Wykład V b Turbiny gazowe

Materiały

Żarowytrzymałosć Wytrzymałość materiałów maleje wraz ze wzrostem temperatury. Rośnie natomiast jego plastyczność. Zjawisko to pokazano na wykresie krzywych rozciągania stali węglowej przy różnych temperaturach. Wyraźnie obniża się zarówno granica plastyczności jak i wytrzymałość graniczna.

Wykresy rozciągania stali węglowej w różnych temperaturach: σ_r, ε Δl/l= - naprężenia i wydłużenia materiału

Drogim istotnym czynnikiem jest czas działania obciążenia. Przy długim działaniu ustalonego obciążenia powstają odkształcenia trwałe - niesprężyste - pojawia się proces pełzania materiału. W stali pełzanie w temperaturach poniżej 300^oC praktycznie nie występuje, pojawia się dopiero w tem. > 350^oC. Niektóre stopy lekkie podlegają pełzaniu w tem. pokojowych Wyznacza się tzw. krzywe pełzania materiałów - w wyniku pomiaru wydłużenia ε próbki będącej pod stałym obciążeniem w podwyższonej temperaturze. Na krzywych wyróżnia się trzy fazy : I w której powstaje ε_o - odkształcenie początkowe które przyrasta z malejącą prędkością, II - w której proces pełzania stabilizuje się a ε = const. III - w której prędkość pełzania nieustannie rośnie aż do zniszczenia próbki.

Krzywa pełzania żaroodpornego stopu niklu Nimonik 80 A w temp. 750⁰C przy stałych naprężeniach rozciągających 61 MPa

W raz ze wzrostem temperatury krzywe pełzania stają się coraz bardziej strome dla tego samego materiału i stałego obciążenia, co pokazano na kolejnym rysunku

Wpływ obciążenia na kształt krzywych pełzania przy stałej temperaturze T

Zjawisko pełzania wywołuje zjawisko relaksacji naprężeń - co występuje wyraźnie w połączeniach śrubowych. Upływam czasu następuje wzrasta odkształcenie śruby i maleją naprężenia co powoduje spadek sił osiowych w śrubcie która podlega rozluźnieniu - i stopniowemu odkręcaniu. Dlatego też projektując turbiny przyjmuje się założenie że żaden element pracujący w podwyższonych temperaturach nie powinien znajdować się w III fazie pełzania. Na wybór dopuszczalnych naprężeń na wpływ zakładana długowieczność pracy turbiny. Dla turbin pracujących w „ podstawie” przyjmuje się 100 000- 200 000 godzin. Dla turbin szczytowych 10 000 -20 000 h. W turbinach lotniczych czasy te są znacznie krótsze.

Wraz ze wzrostem temperatury maleje też wytrzymałość zmęczeniowa co pokazano na rys. kolejnym.

Wpływ temperatury na wytrzymałość zmęczeniową: T₀ - temperatura 20^oC, N liczba cykli zmęczeniowych

W podwyższonych temperaturach wykres Wőhlera nie ma odcinka równoległego do osi N.

Przegląd materiałów stosowanych w turbinach .

Żeliwo. T< 250C mało obciążone części kadłubów tarcz kierowniczych itp.

Żeliwo perlityczne. 250 < T < 350C,

Stale i staliwa węglowe. Turbiny parowe przy umiarkowanych obciążeniach cieplnych T< 400C,

Stale niskostopowe i stale żaroodporne. nazywane stalami ferrytycznymi- podstawowy materiał konstrukcyjny dla turbin parowych. Stale niskostopowe o ilości dodatków stopowych < 3% ( T< 480 -500C ), stale stopowe < 5 % ( T < 550 - 600 C ). Jedynie w stalach chromowych zawartość chromu może dochodzić do 15 % stale na łopatki turbin parowych i kadłuby wysokoprężnych turbin w elektrowniach jądrowych.

Stale wysokostopowe austenityczne . Stosowane na elementy pracujące w temp. 650 -700 C lub przy niższych tem. ale wysokich obciążeniach mechanicznych Podstawowe dodatki stopowe gównie nikiel i chrom - łącznie 30 - 40 % Stale te są trudnospawalne o gorszej plastyczności - kowalności

Stopy tytanu. Wysoka cena, wysoka wytrzymałość , materiał lekki ( gęstość ok. 4,5 g/ cm³ ) temperatury < 600 C

Podsumowanie. Przy zastosowaniu najlepszych materiałów temperatura pracy metalu łopatek wirujących turbin energetycznych musi być niższa od 600 C a w turbinach podszczytowych o krótszych okresach pracy < 800 - 830C. W silnikach lotniczych o mniejszych trwałościach są stosowane wyższe temperatury. Obecnie zaczęto stosować domieszki metali trudnotopliwych takich jak wolfram ( 3400C) , tantal ( 3000C ), osm ( 2700C) molibden ( 2625C ) czy niob ( 2460C). Temperatury topnienia tych metal są znacznie wyższe od tem. topnienia niklu ( 1455C ) czy kobaltu ( 1450 C) Stopy te umożliwiają podniesienia tem. metalu łopatek nawet do 1500C. Problem polega na tym że metale w podwyższonych tem . ulegają szybkiemu utlenieniu - stąd stosowane są w technikach próżniowych. W turbinach mogą znaleść zastosowanie po opracowaniu odpowiednich powłok ochronnych. zapobiegających utlenianiu. Prawdopodobnie w przyszłości materiały kompozytowe znajdą zastosowanie w warunkach wysokich temperatur - do wykonywania łopatek turbin. Pomysł polega na zastosowaniu włókien wykonanych z metali trudnotopliwych lub materiałów ceramicznych czy nanomateriałów o wysokiej odporności temperaturowej otoczonych stopami żaroodpornymi. Próby z kompozytu złożonego w 70 % z drutów wolframowych w osnowie stopu 25% wanadu , 15% chromu, 2% tytanu 2 % aluminium - reszta nikiel są znacznie bardziej żaroodporne od stopów obecnie stosowanych . Kompozyty mogą być materiałami następnej generacji.

Granica sprężystości

---