Các bộ phận của tuabin hơi: Các bộ phận chính, Yêu cầu sản xuất và những gì cần chỉ định

Tua bin hơi nước là một trong những máy có yêu cầu nhiệt động cao nhất trong dịch vụ công nghiệp. Các bộ phận của chúng hoạt động đồng thời ở nhiệt độ cao, tốc độ quay cao và ứng suất cơ học đáng kể — và chúng dự kiến ​​sẽ hoạt động ổn định trong hàng chục nghìn giờ hoạt động giữa các lần đại tu lớn. Yêu cầu kỹ thuật đối với các bộ phận tuabin riêng lẻ, đặc biệt là các bộ phận quay và tĩnh trong đường dẫn khí nóng, cao hơn đáng kể so với hầu hết các máy móc công nghiệp khác và các yêu cầu về độ chính xác trong sản xuất cũng như chất lượng vật liệu phản ánh điều này.

Các thành phần chính và vai trò của chúng

Cánh quạt và trục tuabin

Rôto là bộ phận quay trung tâm của tuabin - trục gắn các đĩa và cánh tuabin, truyền năng lượng quay lấy từ hơi nước đến máy phát điện hoặc thiết bị được dẫn động. Rôto tuabin hơi lớn là vật rèn nguyên khối được gia công từ các phôi thép lớn hoặc các cụm đĩa riêng lẻ được lắp ráp sẵn, được thu nhỏ và khóa vào một trục chung. Trục rôto kéo dài hết chiều dài trục của tuabin và được đỡ bởi các ổ trục ở mỗi đầu.

Rôto là thành phần đòi hỏi cấu trúc cao nhất trong tuabin. Nó phải chịu được lực ly tâm của các cánh quạt kèm theo (mà ở tốc độ vận hành tạo ra ứng suất ở chân cánh tương đương với độ bền kéo của vật liệu cánh), ứng suất nhiệt do gia nhiệt chênh lệch trong quá trình khởi động và tắt máy, và tải xoắn cần thiết để truyền toàn bộ mô-men xoắn đầu ra. Vật liệu rôto thường là thép hợp kim chống rão — thép CrMoV (chrome-molybdenum-vanadi) hoặc thép NiCrMoV — được chọn để kết hợp giữa độ bền nhiệt độ cao và khả năng chống rão. Kiểm tra siêu âm và kiểm tra hạt từ tính của phôi rèn rôto là các yêu cầu tiêu chuẩn để xác nhận không có khuyết tật bên trong trước khi bắt đầu gia công.

Cánh tuabin (Xô)

Cánh tuabin chuyển đổi động năng của tia hơi thành chuyển động quay của trục. Chúng hoạt động trong môi trường đòi hỏi khắt khe nhất về nhiệt và cơ học trong toàn bộ máy: các cánh nhiệt độ cao, áp suất cao trong tua bin hơi nước công nghiệp có thể hoạt động ở nhiệt độ hơi 500–600°C trong khi quay với tốc độ 3.000 hoặc 3.600 vòng/phút, tạo ra ứng suất ly tâm ở chân cánh từ 100–200 MPa trở lên. Các giai đoạn sau của tua bin ngưng tụ xử lý hơi nước ở nhiệt độ thấp hơn nhưng thể tích riêng cao hơn đáng kể - các cánh ở giai đoạn cuối của tua bin ngưng tụ lớn có thể dài hơn 1 mét, tạo ra ứng suất ly tâm đòi hỏi phải lựa chọn vật liệu cẩn thận và tối ưu hóa hình dạng chân cánh.

Lựa chọn vật liệu lưỡi cắt tuân theo đặc tính nhiệt độ: lưỡi dao giai đoạn đầu áp suất cao sử dụng thép không gỉ austenit hoặc siêu hợp kim niken để chống rão và chống oxy hóa; lưỡi áp suất trung gian sử dụng thép không gỉ martensitic; lưỡi dao ở giai đoạn cuối áp suất thấp sử dụng thép không gỉ martensitic crom 12% hoặc thép không gỉ làm cứng kết tủa 17-4PH để kết hợp giữa độ bền và khả năng chống xói mòn chống lại độ ẩm trong quá trình giãn nở hơi nước ướt. Cấu hình cánh thường được gia công hoặc đúc chính xác thành hình dạng cánh máy bay cụ thể với sai số bằng một phần mười milimét - độ chính xác về hình dạng ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu quả khí động học của cánh và do đó hiệu suất nhiệt của tuabin.

Vỏ tuabin hơi (Vỏ)

Vỏ là lớp vỏ ngoài chứa áp suất của tuabin. Nó giữ các màng ngăn của vòi cố định, bịt kín đường dẫn hơi nước chống rò rỉ ra khí quyển và duy trì mối quan hệ về chiều giữa các bộ phận đứng yên và quay trong suốt chu trình nhiệt. Vỏ thường được chia theo chiều ngang dọc theo đường tâm nằm ngang để cho phép tiếp cận lắp ráp và bảo trì, với các khớp nối mặt bích được bắt vít ở đường phân chia phải bịt kín chống lại hơi nước áp suất cao mà không cần gioăng trong nhiều thiết kế.

Vỏ áp suất cao dành cho hơi nước ở nhiệt độ cao hoạt động ở ứng suất rão cao - sự kết hợp giữa áp suất hơi và nhiệt độ tăng cao sẽ gây ra biến dạng dẻo dần dần nếu độ bền dão của vật liệu không đủ. Vỏ tuabin cao áp sử dụng thép hợp kim CrMoV hoặc CrMoV-Nb có độ bền rão tốt ở nhiệt độ vận hành; vỏ bọc trung áp thường sử dụng thép đúc hợp kim thấp hơn; vỏ áp suất thấp, hoạt động gần áp suất khí quyển, sử dụng gang xám hoặc thép cacbon. Độ dày thành vỏ và kích thước mặt bích bu lông được tính toán cho áp suất và nhiệt độ thiết kế, với các hệ số an toàn đáng kể đối với tải trọng từ biến và mỏi trong suốt tuổi thọ thiết kế 25–30 năm của tuabin.

Màng ngăn vòi phun

Màng chắn vòi phun giữ các cánh vòi phun cố định giữa mỗi hàng lưỡi quay. Các vòi phun hướng tia hơi vào các cánh quay ở góc và vận tốc chính xác để khai thác năng lượng tối đa - chúng là các bộ phận tĩnh nhưng phải chịu sự chênh lệch áp suất đáng kể giữa từng giai đoạn và ứng suất nhiệt từ gradient nhiệt độ hơi. Màng chắn thường được chế tạo từ thép không gỉ hàn hoặc thép hợp kim đúc, với các đường dẫn vòi phun được gia công chính xác hoặc đúc đầu tư theo cấu hình khí động học cần thiết.

Khe hở giữa lỗ bên trong của màng ngăn và phốt mê cung trục quay là rất quan trọng - quá nhỏ và sự giãn nở nhiệt sẽ gây hư hỏng tiếp điểm; quá lớn và rò rỉ hơi nước qua phốt làm giảm hiệu quả. Độ chính xác của quá trình sản xuất màng ngăn được đo bằng phần mười milimét trên các kích thước khe hở tới hạn, yêu cầu tính toán tăng trưởng nhiệt cẩn thận và được xác minh bằng cách kiểm tra kích thước ở nhiệt độ phòng so với các bản vẽ thiết kế có tính đến sự giãn nở nhiệt chênh lệch.

Hệ thống ổ trục

Rôto tuabin hơi nước được đỡ bởi các ổ trục (ổ trượt thủy động lực) ở mỗi đầu. Các vòng bi này chịu toàn bộ trọng lượng tĩnh của rôto cộng với tải trọng động từ các lực không cân bằng và phải duy trì màng dầu thủy động ổn định ở mọi điều kiện vận hành. Vỏ ổ trục thường là một phần của cấu trúc vỏ; Bản thân ổ trục là một ống lót chia đôi được lót bằng babbit (kim loại trắng) hoặc hợp kim nhôm thiếc trên bề mặt ổ trục.

Vòng bi lực đẩy - điều khiển vị trí dọc trục của rôto - sử dụng thiết kế đệm nghiêng để điều chỉnh lực hơi hướng trục và ngăn các lưỡi quay tiếp xúc với các màng ngăn cố định. Việc duy trì khe hở ổ trục lực đẩy là rất quan trọng: việc mất khả năng chịu lực đẩy cho phép chuyển động dọc trục có thể dẫn đến sự tiếp xúc thảm khốc giữa các cánh với màng và phá hủy tuabin trong vòng vài giây kể từ khi khởi động. Giám sát độ rung và giám sát vị trí trục là thiết bị tiêu chuẩn trên tất cả các tua bin hơi nước công nghiệp và phát điện lớn vì lý do chính xác này.

Hệ thống niêm phong

Tua bin hơi nước sử dụng vòng đệm kiểu mê cung - một loạt các cánh tản nhiệt có lưỡi dao tạo ra đường ngoằn ngoèo để rò rỉ hơi nước - tại nhiều vị trí: giữa rôto và thành cuối vỏ, giữa lỗ trong của màng ngăn và trục, và ở các đầu trục tuabin nơi trục thoát ra khỏi vỏ. Vòng đệm mê cung không tiếp xúc — chúng duy trì một khe hở nhỏ thay vì chạm vào trục, điều này cho phép chúng chịu được sự giãn nở nhiệt và rung động mà không bị mài mòn, với cái giá phải trả là rò rỉ hơi nước xung quanh mỗi vây.

Độ hở của vây phốt là thông số hiệu quả quan trọng: độ hở chặt hơn giúp giảm thất thoát rò rỉ nhưng làm tăng nguy cơ hư hỏng tiếp điểm trong quá trình chuyển đổi nhiệt. Các thiết kế tuabin hiện đại sử dụng các vòng đệm có thể thu vào hoặc vật liệu bịt kín có thể mài mòn cho phép các cánh tản nhiệt chạm vào trục trong quá trình khởi động mà không bị hư hỏng vĩnh viễn, sau đó duy trì khe hở chặt chẽ khi điều kiện vận hành ổn định.

Yêu cầu sản xuất giúp phân biệt các thành phần tuabin

Chứng nhận vật liệu và truy xuất nguồn gốc

Mọi vật liệu được sử dụng trong bộ phận tuabin chịu áp hoặc chịu tải đều phải có chứng nhận vật liệu có thể theo dõi được nhiệt độ cụ thể của thép hoặc hợp kim. Chứng nhận bao gồm thành phần hóa học, kết quả kiểm tra cơ học (độ bền kéo, cường độ chảy, độ giãn dài, năng lượng va đập) và hồ sơ xử lý nhiệt. Đối với vật liệu rèn rôto và vỏ áp suất cao, cần phải có hồ sơ kiểm tra không phá hủy (NDE) bổ sung - kiểm tra siêu âm (UT), kiểm tra chụp ảnh phóng xạ (RT) và kiểm tra hạt từ tính (MPI) - để chứng minh không có khuyết tật bên trong và bề mặt vượt quá tiêu chí chấp nhận hiện hành.

Chuỗi truy xuất nguồn gốc từ nguyên liệu thô đến thành phần hoàn thiện là bắt buộc đối với các bộ phận tuabin ở tất cả các thị trường chính. Đây không chỉ đơn thuần là ưu tiên về chất lượng — mà còn là yêu cầu pháp lý và bảo hiểm đối với bình chịu áp lực và máy móc quay trong hầu hết các ứng dụng công nghiệp. Nhà cung cấp linh kiện tuabin không thể cung cấp đầy đủ tài liệu truy xuất nguồn gốc nguyên liệu sẽ không đủ tư cách được xem xét nghiêm túc bất kể giá cả như thế nào.

Dung sai kích thước và độ hoàn thiện bề mặt

Linh kiện tuabin hơi được gia công với dung sai chặt chẽ hơn đáng kể so với các bộ phận công nghiệp thông thường. Đường kính cổ rôto thường được gia công theo cấp dung sai IT5–IT6 (khoảng ±0,005–0,015mm đối với đường kính trục thông thường) và độ hoàn thiện bề mặt Ra 0,4–0,8 μm đối với bề mặt ổ trục thủy động lực. Kích thước dạng chân cánh được giữ ở mức ±0,05mm hoặc chặt hơn để đảm bảo phân bổ tải trọng chính xác trên các bề mặt tiếp xúc của chân cánh. Cần phải cân bằng các giai đoạn rô-to đã lắp ráp để đạt cấp chất lượng cân bằng G1.0 hoặc G2.5 theo tiêu chuẩn ISO 1940 — ở tốc độ 3.000 vòng/phút, ngay cả sự mất cân bằng khối lượng nhỏ cũng tạo ra lực rung đáng kể.

Xử lý nhiệt

Xử lý nhiệt các bộ phận tuabin bằng thép hợp kim phục vụ một số mục đích: giảm ứng suất (loại bỏ ứng suất dư do rèn và gia công có thể gây biến dạng hoặc nứt), làm cứng (phát triển các tính chất cơ học cần thiết ở trạng thái hoàn thiện) và tôi luyện (tối ưu hóa sự cân bằng giữa độ bền và độ dẻo dai). Hồ sơ xử lý nhiệt được ghi lại - thời gian, nhiệt độ, không khí, môi trường làm nguội - là một phần của gói chứng nhận vật liệu. Đối với các bộ phận hoạt động ở nhiệt độ cao, việc xử lý nhiệt sau hàn (PWHT) của bất kỳ mối hàn sửa chữa nào là bắt buộc để khôi phục các đặc tính luyện kim tại vùng hàn.

Nhóm mua sắm nên xác minh những gì khi tìm nguồn cung ứng linh kiện tuabin

Câu hỏi thường gặp

Vật liệu nào được sử dụng cho rôto tuabin hơi nước áp suất cao?

Rôto tuabin hơi nước áp suất cao cho các ứng dụng công nghiệp và phát điện thường sử dụng thép hợp kim CrMoV (ký hiệu Cr-Mo-V phản ánh ba nguyên tố hợp kim chính: crom cho độ cứng và chống ăn mòn, molypden cho độ bền từ biến, vanadi để làm cứng kết tủa). Các loại cụ thể bao gồm 1CrMoV, 2CrMoV và các biến thể hợp kim cao hơn dành cho dịch vụ ở nhiệt độ cao hơn. Việc lựa chọn hợp kim chính xác phụ thuộc vào nhiệt độ hơi tối đa - nhiệt độ hơi cao hơn đòi hỏi thép hợp kim cao hơn có khả năng chống rão tốt hơn. Đối với các chu trình hơi nước siêu tới hạn trên 600°C, vật liệu rôto đang tiến tới thép martensitic 9–12% Cr và thậm chí cả siêu hợp kim gốc niken cho các phần nóng nhất.

Các bộ phận của tuabin hơi có tuổi thọ bao lâu trước khi thay thế?

Các tua bin hơi nước chính trong dịch vụ phát điện được thiết kế có thời gian hoạt động từ 100.000–200.000 giờ (khoảng 12–25 năm hoạt động liên tục) trước khi đại tu lớn hoặc thay thế linh kiện. Trong thực tế, tuổi thọ thực tế của các bộ phận thay đổi đáng kể tùy theo điều kiện vận hành: các tuabin trải qua chu kỳ khởi động-dừng thường xuyên sẽ tích lũy hư hỏng do mỏi nhiệt nhanh hơn so với các máy tải nền chạy liên tục. Các cánh và vòi phun áp suất cao thường yêu cầu kiểm tra và thay thế sau 25.000–50.000 giờ do hiện tượng dãn dài và xói mòn. Rôto có khoảng thời gian thay thế dài hơn nhưng yêu cầu kiểm tra lỗ khoan để phát hiện vết nứt ăn mòn do ứng suất trong môi trường hơi nước. Các chương trình bảo trì dựa trên tình trạng với giám sát độ rung định kỳ, kiểm tra lỗ khoan và lấy mẫu luyện kim là tiêu chuẩn ngành để tối đa hóa tuổi thọ linh kiện đồng thời quản lý rủi ro.

Sự khác biệt giữa thiết kế cánh tuabin xung và phản ứng là gì?

Trong giai đoạn xung, sự giảm áp suất trên toàn bộ giai đoạn xảy ra hoàn toàn ở các vòi cố định - các cánh quay về cơ bản không thấy giảm áp suất và hoạt động ở áp suất không đổi, chỉ lấy năng lượng từ vận tốc của tia hơi. Trong giai đoạn phản ứng, sự sụt giảm áp suất đáng kể xảy ra ở cả vòi cố định và cánh quay - đường đi của cánh đóng vai trò như một vòi phun, góp phần khai thác năng lượng thông qua lực phản ứng của hơi nước giãn nở. Hầu hết các tuabin hơi công nghiệp đều sử dụng sự kết hợp: thiết kế xung ở giai đoạn áp suất cao đầu tiên (trong đó việc quản lý áp suất và nhiệt độ cao ưu tiên cho giai đoạn xung) và thiết kế phản ứng ở giai đoạn trung gian và áp suất thấp (trong đó hiệu suất cao hơn của giai đoạn phản ứng ở tỷ lệ áp suất thấp hơn là có lợi). Hình dạng cánh, tỷ lệ khung hình và cấu hình khác nhau giữa các thiết kế xung và phản lực, điều này có liên quan khi chỉ định các cánh thay thế - loại thiết kế phải khớp với nguyên bản để duy trì tam giác vận tốc giai đoạn và hiệu suất khí động học.

Phụ kiện tuabin hơi | Xi lanh máy nén lớn | Linh kiện điện gió | Thiết bị truyền tốc độ cao | Rèn và đúc | Liên hệ với chúng tôi