Procena veka trajanja erodiranih rotorskih lopatica kondezacionih parnih turbina

dr Jovan Janjić dipl.maš.inž.

Apstrakt: Erozija je veoma složen proces i do danas nedovoljno istražen. Zbog niza faktora za sve vreme rada velikih kondenzacionih turbinskih postrojenja, u početku brže a kasnije sporije, dolazi do oštećenja elemenata turbine obstrujavanih vlažnom parom. Ispitivanja i analize erozijskih procesa na kondezacionim turbinama u našoj zemlji, pokazala su da su od od svih delova kondenzacione turbine erozijom najviše ugrožene rotorske lopatice zadnjeg stepena niskog pritiska. Eroziona oštećenja smanjuju efikasnost turbine a u nekim slučajevima kod turbina većih snaga, zbog nepovoljnih promena karakteristika čvrstoće lopatica, znatno smanjuju pouzdanost njihovog rada. Problemi zaštite od erozije i produženja veka trajanja turbinskih lopatica, kao i mogućnost proračuna i procene brzine njihovog erozijskog oštećenja, jedan su od glavnih predmeta intersovanja širokog kruga inženjera koji se bave konstrukcijom, održavanjem i praćenjem rada parnih turbina. Abstract: Erosion is a very complex process not sufficiently investigated up to now. Due to many influencing factors during large condensing steam turbines operation, at the beginning more intensive and later much slower appears damaging of turbine elements being immerged into the wet steam flow. Investigation of erosion processes at domestic condensing turbines has shown that between all turbine internal parts the last stage is at biggest erosion danger. Erosion defects reduce turbine efficiency and in some cases at turbines of bigger capacity could reduce turbine reliability due to degraded strength of blades. Protection measures against erosion and turbine blades life time extension, as well as calculation and assessment of erosion intensity present major area of interest for engineers involved in design, maintenance and operation of steam turbines. Paper is dedicated to the practical resolution of this very important problem at condensing steam turbines operation.

1.Uvod Razvoj savremene energetike u svetu obeležava gradnja parnih turbina sve većih jediničnih snaga, kako u klasičnnim tako i u nuklearnim elektrane. Poslednji stupnjevi turbina većih snaga imaju visine lopatica do 1.200 mm i više. Ti stupnjevi naročito kod turbina za nuklearne elektrane, rade sa vlažnom parom koja sadrži veliki procenat kapljica vode. Zbog strujanja vlažne pare u protočnom delu turbine može doći do značajnog erozijskog oštećenja. Tečna faza vlažne pare smanjuje korisnost i uzrokuje intezivnu eroziju čime se snižava njihova pouzdanost i vek trajanja. Ispitivanja i praćenje procesa erozije na turbinama u eksploataciji pokazala su, da su od erozijskog oštećenja najugroženije ulazne ivice na periferiji rotorskih lopatica poslednjeg stupnja turbine niskog pritiska. U ovom radu dati su rezultati višegodisnjeg praćenja i istraživanja procesa erozije rotorskih lopatica poslednjeg stupnja turbina većih snaga. Na osnovu dijagnostičkog praćenja i pojednostavljenog matematičkog modela može se proceniti vek njihovog trajanja. 2.Oblici erozijskog oštećenja turbinskih lopatica Elementi protočnog dela turbine koji rade u vlažnoj pari, a naročito lopatice zadnjih stupnjeva kondezacionih turbina, izloženi su neprekidnoj eroziji. Pod erozijom se podrazumeva oštećenje ili odnošenje čestica materijala sa površina delova turbine obstrujavanih vlažnom parom, zbog složenog delovanja niza faktora: mehaničkih, kavitacijskih, hemijskih, električnih i toplotnih. Oštećenje mehaničkim delovanjem nastaje zbog udarca kapljica vlažne pare i čvrstih čestica koje se nađu u struji vodene pare. Ispitivanja su pokazala da prilikom udaranja kapljica u površinu lopatica dolazi do kavitacijskog oštećenja delova turbina. Do hemijskog delovanja dolazi zbog visokih pritisaka i temperature na mestu udaraca kapljica vlage ili krutih čestica što pospešuje koroziju i eroziju. Mikroudarno delovanje kapljica o površinu metala dovodi do električnog potencijala na mestu udara, što pospešuje elektrohemijsku koroziju uz delovanje elektrolita. Na slici 1 prikazana je šema zajedničkog delovanja različitih oblika erozije. Po jačini oštećenja, najveći uticaj na pojavu erozije imaju vodene kapljice. One, izdvojene sa sprovodnog kola, svojom velikom komponentom relativne brzine udara (150 m/s) pod pravim uglom na površinu lopatice radnog kola izazivaju razaranje materijala.

Slika 1: Šema zajedničkog delovanja različitih oblika erozije

Na slici 2 prikazan je dijagram brzine pare (c) i kapljice (ck) pri ulazu u radno kolo i pri izlazu iz njega.

Slika 2: Dijagram brzine pare (c) i kapljice (ck) pri ulazu u radno kolo i pri izlazu iz njega Udarno dejstvo kapljica (specifični pritisak pi) procenjuje se na bazi formule-Žukovskog Pi=K·Cz·ρv·wud

Gde je: K-koeficijent popravke K≥1 Cz-brzina prostiranja zvuka u vodi wud -komponenta relativne brzine kapljica normalna na površinu lopatice radnog kola ρv-gustina vode Veličina specifičnog pritiska pri kojem se pojavljuje erozija iznosi od 300÷ 400 MPa, što je eksperimentalno potvrđeno [3]. Granica izdržljivosti materijala lopatica TNP (turbine niskog pritiska) parnih turbina iznosi 375 MPa. To znači da sile koje nastaju kod udara kapljica leže na nivou granice izdržljivosti materijala lopatica TNP. Razaranje materijala turbinskih lopatica uslovljeno je brojem udara kapljica u lopatice. Ispitivanjima je utvrđeno [5] da do povećane erozije dolazi ako broj udara kapljice dostigne 107 udara u sekundi na 1mm². Pri većoj brzini udaranja kapljica u površinu, sila udara postaje tako velika da jedan udarac kapljice može oštetiti material od koga je izrađena lopatica. Tako na primer, vodena kapljica prečnika oko 1 mm pri brzini udara 760 m/s na površinu uzorka od aluminijuma napravi krater dubine 2 mm i prečnika 3mm. 3.Erozija rotorskih lopatica Od elemenata protočnog dela turbine koji rade s vlažnom parom, najvećem oštećenju od erozije podvrgnute su ulazne ivice rotorskih lopatica zadnjeg stupnja pri čemu erozija može zahvatiti veći deo tih lopatica. U nekim slučajevima to oštećenje zahvata 20 do 30% tangente profila i do 75% dužine lopatice od vrha prema korenu. Pri tome, čak i neznatno oštećenje erozijom menja osobine vibracija i čvrstoće lopatica, što dalje može da prouzrokuje lom, a takođe smanjuje i stepen korisnosti stupnja turbine. Preventivnom dijagnostikom, odnosno istraživanjima erozije na turbinama u eksploataciji, dokazano je da su najviše oštećene ulazne ivice rotorskih lopatica na periferiji kao posledice delovanja centrifugalne sile i najveće koncentracija vlage u vlažnoj pari. Vodene kapjice izdvojene na periferiji sprovodnih lopatica prethodnog stupnja otkidaju se i udaraju velikom komponentom relativne brzine normalno na površinu lopatice radnog kola zadnjeg stupnja. Zbog toga rastu unutrašnja naprezanja u njihovom površinskom sloju. Nakon određenog vremena, zbog prekoračenja dopuštenih naprezanja i pojave zamora, nastaju na površinskom sloju pukotine. Proširivanjem i spajanjem pukotina dolazi do otkidanja i odnošenja čestica materijala strujom vlažne pare, tj.nastaje erozija, čiji intenzitet zavisi od uslova rada turbine i svojstva materijala lopatica ili zaštitnog sloja.

Na slici 3 prikazani su rezultati izmerenih vrednosti (δ) na početku polja erozije kod 10 lopatica poslednjeg stupnja turbine snage 200 MW TE„Kosovo” A nakon 34.000 h u eksploataciji.

Na slikama 4 i 5 prikazani su karakteristični primeri erozije ulaznih ivica rotorskih lopatica poslednjeg stupnja a izgled krajeva lopatica dat je na slikama 6 i 7. Osim erozijonog ostećenja rotorskih lopatica dolazi do intenzivnog oštećenja i statorske lopatice pokazanim na slikama 8 i 9.

Slika 4:Eroziono oštećenje ulazne ivice rotorske lopatice poslednjeg stupnja turbine LMZ snage 200MW, TE ˝KOSOVO˝- A nakon 45300 sati rada

Slika 5: Eroziono oštećenje ulaznih ivica rotorskih lopatica poslednjeg stupnja turbine LMZ snage 210 MW TE ˝Nikola Tesla˝ Obrenovac nakon 53.807 sati rada

Slika 6. Eroziono oštećenje zadnjeg stupnja rotora turbine niskog pritiska

Slika 7. Eroziono oštećenje zaštićenih krajeva lopatica rotora turbine niskog pritiska

Slika 8. Eroziono oštećenje statorske lopatice izlazne dijafragme

Slika 9. Izgled erozijom oštećene dijafragme Iz analize dobivenih rezultata merenja i praćenja procesa erozije ispitivanih turbina različitog tipa i snage, proizilazi da pored primene poznatih metoda aktivne i pasivne

zaštite, na eroziju rotorskih lopatica ima bitan uticaj i konstruktivna izrada turbinskog stupnja. Na osnovu dobijenih približnih zakonitosti procesa erozije može se proceniti vek trajanja rotorskih lopatica ispitivanih turbina. Za maksimalno dozvoljeno oštećenje lopatice sa stelitnom zaštitom od erozije može se usvojiti potpuno razaranje stelitnih pločica. Ispitivanja su pokazala da erozija veoma brzo napreduje u osnovni materijal lopatice, nakon razaranja stelitne zaštite i mogla bi uzrokovati njihov lom [1]. Zbog toga se predlaže, da se lopatice nakon razaranje stelitne zaštite zamene. Na osnovu rezultata merenja erozije rotorskih lopatica zadnjeg stupnja turbine snage 210 MW, dobijena je veličina brzine erozijskog oštećenja tangente profila lopatica u trećem stadijumu ∆b•

3=7,79·10-5 mm/h i uslovna veličina oštećenja tangente ∆bu3=1,2 mm. Ako se za maksimalno dozvoljeno oštećenje tangente profila lopatice usvoji širina stelitnih pločica, tada je ∆bm=12 mm i u tom slucaju može se vek trajanja rotorskih lopatica zadnjeg stupnja odrediti: τm= (∆bm-∆bu3)/ ∆bu3=(12-1,2) / 7,79·10-5 =1,386·105 h Ove turbine projektovane su za vek trajanja oko 200.000 sati rada. Prema tome procenjuje se da će za 138.600 sati rada erozija potpuno razoriti stelitnu zaštitu. U tom se slučaju, rotorske lopatice zadnjeg stupnja moraju se zbog erozijskog oštećenja, jednom zameniti u radnom veku turbine. Zavisnost erozijskog oštećenja tangente profila rotorske lopatice prikazana je šematski na slici 10.

Slika 10. Osnovna zavisnost erozijskog oštećenja tangente profila rotorske lopatice ∆b i brzine erozije ∆b• u funkciji od vremena rada turbine τ: τ1-prvi stadijum; τ2-drugi stadijum; τ3-treći stadijum

Zaključak Rezultati dugogodišnjeg merenja i praćenja erozijskog oštećenja rotorskih lopatica zadnjeg stupnja na turbinama u eksploataciji, omogućili su dobijanje približne zakonitosti njihovog procesa erozije. Proces erozije rotorskih lopatica na turbinama u eksploataciji može se sa zadovoljavajućom tačnošću podeliti na tri stadijuma: 1-stadijum: inkubacijski, gde nema vidljivog odnošenja mase materijala lopatica 2-stadijum: sa maksimalnom brzinom erozije 3-stadijum:sa smanjenim intezitetom daljeg napredovanja erozije. Pokazalo se da rotorske lopatice, najveći deo svoga radnog veka rade u trećem stadijumu procesa erozije. Prema tome, za grubu procenu veka trajanja erodiranih rotorskih lopatica može se uzeti treći stadijum procesa erozije. Na osnovu dobivenih zakonitosti procesa erozije rotorskih lopatica zadnjeg stupnja ispitivanih turbina i pojednostavljenog matematičkog modela, procenjen je vek njihovog trajanja. Ova procena veka trajanja lopatica može poslužiti kao orijentacija za blagovremeno naručivanje rezervnih lopatica. Troškovi dijagnosticiranja nastanka i razvoja erozije, kao i predlog mera za smanjenje erozije i bolje održavanje turbina nadokanađuje se : -kroz neznatno smanjenje stepena korisnosti turbine -većom pouzdanošću u eksploataciji turbine -povećanjem radnog veka turbine i smanjenjem popravke turbine zbog erozijskog oštećenja. Za pouzdanije određivanje zakonitosti procesa erozije i veka trajanja rotorskih lopatica potrebno je i dalje pratiti eroziju na turbinama u eksploataciji.

Literatura 1.Janjić,J: Erozija lopatica poslednjih stupnjeva kondezacionih parnih turbina i predlog

za njeno smanjenje -Doktorska disertacija, Beograd 2006 god. 2.Faddev,I.P: Erozija vlažnoparnih turbina Energo-mašinostroenie, Lenjingrad, 1974

godina 3.Petrovič,F.I: Erozioni iznos Lopatok Osevih Vlaznoparovih turbine stepeni, Lenjingrad,

1971 godina 4.Staniša,B: Eroazija rotorskih lopatica turbina snage 210 MW instaliranih u našoj

zemlji, Elektroprivreda 35 (1982 godina) 5.Staniša,B:”Uticaj strujanja vlažne pare na eroziju turbinskih lopatica ,Strojarstvo” 23

(1981 godina)