Регистрация / Вход
Прислать материал

Анализ современного состояния проблемы защиты элементов турбомашин, эксплуатирующихся при совокупном воздействии газоабразивного потока и высоких температур. Разработка методики исследований абразивной стойкости при высоких температурах. (Результаты выполнения работ по I этапу Соглашения о предоставлении субсидии от 17 июня 2014 г. № 14.574.21.0011 на тему: "Создание новых высокотехнологичных способов защиты элементов турбоустановок, эксплуатирующихся при совокупном воздействии газоабразивного потока и высоких температур")

Докладчик: Медников Алексей Феликсович

Должность: ведущий инженер, кандидат технических наук

Цель проекта:
Задачи, на решение которых направлен реализуемый проект: - проведение экспериментальных исследований динамики разрушения конструкционных материалов и сформированных покрытий при совокупном воздействии газоабразивного потока и высоких температур; - разработка технологических основ повышения абразивной стойкости элементов турбоустановок, базирующихся на отработке режимных параметров формирования защитных абразивостойких покрытий с помощью современных вакуумных ионно-плазменных технологий. Цели выполнения ПНИ Создание новых высокотехнологичных способов защиты элементов турбоустановок, эксплуатирующихся при совокупном воздействии газоабразивного потока и высоких температур.

Основные планируемые результаты проекта:
Основные планируемые результаты проекта:
- результаты комплексных исследований состава, микротвердости, коэффициента трения и скорости изнашивания, стойкости к ударно-динамическим воздействиям защитных покрытий, сформированных на образцах из лопаточных сталей 20Х13, 15Х11МФ.
- методика исследований абразивной стойкости при высоких температурах (до 550° С) образцов из лопаточных сталей 20Х13 и 15Х11МФ без покрытий и с защитными покрытиями.
- результаты исследований абразивной стойкости при высоких температурах (до 550° С) образцов из лопаточных сталей 20Х13, 15Х11МФ без покрытий и с защитными покрытиями, в том числе:
- результаты исследования влияния параметров абразивных испытаний (угол и скорость соударения твердых частиц, температура поверхности образца) на кинетику процесса абразивного износа образцов из лопаточных сталей 20Х13 и 15Х11МФ без покрытий и с защитными покрытиями.
- результаты исследования динамики разрушения поверхности образцов из лопаточных сталей 20Х13 и 15Х11МФ без покрытий и с защитными покрытиями.
- результаты параметрического исследования, устанавливающего связь между толщиной и составом защитных покрытий и их абразивной стойкостью.
- экспериментальный образец защитного покрытия, сформированного на лопатке турбины (компрессора).
- результаты комплексных исследований толщины, состава, микротвердости, коэффициента трения и абразивной стойкости экспериментального образца защитного покрытия.
- технологические основы защиты элементов турбоустановок от абразивного износа, обеспечивающих повышение абразивной стойкости конструкционных материалов, не менее чем в 3 раза, при эксплуатации в условиях температур до 550 ˚С;
- проект технического задания на проведение ОКР по теме «Разработка и изготовление опытного образца установки по формированию защитных абразивостойких покрытий на элементах турбоустановок»;
- рекомендации и предложения по использованию результатов реализуемого проекта в реальном секторе экономики, а также в дальнейших исследованиях и разработках.
Технологический процесс формирования ионно-плазменных покрытий на элементах турбин и компрессоров представляет большие сложности и характеризуется совокупностью целого ряда последовательных операций. Причем выбор конкретного вида ионно-плазменного покрытия, его толщина, состав и метод нанесения зависит от материала, массы, геометрических размеров и условий эксплуатации конкретного изделия, а процесс формирования покрытия отрабатывается в результате многовариантных исследований. В связи с этим каждый конкретный технологический процесс, разработанный на определенном оборудовании для изделий одного типа, обладает элементами «know how», что дает возможность получения результата, способного к правовой охране.
Для аттестации покрытий, сформированных на экспериментальных образцах, будет разработана методика их исследований при совокупном воздействии газоабразивного потока и высоких температур с использованием уникальных научных стендов и установок УНУ (УСУ) «Гидроударный стенд Эрозия-М», а также имеющегося у научного коллектива современного экспериментального стенда, предназначенного для определения абразивной стойкости конструкционных материалов и покрытий.
Аттестация защитных абразивостойких покрытий будет проведена с использованием двух наиболее широко используемых в мире подходов. Первый - всестороннее исследование лопаточных материалов 20Х13, 15Х11МФ и покрытий на экспериментальных образцах в условиях совокупного воздействии газоабразивного потока и высоких температур. Второй – отработка режимных параметров получения покрытия с заданными свойствами, а также их оптимизация с целью увеличения абразивной стойкости защищаемых материалов, не менее чем в 3 раза.
С учетом применения обоих подходов будут разработаны технологические основы получения покрытий, увеличивающих абразивную стойкость не менее чем в 3 раза, определены их оптимальные характеристики (состав, толщина, микротвердость, стойкость к ударно-динамическим воздействиям), продолжительность, последовательность и параметры основных стадий технологического процесса формирования покрытий, требования к составу основного технологического оборудования для их получения.
Планируемые результаты проекта помогут решить следующие задачи:
- реализовать приоритетные направления научно-технического прогресса в энергетике и машиностроении, в частности, повышение ресурса и улучшения функциональных характеристик элементов оборудования турбоустановок;
- разработать «прорывные» технологии для создания энергетики будущего, за счет разработки новых способов формирования абразивостойких защитных покрытий на поверхностях элементов энергетического оборудования турбоустановок;
- разработать эффективную систему создания и внедрения инновационных технологий с использованием научно-технического потенциала отечественного энергетического машиностроения;
- привлечь студентов и аспирантов в научно-исследовательский процесс, обучить работе на существующем научно-техническом оборудовании, организовать эффективную систему повышения квалификации действующих специалистов.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Определение условий получения образцов с покрытиями, стойкими к абразивному износу с помощью минимально возможного набора технологических параметров и установление допустимых диапазонов их вариации определит технологические основы производства ионно–плазменных покрытий с высокой абразивной стойкостью для новых и отремонтированных элементов турбин и компрессоров.
На основе полученных результатов будет разработан проект на проведение ОКР по теме: «Разработка и изготовление опытного образца установки по формированию защитных абразивостойких покрытий на элементах турбоустановок», что позволит модернизировать промышленное производство элементов воздушного и парового трактов турбоустановок (лопаточные аппараты компрессоров, первых ступеней цилиндров высокого и среднего давлений паровых турбин). При этом прогнозируется обеспечение следующих показателей народно-хозяйственного эффекта:
• повышение срока службы элементов воздушного и парового трактов (лопаточные аппараты компрессоров, первых ступеней цилиндров высокого и среднего давлений паровых турбин) за счет многократного (в 3 раза) увеличения их стойкости к абразивному износу, что обеспечит снижение числа и трудоемкости ремонтов, снижение числа отказов оборудования и серьезных аварий;
• повышение КПД (до 1 %) за счет многократного снижения профильных потерь, вызванных абразивным износом поверхностей рабочих и сопловых лопаток проточной части компрессоров и ступеней высокого и среднего давлений паровых турбин;
• снижение вредного воздействия на окружающую среду за счет применения экологически чистых процессов формирования ионно-плазменных покрытий в вакууме.
В качестве потенциальных потребителей результатов проекта могут выступать как крупные предприятия-изготовители турбинного и компрессорного оборудования, так и электростанции, заинтересованные в значительном снижении затрат на обслуживание и ремонт энергетического оборудования.

Текущие результаты проекта:
-Проведен анализ современной зарубежной и отечественной научно-технической литературы по проблеме абразивного износа рабочих поверхностей лопаточных аппаратов первых ступеней паровых турбин.
- Выбрано лабораторное оборудование НИУ «МЭИ», используемое для формирования защитных покрытий и проведения их комплексных исследований:
- Проведен анализ лопаточных сталей используемых для изготовления сопловых и рабочих лопаток цилиндров высокого и среднего давлений паровых турбин.
- Проведен анализ современной зарубежной и отечественной научно-технической литературы по имеющимся методам и средствам исследований абразивной стойкости элементов оборудования турбоустановок, а также предлагаемых способов повышения абразивной стойкости элементов воздушного и парового трактов турбоустановок, эксплуатирующихся при высоких температурах.
- Проведены патентные исследования в соответствии с ГОСТ 15.011-96 и составлен отчет о патентных исследованиях.
- Разработана методика исследований абразивной стойкости при высоких температурах (до 550° С) образцов из лопаточных сталей 20Х13 и 15Х11МФ без покрытий и с защитными покрытиями.
- Проведен анализ материалов используемых в качестве мишеней для установок по формированию абразивостойких покрытий в вакууме.
- Разработаны требования к изготовлению образцов из лопаточных сталей 20Х13 и 15Х11МФ.
- На изготовленных образцах из лопаточных сталей 20Х13 и 15Х11МФ сформированы три типа защитных покрытий на основе TiAl-TiAlN, Cr-C, NiCr (ХН70Ю)/CrC.
- Проведены комплексные исследования состава, микротвердости, коэффициента трения и скорости изнашивания, стойкости к ударно-динамическим воздействиям защитных покрытий, сформированных на образцах из лопаточных сталей 20Х13, 15Х11МФ.