Ⅰ. Núcleo: Impacto mecânico causado pela diferença de momento (o dano mais intuitivo da lâmina)
Em condições normais de operação, o fluido de trabalho de uma turbina a vapor é o vapor seco superaquecido, que tem uma densidade muito baixa (por exemplo, a densidade principal do vapor das unidades subcríticas é de cerca de 40 kg/m³). Depois de ser acelerado através dos bicos, ele atinge o arco de trabalho da lâmina a uma velocidade quase igual à rotação da lâmina, transferindo suavemente a energia cinética para realizar o trabalho.Quando entra água fria/vapor frio, o dano é revertido completamente:
1. A diferença de densidade traz força de impacto mil{1}} vezes maior: a água tem uma densidade de 1.000 kg/m³, mais de 25 vezes a do vapor superaquecido. Para o mesmo volume, o momento da água é 25 vezes maior que o do vapor. Quando lâminas rotativas em alta-velocidade (a velocidade de ponta das lâminas-do último estágio pode chegar a 600 m/s) atingem gotículas ou massas de água, é como se um carro em alta-velocidade batesse em uma rocha, gerando instantaneamente forças de impacto muito além dos limites do projeto.
2. O impacto reverso amplifica os danos por vibração: as gotas de água têm uma inércia muito maior que o vapor e não podem ser aceleradas até a velocidade do vapor nos bicos, portanto, atingem a parte traseira da lâmina (arco sem-trabalho) a uma velocidade muito menor que o vapor, com uma direção de força completamente oposta às condições normais. Este impacto alternado pode desencadear vibrações severas na lâmina, causando facilmente fraturas por fadiga na raiz da lâmina, e lâminas quebradas podem danificar os estágios subsequentes das lâminas.
Ⅱ. Choque térmico e estresse térmico (ocultamente perigoso, pode facilmente causar rachaduras/deformação na lâmina)As pás, os rotores e os cilindros das turbinas geralmente estão sob condições estáveis de alta-temperatura (a temperatura das pás dos cilindros de alta-pressão é de 400 a 560 graus), com campos de temperatura de metal internos uniformes, resultando em estresse térmico mínimo.- Quando água fria (20–100 graus) ou vapor saturado de baixa-temperatura (como cerca de 200 graus de vapor de um vazamento de aquecedor) entra, a superfície do metal esfria e se contrai rapidamente em poucos segundos, enquanto o interior do metal permanece quente, contraindo muito mais lentamente que a superfície.
- Essa enorme diferença de temperatura interna-para{2}}externa cria tensão de tração (superfície em tensão, interior em compressão). Quando a tensão de tração excede o limite de escoamento do material da lâmina, ocorrem diretamente fissuras macroscópicas; choques térmicos repetidos fazem com que as rachaduras se expandam rapidamente, eventualmente causando fraturas nas lâminas.
- Ao mesmo tempo, a expansão diferencial entre o rotor e o cilindro pode exceder repentinamente os limites, causando atrito entre as peças móveis e estacionárias, piorando ainda mais os danos à lâmina.
Ⅲ. Surto repentino no impulso axial (dano por reação em cadeia, queima do rolamento de impulso, levando à falha total da máquina)Este é o princípio por trás do golpe de aríete que é mais frequentemente esquecido, mas tem as piores consequências. Pode causar indiretamente danos catastróficos às pás e a todo o rotor:1. O empuxo axial normal é gerado pela diferença de pressão entre os estágios de vapor e é equilibrado pelo mancal de impulso.
2. A água é incompressível. Quando entra no caminho do fluxo, ele bloqueia as passagens de vapor entre-estágios, impedindo que o vapor dos estágios frontais flua suavemente para trás. Isso faz com que a diferença de pressão entre os estágios aumente de 3 a 10 vezes e o empuxo axial dispare de acordo.
3. O rolamento axial não consegue lidar com a sobrecarga e queimará em segundos, fazendo com que o rotor se desloque axialmente violentamente (mesmo um movimento acima de 1 mm pode causar atrito dinâmico e estático severo). As pás então colidem rigidamente com os diafragmas e cilindros, levando à quebra de estágios inteiros das pás, ao entortamento do rotor e à deformação do cilindro.
Notas Adicionais- Vapor frio ≠ seguro: quando vapor saturado de baixa-temperatura entra em uma turbina, muitas gotas de água se formam devido à expansão e queda de pressão, o que também pode causar golpe de aríete. É ainda mais sorrateiro do que a água fria (o vapor pode passar facilmente pelas válvulas principais e de controle, dificultando a detecção antecipada).
- Características de dano da lâmina: Lâminas danificadas por golpe de aríete geralmente apresentam fraturas frágeis com quebras perfeitas, geralmente com múltiplas lâminas danificadas em uma fileira. Rachaduras causadas por choque térmico tendem a se espalhar radialmente ao longo da lâmina, sendo a concentração de tensão na raiz a mais propensa a rachaduras.
