ЛОПАТКА ГАЗОВОЙ ТУРБИНЫ

Полезная модель относится к деталям газовых технологических турбин, конкретнее к лопаткам газовых технологических турбин из хромистых сталей и никелевых сплавов, работающим в среде высокотемпературных хвостовых газов в агрегатах линии производства слабой азотной кислоты.
Направляющие и рабочие турбинные лопатки по своему служебному назначению являются основными деталями газовых технологических турбин. В совокупности они образуют проточную часть турбины, в которой происходит преобразование тепловой энергии рабочей среды (хвостового газа) в механическую работу вращающегося ротора. Совокупность направляющих и рабочих лопаток называют лопаточным аппаратом турбины.
Лопаточный аппарат является самой дорогой и наиболее ответственной частью турбины. Экономичность турбины, ее КПД - в первую очередь зависит от качества выполнения лопаточного аппарата. Трудоемкость изготовления лопаток современной турбины достигает до 45% от общей трудоемкости изготовления всех ее деталей. Лопатки турбин работают в очень тяжелых условиях. Они подвергаются сильному воздействию центробежной силы, изгибающему и пульсирующему воздействию рабочей среды, вызывающему вибрации лопаток, в которых легко могут быть возбуждены резонансные колебания. Все это происходит в первых ступенях турбины при высоких температурах рабочей среды, воздействующей на лопатки как химически, так и механически, и как следствие, имеет место эрозия входных кромок лопаток. Указанные условия требуют особо тщательного подхода к вопросам конструирования лопаток, выбора материалов и организации их производства.
Температура металла лопаток и деталей проточной части турбины определяется температурой рабочего тела (хвостового газа), и системой охлаждения. Напряжения изгиба, возникающие под действием газового потока в лопатках, составляют 50-80 МПа, а в перспективных высокотемпературных мощных газотурбинных установок достигают 130 МПа.
3
Лопатки и детали проточной части подвергаются статическому и динамическому воздействию газового потока. При этом возможны температурные перепады типа тепловых ударов до 400°C. Лопатки подвергаются также эрозионному и коррозионному воздействию потока продуктов сгорания при скорости его до 700 м/с. Запыленность потока твердыми частицами размером до 100 мкм может достигать концентрации 0,3 мг/м. Дополнительным неблагоприятным фактором является невозможность установки газоочистных устройств перед турбиной, ввиду больших температур газа.
В настоящее время существующие технологии повышения стойкости лопаток газовых технологических турбин для химической промышленности не позволяют обеспечить необходимой стойкости к эрозионному износу, высоким температурным нагрузкам. Если применение новых, более жаропрочных сплавов решает проблему увеличения сопротивляемости деформаций и разрушению лопаток при воздействии высоких температурных напряжений, то для надежной защиты от химического разрушения поверхностей под действием газовых потоков, исходящих со скоростью до 700 м/с требуются надежные, долговечные защитные покрытия.
В настоящее время в газовых технологических турбинах проблема увеличения сопротивляемости деформаций и разрушению лопаток при воздействии высоких температурных напряжений решается только применением новых, более жаропрочных сплавов.
Наиболее распространенными технологиями повышения стойкости лопаток являются технологии насыщения (ХТО, химико-термическая обработка) поверхностных слоев элементами внедрения: углеродом и азотом (цианирование, азотирование и нитроцементация), и газотермические методы нанесения защитных покрытий. Такой выбор объясняется производительностью и эффективностью применения.
После ХТО на поверхности лопаток создается слой высокой твердости (до 70-71 HRC), высокой износостойкости и теплостойкости, а возникающие в поверхностных слоях в результате насыщения сжимающие напряжения способствуют повышению предела выносливости материала деталей. Наиболее универсальными и пригодными для всех сталей являются: низкотемпературное цианирование, азотирование или нитроцемептация. Недостатками азотирования и низкотемпературного цианирования являются повышенная хрупкость и низкая теплопроводность насыщенных слоев. Повышенная хрупкость поверхностных слоев металлических деталей вызывает охрупчивание в целом, что ограничивает применение данных способов ХТО для деталей, испытывающих динамические нагрузки.
3
4
В 1980 г. в лаборатории Института электросварки им. Е.О.Патона АН УССР на сопловые лопатки ГТК-10-4 методом электронно-лучевой технологии были нанесены три типа защитных покрытий. Наработка составила не менее 3160 часов на материале ХН65 ВМТЮ, а на ЖС6К вместо 3000-30000 часов. Наиболее перспективными в конце 80 гг. являлись покрытия на основе нитрида кремния SiN и карбида кремния SiC.
2
2
3
В НПО «Сатурн» на замки лопаток наносят износостойкое трехслойное порошковое покрытие (1 слой - Ni+5%Al; 2 слой - Cr+36%Ni+5%In; 3 слой - Ni+20%Cr) путем использования специальной установки плазменного напыления. Жаропрочные покрытия наносят на рабочие поверхности лопаток: подслой системы Me-Cr-Al-Y и термобарьерное керамическое покрытие ZrO-YO методом APS. Ресурс лопатки в данном случае увеличивается в 2,5-3 раза.
Ближайшим аналогом являются лопатки компрессора газотурбинных двигателей, установок, паровых турбин с нанесенным на них защитным покрытием (Вестник УГАТУ, Уфа: УГАТУ, 2009, Т.12, №1 (30), с.108-112).
Данное техническое решение обладает следующими недостатками: одновременно с повышением износостойкости наблюдается повышение хрупкости этих слоев, что ограничивает применение данных технологий для повышения стойкости лопаток турбин, испытывающих температурные нагрузки.
Перед разработчиками полезной модели стояла задача увеличения ресурса и повышения стойкости к износу, как всего лопаточного аппарата технологических газотурбинных агрегатов, так и его отдельных узлов.
Техническим результатом полезной модели является увеличение сроков межремонтного периода, снижение простоев оборудования во время регламентных работ по обслуживанию технологических агрегатов, увеличение ресурса лопаток и повышение стойкости к износу. Кроме того, появилась возможность широкого варьирования состава покрытий при толщине от 0,01 до 1 мм; при нанесении покрытий подложка нагревается обычно до температуры 70-150°C, при этом не наступает изменение структуры и коробления.
3
2
В соответствии с полезной моделью лопатка газовой турбины, также как и в известном техническом решении, содержит нанесенное на нее защитное покрытие, при этом технический результат достигается тем, что на лопатку газовой турбины нанесено наноструктурированное покрытие на основе двойного карбида титана-хрома CrC-TiC/NiCr с размером зерен, по крайней мере, 10 нм, в том числе не менее 20% зерен имеют размер до 100 им.
3
2
Наноструктура покрытия CrC-TiC/NiCr представлена на фигурах 1, 2, 3, полученных с растрового и просвечивающих микроскопов. На фотографиях можно различить зерна карбида титана округлой формы,
2
2
3
2
окруженные тонкими прослойками твердого раствора на основе никеля (светлые области). Микротвердость таких областей составляет 750…1420 кг/мм. Покрытие также содержит полиэдрические кристаллы CrC (светло-серые) микротвердостыо 1420…1650 кг/мм. Кроме того, некоторое количество тонких включений никелевого твердого раствора присутствует в областях карбида хрома.
3
2
На фигурах 1, 2 и 3 изображено наноструктурированное покрытие на основе высокопрочной композиционной металлокерамики (CrC, TiC, NiCr) для защиты деталей турбин низкого и высокого давления от коррозии, температуры и эрозии.
Фиг. 1: фотография разработанного наноструктурированного покрытия, полученная на растровом микроскопе при увеличении ×5000, 5 мкм.
Фиг. 2: фотография разработанного напоструктурированного покрытия, полученная на растровом микроскопе при увеличении ×10000, 1 мкм.
Фиг. 3: фотографии разработанного наноструктурированного покрытия, полученные на просвечивающем микроскопе, при увеличении ×100000, 100 нм.
Разработанные наноструктурированные покрытия на основе карбидов хрома-титана при сравнимых механических свойствах демонстрируют чрезвычайно высокую стойкость к термоциклированию: в 8…10 раз выше по сравнению с традиционными композиционными покрытиями на основе карбидов вольфрама и хрома и отличную эрозионную стойкость при температурах не менее 900°C (см. таблицы 1 и 2).
2
2
Сравнительная стойкость газотермических покрытий к газоабразивной эрозии (абразив - частицы SiO размером 0,05-0,20 мм, расход абразива 16 г/мм, скорость газового потока 60 м/с, угол атаки 90°) представлена в таблице 1.
Таблица 1
Покрытие
Метод нанесения
Интенсивность изнашивания, I, мг/(мм<sup>2</sup>*г)
Микротвердость
ХТО
0,038
630-850
Микроструктурированное покрытие
Плазменное напыление
0,018
670-920
Cr<sub>3</sub>C<sub>2</sub>/NiCr
Высокоскоростное газопламенное напыление
0,015
Микроструктурированное покрытие
Плазменное напыление
0,022
680-1100
TiC/NiCr
Высокоскоростное газопламенное напыление
0,020
Наноструктурированное покрытие
Плазменное напыление
0,008
710-1400
Cr<sub>3</sub>C<sub>2</sub>-TiC/NiCr
Высокоскоростное газопламенное напыление
менее 0,005
3
2
Ресурсные характеристики наноструктурированные покрытия на основе высокопрочной композиционной металлокерамики CrC-TiC/NiCr для защиты деталей турбин низкого и высокого давления от коррозии, температуры и эрозии, представлены в таблице 2.
Улучшение рабочих характеристик и долговечности узлов и лопаток достигается за счет применения новых материалов покрытий, нанесенных сверхзвуковым методом напыления, что обеспечивает сохранение наноструктуры и высокие адгезионно-когезионные связи в покрытии. Формирование покрытия происходит в процессе напыления металлокерамического порошка на основе карбидов и жаростойкой матрицы, а также применения специальных технологических приемов (добавление присадок к топливу) увеличивающих скорость и температуру газовой струи.
Таблица 2
Наноструктурированные покрытия на основе высокопрочной композиционной металлокерамики для лопаток газовых турбин
Химический состав
Cr<sub>3</sub>C<sub>2</sub>-TiC/NiCr (NiCr не менее 10%)
Область применения
Газовые технологические турбины
Стойкость к кислотам
Отличная стойкость в среде высокотемпературных хвостовых газов в агрегатах линии производства слабой азотной кислоты
Микротвердость, HV
до 1500
Адгезия на стали, МПа
до 100 МПа
Эрозионная стойкость
Высокая
Жаростойкость
не менее 900°C
Сравнительно короткое и в тоже время достаточное для необходимого разогрева время нахождения частиц порошка в сверхзвуковом потоке обеспечивает сохранение наноструктуры и протекание самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС).
В узлах и лопатках турбин используются наноструктурированные абразивостойкие, коррозионностойкие и жаростойкие защитные покрытия, обеспечивающие высокие ресурсные характеристики деталей.