汽轮机的热应力、热变形、热膨胀分析
汽轮机胀差大的原因
汽轮机胀差大的原因汽轮机是一种利用燃烧热能转化为机械能的设备，在工业生产和发电领域广泛应用。
而汽轮机的胀差是指在运行过程中，由于不同部件受热膨胀程度不同而引起的尺寸变化差异。
胀差的存在会对汽轮机的正常运行和性能产生一定的影响，下面将从几个方面探讨造成汽轮机胀差大的原因。
温度变化是导致汽轮机胀差的主要原因之一。
在汽轮机运行过程中，各个部件会受到高温蒸汽的冲击和热辐射，从而导致局部温度升高。
由于不同部件的材料性质和结构特点不同，其热膨胀系数也会有所差异。
因此，在温度变化过程中，不同部件的尺寸会发生不同程度的变化，从而产生胀差现象。
材料的热膨胀性能是影响汽轮机胀差的关键因素。
不同材料具有不同的热膨胀特性，有些材料的热膨胀系数较大，而有些材料的热膨胀系数较小。
在汽轮机中，各个部件多采用不同的材料，如铁、钢、铜、铝等。
由于材料的热膨胀系数不同，当汽轮机在运行过程中受到热膨胀影响时，不同材料的部件会产生不同程度的胀差。
汽轮机的结构设计也会影响到胀差的大小。
在汽轮机的设计中，需要考虑到部件的热膨胀特性以及运行时受到的温度变化，合理安排各个部件的间距和连接方式，以减小胀差的影响。
如果结构设计不合理，部件之间的连接方式不牢固，容易受到温度变化的影响，从而导致胀差增大。
汽轮机运行过程中的热应力也是导致胀差的重要因素。
由于汽轮机在运行过程中会受到高温蒸汽的冲击，各个部件会承受不同程度的热应力。
当热应力超过材料的承受范围时，就会导致部件的变形和破坏，进而增大胀差。
总结起来，汽轮机胀差大的原因主要包括温度变化、材料的热膨胀性能、结构设计和热应力等因素。
为了减小汽轮机胀差的影响，可以采取以下措施：合理选择材料，尽量使用热膨胀系数较小的材料；优化结构设计，合理安排部件间的间距和连接方式；加强温度控制，减小温度变化范围；加强材料性能测试和质量控制，确保部件的承受能力符合要求。
通过这些措施的实施，可以有效减小汽轮机胀差，提高其运行效率和可靠性。
1000MW汽轮机的热应力控制解读
图4 部件的热应力（温差）限制曲线
温度裕度、允许温度裕度和剩余温度裕度 部件的热应力限制曲线是根据材料寿命确定的，一旦 越限就有可能影响设备的正常寿命。为此，在机组正 常运行中，需要留出一定的安全裕量，这就是所谓的 温度裕度。温度裕度是部件内外壁的实际温差和允 许温差的差值，裕度越大，说明温差越小，部件所受 的热应力也越小。温度裕度的计算方法见图5。 对于每一个部件都有一个允许的温度变化裕度，允许 值和运行人员选择的机组启动模式有关，分为快速、 正常和慢速启动三种。快速启动的允许温度裕度最大， 正常启动其次，慢速启动最小。这一允许值减去实际 温差值就是剩余温度裕度，分剩余上升裕度和剩余下 降裕度，其公式为：
＝ m /(1 )(Tm Ti ),
式中： i＝1，热表面的应力和温度 i＝0，绝热表面的应力和温 度 Tm，平均壁温 E， 弹性模量
m，平均线性热膨胀系数 ， 横向膨胀系数
从公式上可见，热应力与温差存在严格的线性关系，因 此用温差来表示热应力是可行的，也是合理的。
温差裕度（Margin）的计算 由于热应力与部件的温差之间有线性关系，因此监视热 应力最方便的办法就是监视部件的温差值。对于高压主 汽门阀体、高压调门阀体和高压缸外缸等静止部件，测量 部件温差的方法比较简便，只要在部件上打个孔，安装 两只位置相邻、但插入深度不同的热电偶作为内壁温和平 均壁温的温度测点，具体布置见图1。插入100％深度处的 温度T1 泛指直接接触蒸汽并进行热交换的相应阀体(缸体) 温度，插入50 %深度处的温度Tm泛指相应阀体(缸体) 的 平均温度。由于热传导的延迟， Tm 的变化总会慢于T1 的 变化，从而存在温差,这一温差的大小,即表示应力的大小.
图5 汽缸和转子部件的温差裕度（Margin）计算
热应力和热变形
c) 轴封供汽温度：
冷态开机，△T(汽、金属) 越大，局部正胀差 越大；合理使用法兰加热装置．
热态开机，T（汽）低于T(金属)越多，则局部 负胀差越大。
主汽温度下降，未及时倒换汽源，局部负胀差
d) 轮盘摩擦鼓风效应 e) 排汽温度（真空） f) 泊松效应
一转子弯曲所呈现的晃摆值；
二轴颈中心偏离轴瓦中心的距离．
将偏心、偏心率(度)的测量分别定义为轴颈 在轴瓦内相对位置、转子弯曲的测量．
弯曲和振动的互激
弯曲加大振动 振动引发碰摩 局部加热 弯曲增大
第三节 其他监视参数
600MW汽轮机主要参数限值
序号 1
转速
参数
2 负荷
3 主汽温 4 高排温度
5 凝汽器真空
第二节 汽轮机的热应力、热膨胀、热变形
一、汽轮机的受热特点
启动过程温度变化剧烈，各部件受热条件 不同，汽轮机金属部件存在温度梯度，导致热 应力，热变形 1 启动时温度变化：内壁与蒸汽直接接触，温 度上升比较快；外壁温度上升比较慢，造成温 度差。 2 汽缸部件由于受到约束，不能自由膨胀，因 此将产生热应力。其中温度高部件受压；温度 低部件受拉伸作用
1 启动时蒸汽温度和金属温度不匹配 低压微过热蒸汽冲转，合理暖机
2 极热态启动造成的热冲击 3 甩负荷造成的热冲击
‹四› 汽轮机超速试验的条件
1 对大型汽轮机组，对超速试验的安排有较 严格的要求。按规程规定。超速试验应安排 在机组并网并接带一定负荷且运行一段时间， 经过充分暖机后，机组迅速减负荷到零、解 列后，才可进行超速试验。
B
B
L Lr Lc 0 r·trdx 0 c·tc·dx
热应力和热变形
某转子表面蒸汽150/h 升温2小时后,恒温,温 度和转子热应力关系 曲线
低负荷暖机的原因
若空负荷暖机,参数低, 进汽量小,加热太慢， 不经济，且高中压不 能超过低温脆性转变 温度．
低负荷暖机运行一段 时间进行超速时间， 转子热应力明显降低， 只受离心拉应力且超 过低温脆性转变温 度．
第二节 汽轮机的热应力、热膨胀、热变形
一、汽轮机的受热特点
启动过程温度变化剧烈，各部件受热条件 不同，汽轮机金属部件存在温度梯度，导致热 应力，热变形 1 启动时温度变化：内壁与蒸汽直接接触，温 度上升比较快；外壁温度上升比较慢，造成温 度差。 2 汽缸部件由于受到约束，不能自由膨胀，因 此将产生热应力。其中温度高部件受压；温度 低部件受拉伸作用
1 内外壁温差允许值的确定
根据金属特性工作温度，确定许用最大 应力，推出允许的最大温差
停机时以内壁拉应力计算 启动时以外壁拉应力计算 冷态启动比停机甩负荷时允许的内外壁温
差要大些
2 内外温差取决与汽缸壁加热或冷却的速度 以及壁厚 —和汽缸内壁温度变化率成正比 —和汽缸壁厚平方成正比. 采用双层缸 汽缸启动停机,转速和负荷变化的快慢影响 内壁温度的变化
3 合成应力若超过材料的许用应力，则局部 会产生塑性变形，在转子表面出现残余应 力，缩短转子的使用寿命。
3 冷态启动时转子表面承受压应力，中心孔表 面承受热拉应力，中心孔的强度低于其他部 位，所以在启动和加负荷过程中限制转子内 外温差，减小中心孔热应力的目的。
4 热态启动，极热态启动转子表面温度会暂时下 降被冷却，转子表面形成热拉伸应力
1 启动时蒸汽温度和金属温度不匹配 低压微过热蒸汽冲转，合理暖机
汽轮机启动过程中转子的三热分析及控制方法
汽轮机启动过程中转子的三热分析及控制方法摘要：蒸汽在汽轮机内膨胀做功，将热能转变为机械能，同时又以对流传热的方式，将热量传递给转子等金属部件的表面。
由于热量与转子接触，在转子内产生温差，从而产生热应力后导致转子的热膨胀和热变形。
本文就目前600MW汽轮机在不同方式启动过程中转子三热的原因及所暴露的问题和控制方法问题分析得到一些三热对转子的影响及控制方法，以保证汽轮机组的正常运行。
关键词：汽轮机；转子；三热；自动控制一、汽轮机转子的受热特点1.1 600MW汽轮机高中低压缸蒸汽温度当汽轮机冷态启动时，温度较高的蒸汽与冷的汽缸内壁接触，这是蒸汽的热量主要以凝结放热的形式传给金属壁（现代大型汽轮机的一、二次汽温高，一般为535〜650C,）高压缸调节级和中压缸调节级第一级的热降都不大，因此调节级后和中压缸第一级后的汽温仍然很高，必须选用合适的耐热合金钢。
由于凝结放热的系数很高，且越高，放热系数越大，传热量也就越大，汽缸内壁温度很快就上升到该蒸汽压力下的饱和温度，当汽缸内壁的金属温度高于该蒸汽压力下的饱和温度时，凝结放热阶段结束，此后蒸汽主要以对流放热的方式向转子传热。
1.3转子的工作特点汽轮机转子的工作条件相当复杂，工作时转子受高压、高温气流冲击，除承受巨大的扭矩外，还要承受高速旋转的巨大离心力。
受热不均时引起的热应力和热变形，轴系振动时产生动应力，因此，要求转子必须具有很高的结构强度和优秀的工作特性。
1.3转子所用材料】油封环；2轴封若；3-轴；4-动叶5-叶轮：图1转子的结构例如，某600MW汽轮机高、中压转子采用30Cr1Mo1V耐热合金钢制成，能在590C 下安全工作。
低压转子材料采用30Cr2Ni4MoV，高、中压转子脆性转变温度（FATT）W 80 C,低压转子脆性转变温度（FATT）W- 10C，保证了转子良好的性能。
1.4受热方式及产生的危害现代汽轮机的转子，虽然其受热条件比汽缸好些，它的外周面和叶轮两侧均能与蒸汽接触，仅转子中心的热量仍然是由它的外周以热传导的方式传递的。
汽轮机运行分析
机组运行分析一、进汽压力进汽压力升高的影响：①汽压升高，汽温不变，汽机低压段湿度增加，不但使汽机的湿汽损失增加，降低汽机的相对内效率,并且增加了几级叶片的侵蚀作用,为了保证安全，一般要求排汽干度大于88％，高压大容量机组为了使后几级蒸汽湿度不致过大，一般都采用中间再热,提高中压进汽温度。
②运行中汽压升高,调门开度不变，蒸汽流量升高,负荷增加，要防止流量过大，机组过负荷，对汽动给泵则应注意转速升高,防止发生超速，给水压力升高过多。
③汽压升高过多至限额，使承压部件应力增大，主汽管、汽室，汽门壳体、汽缸法兰和螺栓吃力过大，材料达到强度极限易发生危险，必须要求锅炉减负荷，降低汽压至允许范围内运行.进汽压力降低的影响：①汽压降低，则蒸汽流量相应减少,汽轮机出力降低，汽动给泵则转速降低，影响给水压力，流量降低。
②要维持汽轮机出力不变,汽压降低时,调门必须开大，增加蒸汽流量，各压力级的压力上升，会使通汽部分过负荷，尤其后几级过负荷较严重;同时机组轴向推力增加,轴向位移上升,因此一般汽压过多要减负荷，限制蒸汽流量不过大。
③低汽压运行对机组经济性影响较大，中压机组汽压每下降0.1Mpa，热耗将增加0。
3～0.5%，一般机组汽压降低1%，使汽耗量上升0。
7%。
二、进汽温度：进汽温度升高的影响；①维持高汽温运行可以提高汽轮机的经济性,但不允许超限运行,因为在超过允许温度运行时，引起金属的高温强度降低,产生蠕胀和耐劳强度降低，脆性增加，长期汽温超限运行将缩短金属部件的使用寿命。
②汽温升高使机组的热膨胀和热变形增加、差胀上升，汽温升高的速度过快，会引起机组部件温差增大，热应力上升,还使叶轮与轴的紧力、叶片与叶轮的紧力发生松弛，易发生通汽部分动静摩擦，如由于管道补偿作用不足或机组热膨胀不均易引起振动增加.进汽温度降低的影响；①汽温降低，使汽轮机焓降减少，要维持一定负荷,蒸汽流量增加，调节级压力上升，调节级的焓降减小，对调节级来讲安全性较好.②在汽压、出力不变的情况下，汽温降低蒸汽流量增加，末级叶片焓降显著增大，会使末级叶片和隔板过负荷，一般中压机组汽温每降低10℃，就会使最后一级过负荷约1.5%，一般汽温降低至某一规定值要减负荷，防止蒸汽流量过大。
汽轮机的三热问题(热应力、热膨胀和热变形)
汽轮机的热应力、热膨胀和热变形关于汽轮机的三热问题汽轮机的热应力、热膨胀和热变形蒸汽在汽轮机中的传热现象金属部件的温度分布汽轮机的热应力汽轮机的热膨胀汽轮机的热变形汽轮机的热应力、热膨胀和热变形蒸汽在汽轮机中的传热现象蒸汽在汽轮机内膨胀做功，将热能转变为机械能，同时又以对流传热的方式，将热量传递给汽缸、转子等金属部件的表面。
热量在汽缸内以导热的方式从内壁传到外壁，最后经保温层散到大气；热量在转子内以导热方式从转子表面传到中心孔，通过中心孔散给周围空间。
由于热量从金属内导热需要一定的时间，因而在汽缸内、外壁间以及转子表面和中心孔间形成温差。
汽轮机的热应力、热膨胀和热变形汽轮机在稳定工况下运行时的传热过程汽轮机在启停和工况变化时的传热过程换热系数对金属部件上引起的温差的影响蒸汽在汽轮机中的传热现象汽轮机的热应力、热膨胀和热变形汽轮机在稳定工况下运行时的传热过程汽轮机在蒸汽参数不随时间变化的稳定工况下运行时，汽缸、转子等金属部件内的温度分布是不随时间变化的称为稳态传热过程。
汽轮机的热应力、热膨胀和热变形汽轮机在启停和工况变化时的传热过程在汽轮机启停和工况变化时，汽缸和转子整个金属部件的温度分布将发生变化。
在汽轮机启动和加负荷过程中，由于蒸汽温度比金属部件温度高，蒸汽将热量传给金属部件，使其温度升高，金属部件内温度分布是不均匀的。
而在停机和减负荷过程中，蒸汽温度低于金属部件温度，使其冷却，温度下降，金属部件内温度分布是不均匀的。
汽轮机的热应力、热膨胀和热变形凝结换热的概念当蒸汽与温度低于蒸汽压力对应的饱和温度的金属表面接触时，在金属表面容易发生凝结换热现象，蒸汽放出汽化潜热，凝结成液体。
膜状凝结珠状凝结汽轮机的热应力、热膨胀和热变形膜状凝结凝结换热时蒸汽在金属表面凝结成水膜。
珠状凝结凝结换热时蒸汽在金属表面凝结成水珠。
（汽轮机转子以一定转速旋转，由于离心力作用，形不成水膜）。
汽轮机的热应力、热膨胀和热变形珠状凝结的放热系数比膜状凝结的放热系数要大得多，约大15~20倍。
浅析汽轮机的热应力
浅析汽轮机的热应力汽轮机是火电厂的重要设备，它的运行情况如何会直接影响到整个企业的效益。
在汽轮机的运行过程中，不可避免会产生热应力，而这些热应力若得不到有效的控制，则可能导致气缸裂纹、转子变形等不良后果，影响汽轮机组的正常工作。
鉴于此，文章主要对汽轮机的受热特征、热应力产生原因及控制方法等问题进行了探讨。
标签：汽轮机；热应力；气缸；转子在汽轮机的运行中，热应力是极易导致设备损坏的一个因素。
当物体温度发生改变时，热变形在其他物体或者物体内部各部分的相互约束作用下而产生的一种应力，则称为热应力[1]。
比如，转子变形、气缸裂纹或者螺栓裂纹等，都是在热应力作用下产生的。
因此，掌握汽轮机热应力的产生原因与影响因素，并采取相应的控制措施，才能最大限度地减少热应力造成的不良后果的发生。
1 汽轮机的受热特征分析1.1 气缸启动时，蒸汽热量利用对流的方式传递给气缸内壁，然后通过导热方式传递至外壁。
再经过保温层直接散向大气。
此时，气缸内外壁之间会出现温差，且外壁温度高出内壁温度，停机时的温差情况则相反。
内外壁温差的影响因素主要有这几个：（1）气缸壁的厚度，汽缸壁厚度和温差成正比关系。
（2）蒸汽对内壁加热的强弱程度。
加热较快时，温度呈双曲线型分布，温差主要集中于内壁一侧；加热较稳定时，温度呈直线型分布，温差的分布相对均匀；加热较缓慢时，温度呈抛物线型分布，内壁温差则较大[2]。
（3）材料的导热性能。
材料导热性好，温度易升高。
1.2 转子蒸汽热量通过对流方式传递给转子外表面后，再利用导热方式将热量传至中心孔，最后经过中心孔散至周围环境。
此时，转子外表面与中心孔之间的温度相差较大，则产生了温差。
转子的材料特性、结构和蒸汽对转子的加热快慢等因素，直接决定了温度差的大小。
2 汽轮机的热应力2.1 气缸启动气缸时，气缸内壁会和蒸汽产生直接接触，故内壁温度会快速上升，而外壁温度的上升相对较慢，气缸内外壁会出现较大的温度差。
这时候，内壁的金属会膨胀，而外壁金属却未膨胀，内壁需要承受热压应力，外壁则承受热拉应力。
汽轮机主要零部件的热应力、热膨胀及热变形
所谓提高启动水平，就是在汽轮机启动过程 中，不仅要确保安全，而且要在规定的寿命 消耗下尽量缩短启动时间、以节省启动费用。
一、启动方式分类
汽轮机启动可以采用多种店动方式， 一般可分为以下四种
转子的热弯曲有两种情况。一种是由于转子 某段径向存在温差引起的弹性弯曲，这种弯 曲当温度均匀后即消除，转子恢复原状。另 一种是转子金属产生塑性变形后造成的塑性 弯曲。塑性弯曲差不多总是从弹性弯曲开始 的．而且在温度均匀后永久弯曲的凸面居于 原来弹件弯曲凸面的相对的一例。
高压汽轮机的转于发生塑性弯曲后，需要停 机相当长的时间进行直轴。直轴不仅缩短了 机组的使用年限，并直接影响发电厂生产任 务的完成。
第八章 第一节汽轮机主要零部件的热应力、
热膨胀及热变形
热应力
金属构件在以下三种情况下将产生热应 力：、金属不均匀受热(断面上各点温 度不同)
金属受热后膨胀受阻、受热金属材料不 均匀。所以热应力的大小与工件形状、 温度梯度、
受阻情况及材料性质等有关。汽轮机热 应力讨论中假设金属材料是均匀的。
二 冷态滑参数启动
滑参数启动的优缺点 启动条件的确定 1 冲转参数的选择
汽温和汽压 2 凝结器的真空 3 大轴的晃动 4 油压 5油温 6冲转条件的确认
二 冷态滑参数启动
启动过程 1 准备工作 2 汽缸预热 3 冲转、升速和暖机 4 并网、接带负荷
启动中的控制指标
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按新蒸汽参数分类 （1）额定参数启动 （2）滑参数启动
1）压力法启动 2）真空法启动 按冲转时进汽方式分类 （1）高中压缸启动 （2）中压缸启动
汽轮机运行中热应力的计算
汽轮机运行中热应力的计算汽轮机运行中的热应力是指在高温高压环境下，由于机械构造变形或材料热膨胀产生的应力。
这种应力在汽轮机设备中是不可避免的，它与许多因素有关，包括材料弹性模量、温度、压力、尺寸等等。
了解汽轮机热应力的计算方法对于提高汽轮机运转可靠性和安全性都有着非常重要的意义。
汽轮机热应力计算方法一般都是遵循工程力学理论中的弹性力学算法。
这种算法通常用到的应力计算公式包括如下：1. 汽轮机内部应力计算：在汽轮机内部，应力主要由压力和温度引起。
因此，我们可以通过下列公式计算汽轮机内部应力：σ = E * α * ΔT – K;其中，σ表示内部应力的值，E是材料的弹性模量，α是它的热膨胀系数，ΔT表示温度的变化，K则是计算常数。
2. 汽轮机叶片应力计算：汽轮机叶片的应力计算是一项较为复杂的任务，通常需要进行有限元分析。
在这种方法中，我们通过把叶片从整体上划分成许多元件，并用线性代数的方法解决所得的线性方程来计算叶片应力。
不过，如果想粗略地计算叶片应力，我们可以采用如下的公式：σ = α * E * ΔT / R;其中，σ代表叶片应力的值，E为叶片材料的弹性模量，α是它的热膨胀系数，ΔT表示叶片的温度变化，R为叶片的半径。
需要注意的是，上述计算公式只是用于热应力初步估算之用，实际操作中还需绝对精度较高的数据支持，如温度场、应力场等数据，以便更准确地计算热应力大小。
除了上述计算公式外，我们还需要注意其它一些因素，比如机械结构的材料及形状，工作环境的温度、压力等等。
在实际计算过程中，我们需要综合考虑这些因素，以得到更准确的热应力计算结果。
总结：汽轮机运行中的热应力是一个十分重要的问题，影响着该设备的稳定性和寿命。
目前，我们可以采用一系列公式来计算汽轮机热应力，包括内部应力和叶片应力的计算。
但是，由于工程实际非常复杂，因此我们还需要以精度较高的数据支持，以便更准确地计算热应力的大小。
如果我们能更好地理解和处理汽轮机运行中的热应力问题，就可以更好地提高汽轮机的运行效率和可靠性。
汽轮机运行中胀差的分析和控制
总之，汽轮机启停及运行工况变化时受热应力、热 变形、振动和胀差等因素限制，要保证汽轮机安全运 行，必须抓好每一个环节，并且有机的联系起来，研究 胀差，就是为了发现机组启停及工况变化时胀差的变 化规律，并采取措施，使胀差维持在正常范围，减少机 组启停过程的消耗，增加机组动性，这对保证汽轮机安 全经济运行具有十分重要的意义。
５胀差的控制
在了解了胀差产生的原因及变化规律后，目的就 是在汽轮机启停和工况变化时很好的控制胀差，保证 机组的安全。
５．１启动时的控制 冷态启动时，可通过控制进汽量的办法来控制转
子与汽缸的胀差。我厂机组一般都采用滑参数启动， 应严格控制冲转参数及升速暖机时间，启动中有可能 出现胀差过大现象，此时应通知炉侧 （下转第７４页）
４汽轮机各种工况下胀差的变化规律
４．１汽轮机冲转时 汽轮机启动从冲动转子到定速阶段，汽缸转子的
温度变化很剧烈，转子的热膨胀大于汽缸，表现为正胀 差，且数值呈上升趋势。
囝思犏怂鬻罐浩而而面丽
４．２轴封送汽时 汽轮机启动过程中，当轴封供汽时，由于转子汽封
段被进一步加热，正胀差随供汽温度增高而增大。
４．３加负荷阶段 在汽轮机定速后并网加负荷阶段，由于蒸汽参数
４．５停机惰走时 汽轮机打闸后调速汽门关闭，没有蒸汽进入通流
部分，转子鼓风摩擦所产生的热量无法被蒸汽带走，似 的转子温度升高；加之转子转速下降，由于泊桑效应， 使得胀差有不同程度的正方向增加。
４．６运行中的保证 汽轮机运行中应保证主汽温度相对稳定及轴封汽
温、汽压正常，转子与汽缸的胀差无论是正还是负都必 须在正常范围内，此时胀差值在正常运行时一般变化 不大。
不同容量的汽轮机组胀差允许极限值不同。我厂 ５０Ｍｗ机组（３、４、５号机）对胀差允许的极限值为一１． ｏ～＋２．５ｍｍ，一旦胀差达到允许极限值，立即发出声 光报警信号，以便运行人员及时采取措施，保护机组安 全。如果胀差超限，热工保护将动作是主机拖扣，保护 机组安全。为了在汽轮机启动、暖机和升速过程中或 在运行、停机过程中保护机组安全，必须设置汽轮机热 膨胀测量装置和转子与汽缸相对膨胀测量装置。
热膨胀、热应力和热变形解析
2 转子对汽缸的相对膨胀： 当汽轮机启动加热 或停机冷却及负荷变化时，汽缸和转子都会产 生热膨胀或冷收缩，由于转子的受热面积比汽 缸大，且转子质量比汽缸小，蒸汽对转子的传 热比汽缸快得多，因此转子和汽缸之间存在着 膨胀差，这个膨胀差是转子相对于汽缸而言的， 故称为相对膨胀差，简称差胀。
在机组启动加热时，转子膨胀大于汽缸，其相 对膨胀差称为正差胀，而当汽轮机冷却时，转 子冷却较快，其收缩也比汽缸块，产生负差胀， 负差胀也会发生在有法兰螺栓加热装置的汽轮 机，当加热装置投入时，其汽缸膨胀可能比转 子膨胀得快。
B.热应力
启动时，转子外表面温度上升速度较中心孔 快得多，从而产生温差。外表面产生压缩应 力，内孔表面产生拉伸应力。若表面温升剧 烈，压缩应力会使表面材料屈服，在负荷稳 定后，转子表面会持续残余拉伸应力影响。 目前，把这种转子金属材料承受一次加热冷 却的过程称为一次温度循环，由此而引起的 疲劳则称为低周疲劳。这样的一次交变热应 力虽然不一定立即造成宏观可见的缺陷，但
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。
D.冷态启动监视参数
蒸汽升温速度
冷态滑参数启动的过程中，限制加负荷的主要因素 是胀差正值的增大，而影响胀差的主要因素就是蒸 汽的升温速度。蒸汽升温速度越快，不仅转子内的 温差大，而且转子与汽缸的温差也越大，其相对胀 差也就越大。因此一般限制主蒸汽温升率和再热蒸 汽的升温速度在规定范围内。根据数据计算可得， 冷态低速启动时主蒸汽温升率为12.67℃/min，高速 冷态启动时主蒸汽温升率为6.33℃/min，初始负荷 下的冷态启动主蒸汽温升率为5.85℃/min。
汽轮机转子裂纹原因分析及运行安全措施
汽轮机转子裂纹原因分析及运行安全措施1.原因分析1.1轴向应力过大：汽轮机转子在运行过程中承受着巨大的轴向应力，如果应力过大或者应力分布不均匀，就可能导致转子出现裂纹。
1.2温度变化引起的热应力：汽轮机转子在运行时，温度会不断变化，而不同部分的热膨胀系数有所不同，温度变化会导致转子出现热应力，如果热应力过大，就可能导致裂纹的产生和扩展。
1.3转子的金属疲劳：汽轮机转子在长期运行过程中，受到旋转和循环载荷的作用，会引起金属疲劳，从而导致转子出现裂纹。
1.4腐蚀和侵蚀：因为运行环境的原因，汽轮机转子受到腐蚀和侵蚀的风险，这些因素会导致转子的金属结构发生变化，从而引起裂纹。
为了确保汽轮机转子的安全运行，以下是一些常用的安全措施：2.1转子材料选择：应选择具有良好的强度和耐疲劳性能的合金材料作为转子的制造材料，以减少转子出现裂纹的概率。
2.2应力分析和检测：在汽轮机转子的设计和制造过程中，应进行应力分析和检测，以确保转子的应力分布均匀，并及时发现转子上的裂纹。
2.3温度和热应力控制：通过合理的温度和热应力控制，可以减少转子的热应力，防止转子出现裂纹。
2.4润滑和冷却：合理的润滑和冷却系统可以降低转子的摩擦和热量，保持转子的温度在安全范围内，减少裂纹的产生。
2.5检修和维护：定期对汽轮机进行检修和维护是确保转子安全运行的重要手段，及时发现和修复转子上的裂纹，防止裂纹扩展。
2.6环境保护和监测：汽轮机运行的环境应保持干燥、无腐蚀性气体和化学物质，并定期进行环境监测，防止腐蚀和侵蚀导致转子裂纹的产生。
总之，汽轮机转子裂纹的产生是受到多种原因的影响，为了确保转子的运行安全，应采取适当的措施来控制转子的应力、温度和磨损，并进行定期的检修和维护工作。
汽轮机转子热应力及寿命分析
汽轮机转子热应力及寿命分析汽轮机转子是汽轮机的重要组成部分，其运行状态直接影响到整个汽轮机的性能和安全性。
然而，汽轮机转子在运行过程中会受到各种应力的作用，其中热应力是最重要的应力之一。
汽轮机转子的寿命也是一个需要的问题，因为转子的寿命直接关系到汽轮机的运行效率和安全性。
因此，本文将重点探讨汽轮机转子的热应力及寿命分析。
在汽轮机运行过程中，转子会受到高温高压蒸汽的作用，从而产生热应力。
热应力是由于转子不同部位的温度差异引起的，当高温蒸汽与较低温度的转子材料接触时，会使转子材料产生膨胀，但是由于转子的高速旋转，使得转子材料不能自由膨胀，从而产生热应力。
这种热应力会随着蒸汽温度的变化而变化，对转子的材料产生不同程度的影响。
汽轮机转子的寿命是指其能够安全、有效地运行的时间。
然而，由于各种应力的作用，包括热应力、离心应力、蠕变应力等，都会对转子的寿命产生影响。
其中，热应力是影响转子寿命的最主要因素之一。
热应力会使转子材料产生疲劳裂纹，随着应力的增加，裂纹会逐渐扩展，最终导致转子破裂或者严重变形。
热应力还会加速转子材料的蠕变过程，使材料的机械性能下降，从而导致转子的寿命缩短。
为了解决上述问题，需要采取一系列措施来提高汽轮机转子的寿命和稳定性。
可以改善转子的设计，使其在运行过程中更加稳定，减少热应力的产生。
例如，可以优化转子的结构，采用更高级的抗疲劳制造技术等。
加强转子的防腐蚀处理也是提高其寿命的重要措施之一。
腐蚀不仅会削弱转子的强度，还会破坏其表面光滑度，从而增大热应力的产生。
因此，采用耐腐蚀材料、对转子进行涂层处理等可以有效提高其寿命。
采用先进的监控技术对转子进行实时监测也是延长其寿命的有效手段。
例如，利用非接触式监测方法对转子进行实时监测，及时发现并处理存在的故障和问题。
汽轮机转子的热应力及寿命分析是汽轮机设计和运行过程中的重要问题。
通过对其热应力产生的原因和影响进行分析，采取相应的措施来提高转子的寿命和稳定性，对于保障汽轮机的安全性和效率具有重要意义。
第二十一章 汽轮机的热应力、热膨胀、热变形9
第二十一章汽轮机的热应力、热膨胀、热变形一、填空题：1．汽轮机在稳定工况下，其汽缸和转子传热过程为过程。
2．汽轮机内的传热过程主要有两种，一种是蒸汽与之间的热量传递，一种是热量在的传递。
3．汽轮机热态启动和减负荷过程一般相对膨胀差出现。
4．当汽轮机转子上下温差达到℃就会因变形而造成大轴变曲。
5．变压运行能改善负荷变化时机组的性。
6．主蒸汽温度变化幅度大、次数频繁，机组的高温部件会因交变热应力而，产生损坏。
7．蒸汽与金属部件之间的换热方式主要是。
8．由于凝结换热非常剧烈，很容易在汽轮机金属内部形成很大的。
9．蒸汽与金属的对流换热系数凝结放热系数。
10．蒸汽对金属部件的对流换热系数不是一个常数，它是随蒸汽的以及蒸汽的、、的变化而变化。
11．随着汽轮机负荷的增加，蒸汽压力的提高，放热系数是。
12．现代大型汽轮机容易产生较大的温差和热应力的部件是汽轮机的和。
13．当汽轮机转子内外壁温度相等时，汽轮机进入运行。
14．由于的变化引起的物体的称为热变形。
15．当物体内各点温度变化均匀的并不受约束的变形，即可以自由的或。
16．如果物体热膨胀受到约束，则物体内将产生。
17．如果物体冷却收缩受到约束，则物体内将产生。
18．汽轮机冷态启动过程对于汽缸内壁来说，首先产生的是。
19．汽轮机停机过程是汽轮机零部件一个冷却的过程，对于转子表面是首先被冷却而产生。
20．汽轮机在启停和变工况时，汽缸和转子各部位的热应力不同，因而汽轮机启动进入时零部件的热应力值最大。
21．汽轮机在启停和变工况时，转子和汽缸除了承受热应力外，还要承受蒸汽的，对于转子还要承受。
22．汽轮机在启停和变工况时，汽缸的、是否自由，直接决定机组能否安全运行。
23．汽轮机转子是以为死点，沿轴向前后膨胀的。
24．汽轮机汽缸与转子间发生的热膨胀差值称为汽轮机。
25．汽缸的上缸温度高，下缸温度低，因此上缸的变形下缸的变形引起向上拱起，发生。
26．上下汽缸温差是和汽缸翘曲变形的重要指标。
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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。