Регистрация / Вход
Прислать материал

Создание новых высокотехнологичных способов защиты элементов турбоустановок, эксплуатирующихся при совокупном воздействии газоабразивного потока и высоких температур.

Номер контракта: 14.574.21.0011

Руководитель: Медников Алексей Феликсович

Должность руководителя: старший научный сотрудник

Докладчик: Тхабисимов Александр Борисович, Инженер

Аннотация скачать
Постер скачать
Ключевые слова:
энергетическое оборудование, паровые турбины, цилиндры высокого и среднего давлений, лопаточный аппарат, газоабразивный поток, абразивный износ, способы защиты, конструкционные материалы, ионно-плазменные покрытия, абразивная стойкость, металлографические исследования, высокие температуры

Цель проекта:
Цель реализуемого проекта: Разработка технологических основ защиты элементов турбоустановок от абразивного износа посредством реализации комплекса мероприятий, сочетающих модификацию поверхности и формирование защитных покрытий и обеспечивающих многократное повышение абразивной стойкости конструкционных материалов при эксплуатации в условиях высоких температур. Задачи, на решение которой направлен реализуемый проект: Разработка технологических основ получения покрытий, увеличивающих абразивную стойкость лопаточных сталей не менее чем в 3 раза, определение оптимальных характеристик покрытий (состав, толщина, микротвердость, стойкость к ударно-динамическим воздействиям), продолжительности, последовательности и параметров основных стадий технологического процесса формирования покрытий, требований к составу основного технологического оборудования для их получения.

Основные планируемые результаты проекта:
В ходе выполнения ПНИ с использованием современного лабораторного оборудования будут получены новые составы износостойких покрытий, обладающие уникальными свойствами и соответствующие лучшим мировым образцам подобных разработок. С использованием современного лабораторного оборудования и разработанной методики исследований абразивной стойкости при повышенных температурах (до 550С) будет проведен уникальный комплекс исследований образцов из лопаточных сталей 20Х13 и 15Х11МФ без покрытий и со сформированными защитными покрытиями. По результатам проведенных исследований будут определены условия и получен экспериментальный образец защитного покрытия на лопатке турбины (компрессора), увеличивающий не менее чем в 3 раза стойкость лопаточного материала к абразивному износу в течение инкубационного периода. С помощью минимально возможного набора технологических параметров и установления допустимых диапазонов их вариации будут определены новые высокотехнологичные способы защиты новых и отремонтированных элементов турбин и компрессоров, эксплуатирующихся при совокупном воздействии газоабразивного потока и высоких температур, базирующиеся на формировании ионно-плазменных покрытий с высокой абразивной стойкостью.
Результаты выполнения планируемых ПНИ 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.
Полученные абразивостойкие защитные покрытия, должны повысить не менее чем в 3 раза стойкость лопаточных материалов к абразивному износу при высоких температурах (до 550° С) и привести к увеличению до 1,5 раза эксплуатационного ресурса (срока переоблопачивания) элементов воздушного и парового трактов турбоустановок (лопаточные аппараты компрессоров, первых ступеней цилиндров высокого и среднего давлений паровых турбин).

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
В ходе выполнения ПНИ с использованием современного лабораторного оборудования получены новые составы износостойких покрытий, обладающие уникальными свойствами и соответствующие лучшим мировым образцам подобных разработок. С использованием современного лабораторного оборудования и разработанной методики исследований абразивной стойкости при повышенных температурах (до 550С) проведен уникальный комплекс исследований образцов из лопаточных сталей 20Х13 и 15Х11МФ без покрытий и со сформированными защитными покрытиями. По результатам проведенных исследований определены условия и получен экспериментальный образец защитного покрытия на основе Cr-CrC на лопатке части высокого давления паровой турбины типа ПР-6, увеличивающий в 6 раз стойкость лопаточного материала к абразивному износу в течение инкубационного периода. С помощью минимально возможного набора технологических параметров и установления допустимых диапазонов их вариации определены новые высокотехнологичные способы защиты новых и отремонтированных элементов турбин и компрессоров, эксплуатирующихся при совокупном воздействии газоабразивного потока и высоких температур, базирующиеся на формировании ионно-плазменных покрытий с высокой абразивной стойкостью.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
На основе полученных результатов ПНИ разработан проект на проведение ОКР по теме: ”Разработка и изготовление лабораторного образца экспериментальной установки для формирования абразивостойких защитных 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.
Полученные научно-технические результаты будут использоваться Индустриальным партнером - организацией реального сектора экономики, как в своей повседневной деятельности, так и в разработке и создании новых способов защиты элементов энергетического оборудования. Одними из крупнейших заинтересованных сторон в реализации проекта могут выступить следующие предприятия: НПО “Сатурн”, НТЦ “Композит”, ОАО «ИНТЕР РАО ЕЭС», ООО «Газпром энергохолдинг», ОАО «Силовые машины», ОАО «Турбоатом» и др.
Коллектив Исполнителя проекта может обрабатывать опытные и опытно-промышленные партии элементов оборудования турбоустановок на собственной уникальной научно-производственной базе, либо, уже имея опыт создания технологических комплексов, поставить перечисленным выше предприятиям технологическую линию формирования многофункциональных защитных покрытий.
Осуществление международного сотрудничества с профильными вузами и лабораториями мира, международными научными и образовательными организациями и фондами в сфере науки и технологий путем реализовано путем участия в международных научно-практических конференциях с докладами о ходе выполнения и результатах ПНИ и публикаций в значимых отечественных журналах, индексируемых ВАК, а также в зарубежных журналах, индексируемых в системах Web of Science или Scopus.

Текущие результаты проекта:
- В ходе выполнения ПНИ с использованием современного лабораторного оборудования и разработанной методики исследований абразивной стойкости проведен уникальный комплекс исследований образцов из лопаточных сталей 20Х13 и 15Х11МФ без покрытий и с защитными покрытиями.
- Установлены основные параметры кинетики процесса абразивного износа лопаточных сталей 20Х13 и 15Х11МФ без покрытий и с защитными покрытиями.
- Для исследуемых образцов получены фрактограммы поверхности и приповерхностного слоя, определены параметры шероховатости, построены профилограммы и 3D карты поверхности, измерена микротвердость поверхности и приповерхностного слоя.
- Лучшие результаты по относительной стойкости к абразивному износу (увеличение в 6-7 раз) при увеличении толщины покрытий показали покрытия на основе Cr-CrC и TiAl-TiAlN.
- В качестве экспериментального образца защитного покрытия выбрано покрытие на основе Cr-CrC толщиной 11 мкм. Выбранный тип защитного покрытия сформирован на рабочей лопатке части высокого давления паровой турбины типа ПР-6.
- Изготовленный экспериментальный образец защитного покрытия на основе Cr-CrC толщиной 11 мкм является многослойным, общая толщина покрытия на лопатке составляет в среднем (10,8±0,7) мкм, микротвердость покрытия (H0,05) составляет 1670±90 HV.
- Разработаны основы технологического процесса формирования защитных абразивостойких покрытий на основе Cr-CrC и проект ТЗ на ОКР по теме «Разработка и изготовление опытного образца установки по формированию защитных абразивостойких покрытий на элементах турбоустановок».