热变形热应力以及热膨胀

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。二．热应力

由于温度的变化而引起物体的变形称之为热变形。如果物体的热变形受到约束，则在物体内部就会产生应力，这种应力称之为热应力。

当温度变化时，如果物体内各点的温度变化是均匀的，并且其变形不受约束，既可以自由膨胀或收缩，则物体只存在热变形，而不产生热应力。如果物体膨胀受到约束，则物体内将产生压应力；如物体冷却收缩受到约束，则物体内将产生拉应力。当物体加热或冷却不均匀，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。在汽轮机启动及变工况时，由于掠过转子和汽缸表面的蒸汽温度是不断变化的，这就引起转子和汽缸内部温度分布不均匀且随工况变化。正是由于这种不均匀的温度分布，使得转子和汽缸内部产生了热应力。热应力的大小只与金属部件内的温度分布有关，温度分布越不均匀，产生的热应力就越大。而金属部件的温度分

布取决于材质、换热剧烈程度、蒸汽温升率。蒸汽温升率越大，金属部件内的温度分布越不均匀，造成的温差越大，产生的热应力也越大，当热应力超过一定值后，会使金属部件产生塑性变形，从而引起较大的疲劳损伤。

对汽轮机转子来说，在机组启停或变工况条件下，往往在调节级前后产生最大的热应力，对于冲动式汽轮机，调节级前后的离心应力也很大，因此在变工况条件下，热应力与离心应力的合成可使总应力大大升高。目前采用的无中心孔汽轮机转子的最大优点是降低了转子的工作应力，另外缩短了制造周期，降低了生产成本。但无中心孔转子的应用前景取决于以下两个因素：一是金属冶炼、加工及热处理水平的提高；二是超声波探伤技术，解决对服役中转子进行全体积探伤的难题。

1．汽轮机冷态启动时的热应力

冷态启动对汽缸和转子等金属部件来说是个加热过程，随着冲转→并网→带负荷，金属部件温度不断升高。

对汽缸来说，随着蒸汽温度的升高，汽缸内壁温度升高，内壁温度大于外壁温度，内壁由于受外壁的制约产生压应力而外壁受内壁膨胀影响产生拉应力。

对转子来说，外表面首先被加热，使得外表面与中心孔而形成温差，外表面产生压应力，中心孔表面产生拉应力。

2．停机时的热应力

停机实际上是汽轮机零部件冷却过程，随着蒸汽温度的下降和热量的减少，汽缸内壁和转子外表面首先被冷却，而汽缸外壁和转子中心孔冷却滞后，致使汽缸内壁温度小于外壁温度，转子表面温度小于中心孔温度。与启动相反，汽缸内壁和转子表面产生拉应力；汽缸外壁和转子中心孔产生压应力。

在停机过程中可以在汽轮机尚有一定负荷时打闸停机，随后汽轮机金属部件经历自然冷却，故停机过程金属部件温度下降的速度及幅度比启动时小得多，其产生的热应力也小得多。

3．汽轮机热态启动时的热应力

汽轮机热态启动时，进入调节级气阀处蒸汽温度可能低于该处金属温度，使其金属部件先冷却，转子表面和汽缸内壁产生拉应力，随着转速升高及并网带负荷，该处蒸汽温度迅速升高，并高出金属温度，转子表面及汽缸内壁产生压应力，这样整个启动过程要经历一个拉压应力循环，所以极易造成热冲击。

4．负荷变化时的热应力

汽轮机负荷在35％～100％范围变动时，调节级后温度变化可达100℃，因此负荷变动，转子和汽缸上将产生温差和热应力。负荷下降，蒸汽温度低于金属温度，转子和汽缸内壁产生拉应力；

负荷上升，蒸汽温度高于金属温度，转子表面和汽缸内壁产生压应力。这样经历一个拉压应力循环，也易造成热冲击。

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臵。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臵，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。

四、汽轮机的热变形

1．热变形的危害

汽轮机启停和负荷变化时，汽缸和转子除热应力外，还会产生热变形，

如果汽缸和转子的挠曲值过大，将造成通流部分动静部件的径向间隙减少、动静部件磨损。不仅使汽封径向间隙扩大，增大漏汽量，使汽轮机运行的经济性降低；而且动静部件的摩擦还将引起机组振动以及大轴弯曲等事故。

2．汽缸的热翘曲

在启停过程中上下汽缸存在温差，上缸温度高于下缸温度。上汽缸温度高、热膨胀大，下汽缸温度低、热膨胀小，引起汽缸向上拱起。——“拱背”变形，

(1)上下汽缸温差产生的原因：

①上下汽缸散热面积不同：下缸布臵有回热抽汽管道和疏水管道，散热面积大，在同样保温条件下，上缸温度比下缸温度高。

②温度较高的蒸汽位于汽缸上部，凝结放热后凝结水流到下缸，在下缸形成一层水膜，使下缸加热条件恶化。

③停机后汽缸内形成空气对流，温度较高的空气聚集在上汽缸，

温度较低的空气在下汽缸，增大了上下汽缸的温差。

④下汽缸的保温不如上汽缸，运行时由于振动，下汽缸保温材料容易脱落，且下汽缸是臵于温度较低的运行平台以下并造成空气对流，使上下汽汽缸冷却条件不同，增大了温差。

⑤在空负荷或低负荷运行时，由于部分进汽仅上部调节阀开启，使上下汽缸温差增大。

(2)上下汽缸温差最大值通常出现在调节级附近，汽缸的最大拱起也出现在调节级附近。

拱背变形使下部动静径向间隙减小，同时隔板和叶轮也将偏离正常时所在的垂直平面而使轴向间隙发生变化，导致动静部件摩擦。

(3)通常要求上下汽缸温差不超过35--50℃，同时严格控制温升速度。

启动时应尽量投入高压加热装臵，开足下汽缸的疏水门；安装或大修时，下汽缸应采用优质保温材料，或增厚下汽缸的保温层；设法改进保温结构，使保温层与下汽缸的紧密贴合，避免保温层的脱落；在下汽缸装设挡风板，以减小零米冷风对下汽缸的冷却。3．汽缸内外壁和法兰内外壁温差引起的热变形

(1)法兰壁厚度比汽缸壁厚度大得多，在机组启动时，法兰内外壁产生较大温差，除引起热应力外，沿法兰的水平和垂直方向还

将产生热变形。

（2）法兰的热弯曲

汽轮机启动时，汽缸和法兰内壁温度高于外壁温度，使法兰内壁热膨胀值大于外壁，从而使法兰水平方向发生热翘曲现象，（3）汽缸变形

法兰的热变形，引起汽缸横截面发生变形。

在汽缸的中部形成立椭圆，其法兰结合面形成内张口，上下间隙增大，左右间隙减小，

在汽缸的两侧形成横椭圆，其法兰结合面形成外张口，上下间隙减小，左右间隙增大。

（4）危害：法兰的热翘曲过大，会引起动静部分摩擦；

垂直膨胀会使法兰结合面局部发生塑性变形，当法兰螺栓负荷卸去后，上下结合面便出现内外张口，造成法兰结合面漏汽。在法兰内壁温度高于外壁温度时，内壁金属的垂直膨胀增加了法兰接合面的热压应力，如果此热压应力超过材料的屈服极限，金属就会产生塑性变形，同时还会导致螺栓被拉断或螺帽结合面被压坏。

运行规程规定：法兰内外壁温差的极限不应大于100℃(在没有法兰螺栓加热装臵时)。

（5）为减少汽缸热翘曲，可采用下缸加厚保温层或是加装在下

缸底部的电热装臵、采用法兰螺栓加热装臵等。

4．转子的热弯曲

（1）弹性弯曲、塑性弯曲

弹性弯曲：转子处于静止状态时，会出现温差，产生热变形。当上下汽缸温度趋于平稳，温差消失后，转子的径向温差和变形也随着消失，恢复到原来的状态。这种弯曲是暂时的。

塑性弯曲：当转子径向温差过大，热应力超过材料屈服极限时，将造成转子的永久变形。

盘车装臵作用：当上下汽缸存在温差时盘动转子，使转子均匀冷却或加热，以减少转子的热弯曲。

（2）危害：当转子弹性弯曲较大时，也是汽缸拱起较大时；此时动静间隙可能消失，如果转子转动，其弯曲部位与隔板汽封将产生摩擦，使转子弯曲部位温度升高，加剧了转子的热弯曲，动静摩擦也加剧，机组振动增大，甚至使转子产生永久弯曲。

在启动前盘车时，应测量转子弯曲情况，弯曲值在允许范围内方可启动。

（3）转子的最大弯曲部位通常在调节级附近，多缸汽轮机的高压转子和背压汽轮机的转子约在中部；单缸汽轮机转子则稍偏于转子的前端。

通过晃度来间接得到转子的热弯曲值，将千分表装在转子的轴颈

或轴向位移发讯器圆盘上测取转子晃度。

小结：

一、基本概念

(1)热变形：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。

(2)热应力：当物体温度变化时，它的热变形受到某种约束时，则在零部件内产生应力，这种由于温差引起的应力称热应力。

(3)胀差：汽轮机在启停及变工况时，转子与汽缸的热交换条件不同，由此造成它们在轴向膨胀不一致，即出现相对膨胀差简称胀差。

二、基本规律

(1)热应力变化规律：温度升高的一侧产生热压应力，温度降低的一侧产生热拉应力，简述为“热压冷拉”。

(2)热膨胀变化规律：热膨冷缩。

(3)胀差变化规律：热正冷负。

(4)热变形变化规律：温度高的一侧向外凸出，温度低的一侧向内凹进，即热凸冷凹。

(5)汽轮机寿命管理：①转子的总寿命损耗主要是低频疲劳损伤与高温蠕变损伤之和；②采用微机监视转子寿命损耗，可随时了解转子的受力状态，指导运行人员合理的操作。