Возможности восстановления лопастей гидротурбин, поврежденных кавитацией

УДК 629.421.027

ВОЗМОЖНОСТИ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ЛОПАСТЕЙ ГИДРОТУРБИН, ПОВРЕЖДЕННЫХ КАВИТАЦИЕЙ

© Д.Ю. Габайдулин1, М.В. Гречнева2

Иркутский государственный технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.

Рассмотрены механизм и виды кавитационного износа, а также трудности ремонта деталей проточного тракта гидротурбин ГЭС. Предложено восстанавливать повреждённые кавитацией лопасти наплавкой и сверхзвуковым напылением с использованием кавитационностойких порошков и электродов. Дана сравнительная характеристика порошковых материалов, дающих высокую износостойкость при кавитационном воздействии. На основе обзора и сравнения перспективных технологий и характеристик различных материалов даны рекомендации, открывающие возможности значительного увеличения времени до капитального ремонта деталей гидротурбин. Ил. 6. Библиогр. 3 назв.

Ключевые слова: кавитационный износ; гидроэнергетика; наплавка; сверхзвуковое напыление.

RESOURCES TO REPAIRE HYDROTURBINE BLADES AFFECTED BY CAVITATION D.Yu. Gabaidulin, M.V. Grechneva

Irkutsk State Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, Russia, 664074.

The paper examines the mechanism and kinds of cavitation wear as well as difficulties in repairing parts of hydropower plant turbine flowpaths. Weld deposition and supersonic spraying with the use of cavitation resistant powders and electrodes are proposed to be used for reparing the blades affected by cavitation. A comparative characteristic of powder materials with high cavitation wear resistance is provided. Based on the review and comparison of prospective technologies and characteristics of various materials the recommendations are given that promise a significant prolongation of the operation duration to the major overhaul. 6 figures. 3 sources.

Key words: cavitation wear; hydropower engineering; weld deposition; supersonic spraying.

Все агрегаты гидростанций работают при наличии кавитации, степень которой зависит от конструктивных особенностей проточного тракта, качества изготовления деталей, режимов работы, условий эксплуатации и других факторов. Интенсивность кавитационно-эрозионных разрушений на разных ГЭС (и даже иногда на различных агрегатах одной ГЭС) различна и зависит от длительности контактирования рабочих поверхностей с кавитационным потоком, от состава воды, состава и физико-химических свойств сталей, определяющих сопротивляемость кавитационной эрозии.

Кавитация - это нарушение сплошности быстро-движущегося потока жидкости с образованием в нем пузырей (каверн), заполненных парами жидкости. Кавитация возникает в тех участках потока, где в результате турбулентных возмущений при обтекании препятствий и впадин, изменении направления, сужении проходных сечений и т. п. происходит местное понижение давления ниже определенного критического значения. При этом жидкость не выдерживает растягивающих напряжений и разрывается.

Различают кавитацию в потоке и поверхностную кавитацию. Первый тип кавитации наблюдается в по-

токе за рабочими колесами гидротурбин и насосов, за гребными винтами судов и т. п. При этом типе кавитации смытые с поверхности деталей гидромашин кави-тационные пузырьки замыкаются в потоке вдали от обтекаемой поверхности. Энергия, выделяющаяся при замыкании пузырьков, передается окружающей среде - жидкости. Такой тип кавитации приводит, в основном, к снижению к.п.д. гидромашин, появлению шума и вибрации рабочих органов.

При поверхностной кавитации возникновение и схлопывание пузырей (каверн) происходит или на самой детали, или в непосредственной близости от нее. В результате не только снижается к.п.д., увеличиваются шум и вибрации, но и появляются специфические разрушения в виде кавитационной эрозии материала на поверхности рабочих органов. Кавитацион-но-эрозионные разрушения, как правило, влекут изменение гидродинамических характеристик профиля рабочего органа гидромашины, что приводит к еще большему снижению к.п.д. и дальнейшему усилению кавитационных явлений, приводящих к интенсивному эрозионному износу. Например, первые гидротурбины Братской ГЭС уже после 1,5 лет эксплуатации имели сквозные эрозионные разрушения лопастей рабочего

1 Габайдулин Дмитрий Юрьевич, аспирант, тел.: 89501175165, e-mail: faiflay@gmail.com Gabaidulin Dmitry, Postgraduate, tel.: 89501175165, e-mail: faiflay@gmail.com

2Гречнева Мария Васильевна, кандидат технических наук, профессор кафедры машиностроительных технологий и материалов, тел.: 89149080621, e-mail: mgrech@irk.ru

Grechneva Mariya, Candidate of technical sciences, Professor of the Department of Engineering Technologies and Materials, tel.: 89149080621, e-mail: mgrech@irk.ru

колеса. Кавитационная эрозия поверхности твердых тел связана, в основном, со стадией замыкания кави-тационных пузырьков и коррозией, усугубляющей эрозионный износ.

Рис. 1. Схема смыкания кавитационных пузырьков вблизи поверхности

Существует два вида кавитационного воздействия. В первом случае (рис. 1) кавитационная эрозия является микроусталостным процессом вследствие многократного импульсного воздействия ударных волн (гидравлических ударов) на поверхность твердого тела. Пузырьки схлопываются вблизи поверхности, производя импульсные гидроудары.

Во втором случае (рис. 2)1кавитационная эрозия возникает от ударного воздействия высокоскоростных микроструй жидкости, способных деформировать и даже разрушить материал в точке контакта при однократном воздействии. При воздействии микроструй возникает кумулятивный эффект, определяющий их большую разрушающую способность. Этот тип износа встречается на всех гидроагрегатах турбин ГЭС. Детали гидротурбин - крупногабаритные, тяжелые,

сложные по форме и исполнению конструкции. Гидроэрозионному разрушению подвергаются, в основном, обратная сторона лопастей 1 (рис. 3), тело рабочего колеса 2 и его камера 3. Конус рабочего колеса 4 и лопасти направляющего аппарата 5 менее подвержены повреждениям этого типа.

Общий ремонт усложняется из-за необходимости полной разборки генератора. Из-за больших площадей рабочих поверхностей, которые следует зачищать, а затем наплавлять, ремонт очень продолжителен, а простои оборудования такого класса приводят к значительным финансовым затратам.

Сварка и наплавка усложняются не только из-за больших габаритов конструкции, но и необходимости осуществления наплавки в разных пространственных положениях (вертикальное, потолочное). Это обусловлено невозможностью кантовки из-за большого веса деталей, их разборки или извлечения: например, стенки камеры рабочего колеса невозможно демонтировать.

Традиционно восстановление гидроэрозионных разрушений на ГЭС осуществляется ручной дуговой наплавкой специальными электродами. Недостатками этой технологии являются высокая трудоемкость и низкая производительность. Качество наплавленной поверхности сильно зависит от квалификации сварщиков. Лучшие результаты даёт механизированная наплавка с применением полуавтоматов. Однако её использование также требует высокой квалификации сварщиков для качественной наплавки больших площадей. Наиболее прогрессивной является технология газопламенного напыления кавитационно-стойкого слоя на заранее подготовленную поверхность деталей, уже имеющую выверенную геометрию. Напыле-

Рис. 2. Схема смыкания кавитационных пузырьков на поверхности

Рис. 3. Схема рабочего колеса и гидрокамеры: 1 - лопасть; 2 - тело рабочего колеса; 3 - камера рабочего колеса (гидрокамера); 4 - конус рабочего колеса; 5 - лопасти направляющего аппарата

ние обеспечивает значительно более высокую производительность восстановления больших площадей при более равномерном нанесении покрытия и не требует дополнительной правки геометрических параметров поверхности. Использование современной роботизированной техники обеспечивает дальнейшее облегчение процесса ремонта.

Согласно исследованиям фирмы ОаБЫт Е^есйс, сварочные материалы марки Оау1Тес имеют более высокие характеристики сопротивляемости кавитации по сравнению с традиционными материалами (рис. 4). Сталь 308 - аналог отечественной стали 10Х18Н10Т.

звуковое напыление порошков на основе сплавов кобальта на поверхность печатных барабанов, затем она полируется до чистоты оптического зеркала (Ра 0,012). Такие покрытия, имеющие высокое сопротивление разрушению в микрообъемах, оптимальны для восстановления деталей гидротурбин, подвергающихся кавитации. Применение напыления в гидроэнергетике открывает возможности существенного увеличения срока службы агрегатов. В качестве примера можно привести порошки WOKA 3601, WOKA 3604 производства фирмы БаЬагоБ, применяемые в установках для напыления.

20000 30000 40000 Рабочее время

Рис. 4. Сравнительная диаграмма потерь веса проволоки СачПес относительно известных материалов

По потерям веса сталь 10Х18Н9Т уступает материалам CaviTec примерно в 10 раз. В настоящее время капитальный ремонт изношенных поверхностей гидротурбин осуществляется раз в 8 лет. Использование предлагаемых материалов предположительно позволит увеличить время до капитального ремонта до 5070 лет.

Для применения технологии высокоскоростного напыления необходимы специальные порошковые материалы. Порошки бывают самых различных составов и свойств, от различных производителей. Исследования стойкости к кавитационному воздействию напылённых покрытий, проводившиеся в 1980-х гг. японскими исследователями Хасуи и Моригаки (рис. 5, 6), показали, что лучшими характеристиками обладают высокопрочные сплавы на основе кобальта.

Порошки имеют размеры частиц до 40 мкм и содержат до 9% Co, 5% Cr, 1% Ni. Они дают покрытия с хорошей стойкостью к эрозии, абразивному воздействию, скользящему износу и коррозии. Покрытия получаются гладкими, прочными, плотными, работают при температурах до 450°С. Они обладают хорошей адгезией, поэтому предварительная наплавка переходного слоя не требуется, достаточно создать необходимую шероховатость поверхности.

Как показывает рис. 6, напылённые вольфрамоко-бальтовые покрытия сопротивляются кавитации до 910 раз лучше, чем стали аустенитного класса типа Х18Н9. Покрытие, полученное высокоскоростным напылением, имеет ровную поверхность и в дальнейшем хорошо шлифуется и полируется. Например, в компании Eastman Kodak (США) при производстве промышленных печатных станков используется сверх-

Рис. 5. Кавитационный износ для покрытий, напыленных с последующим оплавлением: 1 - углеродистая сталь 3046 без покрытия; 2 - литая

хромистая сталь с 13% 0г без покрытия; 3 - покрытие из самофлюсующегося сплава на основе

никеля; 4 - литая коррозионно-стойкая сталь типа Х18Н8 без покрытия; 5 - покрытие на хромоникелевой основе; 6 - покрытие из сплава на основе кобальта

В современной гидроэнергетике объемы износа рабочих колес гидроагрегатов не столь велики, как это было в первые годы эксплуатации ГЭС еще во времена СССР. Усовершенствованы формы лопастей и режимы их работы. При их изготовлении и ремонте используются более стойкие к кавитации материалы. Однако даже при том, что капитальный ремонт одного гидроагрегата проводится раз в 8-10 лет, затраты на него значительны из-за большого количества гидроагрегатов на каждой ГЭС. Поэтому остаётся актуальным совершенствование технологии ремонта деталей турбин.

О 20 40 60 80 100 „

ч

Рис. 6. Зависимость относительной эрозионной стойкости (<рэ = стойкость образца/стойкость литой коррозионно-стойкой стали типа 18-8) защитных покрытий из различных материалов в среде воды: 1 - литейная коррозионно-стойкая сталь типа 18-8; 2 - коррозионно-стойкая сталь SUS403 (напыленная проволокой); 3 - коррозионно-стойкая сталь SUS303 (напыленная проволокой); 4 - покрытие на основе Ш; 5 - то же на основе ^; 6 - на основе N с содержанием 30% Mo; 7 - то же на основе ^; 8 - то же на основе N1-^

В данной статье представлен обзор перспективных технологий с использованием кавитационно-стойких материалов, которые могут значительно увеличить срок службы деталей турбин, подверженных кавитационному износу. Капитальный ремонт гидроагрегата Братской ГЭС с экспериментальной наплавкой

различными электродами, предназначенными для этих целей, проводился 8 лет назад, а следующий запланирован на 2013 г. Результаты 8-летней эксплуатации гидроагрегата, отремонтированного с применением этих новых материалов, позволят определить пути дальнейших исследований.

Библиографический список

1. Штерн Е.П. Защита гидротурбин с кавитационно- 2. Хасуи А., Моригаки О. Наплавка и напыление / пер. с яп. коррозионными повреждениями // Явления кавитации в гид- В.Н. Попова; под ред. В.С. Степашина, Н.Г.Шестеркина. М.: ротурбинах / ЦП НТОЭП, 1967. 175 с. Машиностроение, 1985. 240 с.

3. Миличенко С.Л. Ремонт кавитационных разрушений гидротурбин. М.: Энергия, 1985. 104 с.

УДК 621. 778

ОБЕСПЕЧЕНИЕ ПРОДОЛЬНОЙ УСТОЙЧИВОСТИ ИЗДЕЛИЯ В МОМЕНТ ОКОНЧАНИЯ ПРОЦЕССА ВОЛОЧЕНИЯ НА СТАНАХ ЛИНЕЙНОГО ТИПА

1 9

© В.К. Еремеев1, Н.К. Кузнецов2

Иркутский государственный технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.

Приводятся результаты аналитического анализа воздействия ударных нагрузок, возникающих по окончании процесса волочения, на изделие и клиновый зажимной инструмент. На основе результатов анализа и экспериментальных исследований трубоволочильного стана определяются способы уменьшения ударных сил. Даются рекомендации по выбору параметров волочильного стана, процесса волочения и изделия, исключающие возможность потери продольной устойчивости изделия в момент окончания процесса волочения. Ил. 4. Библиогр. 7 назв.

Ключевые слова: волочение; продольный удар; расчетные схемы ударного нагружения; ударные силы; методы снижения ударных сил.

PROVIDING PRODUCT LONGITUDINAL STABILITY WHEN TERMINATE DRAWING ON DRAW BENCHES V.K. Eremeev, N.K. Kuznetsov

Irkutsk State Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, Russia, 664074.

The analytical analysis results of the impact of shock loads arising at the end of drawing on the manufactured item and wedge clamping tools are presented. The methods to reduce impact forces are determined by the analysis results and

1Еремеев Валерий Константинович, кандидат технических наук, доцент кафедры конструирования и стандартизации в машиностроении, тел.: 89642158811, e-mail: eremeev1940@bk.ru

Eremeev Valery, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Designing and Standardization in Mechanical Engineering, tel.: 89025613072, e-mail: eremeev1940@bk.ru

2Кузнецов Николай Константинович, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой конструирования и стандартизации в машиностроении, тел.: 89025613072, e-mail: knik@istu.edu

Kuznetsov Nikolai, Doctor of technical sciences, Professor, Head of the Department of Designing and Standardization in Mechanical Engineering, tel.: 89025613072, e-mail: knik@istu.edu