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 ∆⋅-⋅-=μ

ασ132 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。