Các dạng hư hỏng ở các máy quay (turbomachines)

Thanh Sơn biên dịch, bản quyền thuộc về baoduongcokhi.com

Định nghĩa về Turbomachine

Turbomachine, (hay máy turbo, hay máy quay), là tất những thiết bị trong đó năng lượng được truyền tới, hoặc truyền từ dòng lưu chất liên tục, bằng tác động động học, của một hoặc nhiều hàng cánh chuyển động (rows of blades). Từ turbo hoặc turbinis có nguồn gốc từ tiếng Latinh, và tức là sự quay tròn (spins/whirls). Về cơ bản, một hàng cánh quay, một rôto, hoặc một bánh công tác, thay đổi entanpi tích tụ của lưu chất di chuyển qua nó, bằng cách thực hiện công dương, hoặc công âm, tùy thuộc vào yêu cầu của máy. Những thay đổi entanpi này có liên quan mật thiết với sự thay đổi áp suất, xảy ra đồng thời trong lưu chất.

Máy turbo có hai loại chính: loại thứ nhất, là loại máy hấp thụ năng lượng để tăng áp suất lưu chất, (như bơm, quạt, và máy nén); loại thứ hai, là những loại máy tạo ra năng lượng, bằng sự giãn nở của lưu chất, dẫn đến áp suất lưu chất giảm xuống, (như tuabin gió, tuabin thủy lực, tuabin hơi nước và tuabin khí).

Máy turbo, được phân loại sâu hơn theo bản chất của đường dẫn dòng chảy qua các cấp của rôto. Khi đường đi của dòng chảy qua hoàn toàn hay chủ yếu song song với trục quay, thiết bị được gọi là máy turbo dòng chảy hướng trục.

Khi đường đi của dòng chảy hoàn toàn, hay chủ yếu, nằm trong một mặt phẳng vuông góc với trục quay, thiết bị được gọi là máy turbo dòng hướng tâm.

Máy turbo dòng hỗn hợp được sử dụng rộng rãi, có hướng của dòng chảy qua tại đầu ra rôto khi cả thành phần vận tốc hướng tâm và hướng trục đều hiện diện, với lượng đáng kể.

Tất cả các máy turbo, có thể được phân loại là máy xung lực, hoặc máy phản lực, tùy theo việc thay đổi áp suất là có hay không, tương ứng, trong dòng chảy qua rôto. Trong máy xung lực, tất cả sự thay đổi áp suất diễn ra trong một, hoặc nhiều vòi phun, lưu chất được dẫn vào rôto.

Các dạng hư hỏng ở máy turbo, (turbomachines).

Có nhiều lý do dẫn đến sự cố và hư hỏng của máy turbo. Trong đó, sự cộng hưởng thường bị bỏ qua.

Các bộ phận, và thành phần quay như cánh bánh công tác, và các hàng cánh trên rô to có thể cộng hưởng với bất kỳ kích thích nào, do máy turbo tạo ra. Các cộng hưởng đối với tần số tự nhiên thứ nhất, và thứ hai, có thể gây nguy hiểm. Nói chung, có thể có nhiều trường hợp cộng hưởng. Lấy ví dụ, tần số tự nhiên thứ hai của thành phần quay, được chứng minh là gần như chính xác, là bội số nguyên của tần số tự nhiên đầu tiên, (tức là F2 bằng nF1, n là số nguyên). Điều này, dẫn đến các vấn đề về kích thích, và vận hành. Rung động do lưu chất gây ra, sự thay đổi dao động của áp suất chất lỏng, và dòng chảy hỗn loạn (hay hình thành dòng xoáy), cũng có thể gây ra rung động cao, hoặc thậm chí hư hỏng.

Các bộ phận và chi tiết quay như cánh công tác và các hàng cánh quay có thể cộng hưởng với bất kỳ kích thích nào do máy turbo/máy quay tạo ra.

Sự mỏi cũng thường là nguyên nhân gốc rễ, dẫn đến hỏng hóc các bộ phận quay. Biên độ ứng suất riêng phải được phân tích, để đảm bảo các thành phần liên quan, sẽ không bị hỏng, do các dạng mỏi khác nhau, như, mỏi chu kỳ cao (high-cycle fatigue, HCF), và mỏi chu kỳ thấp (low-cycle fatigue,  LCF).

Ghi chú:

Mỏi chu kỳ cao (HCF): là loại mỏi gây ra bởi các biến dạng đàn hồi nhỏ dưới một số chu kỳ tải trọng cao, trước khi xảy ra sự cố. Ứng suất đến từ sự kết hợp của ứng suất trung bình và ứng suất thay đổi dấu. Ứng suất trung bình, gây ra bởi ứng suất dư, tải trọng hỗn hợp, hoặc sự phân bố nhiệt độ không đồng đều. Ứng suất thay đổi dấu là ứng suất cơ, hoặc ứng suất nhiệt, ở bất kỳ tần số nào.

Mỏi chu kỳ thấp (LCF): được đặc trưng bởi biên độ ứng suất cao và tần số thấp. Trong trường hợp này, ứng suất tạo ra cả biến dạng đàn hồi và biến dạng dẻo. Loại thứ hai đặc biệt quan trọng trong các khu vực có sự gián đoạn hình học, hoặc sự gia tăng ứng suất. Do sự biến dạng dẻo trong LCF, sự hỏng hóc xảy ra với số chu kỳ giảm so với sự cố HCF.

Đối với hư hỏng trục, các lý do đằng sau hư hỏng trục, có thể được liệt kê dưới đây:

1. Nguyên nhân cơ học: chẳng hạn như: tải trọng treo công xôn, tải trọng uốn, tải trọng xoắn, tải trọng dọc trục.

2. Nguyên nhân động học như, rung động, chu kỳ ứng suất, sốc tải.

3. Nguyên nhân ứng suất dư: từ quá trình sản xuất và sửa chữa.

4. Nguyên nhân nhiệt độ như, gradient nhiệt độ, võng trục rô to.

5. Nguyên nhân Môi trường như, ăn mòn, độ ẩm, xói mòn, mài mòn, xâm thực.

Trước khi xác định được nguyên nhân gốc rễ của hỏng trục, cần phải hiểu về tải trọng và ứng suất của trục. Khả năng về đặc tính như cấu trúc vi mô và cấu trúc liên kết bề mặt của trục là rất quan trọng. Ví dụ: có thể sử dụng kiểm tra trực quan, quét quang học, kính hiển vi điện tử và phân tích kim loại.

Nhiều hư hỏng có thể được chẩn đoán, bằng cách sử dụng kiến ​​thức cơ bản, về nguyên nhân hư hỏng trục và kiểm tra trực quan. Điều này, sau đó có thể được xác nhận, thông qua phòng thí nghiệm kim loại hoặc các phương pháp khác.

Dựa trên các nghiên cứu điển hình từ một số nhà máy, các nguyên nhân chính, dẫn đến hỏng trục là: ăn mòn (35%), mỏi (32%), gãy giòn (16%), quá tải (11%), và dão, mòn, xói mòn, mài mòn (6%). Một số nghiên cứu cho thấy, mỏi là nguyên nhân dẫn đến hơn 50% trường hợp hư hỏng. Do đó, hãy chú ý đến những điểm không liên tục trên bề mặt, như rãnh then, bậc, vai trục, cổ trục, ren, lỗ, rãnh vòng tròn quanh trục, và các vị trí bị hư hại, hoặc sai sót của trục.

Một rãnh then bằng, có mức độ tập trung ứng suất cao, các vết nứt thường phát ra từ các vị trí này.

Các vùng rãnh then thường có vấn đề. Các rãnh then thường được sử dụng, để cố định các bộ phận quay cùng với rôto, và cố định khớp nối với trục. Đầu trục, (bao gồm đầu dẫn động hoặc không dẫn động), là nơi xảy ra tải trọng lên trục cao nhất. Các vết nứt do mỏi, thường bắt đầu ở các góc lượn. Một rãnh then bằng, có mức độ tập trung ứng suất cao hơn so với rãnh then bán nguyệt. Trong trường hợp tải trục nặng, các vết nứt thường phát ra từ các vị trí bước trục. Tránh kết nối bằng then nếu có thể. Nếu không thể tránh được, hãy lấy một bán kính góc đủ lớn.

Gãy trục do mỏi xảy ra ở rô to tuabin hơi

Các hư hỏng liên quan đến mỏi, thường tuân theo lý thuyết liên kết yếu nhất, mỏi dẫn đến vết nứt ban đầu trên bề mặt; vết nứt lan truyền cho đến khi mặt cắt ngang của trục quá yếu để mang tải; và cuối cùng, sự đứt gãy đột ngột xảy ra.

Hãy nhớ rằng, ứng suất dư, hoặc khuyết tật, sai lệch ban đầu, có thể độc lập với tải trọng bên ngoài. Có những quy trình sản xuất, hoặc sửa chữa, có thể ảnh hưởng đến ứng suất dư, khuyết tật và sai lệch ban đầu. Chúng bao gồm: kéo dài, uốn, nắn thẳng, gia công, mài, cán bề mặt, phun hạt làm sạch và đánh bóng. Chúng có thể tạo ra ứng suất dư, và khuyết tật do biến dạng dẻo. Và các quá trình nhiệt, như cán nóng, hàn, cắt gió đá, và xử lý nhiệt, có thể dẫn đến các vấn đề.

Hiện tượng mài mòn tiếp xúc Fretting trên trục ở vị trí lắp vòng bi

Cuối cùng, mài mòn do tiếp xúc trên bề mặt trục, có thể gây ra hư hại nghiêm trọng. Các vị trí điển hình, là các điểm trên trục có lắp ép chặt, hoặc lắp lỏng trượt. Nếu có sự hiện diện của rỉ sét, giữa các bề mặt tiếp xúc, sẽ giúp khẳng định mài mòn đã diễn ra, do chuyển động giữa các bộ phận tiếp xúc. Một khi xảy ra hiện tượng mòn rỗ, trục có thể trở nên nhạy cảm với hiện tượng nứt do mỏi. Sự rung động ở trục, có thể làm tình trạng này trở nên tồi tệ hơn.

Nguồn: https://www.maintenance4.com/2021/12/turbomachinery-failures.html

Related Posts by Categories