اجزای توربین بخار: قطعات کلیدی، الزامات ساخت، و آنچه باید مشخص شود

توربین‌های بخار از جمله ماشین‌هایی هستند که از نظر ترمودینامیکی نیاز به خدمات صنعتی دارند. اجزای آنها به طور همزمان در دمای بالا، سرعت چرخش بالا و تنش مکانیکی قابل توجه کار می کنند - و انتظار می رود آنها این کار را برای ده ها هزار ساعت کار بین تعمیرات اساسی انجام دهند. نیازهای مهندسی برای اجزای منفرد توربین، به ویژه قطعات دوار و استاتیک در مسیر گاز داغ، به طور قابل‌توجهی بیشتر از سایر ماشین‌آلات صنعتی است، و دقت ساخت و الزامات کیفیت مواد منعکس کننده این است.

اجزای اصلی و نقش آنها

روتور و شفت توربین

روتور مجموعه چرخان مرکزی توربین است - محوری که دیسک‌ها و پره‌های توربین روی آن نصب شده‌اند و انرژی دورانی استخراج‌شده از بخار را به ژنراتور یا تجهیزات محرکه منتقل می‌کند. روتورهای توربین بخار بزرگ یا آهنگری یکپارچه هستند که از شمش های فولادی بزرگ ماشین کاری شده اند یا مجموعه های ساخته شده از دیسک های منفرد، منقبض شده و روی یک محور مشترک کلید می زنند. شفت روتور تمام طول محوری توربین را در بر می گیرد و توسط یاتاقان های ژورنال در هر انتها پشتیبانی می شود.

روتور از نظر ساختاری سخت‌ترین جزء در توربین است. باید در برابر نیروهای گریز از مرکز تیغه های متصل (که در سرعت کار، تنش های قابل مقایسه با استحکام کششی مواد تیغه ایجاد می کند)، تنش های حرارتی ناشی از گرمایش دیفرانسیل در هنگام راه اندازی و خاموش شدن، و بارهای پیچشی مورد نیاز برای انتقال گشتاور خروجی کامل را تحمل کند. مواد روتور معمولاً فولاد آلیاژی مقاوم در برابر خزش - CrMoV (کروم-مولیبدن-وانادیم) یا فولاد NiCrMoV - برای ترکیبی از استحکام در دمای بالا و مقاومت در برابر خزش انتخاب شده است. تست اولتراسونیک و بازرسی ذرات مغناطیسی از روتور روتور الزامات استاندارد برای تایید عدم وجود نقص داخلی قبل از شروع ماشینکاری است.

پره های توربین (سطل)

پره های توربین انرژی جنبشی جت بخار را به چرخش شفت تبدیل می کنند. آن‌ها در سخت‌ترین محیط از نظر حرارتی و مکانیکی در کل ماشین کار می‌کنند: پره‌های پرفشار و دمای بالا در توربین‌های بخار صنعتی ممکن است در دمای بخار ۵۰۰ تا ۶۰۰ درجه سانتی‌گراد کار کنند در حالی که در ۳۰۰۰ یا ۳۶۰۰ دور در دقیقه می‌چرخند، و تنش‌های گریز از مرکز در پره‌های ریشه‌ای از MP20 و بالاتر از MP20-100 ایجاد می‌کنند. مراحل بعدی در توربین‌های چگالشی بخار با دمای پایین‌تر اما حجم‌های ویژه به‌طور قابل‌توجهی بالاتر را مدیریت می‌کنند - پره‌های مرحله آخر توربین‌های متراکم بزرگ می‌توانند بیش از 1 متر طول داشته باشند و تنش‌های گریز از مرکز ایجاد می‌کنند که نیاز به انتخاب دقیق مواد و بهینه‌سازی هندسه ریشه پره دارد.

انتخاب مواد تیغه از مشخصات دما پیروی می کند: تیغه های مرحله اول فشار بالا از فولادهای زنگ نزن آستنیتی یا سوپرآلیاژهای نیکل برای مقاومت در برابر خزش و اکسیداسیون استفاده می کنند. تیغه های فشار متوسط ​​از فولادهای ضد زنگ مارتنزیتی استفاده می کنند. تیغه های مرحله آخر کم فشار از فولاد ضد زنگ مارتنزیتی کروم 12 درصد یا ضد زنگ 17-4PH در برابر بارش برای ترکیبی از استحکام و مقاومت در برابر فرسایش در برابر رطوبت در انبساط بخار مرطوب استفاده می کنند. پروفیل تیغه معمولاً با ماشینکاری یا ریخته گری دقیق به شکل ایروفویل خاص با تلورانس یک دهم میلی متر - دقت شکل مستقیماً بر بازده آیرودینامیکی تیغه و در نتیجه راندمان حرارتی توربین تأثیر می گذارد.

پوشش توربین بخار (مسکن)

پوشش پوسته بیرونی توربین حاوی فشار است. دیافراگم های نازل ثابت را نگه می دارد، مسیر بخار را در برابر نشت به اتمسفر می بندد، و رابطه ابعادی بین اجزای ثابت و دوار را در طول چرخه حرارتی حفظ می کند. پوشش معمولاً به صورت افقی در امتداد خط مرکزی افقی تقسیم می شود تا امکان دسترسی به مونتاژ و تعمیر و نگهداری را فراهم کند، با اتصالات فلنج پیچ و مهره ای در خط شکاف که باید در برابر بخار فشار بالا بدون واشر در بسیاری از طرح ها مهر و موم شوند.

پوشش‌های فشار بالا برای بخار با دمای بالا در تنش خزشی بالا کار می‌کنند - ترکیب فشار بخار و دمای بالا باعث تغییر شکل تدریجی پلاستیک می‌شود اگر استحکام خزش مواد کافی نباشد. روکش های توربین فشار بالا از فولادهای آلیاژی CrMoV یا CrMoV-Nb با مقاومت خزشی خوب در دمای عملیاتی استفاده می کنند. در روکش های فشار متوسط ​​اغلب از فولادهای ریخته گری آلیاژی کمتر استفاده می شود. روکش های کم فشار که در نزدیکی فشار اتمسفر کار می کنند، از چدن خاکستری یا فولاد کربنی استفاده می کنند. ضخامت دیواره پوشش و ابعاد فلنج پیچ برای فشار و دمای طراحی، با فاکتورهای ایمنی قابل توجهی برای بارگذاری خزشی و خستگی در طول عمر طراحی 25 تا 30 ساله توربین محاسبه شده است.

دیافراگم های نازل

دیافراگم های نازل، پره های نازل ثابت را بین هر ردیف تیغه های دوار نگه می دارند. نازل ها جت بخار را با زاویه و سرعت صحیح به سمت تیغه های دوار هدایت می کنند تا حداکثر انرژی استخراج شود - آنها اجزای ساکن هستند اما در هر مرحله در معرض اختلاف فشار قابل توجه و تنش های حرارتی از گرادیان دمای بخار قرار می گیرند. دیافراگم ها معمولاً از فولاد ضد زنگ جوش داده شده یا فولاد آلیاژی ریخته گری ساخته می شوند و مسیرهای نازل با ماشینکاری دقیق یا ریخته گری سرمایه گذاری شده به مشخصات آیرودینامیکی مورد نیاز می باشند.

فاصله بین سوراخ داخلی دیافراگم و مهر و موم دخمه پرپیچ و خم شافت دوار بسیار مهم است - بسیار کوچک و انبساط حرارتی باعث آسیب تماس می شود. بیش از حد بزرگ و نشت بخار از طریق درزگیر باعث کاهش راندمان می شود. دقت ساخت دیافراگم بر حسب ابعاد فاصله بحرانی در دهم میلی‌متر اندازه‌گیری می‌شود، که نیاز به محاسبه دقیق رشد حرارتی دارد و با بازرسی ابعادی در دمای اتاق در برابر نقشه‌های طراحی که انبساط حرارتی تفاضلی را در نظر می‌گیرند، تأیید می‌شود.

سیستم های بلبرینگ

روتورهای توربین بخار توسط یاتاقان های ژورنال (یاطاقان ساده هیدرودینامیکی) در هر انتها پشتیبانی می شوند. این یاتاقان ها وزن استاتیک کامل روتور به اضافه بار دینامیکی ناشی از نیروهای نامتعادل را حمل می کنند و باید یک لایه روغن هیدرودینامیکی پایدار را در تمام شرایط عملیاتی حفظ کنند. محفظه یاتاقان معمولاً بخشی از ساختار بدنه است. خود یاتاقان یک آستین شکاف خورده با بابیت (فلز سفید) یا آلیاژ قلع آلومینیوم روی سطح یاتاقان است.

یاتاقان‌های رانش - که موقعیت محوری روتور را کنترل می‌کنند - از طرح‌های پد کج‌کننده استفاده می‌کنند که نیروهای بخار محوری را در خود جای داده و از تماس پره‌های دوار با دیافراگم‌های ثابت جلوگیری می‌کند. حفظ فاصله یاتاقان رانش بسیار مهم است: از دست دادن قابلیت یاتاقان رانش به حرکت محوری اجازه می دهد که می تواند منجر به تماس فاجعه بار تیغه به دیافراگم و تخریب توربین در چند ثانیه پس از شروع شود. مانیتورینگ ارتعاش و مانیتورینگ موقعیت محوری دقیقاً به همین دلیل در تمام توربین‌های بخار تولید برق و بزرگ صنعتی ابزار دقیق استاندارد هستند.

سیستم های آب بندی

توربین‌های بخار از مهر و موم‌های لابیرنتی استفاده می‌کنند - مجموعه‌ای از باله‌های لبه چاقویی که مسیری پرپیچ‌وخم برای نشت بخار ایجاد می‌کنند - در مکان‌های مختلف: بین روتور و دیواره‌های انتهایی پوشش، بین سوراخ داخلی دیافراگم و شفت، و در انتهای محور توربین جایی که شفت از محفظه خارج می‌شود. مهر و موم های لابیرنت غیر تماسی هستند - آنها به جای لمس فیزیکی شفت، فاصله کمی را حفظ می کنند، که به آنها اجازه می دهد انبساط حرارتی و ارتعاش را بدون سایش تحمل کنند، به قیمت مقداری نشت بخار در اطراف هر باله.

فاصله باله مهر و موم یک پارامتر کلیدی کارایی است: فاصله های محکم تر از دست دادن نشتی را کاهش می دهد اما خطر آسیب تماس را در طول دوره های گذرای حرارتی افزایش می دهد. طراحی های مدرن توربین از مهر و موم های جمع شونده یا مواد آب بند سایشی استفاده می کنند که به پره ها اجازه می دهد در حین راه اندازی بدون آسیب دائمی شفت را لمس کنند، سپس پس از تثبیت شرایط عملیاتی، فاصله محکم را حفظ کنند.

الزامات ساخت که اجزای توربین را متمایز می کند

گواهی مواد و قابلیت ردیابی

هر ماده ای که در یک جزء توربین حاوی فشار یا باربر استفاده می شود، نیاز به گواهی مواد دارد که بتوان آن را تا گرمای خاصی از فولاد یا آلیاژ ردیابی کرد. این گواهینامه شامل ترکیب شیمیایی، نتایج آزمایش مکانیکی (استحکام کششی، استحکام تسلیم، ازدیاد طول، انرژی ضربه) و سوابق عملیات حرارتی است. برای آهنگری روتور و پوشش‌های فشار بالا، سوابق بررسی غیرمخرب اضافی (NDE) - تست اولتراسونیک (UT)، آزمایش رادیوگرافی (RT) و بازرسی ذرات مغناطیسی (MPI) - برای نشان دادن عدم وجود عیوب داخلی و سطحی بیش از معیارهای پذیرش لازم است.

زنجیره ردیابی از مواد خام تا اجزای نهایی برای قطعات توربین در تمام بازارهای اصلی اجباری است. این صرفاً یک اولویت کیفی نیست - یک الزام قانونی و بیمه ای برای مخازن تحت فشار و ماشین آلات دوار در بیشتر کاربردهای صنعتی است. تامین‌کننده قطعات توربین که نمی‌تواند مستندات کامل ردیابی مواد را ارائه کند، بدون توجه به قیمت، از رسیدگی جدی محروم می‌شود.

تلورانس های ابعادی و سطح پرداخت

اجزای توربین بخار تا حد قابل توجهی سخت تر از اجزای صنعتی عمومی هستند. قطر ژورنال روتور معمولاً به کلاس تحمل IT5-IT6 (تقریباً 0.005-0.015 ± میلی متر برای قطرهای شفت معمولی) و پایان سطح Ra 0.4-0.8 میکرومتر برای سطوح یاتاقان هیدرودینامیکی ماشین کاری می شود. برای اطمینان از توزیع صحیح بار در سطوح تماس ریشه تیغه، ابعاد فرم ریشه تیغه به ± 0.05 میلی متر یا سفت تر است. متعادل کردن مراحل روتور مونتاژ شده برای متعادل کردن درجه کیفی G1.0 یا G2.5 در ISO 1940 مورد نیاز است - در 3000 دور در دقیقه، حتی یک عدم تعادل جرم کوچک نیروهای ارتعاشی قابل توجهی ایجاد می کند.

عملیات حرارتی

عملیات حرارتی اجزای توربین فولادی آلیاژی چندین هدف را دنبال می‌کند: کاهش تنش (حذف تنش‌های پسماند حاصل از آهنگری و ماشین‌کاری که می‌تواند باعث اعوجاج یا ترک شود)، سخت‌سازی (توسعه خواص مکانیکی مورد نیاز در شرایط نهایی)، و تلطیف (بهینه‌سازی تعادل استحکام و چقرمگی). سوابق عملیات حرارتی مستند - زمان، دما، جو، محیط خاموش کردن - بخشی از بسته گواهی مواد است. برای قطعاتی که در دمای بالا کار می کنند، عملیات حرارتی پس از جوش (PWHT) هر جوش تعمیری برای بازیابی خواص متالورژیکی در ناحیه جوش الزامی است.

تیم‌های تدارکاتی باید هنگام تأمین منابع اجزای توربین تأیید کنند

سوالات متداول

چه موادی برای روتورهای توربین بخار فشار قوی استفاده می شود؟

روتورهای توربین بخار پرفشار برای کاربردهای صنعتی و تولید برق معمولاً از فولاد آلیاژی CrMoV استفاده می کنند (نام Cr-Mo-V منعکس کننده سه عنصر آلیاژی اصلی است: کروم برای سختی پذیری و مقاومت در برابر خوردگی، مولیبدن برای استحکام خزشی، وانادیم برای سخت شدن در اثر بارش). گریدهای خاص عبارتند از 1CrMoV، 2CrMoV و انواع آلیاژی بالاتر برای خدمات با دمای بالاتر. انتخاب دقیق آلیاژ به حداکثر دمای بخار بستگی دارد - دمای بخار بالاتر به فولادهای آلیاژی بالاتر با مقاومت در برابر خزش بهتر نیاز دارد. برای چرخه های بخار فوق بحرانی بالای 600 درجه سانتیگراد، مواد روتور به سمت فولادهای مارتنزیتی 9 تا 12 درصد کروم و حتی سوپرآلیاژهای مبتنی بر نیکل برای گرم ترین مقاطع پیش می روند.

اجزای توربین بخار قبل از تعویض چقدر دوام می آورند؟

توربین های بخار اصلی در خدمات تولید برق برای 100000-200000 ساعت کار (تقریباً 12-25 سال کار مداوم) قبل از تعمیرات اساسی یا تعویض قطعات طراحی شده اند. در عمل، عمر واقعی اجزا به طور قابل توجهی با شرایط عملیاتی متفاوت است: توربین هایی که به طور مکرر تحت چرخه استارت-ایست قرار می گیرند، آسیب خستگی حرارتی را سریعتر از ماشین های بار پایه که به طور مداوم کار می کنند، جمع می کنند. تیغه ها و نازل های پرفشار معمولاً به دلیل طویل شدن خزش و فرسایش نیاز به بازرسی و تعویض احتمالی در 25000 تا 50000 ساعت دارند. روتورها فواصل تعویض طولانی تری دارند اما برای ترک خوردگی تنشی در محیط های بخار نیاز به بازرسی سوراخ دارند. برنامه‌های تعمیر و نگهداری مبتنی بر شرایط با نظارت دوره‌ای ارتعاش، بازرسی سوراخ‌ها و نمونه‌برداری متالورژیکی استانداردهای صنعتی برای به حداکثر رساندن عمر قطعات در حین مدیریت ریسک هستند.

تفاوت بین طراحی تیغه های توربین ضربه ای و واکنشی چیست؟

در مرحله ضربه ای، افت فشار در سراسر مرحله به طور کامل در نازل های ثابت رخ می دهد - تیغه های چرخان اساساً افت فشاری را مشاهده نمی کنند و با فشار ثابت کار می کنند و انرژی را فقط از سرعت جت بخار استخراج می کنند. در مرحله واکنش، افت فشار قابل توجهی هم در نازل‌های ثابت و هم در تیغه‌های در حال چرخش رخ می‌دهد - گذرگاه تیغه مانند یک نازل عمل می‌کند و به استخراج انرژی از طریق نیروی واکنش بخار در حال گسترش کمک می‌کند. بیشتر توربین‌های بخار صنعتی از ترکیبی استفاده می‌کنند: طراحی ضربه‌ای در اولین مرحله فشار بالا (که در آن مدیریت فشار و دمای بالا به نفع مرحله‌بندی ضربه است) و طراحی واکنش در مراحل متوسط ​​و کم فشار (که در آن راندمان بالاتر مرحله واکنش در نسبت‌های فشار پایین‌تر سودمند است). هندسه تیغه، نسبت ابعاد و نمایه بین طرح‌های ضربه‌ای و واکنشی متفاوت است، که در هنگام تعیین تیغه‌های جایگزین مرتبط است - نوع طراحی باید با اصل مطابقت داشته باشد تا مثلث‌های سرعت مرحله و عملکرد آیرودینامیکی حفظ شود.

لوازم جانبی توربین بخار | سیلندر کمپرسور بزرگ | اجزای برق باد | دنده انتقال سرعت بالا | آهنگری و ریخته گری | تماس با ما