Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка прорывных технологических решений, направленных на повышение эрозионных характеристик элементов турбоустановок, эксплуатирующихся в экстремальных условиях.

Аннотация скачать
Постер скачать
Ключевые слова:
энергетическое оборудование, элементы турбомашин, лопаточные стали, каплеударная эрозия, коррозия, усталость, сверхскоростное каплеударное воздействие, защитные эрозионно-стойкие покрытия, модификация поверхности, установка с высокомощным импульсным магнетронным распылением, магнетронное распыление при высоких температурах мишени, сверхскоростной исследовательский эрозионный стенд

Цель проекта:
Задача, на решение которой направлен реализуемый проект: Разработка прорывных технологических решений, направленных на повышение эрозионных характеристик элементов турбоустановок, эксплуатирующихся в экстремальных условиях. Цель реализуемого проекта: Обеспечение надежности эксплуатации и продления ресурса работы высоконагруженных элементов турбоустановок, засчёт разработки технологических решений по формированию защитных покрытий и модификации функциональных поверхностей, направленных на многократное повышение эрозионной и коррозионной стойкости при сверхскоростном (до 800 м/с) ударном воздействии жидких частиц.

Основные планируемые результаты проекта:
1. Результаты проблемно-ориентированных прикладных исследований эрозионных характеристик различных типов покрытий и способов модификации поверхности лопаточных материалов, подверженных сверхскоростному каплеударному воздействию.
По результатам планируемых исследований процесса эрозии лопаточных материалов с модифицированной поверхностью и/или c различными типами защитных покрытий впервые будут определены закономерности влияния характеристик покрытий на кинетику этого процесса с учетом исследований сверхскоростного (до 800 м/с) ударного воздействии жидких частиц.
2. Создание не имеющего мировых аналогов сверхскоростного исследовательского эрозионного стенда, позволяющего проводить исследования процесса эрозии при скоростях соударения капель жидкости до 800 м/с.
Созданный сверхскоростной исследовательский эрозионный стенд будет позволять проводить эрозионные испытания в вакууме (достигаемое давление в камере стенда не более 1 кПа) при скорости соударения образца с моно- или полидисперсным потоком жидкости (размер капель от 20 до 1500 мкм) до 800 м/с (частота оборотов штанги с образцами свыше 12 000 об/мин), а также позволять получать изображения динамики разрушения и трансформации, как испытываемой поверхности, так и ударяющихся капель жидкости или их облака с использованием системы высокоскоростной фото- и видеосъемки.
3. Технологические решения, позволяющие повысить эрозионную стойкость, в том числе, в условиях сверхскоростного (до 800 м/с) каплеударного воздействия, коррозионную стойкость и усталостные характеристики лопаточных материалов, базирующиеся на модификации их поверхностей и формировании защитных покрытий.
Разработанные технологические решения, предназначенные для защиты высоконагруженных элементов турбоустановок, эксплуатирующихся в экстремально тяжелых условиях, будут обеспечивать повышение эрозионной стойкости исследуемых материалов не менее чем в 2 раза при сверхскоростном ударном воздействии жидких частиц, а также повышение коррозионной стойкости не менее чем в 3 раза и неизменность исходных значений усталостных характеристик материала подложки.

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
Сегодня все большее число инноваций смещается в сторону открытия и создания новых составов покрытий, обладающих уникальными свойствами, поэтому наиболее перспективным направлением повышения ресурса и надежности высоконагруженных элементов энергетического оборудования нового поколения, к которым относятся и разрабатываемые перспективные паротурбинные установки с ультравысокими параметрами пара (720 – 750 ºС, 35 МПа) на твердом топливе, является создание многофункциональных систем, включающих в себя модификацию рабочих поверхностей и формирование защитных покрытий, улучшающих характеристики конструкционных материалов. Применяемыми в мировой практике и перспективными с точки зрения защиты от износа являются технологии формирования на поверхности тонких многослойных покрытий. Ионно-плазменные технологии формирования покрытий в вакууме являются полностью экологически безопасными и обеспечивают придание рабочим поверхностям уникальных физико-химических свойств и их широкое внедрение в энергетическое машиностроение для решения задачи повышения эрозионной стойкости будет особенно актуальным.
С использованием ионно-плазменных технологий, в том числе, развивающейся и набирающей популярность в мире технологии модификации поверхности с использованием высокомощного импульсного магнетронного разряда (ВИМР) на экспериментальных образцах из применяемых в турбостроении лопаточных материалов будут проведена модификация их поверхностей и сформировано несколько типов защитных покрытий,. С использованием имеющейся у Исполнителя проекта научно-исследовательской и экспериментальной базы, а также УНУ «Гидроударный стенд Эрозия-М» будет проведен полный комплекс металлографических исследований, исследований коррозионной стойкости и усталостных характеристик лопаточных материалов с модифицированной поверхностью и многофункциональными защитными покрытиями, а также исследования их эрозионных характеристик при сверхскоростном (до 800 м/с) ударном воздействии жидких частиц с использованием созданного в рамках работы уникального исследовательского эрозионного стенда «Эрозия-2М+», не имеющего аналогов в мире.
Развитие гидроударных стендов сегодня предопределено необходимостью увеличения скоростей соударения, вследствие создания высокомощного энергетического оборудования, эксплуатируемого в экстремально тяжелых условиях и при повышенных параметрах рабочего тела. Вследствие этого развитие имеющегося научно-технического задела путем создания нового сверхскоростного исследовательского эрозионного стенда «Эрозия-2М+», рассчитанного на скорости соударения до 800 м/с, позволит впервые получить уникальные научные результаты мирового масштаба и разработать новые технологии защиты высоконагруженных элементов энергетического оборудования, в частности рабочих лопаток последних ступеней цилиндров низкого давления.
В результате выполнения комплекса работ по формированию и всестороннему изучению свойств экспериментальных образцов лопаточных сталей с модифицированной поверхностью и защитными покрытиями будут разработаны технологические основы их получения и определены их характеристики: состав, толщина покрытий, глубина модифицированного слоя, микротвердость, стойкость к царапанию, шероховатость поверхности, а также продолжительность, последовательность и параметры основных стадий технологического процесса, а также требования к составу основного технологического оборудования для получения лучшего по характеристикам эрозионной, коррозионной стойкости, усталостной прочности типа защиты.
Разработанные технологические решения смогут существенно продлить ресурс работы оборудования, а также привести к увеличению его энергоэффективности и снижению денежных и трудозатрат, связанных с простоем во время незапланированных ремонтов. Данный эффект будет достигнут путем повышения эрозионной стойкости лопаточных сталей не менее чем в 2 раза при сверхскоростном (до 800 м/с) ударном воздействии жидких частиц, а также повышения коррозионной стойкости не менее чем в 3 раза при неизменности исходных значений усталостных характеристик материала подложки.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Полученные научно-технические результаты ПНИЭР будут направлены на разработку технологических решений, предназначенных для защиты высоконагруженных элементов турбоустановок, работающих на суперсверхкритических и ультрасверхкритических параметрах пара, от сверхскоростного каплеударного воздействия.
Разработанные технологические решения будут обеспечивать повышение эрозионной стойкости исследуемых материалов не менее чем в 2 раза при сверхскоростном ударном воздействии жидких частиц, а также повышение коррозионной стойкости не менее чем в 3 раза при неизменности исходных значений усталостных характеристик материала подложки.
Разработанные технологические решения позволит модернизировать промышленное производство элементов парового тракта турбоустановок (лопаточные аппараты последних ступеней цилиндров низкого давления паровых турбин). При этом прогнозируется обеспечение следующих показателей народно-хозяйственного эффекта:
• повышение срока службы лопаточного аппарата последних ступеней цилиндров низкого давления паровых турбин за счет многократного увеличения их стойкости к коррозионному и эрозионному износу, что обеспечит снижение числа и трудоемкости ремонтов, снижение числа отказов оборудования и серьезных аварий;
• повышение КПД ступени за счет снижения профильных потерь, вызванных износом поверхностей рабочих лопаток;
• снижение вредного воздействия на окружающую среду за счет применения экологически чистых процессов формирования ионно-плазменных покрытий в вакууме.
Получение вышеперечисленных результатов 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, эксплуатирующихся в экстремальных условиях;
- разработать «прорывные» технологии для создания энергетики будущего, за счет разработки новых способов формирования эрозионностойких 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 и создаваемом в рамках проекта научно-техническом и экспериментальном оборудовании, организовать эффективную систему повышения квалификации действующих специалистов.
В качестве потенциальных потребителей результатов проекта могут выступать как крупные предприятия-изготовители турбинного оборудования, так и электростанции, заинтересованные в значительном снижении затрат на обслуживание и ремонт энергетического оборудования.
Научно-технические результаты проекта 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. Также, одними из крупнейших заинтересованных сторон в реализации проекта могут выступить следующие предприятия: ОАО «ИНТЕР РАО ЕЭС», ООО «Газпром энергохолдинг», ОАО «Силовые машины», ОАО «Турбоатом», ЗАО «УТЗ» и др.
Коллектив Исполнителя проекта сможет обрабатывать опытные и опытно-промышленные партии элементов оборудования турбоустановок перечисленных выше предприятий 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 будет реализовано путем участия в международных научно-практических конференциях с докладами о ходе выполнения и результатах проекта и их публикаций в значимых научных журналах, индексируемых в системах Web of Science или Scopus.

Текущие результаты проекта:
- Проведен аналитический обзор современной научно-технической проблемы эрозионного износа рабочих лопаток паровых турбин.
- Проведены патентные исследования высокотехнологичных способов защиты элементов турбоустановок, эксплуатирующихся в экстремальных условиях.
- Определено направление исследований, выбраны методы и средства изучения эрозионной и коррозионной стойкости, усталостной прочности лопаточных сталей и различных способов формирования покрытий и модификации их поверхностей.
- Описаны эффективные пути повышения эрозионной стойкости лопаточных сталей.
- Разработана эскизная конструкторская документация на изготовление технологической оснастки для реализации процесса магнетронного распыления при высоких температурах катода-мишени магнетронного распылительного устройства.
- Отработаны режимные параметры модификации поверхности с использованием высокомощного импульсного магнетронного разряда.
- Разработана программа и методика проведения эрозионных, коррозионных и усталостных экспериментальных исследований экспериментальных образцов лопаточных сталей ЭИ961 и 12Х13: без покрытий; с покрытиями; с модифицированной поверхностью; с модифицированной поверхностью и с покрытиями.
- Разработана эскизная конструкторская документация и начато изготовление экспериментальных образцов лопаточных сталей ЭИ961 и 12Х13, предназначенных для проведения эрозионных, коррозионных и усталостных экспериментальных исследований.
- Изготовлена технологическая оснастка и отработаны режимные параметры формирования покрытий способом магнетронного распыления при высоких температурах катода-мишени магнетронного распылительного устройства.
- Начата разработка эскизной конструкторской документации на изготовление экспериментального образца сверхскоростного исследовательского эрозионного стенда «Эрозия-2М+».