книги из ГПНТБ / Жаров Г.Г. Судовые высокотемпературные газотурбинные установки

Литые сопловые лопатки ГТД изготовляются из сплавов на кобальтовой и никелевой основах. При этом обычно применяют точ­ ное литье. Штампованные сопловые лопатки изготовляют из мате­ риалов ЭИ607, ЭИ617, ЭИ437 и др. Для внешнего и внутреннего ко­

приведены в табл. 6.

Рабочие лопатки. Рабочие лопатки являются наиболее нагру­ женными из всех деталей газовой турбины. Они подвержены дей­ ствию центробежных сил, вибрационных нагрузок, термических на­ пряжений, усилий, возникающих в результате различия коэффи­ циентов расширения лопаток и диска, а также окисляющему дей­ ствию горячих газов.

Работая длительное время в области высоких температур и на­ пряжений, материал рабочих лопаток турбин должен обладать вы­ сокой жаропрочностью и жаростойкостью. Вследствие вибрации ло­ паток материал должен иметь повышенную сопротивляемость уста­ лости. Комплекс требований, предъявляемых к материалу рабочих лопаток, настолько велик, что их выполняют лишь при использо­ вании высоколегированных жаропрочных сталей и специальных сплавов. Для рабочих лопаток обычно применяют такие стали, как ЭИ696 и ЭИ388, или никелевые сплавы ЭИ437 и ЭИ437Б. Эти сплавы,

Таблица 7

Механические и физические свойства материалов дисков и роторов газовых турбин

как и сплавы ЭИ598 и ЭИ617 (ВЖ51), содержат до 70—8096 никеля. Основные свойства некоторых материалов приведены в табл. 6.

Диски и роторы. Диски и роторы газовых турбин, помимо дей­ ствия центробежных напряжений, могут испытывать большие темпе­ ратурные напряжения. В ряде случаев температура на ободе диска достигает 873 К, а к центру снижается до 423—623 К. Напряжения в отдельных точках диска иногда доходят до предела текучести материала. Поэтому требования к материалам дисков и роторов близки к требованиям, предъявляемым к материалу рабочих лопаток.

В газотурбинных двигателях диски турбин иногда изготовляют из того же металла, что и рабочие лопатки, а именно: из сталей ЭИ482, ЭИ612, ЭИ802 и сплавов на никелевой основе ЭИ437А и ЭИ437Б. Основные свойства некоторых материалов представлены в табл. 7. Иногда для дисков используют стали ЭИ395 и ЭИ434. Широкое распространение в настоящее время получила относительно дешевая сталь ЭИ415, обладающая достаточно высокой жаропрочностью.

Корпуса. Корпуса (статоры) газовых турбин подвергаются нерав­ номерному нагреву по длине. Если на входе газа температура его велика, то по выходе из турбины она значительно понижена. Это резкое изменение температуры по длине статора вызывает в нем температурные напряжения. Поскольку статоры находятся в таком же состоянии, что и направляющие лопатки, то требования к их материалу такие же, как и к материалу направляющих лопаток.

§ 4. Создание материалов, работающих при высоких температурах

Современная теория прочности кристалличе­ ских тел базируется на двух основных положениях [49]:

зионная подвижность компонентов по границам зерен для прочности металлических сплавов при высоких температурах.

Прочность металлических сплавов определяется главным обра­ зом силами межатомных связей в кристаллах, составляющих сплав. Нагревы вызывают увеличение тепловых колебаний атомов и при­ водят к изменениям межатомных сил связи в кристаллической ре­ шетке. Диффузионные процессы в основном протекают по границам кристаллических зерен. Поэтому улучшение жаропрочности дости­ гается средствами, понижающими подвижность атомов по границам зерен и усиливающими межатомные связи в кристаллической ре­ шетке. Проблема жаропрочности связывается, таким образом, с не­ обходимостью определения характеристик прочности межатомных связей в кристаллах металлических фаз и установления влияния, оказываемого на них внешними и внутренними факторами.

Экспериментами установлено, что чем выше температуры плавле- - ния и начала рекристаллизации, чем больше значения энергии акти­ вации, теплоты, сублимации, модуля упругости и чем меньше

величины отклонения атомов от положения равновесия при тепловых колебаниях, тем прочнее при прочих равных условиях межатомные силы связи в кристаллической решетке сплава и тем больше его жаро­ прочность.

Наиболее полную оценку жаропрочных сплавов дают характери­ стики диффузионных перемещений атомов в твердом состоянии: энергия активации диффузии и коэффициент диффузии.

Энергия активации диффузии и самодиффузпн находится в функ­ циональном соотношении с энергией или работой, необходимой для расчленения кристалла на атомы. Эту величину можно выразить зависимостью

получают количественные данные, позволяющие судить о диффузион­ ной подвижности атомов и зависящих от нее процессов рекристалли­ зации и ползучести, а также о характеристиках длительной проч­ ности.

Для оценки жаропрочности материала удобней пользоваться коэффициентом диффузии

Т — абсолютная температура.

Коэффициент диффузии позволяет сопоставить различные мате­ риалы (металлы) и сравнить их между собой. Так, путем проведенных больших экспериментальных работах под руководством Г. В. Курдюмова было установлено, что один и тот же уровень подвижности атомов достигается для алюминия при 573 К, титана — при 773 К, железа, кобальта, никеля — при 973—1073 К, хрома — при 1273 К, молибдена — при 1473 К и для вольфрама — при 1873 К-

Результаты проведенных исследований по так называемой харак­ теристической температуре и среднеквадратичной амплитуде тепло­ вых колебаний атомов дают возможность сделать заключение отно­ сительно элементов, легирование которыми могло бы быть эффек­ тивным с точки зрения повышения жаропрочности материалов. Из легирующих элементов — упрочнителей жаропрочных сплавов — только молибден, вольфрам и ниобий имеют определенное значение для сплавов на железной, кобальтовой и смешанной хромоникелекобальтожелезной основах. Титан и алюминий в качестве упрочни­ телей входят в большинство жаропрочных сплавов, за исключением кобальтовых. Углерод является упрочнителем всех сплавов, кроме

никелевых, а азот — преимущественно аустенитных сталей и не­ которых сплавов на смешанной основе.

При составлении необходимого сплава руководствуются струк­ турными диаграммами, относящимися к базовой композиции мате­ риала, и особенностями влияния отдельных элементов. При выбореотдельных элементов обязательно учитывают специфику и возможность технологической обработки материала. Известно, что сопротивление металлов окислению при высоких температурах зависит от свойств покрывающей металл пленки окисла. Эти свойства определяются температурой плавления, теплотой образования и упругостью диссо­ циации окислов. Чем выше температура плавления, больше теплота образования и меньше упругость диссоциации окисла, тем выше его защитные свойства.

Пленка окислов, появляющаяся на сплаве, может служить в ка­ честве защитного слоя. Основными элементами, способствующими со­ зданию защитных пленок и повышающими таким образом окалиностойкость железных, никелевых и кобальтовых сплавов, являются хром, алюминий и кремний. Эти элементы способны в условиях высоких температур давать устойчивую окалину, обладающую вы­ сокой огнеупорностью. Опыты показывают, что присадка хрома в ко­ личестве 15—20% оказывается обычно достаточной для придания сплавам удовлетворительной окалиностойкости. Однако присадки хрома бесполезны и даже вредны с точки зрения сопротивляемости ползучести. Главная задача легирования заключается в том, чтобы, не избегая легирования хромом как основным окалиностойким эле­ ментом, найти такие его сочетания с другими элементами, которые удовлетворяли бы требованиям прочности при высоких темпера­ турах.

Анализируя большое количество экспериментальных данных при­ шли к выводу, что максимальной жаропрочностью обладают сплавы, химические составы которых отвечают насыщенным твердым раство­ рам. Поэтому эффективность легирования как средства улучшения сопротивления ползучести связана в первую очередь со способ­ ностью легирующих элементов давать твердые растворы, легко дово­ димые до состояния насыщения. В результате основной металл дол­ жен обладать высокими значениями температур плавления и рекри­ сталлизации и характеризоваться высоким отношением Трк/ТпЛ как определяющим критерием жаропрочности [49]. Добавляемые к ос­ новному металлу другие компоненты должны отвечать следующим требованиям:

—не образовывать легкоплавких эвтектик и не давать низко­ плавких продуктов окисления;

—обладать способностью давать твердые растворы с основным металлом и другими элементами;

—обеспечивать стабильность твердого раствора при длительной службе;

—предотвращать и затормаживать дифференциальные процессы;

—не вызывать структурных превращений, ведущих к ослабле­ нню границ зерен.

Удовлетворить все перечисленные требования одновременно очень трудно.

Рассмотрим, какое влияние оказывает многокомпонентное леги­ рование на жаропрочные свойства сплава на никелевой основе. Присадка к никелю 20% хрома слабо сказывается на жаропрочности сплава, хотя и сопровождается некоторым его упрочнением, свиде­ тельствующим об усилении энергии связи в кристаллической ре­ шетке. Дальнейшее усложнение состава присадками титана и алюми­ ния в общем количестве 2,5—3% вызывает резкое повышение жаро­ прочности сплава. Присадки молибдена и вольфрама способствуют дальнейшему увеличению длительной прочности. Дополнительным средством повышения жаропрочности таких сложнолегированных сплавов является присадка к ним небольших количеств бора, упроч­ няющего границы зерен. Такое комплексное легирование дает воз­ можность повысить в несколько раз жаропрочность основного ме­ талла.

наблюдаются в получении высокохромистых нержавеющих сталей. Жаропрочные модификации 12°о-ной хромистой стали (реке 448)

сложнолегированной стали аустеннтного класса при температуре 1073 К имеют предел длительной прочности более 100 Мнім2 (рис. 12). Современные дисперсионно-твердеющие сплавы на никелевой основе в зависимости от напряжения можно применять при температуре 1073—1123 К (см. рис. 12). Наиболее жаропрочными из специальных сплавов, по крайней мере применительно к небольшому ресурсу, является группа кобальтовых сплавов. Они уступают никелевым сплавам в интервале температур 700—800 К, но зато сохраняют сравнительно высокие значения длительной прочности при темпера­ турах 1173—1223 К (см. рис. 12).

Дальнейшее повышение рабочих температур металлических спла­ вов потребует, по-видимому, создания сплавов на базе других, более тугоплавких элементов, чем применяемые в настоящее время железо, никель, кобальт с их относительно низкими температурами плавле­ ния (1808, 128 и 1763 К соответственно).

Имеется много металлов с высокими температурами плавления (титан, ванадий, хром, цирконий, ниобий, молибден, вольфрам). Наиболее перспективными металлами для газотурбостроения яв­ ляются молибден (7 П Л = 2898 К) и хром ( Г п Л = 2233 К).

изготовляют из специального сплава, обладающего протпвоокпслптельиой стойкостью, и упрочняют волокнами из более тугоплавкого и высокопрочного материала. В настоящее время разработаны такие композитные материалы на никелевой основе, армированные про­ волокой из вольфрама. Эти сплавы имеют температуру разрушения при 100 пли 1000-часовой работе выше, чем перспективные никеле­ вые сплавы, на 40—50 К.

Новые возможности открывает применение методов порошковой металлургии. Не будучи связана с необходимостью расплавления твердых веществ, порошковая металлургия не имеет температурных пределов. Для получения изделий методом порошковой металлургии можно применять не только металлы с различными температурами плавления, но и различные неметаллические и интерметаллические соединения в виде окислов боридов, нитридов, карбидов, силици­ дов и др.

Применение таких материалов очень важно для газотурбострое­ ния, так как именно среди этих материалов имеются наиболее огне­ упорные вещества в виде окислов (АЦ03 ; MgO; BeO, ZnO) тугоплав­ ких карбидов и нитридов, температуры плавления которых намного превышают 1773 К, а плотность редко выходит за пределы 3—5 про­ тив 8 и более для существующих жаропрочных сплавов. Однако ши­ рокому внедрению кермалей и керметов препятствуют основные их недостатки, связанные с повышенной чувствительностью к вибра­ циям, ударным нагрузкам и местным концентрациям напряжений. Недостатки этих материалов — сложность их механической обра­ ботки, а также затруднения, возникающие при разработке креплений керамических лопаток к дискам.

Несмотря на это, в некоторых лабораториях проводились иссле­ дования лопаточного аппарата из керамики. Турбина с лопатками из силлиманита (Al2 03 Si) прошла 38-часовые испытания при тем­

проработала до разрушения 50 ч при температуре 1163 К и частоте вращения 14 000 обIмин (окружная скорость ип = 223 м/с). Разру­ шение лопаток произошло из-за очень резкого теплового удара, вы­ званного прекращением подачи воздуха. На работающей турбине производилось также испытание лопаток, изготовленных из карби­ дов титана (80%) и кобальта (20%). Разрушение турбины прои­ зошло через 12 ч работы при окружной скорости на конце лопатки ип — 215 м/с и при температуре газа на входе в турбину 1473 К-

Проведенные испытания еще раз подтвердили, что если керами­ ческие и металлокерамические материалы и найдут применение, то только для соплового аппарата, который выдерживает изгибающие усилия от действия газовых сил и незначительные вибрационные нагрузки. По исследованиям фирмы Дженерал Электрик, внедрение порошковой металлургии, направленной кристаллизации и компо­ зитных материалов возможно к 1990 г. (рис. 13).

Все сказанное дает основание сделать вывод, что существующие материалы в настоящее время позволяют поднять температуру газа перед турбиной до 1223 К при малых ресурсах и до 1073 К — при больших ресурсах. Дальнейшее повышение температуры возможно только за счет интенсивного охлаждения высокотемпературных де­ талей газовых турбин.

Создание сплавов, способных работать при более высокой тем­ пературе, не исключает применения систем охлаждения, а будет способствовать еще большему расширению диапазона освоения вы­ соких температур. Поэтому работы по созданию более жаропрочных

19W " то то " то" то то

т, годы

Рис. 13. Предполагаемый рост рабочих температур для неко­ торых материалов лопаток турбин.

§ 5, Классификация систем охлаждения

итребования к ним

Всвязи с тем, что современные материалы не

могут обеспечивать резкого увеличения начальной температуры газа для высокотемпературной ГТУ, необходимо разрабатывать и внед­ рять различные способы охлаждения наиболее напряженных узлов газовой турбины.

Для выбранного материала и заданного ресурса можно опре­ делить допустимую температуру детали. Превышение действительной температуры над допустимой должно быть снято соответствующим

димого тепла можно достигнуть уменьшением поверхности охлажде­ ния и увеличением допустимой температуры детали. Следовательно, для высокотемпературных охлаждаемых турбин редкие рабочие ре­ шетки значительно выгоднее, чем густые. Из формулы также выте­ кает, что переохлаждение деталей нецелесообразно. Их выгодно охлаждать только до температур, допустимых по условиям длитель­ ной прочности.

Поскольку системы охлаждения газовых турбин дополнительно усложняют их конструкцию, то при создании надо обращать особое внимание на обеспечение надежности работы газовой турбины. Основ­ ные требования, предъявляемые к системам охлаждения, сводятся

кследующему:

—экономическая целесообразность применения систем охла­ ждения, т. е. тот выигрыш, который мы получаем за счет увеличения температуры газа, должен быть больше того проигрыша (всех по­ терь), который мы имеем за счет охлаждения детален турбины;

— обеспечение надежного п эффективного охлаждения деталей на всех режимах работы ВГТУ, исключение засоления и загрязне­ ния каналов охлаждения;

— обеспечение равномерного температурного поля в сечении охлаждаемой детали, исключающее местный перегрев;

—простота конструкции и удобство обслуживания;

—возможность контроля работы системы во время эксплуатации. Многочисленные попытки создать максимально эффективную си­

стему охлаждения для высокотемпературной газовой турбины вы­ звали многообразие систем охлаждения, различающихся между со­ бой конструктивным исполнением, способом подвода охлаждающего агента, родом охлаждающей среды. В настоящее время не существует строгой классификации систем охлаждения, в то время как необхо­ димость в этом уже назрела.

В основу предлагаемой классификации положены конструктивные особенности систем охлаждения и способы подвода охлаждающего агента. В соответствии с этим все существующие системы охлаждения

Открытые системы охлаждения обеспечивают охлаждение нагре­ тых деталей газовой турбины с последующим смешением охлаждаю­ щего агента в потоке газа; охлаждающий агент используется одно­ кратно. Открытые системы охлаждения могут быть внутренние и на­ ружные. Наружные открытые системы охлаждения характеризуются тем, что охлаждающий агент подается непосредственно снаружи на охлаждаемые детали газовой турбины. Во внутренних открытых системах охлаждения охлаждающий агент охлаждает детали турбин сначала внутри, а затем выбрасывается в проточную часть. К на-

ружным открытым системам охлаждения относятся: системы охлаж­ дения теплоотводом в сопряженные детали турбины, парциальные, струйные, экранные.- К внутренним открытым системам охлаждения относятся: системы с охлаждающими внутренними каналами, пле­ ночные и пористые. Иногда в литературе пленочные и пористые си­ стемы охлаждения относят к наружным системам охлаждения.

Схемы охлаждения турбин ВГТУ

Рис. 14. Системы охлаждения газовых турбин.

Уже более 15 лет в большинстве как отечественных, так и за­ рубежных ГТУ используют наружные открытые системы охлажде­ ния. Из внутренних открытых систем охлаждения наиболее распро­ странены системы с выходом охлаждающего агента по торцу или по задней кромке лопатки. Они нашли применение в авиационных дви­ гателях и сейчас внедряются в стационарном и судовом газотурбо­ строении.

Широкое использование открытых систем охлаждения объясняется тем, что эти системы проще в устройстве и эксплуатации, чем за­ крытые. Они дешевле при изготовлении. Основное достоинство таких систем — малая масса и сравнительно высокая надежность их ра­ боты. В настоящее время эти системы являются наиболее отработан­ ными.