热应力和热变形

4 转子运行过程中受力分析
启动中转子受力:离心拉应力,热应力
离心应力和转速的平方成正比
超速试验转速110-112℅,离心力和额定转速时比增大 21-25℅
启动时转子受热,转子外表面受压,内表面受拉.
若冲转定速后马上做超速实验,此时转子中心承受的应 力很大,离心拉应力和热应力,往往超过材料的许用应力, 容易出现裂纹.
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
注意：每台机组必须首先了解滑销系统.
大容量机源自文库法兰厚度和宽度远大于汽缸壁厚,法 兰前后搭在轴承座上,汽缸的膨胀值取决于法兰 各段的平均温度 t0,L距离死点的长度, t0法兰各 段的平均温度
一般选取调节级区域的法兰内壁温度作为汽缸 轴向膨胀的监视点,控制监视点温度在正常允许 范围内.
ΔL
L
0
βt
2 对于机组超速试验作出这一规定，主要是 考虑转子的脆性转变温度(即FATT值），以 及转子做超速试验时的受力
3 汽轮机转子钢和其他铁索体合金一样， 冲击试验断口形貌随试验温度不同而有 很大不同。
在低温下为脆性断裂,材料的许用应力较 低,金属容易断裂；
在高温下为韧性断裂，许用应力高些。 低温脆性转变温度一般为100-120度
汽轮机启停中的限制因素：热应力、热 膨胀、热变形 热应力: 在汽轮机启动、停机或变负荷过 程中，其零部件由于温度变化而产生膨 胀或收缩变形，称为热变形。当热变形 受到某种约束(包括金属纤维之间的约束) 时，则要在零部件内产生应力，这种由 于温度(或温差)引起的应力称为温度应力 或热应力
二、汽轮机的热应力
B
B
L Lr Lc 0 r·trdx 0 c·tc·dx
式中 Lr，Lc一分别为转子和汽缸的膨胀值（mm）
β r和βc一分别为转子和汽缸的线膨胀系数(1／C） ∆t r和∆t c一分别为转子和汽缸的计算工况温度增量（℃） 由于汽缸和转子是由多区段组成的，所以计算差胀时，也是先计算各
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 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
启动中除控制转子的温升速度外,经过几次暖机,可以使 转子内部温度均匀,热应力减少
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．
‹一› 汽缸的热应力
从上述公式可以看出，汽缸内外表面的热应力与汽缸内外 表面温差成正比。
—启动过程内表面受压；外表面受拉；停机过程相反；
—汽缸受拉伸作用容易产生裂纹；受挤压则产生弯曲；
—汽缸内外表面热应力高于其他表面热应力；内表面热应 力为外表面热应力的两倍
—应控制任何工况下汽缸的热应力小于材料许用应力，严 格控制内外温差
5 停机过程转子表面热拉伸应力，
6 甩负荷时，所带负荷越大，引起热应力越大， 而且甩部分负荷转子表明的热应力更大
7 热应力最大部分，调节级，中压第一级，高压 转子前轴封，中压转子前轴封处。
‹三›热冲击
蒸汽与汽缸，转子等金属部件产生极强 的热交换，短时间内金属部件温差剧烈 上升，热应力急剧增大，甚至超过材料 的屈服极限，造成部件损坏。
三、汽缸的热膨胀 ‹一›汽缸的热膨胀（绝对膨胀）
汽缸的绝对膨胀值理论上可以用式表示
式中 β为计算段材料的线膨胀系数(1／℃）
∆t 一计算工况金属温度与安装温度之差， 即计算段的温度增量（℃） L一一计算截面至死点的轴向距离
绝对膨胀值取决于汽缸的长度，线膨胀系数和 各段金属温度的变化值
实际应用时分段考虑：先计算各区段的绝对 膨胀值，然后进行修正和叠加，得出汽 缸的绝对膨胀值。
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。
t c s2 ( t ) 106 2
3 汽缸最大热应力 存在于调节级汽室 启动时调节级汽室温度变化最剧烈
4 热应力监测 直接无法测量；通过测温度变化率获得
‹二›转子热应力
1 转子启停时单向受热，包括冷却，转子表面 和轴心温度存在温差，产生热应力；同时 承受离心应力
2 在稳定工况运行一段时间后，内部温度平 衡，转子截面温度均匀，热应力消失,只承 受其他应力
x
dx
ΔL t0L
‹二›汽缸和转子的相对膨胀-胀差
1) 胀差的定义：启动、停机过程中因为转 子、汽缸的质面比和加热条件不同导致 的轴向热膨胀的差值。
2) 胀差的危害：动、静部分轴向间隙减小。 正胀差和负胀差 一般机组允许的正账差大于负向账差
3) 胀差的计算
由于汽轮机转子的轴向位置是由推力轴承固定的，所以胀差是以推力轴 承为起点的某一处，转子和汽缸总的膨胀差，同时兼顾每段汽缸和转子 各自的膨胀方向．例如距推力轴承B处的差胀可以表示为：