурах от 20 0С до 550 0С, предусмотрена специальная конструкция держателя образца, которая включает в себя сам держатель образца, нагреватель образца и термоэлектрический преобразователь для контроля температуры поверхности образца (см. рисунок 3(в)).
а) б) в)
Рис. 3. Фотография держателя образца для проведения абразивных испытаний без нагрева: (а) - общий вид; (б) - шкала регулировки угла взаимодействия газоабразивного потока с поверхностью образца; (в) - держатель образца для проведения абразивных испытаний
при высоких температурах
Одним из назначений экспериментального стенда является исследование динамики разрушения материалов. Для этого необходимо наблюдать и регистрировать процессы, протекающие непосредственно в месте взаимодействия газоабразивного потока с поверхностью образца. Экспериментальный стенд был оснащен системой измерения скорости твердых частиц в газоабразивном потоке, включающей в себя быстродействующую фоторегистрирую-щую камеру и импульсный осветитель. Внешний вид фоторегистрирующей камеры и системы освещения приведен на рисунке 4.
Рис. 4. Фотография внешнего вида фоторегистрирующей камеры (а) и системы освещения (б)
Взаимодействие газоабразивного потока с поверхностью экспериментального образца, полученное с помощью фоторегистрирующей камеры, приведено на рисунке 5. Определение скорости частицы основано на ее вычислении по длине пройденного пути за известное время (время экспозиции), при этом траектория частиц регистрируется камерой в виде ярких точек (см. рисунок 5), получаемых за счет отражения коротких световых вспышек лазера подсветки от этих частиц
Разгонная трубка
Падающие частицы
Отраженные частицы
Поверхность образца
Рис. 5 Взаимодействие газоабразивного потока с поверхностью экспериментального образца
Выводы:
Проведенная модернизация экспериментального стенда позволила обеспечить возможность проведения исследований разнообразных материалов при различных углах атаки и скоростях соударения абразива с поверхностью исследуемого образца при высоких температурах (до 550 0С), а также регистрировать процессы взаимодействия газоабразивного потока с поверхностью образцов и измерять скорость твердых частиц в потоке. Это позволяет оценивать абразивную стойкость, подбирать материалы и защитные покрытия для лопаток и других элементов оборудования турбомашин, подверженного абразивному износу.
Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации, Соглашение № 14.132.21.1730
ЛИТЕРАТУРА
1. Хаимов В.А. Сепараторы для удаления твердых частиц из паропроводов горячего промперегрева мощных энергоблоков / В. А. Хаимов, Е.И. Пузырев, В.Н. Кокин, А. А. Базыленко, А.К. Павлышев, А.П. Мычик// Электрические станции.- 2009.- №9.- С. 27-33.
2. Трухний А.Д., Ломакин Б.В. Теплофикационные паровые турбины и турбоустановки: учебное пособие для вузов./ М.: Издательство МЭИ, 2002.
3. Кащеев В.П., Хаимов В.А., Воронов Е.О., Кащеева О.В., Сорокин В.Н. // Снижение эрозионного износа цилиндра среднего давления паровых турбин, работающих на закритиче-ских параметрах. - Репозиторий БНТУ. - 2009 г.- С 65-73.
4. Хаимов В.А., Воропаев Ю.А., Левченко А.И., Федорова Л.В. Модернизация первой ступени ЦСД турбины К-300-240 ЛМЗ с целью уменьшения эрозионно-абразивного износа проточной части, Электрические станции, 2011, №9, С.8-16
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.