RU113536U1

RU113536U1 - Лопатка газовой турбины

Info

Publication number: RU113536U1
Application number: RU2011132748/06U
Authority: RU
Inventors: Вячеслав Леонидович Никишечкин; Вячеслав Владимирович Кондратюк; Лев Христофорович Балдаев; Сергей Львович Балдаев
Original assignee: Открытое акционерное общество "Дальневосточный завод энергетического машиностроения"
Priority date: 2011-08-04
Filing date: 2011-08-04
Publication date: 2012-02-20

Abstract

Полезная модель относится к деталям газовых технологических турбин, конкретнее, к лопаткам газовых технологических турбин из хромистых сталей и никелевых сплавов. Лопатка газовой турбины содержит нанесенное на нее наноструктурированное покрытие на основе двойного карбида титана-хрома Cr₃C₂-TiC/NiCr. Размер зерен составляет, по крайней мере, 10 нм. И не менее 20% зерен имеют размер до 100 им. Техническим результатом является увеличение сроков межремонтного периода, снижение простоев оборудования во время регламентных работ по обслуживанию технологических агрегатов, увеличение ресурса лопаток и повышение стойкости к износу. 1 н.з.п.ф. 3 илл. 2 табл.

Description

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.

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/м³. 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.

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 Si₃N₄ и карбида кремния SiC.

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 ZrO₂-Y₂O₃ 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.

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 Cr₃C₂-TiC/NiCr с размером зерен, по крайней мере, 10 нм, в том числе не менее 20% зерен имеют размер до 100 им.

Наноструктура покрытия Cr₃C₂-TiC/NiCr представлена на фигурах 1, 2, 3, полученных с растрового и просвечивающих микроскопов. На фотографиях можно различить зерна карбида титана округлой формы,

окруженные тонкими прослойками твердого раствора на основе никеля (светлые области). Микротвердость таких областей составляет 750…1420 кг/мм². Покрытие также содержит полиэдрические кристаллы Cr₃C₂ (светло-серые) микротвердостыо 1420…1650 кг/мм². Кроме того, некоторое количество тонких включений никелевого твердого раствора присутствует в областях карбида хрома.

На фигурах 1, 2 и 3 изображено наноструктурированное покрытие на основе высокопрочной композиционной металлокерамики (Cr₃C₂, 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).

Сравнительная стойкость газотермических покрытий к газоабразивной эрозии (абразив - частицы SiO₂ размером 0,05-0,20 мм, расход абразива 16 г/мм², скорость газового потока 60 м/с, угол атаки 90°) представлена в таблице 1.

Таблица 1
Покрытие	Метод нанесения	Интенсивность изнашивания, I, мг/(мм²*г)	Микротвердость
ХТО		0,038	630-850
Микроструктурированное покрытие	Плазменное напыление	0,018	670-920
Cr₃C₂/NiCr	Высокоскоростное газопламенное напыление	0,015	670-920
Микроструктурированное покрытие	Плазменное напыление	0,022	680-1100
TiC/NiCr	Высокоскоростное газопламенное напыление	0,020	680-1100
Наноструктурированное покрытие	Плазменное напыление	0,008	710-1400
Cr₃C₂-TiC/NiCr	Высокоскоростное газопламенное напыление	менее 0,005	710-1400

Ресурсные характеристики наноструктурированные покрытия на основе высокопрочной композиционной металлокерамики Cr₃C₂-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	Cr₃C₂-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.

Claims

Лопатка газовой турбины, содержащая нанесенное на нее защитное покрытие, отличающаяся тем, что на лопатку нанесено наноструктурированное покрытие на основе двойного карбида хрома-титана Cr₃C₂-TiC/NiCr, при этом размер зерен составляет, по крайней мере, 10 нм, в том числе не менее 20% зерен имеют размер до 100 нм.