Ⅰ. Ядро: механическое воздействие, вызванное разницей импульсов (наиболее интуитивно понятное повреждение лезвия).
В нормальных условиях эксплуатации рабочим телом паровой турбины является перегретый сухой пар, имеющий очень низкую плотность (например, плотность основного пара подкритических агрегатов составляет около 40 кг/м³). После ускорения через сопла он ударяется о рабочую дугу лопасти со скоростью, практически равной скорости вращения лопасти, плавно передавая кинетическую энергию для совершения работы.При попадании холодной воды/холодного пара повреждение полностью устраняется:
1. Разница в плотности приводит к тысяче-кратной силе удара: вода имеет плотность 1000 кг/м³, что более чем в 25 раз превышает плотность перегретого пара. Для того же объема импульс воды более чем в 25 раз превышает импульс пара. Когда высокоскоростные вращающиеся лопасти-(конечная скорость лопастей последней-ступени может достигать 600 м/с) сталкиваются с каплями воды или массами, это похоже на столкновение-автомобиля с валуном, мгновенно создавая ударную силу, выходящую далеко за пределы расчетных пределов.
2. Обратный удар усиливает вибрационный ущерб: капли воды обладают гораздо большей инерцией, чем пар, и не могут быть ускорены до скорости пара в соплах, поэтому они ударяются о заднюю часть лезвия (не-рабочая дуга) со значительно меньшей скоростью, чем пар, с направлением силы, совершенно противоположным нормальным условиям. Это переменное воздействие может вызвать сильную вибрацию лопастей, что легко приводит к усталостным переломам в основании лопасти, а сломанные лопасти могут повредить последующие ступени лопастей.
Ⅱ. Термический удар и термическое напряжение (скрыто опасны, могут легко вызвать трещины/деформацию лезвия)Лопатки турбин, роторы и цилиндры обычно находятся в устойчивых условиях высоких-температур (температура лопаток цилиндров высокого-давления составляет 400–560 градусов) с однородными внутренними температурными полями металла, что приводит к минимальному термическому напряжению.- При попадании холодной воды (20–100 градусов) или насыщенного пара низкой-температуры (например, пара при температуре около 200 градусов из-за утечки в нагревателе) поверхность металла охлаждается и быстро сжимается за несколько секунд, в то время как внутренняя часть металла остается горячей, сжимаясь гораздо медленнее, чем поверхность.
- Эта огромная внутренняя-разность-внешних температур создает растягивающее напряжение (поверхность при растяжении, внутренняя часть при сжатии). Когда растягивающее напряжение превышает предел текучести материала лезвия, непосредственно возникают макроскопические трещины; повторяющиеся термические удары приводят к быстрому расширению трещин, что в конечном итоге приводит к поломке лезвия.
- В то же время дифференциальное расширение между ротором и цилиндром может внезапно превысить допустимые пределы, вызывая трение между движущимися и неподвижными частями, что еще больше ухудшает повреждение лопастей.
Ⅲ. Внезапный скачок осевого усилия (повреждение цепной реакции, перегорание упорного подшипника, приводящее к полному отказу машины)Это принцип гидроудара, который чаще всего игнорируют, но который имеет самые худшие последствия. Косвенно это может привести к катастрофическому повреждению лопастей и всего ротора:1. Нормальное осевое усилие создается за счет разницы давлений между паровыми ступенями и уравновешивается упорным подшипником.
2. Вода несжимаема. Когда он попадает на путь потока, он блокирует меж-паровые проходы, не позволяя пару из передних ступеней плавно течь назад. Это приводит к тому, что разница давлений между-ступенями возрастает в 3–10 раз, и соответственно резко возрастает осевая тяга.
3. Упорный подшипник не выдерживает перегрузки и сгорает за считанные секунды, вызывая резкое осевое смещение ротора (даже перемещение более 1 мм может вызвать сильное динамическое и статическое трение). Затем лопасти жестко сталкиваются с диафрагмами и цилиндрами, что приводит к поломке целых ступеней лопастей, изгибу ротора и деформации цилиндров.
Дополнительные примечания- Холодный пар ≠ безопасен: когда насыщенный пар низкой-температуры поступает в турбину, из-за расширения и перепада давления образуется много капель воды, что также может вызвать гидравлический удар. Это даже коварнее, чем холодная вода (пар легко проходит через главный и регулирующий клапаны, поэтому его трудно обнаружить заранее).
- Характеристики повреждений лезвий. Лезвия, поврежденные гидроударом, обычно имеют хрупкие изломы с аккуратными изломами, часто с повреждением нескольких лезвий подряд. Трещины от термического удара имеют тенденцию распространяться радиально вдоль лезвия, причем концентрация напряжений у основания наиболее склонна к растрескиванию.
