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。

由于凝结换热非常剧烈，很容易在汽轮机金属部件内形成很大的温差。

为了减小这个温差，大型汽轮机在冲转前多采用盘车预热的方式，即在汽轮机启动前盘车时，通入低压低温蒸汽，使汽缸、转子预热，然后再通入较高参数的蒸汽，冲动转子。

汽轮机的热应力、热膨胀和热变形
对流换热的概念
当汽轮机部件金属表面温度达到对应蒸汽压力下的饱和温度时，蒸汽对金属表面的放热总是以对流换热方式进行的。

蒸汽的对流换热系数比凝结放热系数小得多。

汽轮机的热应力、热膨胀和热变形换热系数对金属部件上引起的温差的影响
换热系数越大，热导率越小，在金属
部件内形成的温差也就越大。

导热过程的快慢则主要取决于金属材料的热导率；热导率越小，则导热过程越慢，形成的温差也就越大。

汽轮机的热应力、热膨胀和热变形对于某种确定类型的汽轮机，由于其结构、材质、部件的尺寸已确定，因此在金属部件上引起的温差，只取决于运行条件。

如果蒸汽温度变化越剧烈，温度变化范围越大，则产生的温差也越大。

当蒸汽与金属间单位时间内的换热量过大时，在金属部件内部引起的温差会急剧增加，这时金属部件受到热冲击。

在汽轮机冷态启动时的凝结放热阶段，在冲转时蒸汽温度过高与金属温度不匹配时，在汽轮机极热态启动时以及甩1/2以上负荷工况下，都会使汽轮机金属部件受到热冲击。

汽轮机的热应力、热膨胀和热变形金属部件的温度分布
准稳态点
准稳态点：温差达到最大值的时刻。

例：某汽轮机当蒸汽温度以温升2.5℃/min 变化时，调节级处高压转子金属温度
随时间的变化关系。

汽轮机的热应力、热膨胀和热变形
由于热量在转子内部传导需要一定的时间，转子中心孔面的温度总要滞后一段时间才开始上升，因而转子表面和中心孔间就形成了温差。

该温差随着整个温升过程持续增大，在经过一定的时刻后，该温差达到最大，此后虽然金属温度随蒸汽温度的升高而升高，但内外壁面温差保持最大且不变化。

汽轮机的热应力、热膨胀和热变形汽轮机的热应力
热应力的概念
由于温度的变化引起的物体变形称
之为热变形。

如果物体的热变形受到约束，则在物体内就会产生热应力，这种
应力称之为热应力。

汽轮机的热应力、热膨胀和热变形
如果物体受热膨胀受到约束，则物体内将产生
压应力
如果物体冷却收缩受到约束，则物体内将产生拉应力
汽轮机的热应力、热膨胀和热变形当物体内部加热或冷却不均匀，温度分布不均匀时，物体即使不受到外部约束，其内部也会产生热应力。

高温区产生压应力
低温区产生拉应力
汽轮机转子和汽缸的热应力主要是由于温度分布不均匀引起的。

汽轮机的热应力、热膨胀和热变形
汽缸壁的热应力
1、在汽缸壁厚度和金属材料一定的
情况下，汽缸内、外壁表面的热应力
与温差成正比
2、汽缸冷却过快比加热过快更危险。

3、控制汽轮机金属的温升速度是控
制热应力的基本方法。

汽轮机的热应力、热膨胀和热变形螺栓的热应力
启动时螺栓受的热应力最大；
1、法兰、螺栓的温差引起的热应力
2、螺栓被紧固时拉伸预应力。

3、汽缸内部蒸汽压力对螺栓产生的
拉应力。

以上三个应力之和为螺栓受到的应力
汽轮机的热应力、热膨胀和热变形
转子的热应力
在运行中，转子不仅受离心力的作用，而且也受热应力的影响
交变应力的作用危急转子的寿命
必须注意：汽轮机每启停一次，对转子表面层就交替出现一次热压应力和热拉应力。

若汽轮机多次启、停，则交变应力多次反复作用，将会引起转子表面出现裂纹，这种情况称为转子低频率疲劳损伤。

大机组结构优化技术改造之后，应重视转子的热应力
汽轮机的热应力、热膨胀和热变形
汽轮机冷态启动时的热应力
汽轮机停机过程的热应力
汽轮机热态启动时的热应力
负荷变动时的热应力
汽轮机的热应力、热膨胀和热变形汽轮机冷态启动时的热应力
汽缸内壁和转子外表面而产生压应力
汽缸外壁和转子中心孔而产生拉应力
汽轮机的热应力、热膨胀和热变形汽轮机停机过程的热应力
汽缸内壁和转子外表面产生拉应力
汽缸外壁和转子中心孔则产生压应力
汽轮机的热应力、热膨胀和热变形
汽轮机热态启动时的热应力在整个热态启动过程中，冲转时进入调节级处的蒸汽温度可能比该处的金属温度低，使其先受到冷却，在转子表面和汽缸内表面产生拉应力。

随着转速的升高及接待负荷，该处的蒸汽温度将迅速提高，并高出金属温度，转子表面及汽缸内壁将产生压应力，这样在整个热态启动过程中，汽轮机部
件的热应力要经历一个拉—压循环。

汽轮机的热应力、热膨胀和热变形负荷变动时的热应力
降负荷时，转子表面和汽缸内壁产生拉应力增负荷时，转子表面和汽缸内壁产生压应力
汽轮机的热应力、热膨胀和热变形
汽轮机从启动、稳定工况下运行至停机过程，转子和汽缸上各点的热应力都要经历一个拉——压应力循环，转子外表面由压应力变为拉应力，中心孔面由拉应力变为压应力。

汽轮机的热应力、热膨胀和热变形
热冲击的概念
所谓热冲击，是指蒸汽与汽缸、转子等部件之间在短时间内进行大量的热交换，金属部件内温差迅速增大，热应力增大，甚至超过材料的屈服极限。

汽轮机的热应力、热膨胀和热变形
应力合成
汽轮机在启停和工况变化时，转子和汽缸除了承受热应力外，还要承受蒸汽的工作压力。

对于转子还要承受旋转离心应力，因此汽缸和转子实际上承受的是工作应力和热应力的合成应力。

汽轮机的热应力、热膨胀和热变形
一、汽缸和转子的热膨胀
1、汽缸的热膨胀
⊿Lcy ＝ɑcy ⊿t cy L cy
如图所示：汽缸的轴向膨胀
此外注意：汽缸的横向膨胀
调节级处汽缸的金属温度与汽缸的热膨胀值有一定的对应关系
汽轮机的热膨胀
汽轮机的热应力、热膨胀和热变形
2、转子的热膨胀
⊿L
ro ＝ɑ
ro
⊿t
ro
L ro
⊿t ro—转子的平均温升
ɑro —金属材料的线膨胀系数L ro—转子长度
汽轮机的热应力、热膨胀和热变形相对胀差: 汽轮机汽缸与转子
以同一死点膨
胀或收缩时，其出现的差值
称相对膨胀差。

正胀差：转子轴向膨胀大于
汽缸值。

负胀差：转子轴向膨胀小于
汽缸值。

汽缸和转子的相对膨胀
汽轮机的热应力、热膨胀和热变形
汽轮机的横销只允许轴承座和汽缸作横向膨胀；纵销只允许其纵向膨胀。

汽缸和轴承座之间设有立销，立销只允许汽缸在铅垂方向膨胀，使汽缸中心和轴承中心在同一纵分面上，以保证汽缸与轴承中心一致，使转子中心与汽缸中心一致。

汽轮机的热应力、热膨胀和热变形
汽轮机转子是以推力盘为死点，沿周详向前后膨胀的。

当工况变化时，推力盘有时靠工作瓦块，有时靠非工作瓦块，在计算通流部分间隙时，要考虑推力间隙的影响。

由于汽缸的轴向尺寸大，故汽缸的轴向膨胀成为重要的监视指标。

国产300MW汽
轮机高中压缸总膨胀可达近40mm。

汽轮机的热应力、热膨胀和热变形NC300MW 机组汽缸和转子膨胀系统图
←←←←→→
中压内缸
膨胀方向高中压转子膨胀方向
高中压缸膨胀方向低压缸膨胀方向●●●
汽轮机的热应力、热膨胀和热变形汽轮机的热膨胀
汽轮机启动时胀差的变化规律
汽轮机甩负荷、停机、热态启动时
相对胀差的变化规律
影响胀差的因素
汽轮机的热应力、热膨胀和热变形汽轮机冷态启动前，汽缸一般要进行预热，轴封要供汽，此时汽轮机胀差总体表现为正胀差。

从冲转到定速阶段，汽轮机的正胀差成上升趋势。

对采用中压缸启动的机组，则这阶段胀差变化主要发生在中压缸。

当机组并网接待负荷后，正胀差增加的幅度较大，对于启动性能较差的机组，在启动过程中要完成多次暖机，以缓解胀差大的矛盾。

汽轮机启动时胀差的变化规律
汽轮机的热应力、热膨胀和热变形
汽轮机甩负荷、停机、热态启动时
相对胀差的变化规律
汽轮机甩负荷或停机时，流过汽轮机通流部分的
蒸汽温度会低于金属温度，转子比汽缸冷却快，即转子比汽缸收缩得多，因而出现负胀差。

热态启动时，转子汽缸的金属温度高，若冲转时
蒸汽温度偏低，则蒸汽进入汽轮机后对转子和汽缸起冷却作用，也会出现负胀差，尤其对极热态启动，几乎不可避免地会出现负胀差。

汽轮机的热应力、热膨胀和热变形影响胀差的因素
汽轮机滑销系统畅通与否
控制蒸汽温升（温降）和流量变化速度
轴封供汽温度的影响
汽缸法兰、螺栓加热装置的影响
凝汽器真空的影响
凝汽器真空的影响
汽缸保温和疏水的影响
汽缸保温和疏水的影响
汽轮机的热应力、热膨胀和热变形
通常采取以下措施控制胀差：
（1）控制蒸汽升降温度及升降负荷的速度，以保证汽缸和转子的温差在允许范围内。

（2）合理的使用汽缸和法兰螺栓加热装置。

（3）利用轴封供汽控制胀差。

汽轮机的热应力、热膨胀和热变形汽轮机的热变形
一、热变形的规律
如图所示：
热变形的规律是：温度高的一
侧向外凸，温度低的一侧向内
凹进，即“热凸冷凹”。

汽轮机的热应力、热膨胀和热变形二、汽轮机的几种热变形
（一）上、下缸温差引起的热变形
上下缸温差产生的原因：
（1）上、下汽缸的重量和散热面积不同。

（2）启动时，蒸汽在汽缸内凝结成的疏水都流经下汽缸经疏水管排出，疏水形成的水膜降低了汽缸的受热条件，而较高温度的蒸汽上升加热上汽缸，故上缸温度比下缸温度高。

汽轮机的热应力、热膨胀和热变形（3）下汽缸的保温材料因自身重量，不易严密且
易脱落，使保温效果比上缸差。

（4）下汽缸处于运行平台之下，受到下面温度较
低的空气对流通风的影响，使下汽缸加速冷却。

（5）停机后，转子在静止状态下，汽缸内残存蒸
汽和进入的空气，在汽缸内对流流动，热气流聚集在上汽缸，冷气流在下汽缸，使上下汽缸的冷却条件不一样。

（6）较长时间的低负荷或空负荷运行，对只有上
部调节汽阀开启的汽轮机，会使上下汽缸温差增大。

汽轮机的热应力、热膨胀和热变形
上下汽缸过大的温差就会造成汽缸向上弯曲的“拱背”热变形如图所示：
计算方法如下：
注意；上下缸的温差沿轴向并不一样，其最大值出现在调节
—500C
级附近。

上下缸的温差通常规定不得大于3535—
汽轮机的热应力、热膨胀和热变形汽缸法兰内外壁温差引起的热变形
法兰内壁温度高于外壁温度，法兰内
壁金属伸长较多，法兰外壁金属伸长较
少，这时法兰在水平面内产生热变形（热
翘曲）
汽轮机的热应力、热膨胀和热变形
汽轮机的热应力、热膨胀和热变形汽轮机转子的热弯曲
在启动前和停机后由于上下汽缸存在温差，使转子上下部分也存在温差，在此温差的作用下，转子要发生热弯曲。

转子发生弯曲后，不仅会使机组产生异常振动，还可能造成汽轮机动静部分摩擦。

因此启动前和停机后，必须正确使用盘车装置。

汽轮机的热应力、热膨胀和热变形机械工业设备管理培训中心监制。