汽轮机的热应力、热变形、热膨胀分析

汽轮机的热应力、热变形、热膨胀主要内容：主要介绍汽轮机的热应力、热膨胀和热变形；汽轮机寿命及如何进行汽轮机的寿命管理。

Ⅰ汽轮机的受热特点一、汽缸壁的受热特点汽轮机启停过程是运行中最复杂的工况。

在启停过程中，由于温度剧烈变化，各零部件中及它们之间形成较大的温差。

导致零部件产生较大的热应力，同时还引起热膨胀和热变形。

当应力达到一定水平时，会使高温部件遭受损伤，最终导致部件损坏。

1．汽缸的受热特点（1）启动时，蒸汽的热量以对流方式传给汽缸内壁，再以导热方式传向外壁，最后经保温层散向大气，汽缸内外壁存在温差，内壁温度高于外壁温度，停机过程则产生相反温差。

（2）影响内外壁温差的主要因素：①汽缸壁厚度δ，汽缸壁越厚，内外温差越大。

②材料的导热性能；③蒸汽对内壁的加热强弱。

加热急剧：温度分布为双曲线型，温差大部分集中在内壁一侧，热冲击时；加热稳定：温度分布为直线型，温差分布均匀，汽轮机稳定运行工况；缓慢加热：温度分布为抛物线型，内壁温差较大，实际启动过程中；2．转子的受热特点蒸汽的热量以对流方式传给转子外表面，再以导热方式传到中心孔，通过中心孔散给周围环境，在转子外表面和中心孔产生温差，温差取决于转子的结构、材料的特性及蒸汽对转子的加热程度。

Ⅱ汽轮机的热应力一、热应力热应力概念：当物体温度变化时，热变形受到其它物体约束或物体内部各部分之间的相互约束所产生的应力。

①温度变化时，物体内部各点温度均匀，变形不受约束，则物体产生热变形而没有热应力。

当变形受到约束时，则在内部产生热应力。

②物体各处温度不均匀时，即使没有外界约束条件，也将产生热应力；在温度高的一侧产生热压应力，在温度低的一侧产生热拉应力。

二、汽缸壁的热应力1．启动时，汽缸内壁为热压应力，外壁为热拉应力，且内外壁表面的热压和热拉应力均大于沿壁厚其他各处的热应力。

内壁；t E i ∆⋅-⋅-=μασ132 外壁：t E ∆⋅-⋅-=μασ1310 在停机过程中，内壁表面热拉应力，外壁表面热压应力。

（1）热应力与汽缸壁温差Δt成正比，因此可用Δt作为汽轮机运行中控制热应力的监视指标，在启停及负荷变化过程中，严格控制内外壁温差Δt在允许的范围内；（2）汽轮机冷却过快比加热过快更加危险；（原因略）（3）控制汽轮机金属的温升速度是控制热应力的基本方法。

运行中除监视内外壁温差外，还必须控制好金属的温度升降速度，汽缸内壁温升（温降）速度大小决定了汽轮机转速和负荷变化的快慢，也即决定了汽轮机启动和停机过程的快慢。

三、法兰螺栓的热应力（1）沿着法兰宽度方向存在温差，必然引起热应力。

启动时，法兰外侧的温度低于内侧温度，因而受热后内侧膨胀大，外侧膨胀小，外侧就会阻止内侧自由热膨胀，内侧产生热压应力，外侧受热拉应力。

停机时，情况则相反；如果机组不断启停，法兰内外侧就要承受交变的热应力。

（2）螺栓的热拉应力随法兰和螺栓的温差增大而增加，一般规定法兰与螺栓温差的允许值为：中参数机组40--50℃，高参数大容量机组20--35℃。

四、转子的热应力1．启动时，蒸汽以对流换热方式将热量传给转子外表面，再以导热方式将热量传给转子中心孔。

其中转子外表面温度上升快，中心孔与外表面存在温差；其温差大小主要与蒸汽温度变化率以及转子本身的热容量有关。

温差与蒸汽温度变化率成正比；且热容量（系统在某一过程中，温度升高（或降低）1℃所吸收（或放出）的热量叫做这个系统在该过程中的热容量）越大，温差越大；转子中心孔与外表面的温差越大；转子的热应力也越大。

启动时转子外表面产生热压应力，中心产生热拉应力；停机时，刚好相反，而正常运行时，由于径向温差变得很小，转子内的热应力基本消失。

2．控制转子或汽缸的热应力就是要限制机组启停及负荷变化速度。

（1）单层缸高压汽轮机（转子半径与汽缸法兰厚度大致相等时）法兰的热应力大，按汽轮机法兰热应力来控制最大允许温升速度；（2）双层缸大功率汽轮机转子的热应力大，按转子热应力来控制最大允许温升速度。

主要原因：①转子的半径大于汽缸的壁厚；②启动时，转子的受热条件优于汽缸；③启动时，转子的机械应力水平高于汽缸。

3．汽轮机转子热应力的最大值通常出现在高压转子的调节级和中压转子的第一级附近。

一般用监视和控制调节级汽缸内壁温度的方法来控制转子的热应力。

因为蒸汽首先接触调节级处部件，蒸汽与转子温差较大，在启停及正常运行中，应注意调节级处蒸汽温度及缸体金属温度和中压第一级处的缸体金属温度。

①随着机组容量增大和参数提高，温差导致的损坏首先发生在汽缸上，即汽缸裂纹。

随着对汽缸的结构的改进，对机组启停及加减负荷速度的限制，使汽缸的热疲劳损坏逐步得到解决。

②随着容量进一步增大，转子直径也增大，转子热疲劳损坏也突出了。

４．转子低频疲劳损伤启动时转子外表面产生热压应力，中心产生热拉应力；停机时，转子外表面产生热拉应力，中心产生热压应力；汽轮机每启停一次，转子表面就会交替出现一次热压应力和热拉应力，多次启停，在交变热应力反复作用下，将使转子金属表面出现裂纹，称为转子的低频疲劳损伤。

启停时加热或冷却越快，转子损耗就越大。

越容易出现裂纹。

５．转子的低温脆性转变金属材料在低温条件下，机械性能将发生变化，由韧性变为脆性，许用应力下降，使转子的宏观裂纹不断扩展，以致当温度低于某一值时，引起脆性断裂。

这一温度称为脆性转变温度。

大功率汽轮机低压转子脆性转变温度为0℃左右，高中压转子在120℃左右。

汽轮机超速试验一般在定速后进行，但对于大功率汽轮机我们规定，机组定速后应带部分负荷运行数小时，再将负荷减到零，解列发电机，再进行超速试验。

这样转子内温度高于脆性转变温度，同时转子中心热拉应力也大为减小；改善了转子的工作条件。

Ⅲ汽轮机的热膨胀及热变形一、汽缸和转子的热膨胀危害：汽轮机在启停和变工况时，设备零部件存在温差，产生热应力，引起热膨胀，改变了常温下零部件位置。

由于各部件几何尺寸及材质的不同，其热膨胀也不相同，造成各动静部分间隙变化，危害汽轮机的安全运行。

要求：①保证汽缸在纵向能自由热胀冷缩，在横向能均匀膨胀，②汽轮机动静部分间隙及转子和汽缸洼窝中心保持不变或变化很小。

1．汽缸沿横向的膨胀若调节级汽室外左右两侧法兰的金属温差控制良好，就能使汽缸横向膨胀均匀。

否则，汽缸将产生中心偏移。

为保证汽缸左右膨胀均匀，规定主蒸汽和再热蒸汽两侧汽温差不应超过28℃。

2．汽缸沿轴向的膨胀对于法兰比汽缸壁薄的机组，汽缸沿轴向的膨胀量取决于汽缸各段平均温升；对于法兰比汽缸壁厚的机组，汽缸沿轴向的膨胀量取决于法兰各段平均温升。

正常运行时，通常选择调节级区段的法兰内壁温度作为汽缸纵向膨胀的监视点，只要监视点温度在适当范围内，就能保证汽缸的热膨胀在允许范围内。

对高参数大容量汽轮机，其法兰壁厚远大于汽缸壁厚，汽缸的膨胀量会受到法兰膨胀量的限制；在启动过程中，为使汽缸得到充分膨胀，应该投入法兰加热装置，并把汽缸和法兰的温差控制在允许的范围内。

3．转子的热膨胀随着机组容量的提高，转子的轴向长度增加，转子的轴向膨胀量较大，在运行中应加强对转子膨胀量的监控，以防止卡涩和动静部分磨损。

二、汽缸与转子的相对膨胀1．胀差概念胀差：转子与汽缸沿轴向膨胀之差称为胀差。

当转子轴向膨胀量大于汽缸轴向膨胀量时，胀差为正，反之为负。

汽轮机在启动及加负荷时，胀差为正；在停机或减负荷时，胀差为负。

2．胀差产生的原因：（1）转子和汽缸的金属材料不同，热胀系数不同；（2）汽缸质量大与蒸汽接触面积小，转子质量小与蒸汽接触面积大；转子和汽缸的质面比：转子或汽缸质量与被加热面积之比，通常以m／A表示。

转子质量轻、表面积大，则质面比小，而汽缸质量大、表面积小，则质面比大。

（3）转子转动，故蒸汽对转子表面的放热系数比对汽缸表面的放热系数（表面放热系数,是指一定单位面积、单位时间和温度下，释放的热量。

一般可采用单位千卡/平方米·小时·℃表示）大。

3．危害：胀差使通流部分动静沿轴向间隙发生变化，造成动静部件的碰撞和摩擦，延误启动时间、引起机组振动、大轴弯曲等严重事故。

当胀差为正时，动叶出口与下级静叶入口间隙减小；当胀差为负时，静叶出口与动叶入口之间的间隙减小；4．影响胀差的主要因素（1）主、再热蒸汽的温升、温降速度及负荷变化速度；（2）轴封供汽温度和供汽时间冷态启动时，在冲转前向轴封供汽，由于供汽温度高于转子温度，转子局部受热而伸长，可能出现轴封摩擦现象。

热态启动时，为防止轴封供汽后胀差出现负值，轴封供汽应选用高温汽源，且要先向轴封供汽，后抽真空。

并尽量缩短冲转前轴封供汽时间。

（3）凝汽器真空在升速和暖机过程中，当真空降低时，若保持机组转速不变，须增加进汽量，使高压转子受热增加，胀差增大。

使中、低压转子鼓风摩擦热量被增加的蒸汽量带走，胀差减少。

（由于中、低压转子叶片较长，其鼓风摩擦热量比高压转子大。

当真空降低时，中低压转子鼓风摩擦热量被增加的蒸汽量带走，故胀差减少；因此，在升速暖机过程中不能用提高真空的办法来减小中、低压通流部分的胀差。

）(4)鼓风摩擦热量鼓风摩擦损失与动叶片长度成正比，与圆周速度三次方成正比，所以低压转子的鼓风摩擦损失远比高、中压转子大，鼓风摩擦损失热量加热通流部分，使胀差增加，在小流量时其影响较大。

随着流量增加，其影响逐渐减小，当流量达到一定值时，鼓风摩擦损失的热量已能全部被带走，这时对胀差的影响就会消失。

(5)转速转子的离心力与转速的平方成正比；在离心力作用下，转子沿径向伸长，轴向则缩短，胀差减小。

（弹性材料的径向应变与轴向应变有一定比例关系，当转子径向伸长时，转子轴向必然会缩短）大容量机组转速高、转子长，离心力对胀差的影响应加以考虑。

随流量增大、转速上升，高压转子的胀差逐渐增大，而中低压转子胀差先随转速升高而增加，中速之后又随转速增加而减小。

(6)进汽参数当进汽参数突然发生变化时，转子的受热状态首先发生变化，而对汽缸的影响要滞后一段时间，胀差将发生变化。

(7)隔板挠度隔板在压差作用下产生的挠度会使动静部分的间隙减小。

应考虑对胀差的影响；但在启动时，由于蒸汽流量很小，隔板前后压差不大，可以忽略对胀差的影响。

5．控制胀差的方法胀差的大小主要取决于蒸汽的温度变化率，在运行中可用蒸汽温度变化率来控制胀差。

额定参数启动时，为控制转子和汽缸的温差，进行低速暖机和低负荷暖机，目的是减少进汽量，使汽缸温度跟上蒸汽温度的变化，当汽缸温度接近蒸汽温度时，再继续增加进汽量，升速和升负荷。

三、汽缸的膨胀不畅汽缸的热膨胀影响机组的启停以及增减负荷的速度，一旦汽缸膨胀不畅，将引起振动、机件故障，严重时会造成机组损坏。

(1)汽缸膨胀不畅表现形式汽缸膨胀不畅包括轴向膨胀不畅和横向膨胀不畅汽缸轴向膨胀不畅，表现为启动过程中高、中压胀差较大，严重影响启动速度，延长启动时间。