汽轮机热应力、热膨胀、热变形

汽轮机热应力、热膨胀、热变形
一、汽轮机启停和工况变化时的传热现象：
1、凝结放热：
当蒸汽与低于蒸汽饱和温度的金属表面接触时，在金属壁表面发生蒸汽凝结现象，蒸汽放出气化潜热，蒸汽凝结放热在金属表面形成水膜——膜状凝结，其放热系数达4652~17445w/m2·k，如果蒸汽在壁面上凝结，形不成水膜则这种凝结——珠状凝结，珠状凝结的放热系数是膜状凝结的15~20倍。

汽轮机冷态启动，从开始冲转2~3min内，剧烈的换热使汽缸表面很快上升到蒸汽的饱和温度，尤其是转子表面上升更快。

2、对流放热：
汽轮机部件的最大允许温差，由机组结构、汽缸转子的热应力、热变形以及转子与汽缸的胀差决定的。

汽轮机启停和工况变化由于高、中压缸进汽区温度较高，热交换剧烈，因而汽缸转子内形成的温差也大，因此监视好这些部件温差不超允许值，其它部件的温差就不超允许值。

当蒸汽的温升率一定时，随着启动时间的增长及蒸汽参数的提高，蒸汽对金属单位时间的放热量并不相等，在金属部件内部引起的温差也不是定值。

当调节级的蒸汽温度升到满负荷所对应的蒸汽温度时（约为503℃）蒸汽温度不再变化，此时金属部件内部温差达到最大值，在温升率变化曲线上的这一点为准稳态点，准稳态附近的区域为准稳态区。

经过一段时间热量从内壁传到外壁，不考虑外壁的散热损失，内外壁温度相同，汽轮机进入稳定状态。

在汽轮机启停和变工况运行时，在金属部件内引起的温差不仅与蒸汽的温升率有关还与蒸汽温度的变化量有关，温差随蒸汽的温升率增大而增加，随蒸汽温度变化量的增加而增大。

机组启动时暖机，有效的减少了金属部件内引起的温差，所谓暖机，就是在蒸汽参数不变的情况下，对汽缸、转子进行加热，此时蒸汽传给金属的热量等于金属内部的导热量，使金属内外壁温差减小，暖机结束时，金属部件的温差很小或接近于零，金属部件的温度接近暖机开始的温度。

二、热应力：
1、由于温度的变化引起零件的变形——热变形，如果热变形受到约束，则物体内就产生应力，这种应力称为热应力。

物体在加热或冷却时，物体内的温度时不均匀的，这是物体虽没有约束，物体各部分的膨胀是不同的，互相间受到约束，将产生热应力，高温区手压缩应力，低温区受拉伸应力。

2、汽轮机启停和工况变化时汽缸和转子的热应力：
（1）汽轮机冷态启动时的热应力：
汽缸内壁受压应力，外壁受拉应力
转子外壁受压应力，内壁受拉应力
（2）汽轮机停机过程的热应力：
汽缸内壁受拉应力，外壁受压应力
转子外壁受压应力，外壁受拉应力
汽轮机从冷态启动，稳定工况下运行至停机过程中，转子表面的热应力由压缩变化拉伸，中心孔的热应力由拉伸变为压缩。

汽缸内外壁变化也是如此，刚好完成一个交变热应力循环。

在交变应力的反复作用下，金属表面出现疲劳裂纹，并逐渐扩展，以致断裂，由于汽轮机正常运行时间长，启停时产生的热应力的频率很低，故称这种交变热应力为低周波应力又称低周疲劳，一般机械的交变应力称为高周波应力。

（3）汽轮机启动时的热应力：
在热态启动初期冲转时，调节级的蒸汽温度可能低于该级汽缸和转子的金属温度，转子表面和汽缸内壁为拉伸应力，而转子中心孔和汽缸外壁为压缩应力，随着蒸汽温度的升高，转子表面和外壁由热压应力变为拉伸，进入准稳态，应力达最大值，每一次热态启动转子和汽缸表面的热应力刚好完成一个交变应力循环。

（4）负荷变动的热应力：
大型汽轮机负荷在15~100%范围内变动时，调节级后的汽温变化在100℃以上。

减负荷时，蒸汽温低于金属温度，转子表面首先冷却，转子表面温度低于中心孔温度，转子表面形成拉伸应力，中心孔形成压应力，汽缸内外壁亦是。

升负荷时，蒸汽温度高于转子表面温度，转子表面受压应力，中心孔受拉应力，汽缸内外表面亦是如此，即减负荷又加负荷，则转子表面或中心孔的热应力也完成了一个交变热应力循环，汽缸内外壁也是如此。

3、热冲击：
所谓热冲击，就是蒸汽与汽缸转子等金属部件之间在短时间内有大量的热交换，金属部件的温度差直线上升，热应力增大，甚至超过了材料的屈服极限，严重时一次大的热冲击就会造成部件的损坏，汽轮机部件受到热冲击时，取决于蒸汽和部件表面的温差、蒸汽的放热系数，造成热冲击有下列原因：
（1）启动时蒸汽温度与金属温度不匹配：
机组启动时，为了保持汽缸、转子等一定的温升速度，要求蒸汽温度高于金属温度且两者相匹配，一般用高压缸调节级处的金属温度与蒸汽温度来衡量，为了防止机组启动时的热冲击，避免凝结放热和对流放热系数过大，采用低温微过热蒸汽冲车，延长暖机时间
（2）极热态启动时的热冲击：
调节级处金属温度在400~450℃时的启动为极热态启动，极热态启动冲车参数低于金属温度，汽缸内壁和转子表面受拉伸应力，裂纹由拉伸应力所致，所以尽量减少极热态启机。

（3）甩负荷时的热冲击：
机组甩负荷越大，甩负荷后引起的热应力也越大。

机组甩掉全部负荷所产生的热应力比甩掉部分负荷产生的热应力小，这是因为甩去部分负荷，还要带少量负荷，大量低温湿蒸汽冷却汽缸、转子造成的，当甩掉全部负荷后，虽然流过汽轮机通流部分的蒸汽温度下降很多，但空负荷流量也很小，对转子、汽缸等金属部件的冷却也很小。

但长时间空负荷运行，将产生很大的热应力，因此应尽量避免汽轮机甩负荷后只带厂用电运行和空负荷状态长时间运行。

负荷突然增加在转子上产生的热应力比负荷突然降低时所引起的热应力大的多，这是因为负荷突然增加，蒸汽温度也突然升高，蒸汽与金属间的温差也增大，随着蒸汽参数的提高，蒸汽对金属的放热系数也增大，短时间内蒸汽与金属间有大量的热交换，热冲击十分强烈，突然减负荷时，流过通流部分的蒸汽参数下降，蒸汽与金属间的放热系数减小，虽然汽温下降也有热冲击，但不如负荷突增时强烈，汽轮机冷态启动规程规定不允许负荷增加过快。

（4）汽缸和转子最大热应力的部位和时间：
汽轮机进入准稳态区域时，热应力达到最大值。

最大热应力部位通常是高压缸调节级处，再热机组中压缸进汽区、高压转子在调节级前后的汽封处、中压转子的前汽封处，这些部件的工作温度高，启停和工况变化时，温度变化大，温差也大，热应力也最大，此外当构件的结构有突变，如叶轮根
部、轴肩处过渡圆角、轴封槽处有热应力集中现象，使得上述部位的热应力比光表面大2~4倍。

（5）工作应力与热应力叠加：
汽轮机启停和工况变化时，汽缸和转子要承受热应力，同时也要承受工作应力，汽缸的工作应力主要是承受蒸汽的压力作用，转子主要的工作应力是承受离心力的作用。

这两种作用力分别在汽缸和转子上产生拉伸应力，汽缸和转子实际上承受的应力是工作应力和热应力的叠加。

机组启动和加负荷过程中，转子表面产生压应力，中心孔则是热拉应力和离心力的叠加，因此在机组启动和加负荷过程中应限制转子表面与中心孔的温差，已达到限制中心孔热应力的目的。

机组停机和减负荷过程，转子表面承受热拉应力和离心拉应力的叠加作用，中心孔承受压缩应力，此外由于应力集中部位如叶轮根部、轴封槽处的热应力比转子表面大得多，在停机和减负荷过程中，要限制转子表面的热应力，停机时蒸汽温度下降速度要小于启动使得温升速度。

（6）螺栓的热应力：
机组启动时，由于汽缸法兰的温度高于螺栓的温度，在螺栓上引起附加热应力。

汽轮机安装和检修后，为防止法拦结合面漏汽，将螺栓拧紧，在螺栓上产生很大的拉伸预应力。

在运行中，由于螺栓的材料蠕变松弛现象，使螺栓塑性变形，预紧拉伸应力将会减少，新安装机组和大修机组在最初的几次启动，应特别注意控制螺栓和法兰的温度，使温差控制在规定范围内。