Ⅰ. Nucleo: impatto meccanico causato dalla differenza di momento (il danno alla lama più intuitivo)
In condizioni operative normali, il fluido di lavoro di una turbina a vapore è vapore secco surriscaldato, che ha una densità molto bassa (ad esempio, la densità principale del vapore delle unità subcritiche è di circa 40 kg/m³). Dopo essere stato accelerato attraverso gli ugelli, colpisce l'arco di lavoro della lama ad una velocità quasi uguale a quella di rotazione della lama, trasferendo dolcemente l'energia cinetica per svolgere il lavoro.Quando entra acqua fredda/vapore freddo, il danno si inverte completamente:
1. La differenza di densità comporta una forza d'impatto mille- volte superiore: l'acqua ha una densità di 1.000 kg/m³, più di 25 volte quella del vapore surriscaldato. A parità di volume, la quantità di moto dell'acqua è oltre 25 volte quella del vapore. Quando le pale rotanti ad alta-velocità (la velocità di punta delle pale dell'ultimo-stadio può raggiungere i 600 m/s) colpiscono goccioline o masse d'acqua, è come se un'auto ad alta-velocità colpisse un masso, generando istantaneamente forze di impatto ben oltre i limiti di progettazione.
2. L'impatto inverso amplifica i danni da vibrazione: le gocce d'acqua hanno un'inerzia molto maggiore del vapore e non possono essere accelerate alla velocità del vapore negli ugelli, quindi colpiscono la parte posteriore della lama (arco non- funzionante) a una velocità molto inferiore rispetto al vapore, con una direzione della forza completamente opposta alle condizioni normali. Questo impatto alternato può innescare forti vibrazioni della lama, causando facilmente fratture per fatica alla radice della lama, e le lame rotte possono danneggiare le fasi successive delle pale.
Ⅱ. Shock termico e stress termico (nascosto pericoloso, può facilmente causare incrinature/deformazioni della lama)Le pale, i rotori e i cilindri delle turbine si trovano solitamente in condizioni stabili di alta-temperatura (la temperatura delle pale dei cilindri ad alta-pressione è di 400–560 gradi), con campi di temperatura metallici interni uniformi, con conseguente stress termico minimo.- Quando entra acqua fredda (20–100 gradi) o vapore saturo a bassa-temperatura (come il vapore a circa 200 gradi proveniente da una perdita di un riscaldatore), la superficie metallica si raffredda e si contrae rapidamente in pochi secondi, mentre l'interno del metallo rimane caldo, contraendosi molto più lentamente della superficie.
- Questa enorme differenza di temperatura interna-a-esterna crea stress da trazione (superficie in tensione, interno in compressione). Quando lo sforzo di trazione supera il limite di snervamento del materiale della pala si verificano direttamente fessurazioni macroscopiche; ripetuti shock termici fanno sì che le fessure si espandano rapidamente, causando eventualmente la frattura della lama.
- Allo stesso tempo, l'espansione differenziale tra il rotore e il cilindro può superare improvvisamente i limiti, causando attrito tra le parti mobili e fisse, peggiorando ulteriormente i danni alla lama.
Ⅲ. Improvviso aumento della spinta assiale (danno da reazione a catena, bruciatura del cuscinetto reggispinta con conseguente guasto totale della macchina)Questo è il principio alla base del colpo d'ariete che molto spesso viene trascurato ma che ha le conseguenze peggiori. Può causare indirettamente danni catastrofici alle pale e all'intero rotore:1. La normale spinta assiale è generata dalla differenza di pressione tra gli stadi del vapore ed è bilanciata dal cuscinetto reggispinta.
2. L'acqua è incomprimibile. Quando entra nel percorso del flusso, blocca i passaggi del vapore inter-, impedendo al vapore proveniente dagli stadi anteriori di fluire all'indietro senza problemi. Ciò fa sì che la differenza di pressione tra gli stadi- aumenti di 3-10 volte e la spinta assiale salga alle stelle di conseguenza.
3. Il cuscinetto reggispinta non è in grado di gestire il sovraccarico e si brucia in pochi secondi, provocando uno spostamento assiale violento del rotore (anche un movimento superiore a 1 mm può causare un grave attrito dinamico e statico). Le pale entrano quindi in collisione rigidamente con i diaframmi e i cilindri, provocando la rottura di intere fasi delle pale, la flessione del rotore e la deformazione del cilindro.
Note aggiuntive- Vapore freddo ≠ sicuro: quando il vapore saturo a bassa- temperatura entra in una turbina, a causa dell'espansione e della caduta di pressione si formano molte goccioline d'acqua, che possono anche causare colpi d'ariete. È ancora più subdolo dell'acqua fredda (il vapore può passare facilmente attraverso le valvole principali e di controllo, rendendolo difficile da rilevare in anticipo).
- Caratteristiche dei danni alla lama: le lame danneggiate dal colpo d'ariete solitamente mostrano fratture fragili con rotture nette, spesso con più lame danneggiate di seguito. Le crepe dovute allo shock termico tendono a diffondersi radialmente lungo la lama, con la concentrazione dello stress alla radice che è la più incline alla rottura.
