Ⅰ. Núcleo: impacto mecánico causado por la diferencia de impulso (el daño de la hoja más intuitivo)
En condiciones normales de funcionamiento, el fluido de trabajo de una turbina de vapor es vapor seco sobrecalentado, que tiene una densidad muy baja (por ejemplo, la densidad del vapor principal de las unidades subcríticas es de unos 40 kg/m³). Después de ser acelerado a través de las boquillas, golpea el arco de trabajo de la hoja a una velocidad casi igual a la rotación de la hoja, transfiriendo suavemente energía cinética para realizar el trabajo.Cuando entra agua fría/vapor frío, el daño se revierte por completo:
1. La diferencia de densidad genera una fuerza de impacto mil- veces mayor: el agua tiene una densidad de 1000 kg/m³, más de 25 veces la del vapor sobrecalentado. Para el mismo volumen, el impulso del agua es más de 25 veces mayor que el del vapor. Cuando las palas giratorias de alta-velocidad (la velocidad máxima de las palas de la última-etapa puede alcanzar los 600 m/s) golpean gotas o masas de agua, es como un automóvil de alta-velocidad que golpea una roca, generando instantáneamente fuerzas de impacto mucho más allá de los límites de diseño.
2. El impacto inverso amplifica el daño por vibración: las gotas de agua tienen una inercia mucho mayor que el vapor y no pueden acelerarse a la velocidad del vapor en las boquillas, por lo que golpean la parte trasera de la cuchilla (arco que no-funciona) a una velocidad mucho menor que el vapor, con una dirección de fuerza completamente opuesta a las condiciones normales. Este impacto alterno puede provocar vibraciones severas de la hoja, causando fácilmente fracturas por fatiga en la raíz de la hoja, y las hojas rotas pueden dañar las etapas posteriores de las hojas.
Ⅱ. Choque térmico y estrés térmico (ocultamente peligrosos, pueden causar fácilmente grietas o deformaciones en la hoja)Las palas, los rotores y los cilindros de las turbinas suelen estar sometidos a condiciones estables de alta-temperatura (la temperatura de las palas de los cilindros de alta-presión es de 400 a 560 grados), con campos internos uniformes de temperatura del metal, lo que da como resultado un estrés térmico mínimo.- Cuando entra agua fría (entre 20 y 100 grados) o vapor saturado a baja-temperatura (como el vapor a unos 200 grados proveniente de una fuga de un calentador), la superficie del metal se enfría y se contrae rápidamente en unos pocos segundos, mientras que el interior del metal permanece caliente y se contrae mucho más lentamente que la superficie.
- Esta enorme diferencia de temperatura interna-a-externa crea tensión de tracción (superficie en tensión, interior en compresión). Cuando la tensión de tracción excede el límite elástico del material de la hoja, se producen grietas macroscópicas directamente; Los choques térmicos repetidos hacen que las grietas se expandan rápidamente y eventualmente provoquen fracturas de las palas.
- Al mismo tiempo, la expansión diferencial entre el rotor y el cilindro puede exceder repentinamente los límites, provocando fricción entre las partes móviles y estacionarias, lo que empeora aún más el daño a las palas.
Ⅲ. Aumento repentino del empuje axial (daños por reacción en cadena, cojinete de empuje quemado, lo que provoca una falla total de la máquina)Este es el principio detrás del golpe de ariete que a menudo se pasa por alto pero que tiene las peores consecuencias. Indirectamente puede causar daños catastróficos a las palas y a todo el rotor:1. El empuje axial normal se genera por la diferencia de presión entre las etapas de vapor y se equilibra mediante el cojinete de empuje.
2. El agua es incompresible. Cuando ingresa a la ruta de flujo, bloquea los pasajes de vapor entre-etapas, evitando que el vapor de las etapas delanteras fluya hacia atrás sin problemas. Esto hace que la diferencia de presión entre etapas aumente de 3 a 10 veces y, en consecuencia, el empuje axial se dispare.
3. El cojinete de empuje no puede soportar la sobrecarga y se quemará en segundos, lo que provocará que el rotor se desplace axialmente violentamente (incluso un movimiento superior a 1 mm puede provocar una fricción estática y dinámica severa). A continuación, las palas chocan rígidamente contra las membranas y los cilindros, lo que provoca la rotura de etapas enteras de las palas, la flexión del rotor y la deformación del cilindro.
Notas adicionales- Vapor frío ≠ seguro: cuando -vapor saturado a baja temperatura ingresa a una turbina, se forman muchas gotas de agua debido a la expansión y la caída de presión, lo que también puede causar golpes de ariete. Es incluso más furtivo que el agua fría (el vapor puede pasar fácilmente a través de las válvulas principal y de control, lo que dificulta su detección anticipada).
- Características del daño de las hojas: Las hojas dañadas por el golpe de ariete generalmente muestran fracturas frágiles con roturas claras, a menudo con varias hojas dañadas seguidas. Las grietas por choque térmico tienden a extenderse radialmente a lo largo de la pala, siendo la concentración de tensión en la raíz la más propensa a agrietarse.
