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1、 汽轮机的热应力、热膨胀和热变形汽轮机的热应力、热膨胀和热变形蒸汽在汽轮机中的传热现象蒸汽在汽轮机中的传热现象金属部件的温度分布金属部件的温度分布汽轮机的热应力汽轮机的热应力汽轮机的热膨胀汽轮机的热膨胀汽轮机的热变形汽轮机的热变形第第1页页/共共84页页 汽轮机的热应力、热膨胀和热变形汽轮机的热应力、热膨胀和热变形蒸汽在汽轮机中的传热现象蒸汽在汽轮机中的传热现象 蒸蒸蒸蒸汽汽汽汽在在在在汽汽汽汽轮轮轮轮机机机机内内内内膨膨膨膨胀胀胀胀做做做做功功功功，将将将将热热热热能能能能转转转转变变变变为为为为机机机机械械械械能能能能，同同同同时时时时又又又又以以以以对对对对流流流流传传传传热热热热的的的
2、的方方方方式式式式，将将将将热热热热量量量量传传传传递递递递给给给给汽汽汽汽缸缸缸缸、转转转转子子子子等等等等金金金金属属属属部部部部件件件件的的的的表表表表面面面面。热热热热量量量量在在在在汽汽汽汽缸缸缸缸内内内内以以以以导导导导热热热热的的的的方方方方式式式式从从从从内内内内壁壁壁壁传传传传到到到到外外外外壁壁壁壁，最最最最后后后后经经经经保保保保温温温温层层层层散散散散到到到到大大大大气气气气；热热热热量量量量在在在在转转转转子子子子内内内内以以以以导导导导热热热热方方方方式式式式从从从从转转转转子子子子表表表表面面面面传传传传到到到到中心孔，通过中心孔散给周围空间。中心孔，通过中心孔散
3、给周围空间。中心孔，通过中心孔散给周围空间。中心孔，通过中心孔散给周围空间。由于汽缸金属内外壁、转子金属内外壁之间由于汽缸金属内外壁、转子金属内外壁之间由于汽缸金属内外壁、转子金属内外壁之间由于汽缸金属内外壁、转子金属内外壁之间存在热阻，并且热量从金属内导热需要一定的时存在热阻，并且热量从金属内导热需要一定的时存在热阻，并且热量从金属内导热需要一定的时存在热阻，并且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间，因而在汽缸内、外壁间以及转子表面和中心间，因而在汽缸内、外壁间以及转子表面和中心间，因而在汽缸内、外壁间以及转子表面和中心孔间形成温差孔间形成温差孔间形成温差
4、孔间形成温差。第第2页页/共共84页页 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在稳定工况下运行时的传热过程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汽轮机在启停和工况变化时的传热过程蒸汽在汽轮机中的传热现象蒸汽在汽轮机中的传热现象汽轮机的换热方式第第3页页/共共84页页 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在稳定工况下运行时的传热过程汽轮机在稳定工况下运行时的传热过程 汽汽汽汽轮轮轮轮机机机机在在在在蒸蒸蒸蒸汽汽汽汽参参参参数数数数不不不不随随随随时时时时间间间间变变变变化化化化的的的的稳稳稳稳定定定定工工工工
5、况况况况下下下下运运运运行行行行时时时时，汽汽汽汽缸缸缸缸、转转转转子子子子等等等等金金金金属属属属部部部部件件件件内内内内的的的的温温度度分分布布是是是是不不不不随随随随时时时时间间间间变变变变化化化化的的的的称称称称为稳态传热过程。为稳态传热过程。为稳态传热过程。为稳态传热过程。第第4页页/共共84页页 汽轮机的热应力、热膨胀和热变形汽轮机的热应力、热膨胀和热变形在缓慢加热（不稳在缓慢加热（不稳在缓慢加热（不稳在缓慢加热（不稳定加热）过程中，定加热）过程中，定加热）过程中，定加热）过程中，金属内部温度梯度金属内部温度梯度金属内部温度梯度金属内部温度梯度场为抛物线型，温场为抛物线型，温场为抛
6、物线型，温场为抛物线型，温度场中的热应力的度场中的热应力的度场中的热应力的度场中的热应力的分布是不均匀的，分布是不均匀的，分布是不均匀的，分布是不均匀的，最大热应力为压缩最大热应力为压缩最大热应力为压缩最大热应力为压缩应力，而且发生在应力，而且发生在应力，而且发生在应力，而且发生在温度较高的内表面。温度较高的内表面。温度较高的内表面。温度较高的内表面。汽汽缸缸内内表表面面第第5页页/共共84页页 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在启停和工况变化时的传热过程汽轮机在启停和工况变化时的传热过程汽轮机在启停和工况变化时的传热过程汽轮机在启停和工况变化时的传热过程在汽
7、轮机启停和工况变化时，汽缸和转子整个在汽轮机启停和工况变化时，汽缸和转子整个在汽轮机启停和工况变化时，汽缸和转子整个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。金属部件的温度分布将发生变化。金属部件的温度分布将发生变化。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，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使其温度升高，金属部件内温度分布是不均匀的。的。而在停机和减负荷过程中，蒸汽温度低于金而在停机和减负荷过程中，蒸汽温度低
8、于金属部件温度，使其冷却，温度下降，金属部属部件温度，使其冷却，温度下降，金属部件内温度分布是不均匀的。件内温度分布是不均匀的。第第6页页/共共84页页 汽轮机的热应力、热膨胀和热变形汽轮机的热应力、热膨胀和热变形这种传热过程为这种传热过程为剧烈加热过程。剧烈加热过程。金属内壁加热剧金属内壁加热剧烈，温度瞬间变烈，温度瞬间变化很大，其温度化很大，其温度分布为双曲线型，分布为双曲线型，此时金属温差大此时金属温差大部分发生在近内部分发生在近内壁表面。壁表面。汽汽缸缸内内表表面面第第7页页/共共84页页 汽轮机的热应力、热膨胀和热变形汽轮机的热应力、热膨胀和热变形汽汽缸缸内内表表面面当吸放热过程逐渐
9、当吸放热过程逐渐趋于稳定（即稳定趋于稳定（即稳定加热时）其温度分加热时）其温度分布为直线型。压缩布为直线型。压缩与拉伸应力对称分与拉伸应力对称分布于中心线两侧，布于中心线两侧，在中心线处的应力在中心线处的应力为零。为零。第第8页页/共共84页页 汽轮机的热应力、热膨胀和热变形汽轮机的热应力、热膨胀和热变形凝结换热的概念凝结换热的概念 当蒸汽与温度低于蒸汽压力对应的饱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，易发生凝结换热现象，蒸汽放出汽化潜热，凝结成液体。凝结成液体。膜状凝结膜状凝结膜状凝结膜状
10、凝结珠状凝结珠状凝结珠状凝结珠状凝结汽轮机的换热方式汽轮机的换热方式第第9页页/共共84页页 汽轮机的热应力、热膨胀和热变形汽轮机的热应力、热膨胀和热变形膜状凝结膜状凝结 凝结换热时蒸汽在金属表面凝结成水膜。凝结换热时蒸汽在金属表面凝结成水膜。珠状凝结珠状凝结 凝凝结结换换热热时时蒸蒸汽汽在在金金属属表表面面凝凝结结成成水水珠珠。（汽汽轮轮机机转转子子以以一一定定转转速速旋旋转转，由由于于离心力作用，形不成水膜）。离心力作用，形不成水膜）。第第10页页/共共84页页 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 珠状凝结的放热系数比膜状凝结的放珠状凝结的放热系数比膜状凝结的放热
11、系数要大得多，约大热系数要大得多，约大1520倍。倍。由于凝结换热非常剧烈，很容易在汽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，冲动转热，然后再通入较高参数的蒸汽，冲动转子。子。第第11页页/共共84页页 汽轮机的热应力、热膨胀和热变形汽轮机的热应力、热膨胀和热变形对流换热的概念对流换热的概
12、念 当汽轮机部件金属表面温度达到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，凝结对应蒸汽压力下的饱和温度时，凝结换热方式结束。此时蒸汽对金属表面换热方式结束。此时蒸汽对金属表面的放热总是以对流换热方式进行的。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蒸汽的对流换热系数比凝结放热系数小得多。小得多。汽轮机的换热方式汽轮机的换热方式第第12页页/共共84页页 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 甩甩1/2负荷工况比甩全负荷工况负荷工况比甩全负荷工况更危险，就是这个道理。既甩更危险，就是这个道理。既甩1/2负负荷时，蒸汽的放热系数比甩全负荷
13、时荷时，蒸汽的放热系数比甩全负荷时的放热系数要大得多。的放热系数要大得多。第第13页页/共共84页页 汽轮机的热应力、热膨胀和热变形汽轮机的热应力、热膨胀和热变形换热系数对金属部件上引起的温差的影响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。部件内形成的温差也就越大。导导热热过过程程的的快快慢慢则则主主要要取取决决于于金金属属材材料料的的热热导导率率；热热导导率率越越小小，则则导导热热过过程程越越慢，形成的温差也就越大。慢，形成的温差也就越大。第第14页页/共共84页页 汽轮机的热应力、热膨胀和热变形汽轮机的热
14、应力、热膨胀和热变形 对对于于某某种种确确定定类类型型的的汽汽轮轮机机，由由于于其其结结构构、材材质质、部部件件的的尺尺寸寸已已确确定定，因因此此在在金金属属部部件件上上引引起起的的温温差差，只只取取决决于于运运行行条条件件。如如果果蒸蒸汽汽温温度度变变化化越越剧剧烈烈，温温度度变变化化范范围围越越大大，则则产产生生的的温差也越大。温差也越大。第第15页页/共共84页页 汽轮机的热应力、热膨胀和热变形汽轮机的热应力、热膨胀和热变形准稳态点准稳态点 在一定的温升率条件下，随着蒸汽对金属放在一定的温升率条件下，随着蒸汽对金属放热时间的增长和蒸汽参数的提高，蒸汽对金属的热时间的增长和蒸汽参数的提高，
15、蒸汽对金属的放热系数不断增大，即蒸汽对金属的放热量不断放热系数不断增大，即蒸汽对金属的放热量不断增加，从而使金属部件的温差不断增大，当调增加，从而使金属部件的温差不断增大，当调节节级的蒸汽温度升到满负荷时所对应的蒸汽温度时，级的蒸汽温度升到满负荷时所对应的蒸汽温度时，蒸汽温度的变化率为零，此时金属部件内部温差蒸汽温度的变化率为零，此时金属部件内部温差达到最大值，在温升率变化曲线上的这一点叫做达到最大值，在温升率变化曲线上的这一点叫做准稳态点。准稳态点。第第16页页/共共84页页 汽轮机的热应力、热膨胀和热变形汽轮机的热应力、热膨胀和热变形准稳态点：温差达到最大值的时刻。准稳态点：温差达到最大值
16、的时刻。例：某汽轮机当蒸汽温度以温升例：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变化时，调节级处高压转子金属温度 随时间的变化关系。随时间的变化关系。第第17页页/共共84页页 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 由于热量在转子内部传导需要一定的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，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，该温程持续增大，
17、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度的升高而升高，但内外壁面温差保持最大且不变化大且不变化 转子达到准稳态点转子达到准稳态点第第18页页/共共84页页 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启停过程为不稳定热传导过程汽轮机启停过程为不稳定热传导过程不稳定状态不稳定状态额定工况下的运行为稳定热传导过程额定工况下的运行为稳定热传导过程稳态过程稳态过程汽轮机在二者之间的工作过程称汽轮机在二者之间的工作过程称准稳态过程准稳态过程第第19页页/共共84页页 汽轮机的热应力、热膨胀
18、和热变形汽轮机的热应力、热膨胀和热变形汽轮机的热应力汽轮机的热应力热应力的概念热应力的概念 由于温度的变化引起的物体变形称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应力，这种由束，则在物体内就会产生应力，这种由于温度的变化而引起的应力称之为热应于温度的变化而引起的应力称之为热应力。力。第第20页页/共共84页页 汽轮机的热应力、热膨胀和热变形汽轮机的热应力、热膨胀和热变形如果物体受热膨胀受到约束，则物体内将产生如果物体受热膨胀受到约束，则物体内将产生压应力压应力 如果物体冷却收缩受到约束，则物体内将产生如果物体冷却收
19、缩受到约束，则物体内将产生拉应力拉应力 第第21页页/共共84页页 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 当物体内部加热或冷却不均匀，温度分布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。也会产生热应力。高温区产生压应力高温区产生压应力 低温区产生拉应力低温区产生拉应力 汽汽轮轮机机转转子子和和汽汽缸缸的的热热应应力力主主要要是是由由于于温度分布不均匀引起的。温度分布不均匀引起的。第第22页页/共共84页页 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启停和工况变
20、化时汽轮机启停和工况变化时 转子和汽缸的热应力转子和汽缸的热应力 在在汽汽轮轮机机启启动动及及工工况况变变化化时时，由由于于掠掠过过转转子子和和汽汽缸缸表表面面的的蒸蒸汽汽温温度度是是不不断断变变化化的的，这这就就引引起起转转子子和和汽汽缸缸内内部部温温度度分分布布不不均均匀匀且且随随工工况况而而变变化化。正正是是由由于于这这种种不不均均匀匀的的温温度度分分布布，使使得得转转子子和和汽汽缸缸内内部部产产生生了热应力。了热应力。第第23页页/共共84页页 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冷态启动时的热应力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停机
21、过程的热应力 汽轮机热态启动时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负荷变动时的热应力 第第24页页/共共84页页 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冷态启动时的热应力汽轮机冷态启动时的热应力 汽缸内壁和转子外表面产生汽缸内壁和转子外表面产生压应力压应力汽缸外壁和转子中心孔产生汽缸外壁和转子中心孔产生拉应力拉应力第第25页页/共共84页页 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停机过程的热应力汽轮机停机过程的热应力 汽缸内壁和转子外表面产生汽缸内壁和转子外表面产生拉应力拉应力汽缸外壁和转子中心孔则产生汽缸外壁和转子中心孔
22、则产生压应力压应力第第26页页/共共84页页 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热态启动时的热应力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，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带负荷，产生拉应力。随着转速的升高及接带负荷，该处的蒸汽温度将迅速提高，并高出金属温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，这度，转子表面及汽缸内壁将产生压
23、应力，这样在整个热态启动过程中，汽轮机部件的热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应力要经历一个拉压循环。压循环。第第27页页/共共84页页 汽轮机的热应力、热膨胀和热变形汽轮机的热应力、热膨胀和热变形负荷变动时的热应力负荷变动时的热应力 降负荷时，转子表面和汽缸内壁产生降负荷时，转子表面和汽缸内壁产生拉应力拉应力拉应力拉应力 增负荷时，转子表面和汽缸内壁产生增负荷时，转子表面和汽缸内壁产生压应力压应力压应力压应力 第第28页页/共共84页页 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 实践证明，汽缸出现裂纹或损坏，大多实践证明，汽缸出现裂纹或损坏，大多是由
24、拉应力所引起的。汽缸内壁在快速冷却是由拉应力所引起的。汽缸内壁在快速冷却时，将出现较大的拉应力，所以汽轮机的快时，将出现较大的拉应力，所以汽轮机的快速冷却比快速加热更加危险。速冷却比快速加热更加危险。例如，热态启动汽轮机若用低湿蒸汽（温例如，热态启动汽轮机若用低湿蒸汽（温度低于汽缸金属温度的蒸汽）进行启动，度低于汽缸金属温度的蒸汽）进行启动，或汽轮机突然甩负荷时，机组是非常危险或汽轮机突然甩负荷时，机组是非常危险的。的。第第29页页/共共84页页 汽轮机的热应力、热膨胀和热变形汽轮机的热应力、热膨胀和热变形汽缸的热应力汽缸的热应力 对汽轮机而言，汽缸壁所产生的热应力对汽轮机而言，汽缸壁所产生的
25、热应力是与汽缸内外壁温差成正比的，它的大小又是与汽缸内外壁温差成正比的，它的大小又取决于汽缸壁加热或冷却的速度（汽缸金属取决于汽缸壁加热或冷却的速度（汽缸金属温升或温降的速度）及汽缸壁的厚度。而汽温升或温降的速度）及汽缸壁的厚度。而汽缸内外壁温差与汽缸内壁的温度变化率及汽缸内外壁温差与汽缸内壁的温度变化率及汽缸壁缸壁 的厚度的平方成正比，当汽缸内壁的温的厚度的平方成正比，当汽缸内壁的温度变化率越大、汽缸壁越厚，汽缸内外壁的度变化率越大、汽缸壁越厚，汽缸内外壁的温差就越大，从而热应力也越大。温差就越大，从而热应力也越大。第第30页页/共共84页页 汽轮机的热应力、热膨胀和热变形汽轮机的热应力、热
26、膨胀和热变形 汽缸内壁温度变化的大小，意味着汽缸内壁温度变化的大小，意味着汽轮机的转速和负荷变化速度的快慢，汽轮机的转速和负荷变化速度的快慢，当然也意味着汽轮机启动、停机过程的当然也意味着汽轮机启动、停机过程的快慢。对于大容量汽轮机，汽缸壁尤其快慢。对于大容量汽轮机，汽缸壁尤其是法兰通常做的很厚，因此汽缸内壁温是法兰通常做的很厚，因此汽缸内壁温度变化率需要严格加以控制，这也是大度变化率需要严格加以控制，这也是大容量汽轮机启动时间一般比中小型汽轮容量汽轮机启动时间一般比中小型汽轮机要长的原因。机要长的原因。第第31页页/共共84页页 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
27、在采用喷嘴调节的汽轮机中，当在采用喷嘴调节的汽轮机中，当启动和负荷变化时，调节级汽室的蒸启动和负荷变化时，调节级汽室的蒸汽温度变化很大，汽缸的最大温差常汽温度变化很大，汽缸的最大温差常常出现在调节级附近的汽缸壁与法兰常出现在调节级附近的汽缸壁与法兰过度的地方或相邻的法兰螺栓孔处，过度的地方或相邻的法兰螺栓孔处，故当汽轮机启动及负荷变动时，必须故当汽轮机启动及负荷变动时，必须严格控制调节级汽室蒸汽温度的变化严格控制调节级汽室蒸汽温度的变化率。率。第第32页页/共共84页页 汽轮机的热应力、热膨胀和热变形汽轮机的热应力、热膨胀和热变形转子热应力转子热应力 和汽缸一样，汽轮机转子在启动或停和汽缸一样
28、，汽轮机转子在启动或停机过程中，也是不稳定热传导过程。启动机过程中，也是不稳定热传导过程。启动时，高温蒸汽加热转子表面，越接近转子时，高温蒸汽加热转子表面，越接近转子中心温度则越低，转子截面的径向温差使中心温度则越低，转子截面的径向温差使转子中心产生热拉应力，而转子表面产生转子中心产生热拉应力，而转子表面产生热压应力。当汽轮机带到一定负荷处于稳热压应力。当汽轮机带到一定负荷处于稳定工况后，转子截面内部温度趋进平衡，定工况后，转子截面内部温度趋进平衡，转子热应力基本消失。转子热应力基本消失。第第33页页/共共84页页 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 通过汽缸、转子的
29、最大温差公式可知，通过汽缸、转子的最大温差公式可知，若转子的半径与汽缸法兰厚度相等时，则在同若转子的半径与汽缸法兰厚度相等时，则在同样的温度变化率下，转子表面和中心的最大温样的温度变化率下，转子表面和中心的最大温差恰好为汽缸内外壁最大温差的一半。因此在差恰好为汽缸内外壁最大温差的一半。因此在实际运行中，只要按照汽缸法兰热应力允许值实际运行中，只要按照汽缸法兰热应力允许值来控制最大允许的升温速度，转子的热应力就来控制最大允许的升温速度，转子的热应力就不会超过允许值。不会超过允许值。第第34页页/共共84页页 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 大容量汽轮机往往采用双层汽
30、大容量汽轮机往往采用双层汽缸结构，这样，限制汽轮机启停及缸结构，这样，限制汽轮机启停及负荷变化就不是主要矛盾了，而转负荷变化就不是主要矛盾了，而转子的热应力则成为主要因素。随着子的热应力则成为主要因素。随着汽轮机容量的增大，转子直径也越汽轮机容量的增大，转子直径也越来越大，汽轮机在启停过程中，转来越大，汽轮机在启停过程中，转子的热应力、热变形也就越大。子的热应力、热变形也就越大。第第35页页/共共84页页 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 转子在启停过程中，要注意转子的转子在启停过程中，要注意转子的低周疲低周疲劳劳和和低温脆性转变低温脆性转变。汽轮机从启动、稳定工况
31、下运行至停机过汽轮机从启动、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程，转子和汽缸上各点的热应力都要经历一个拉一个拉压应力循环，转子外表面由压压应力循环，转子外表面由压应力变为拉应力，中心孔面由拉应力变为应力变为拉应力，中心孔面由拉应力变为压应力。压应力。第第36页页/共共84页页 汽轮机的热应力、热膨胀和热变形汽轮机的热应力、热膨胀和热变形转子的低周疲劳转子的低周疲劳是指机组多次反复是指机组多次反复启停时，转子表面在经过压启停时，转子表面在经过压拉拉交变应力的反复作用下（或加热、交变应力的反复作用下（或加热、冷却过于剧烈），即使在应力不超冷却过于剧烈），即使在应力不超过材料
32、的屈服极限的情况下，转子过材料的屈服极限的情况下，转子的金属材料仍产生微观裂纹的现象的金属材料仍产生微观裂纹的现象称低周波疲劳损伤。称低周波疲劳损伤。第第37页页/共共84页页 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 转子的低温脆性转变转子的低温脆性转变是指金属材料在低是指金属材料在低温条件下工作时，机械性能发生变化，温条件下工作时，机械性能发生变化，既从韧性转变为脆性，材料的许用应力既从韧性转变为脆性，材料的许用应力下降。当温度降低至某一值时，由于许下降。当温度降低至某一值时，由于许用应力的下降，金属材料发生脆性断裂，用应力的下降，金属材料发生脆性断裂，这一温度称为脆性
33、转变温度。脆性转变这一温度称为脆性转变温度。脆性转变温度一般在温度一般在120140。第第38页页/共共84页页 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 汽轮机的超速试验，习惯上在汽轮汽轮机的超速试验，习惯上在汽轮机定速后进行，这样对转子是不利的。机定速后进行，这样对转子是不利的。因为此时转子的温差较大而且转子中心因为此时转子的温差较大而且转子中心处的温度低于材料的脆性转变温度。故处的温度低于材料的脆性转变温度。故为了避免转子中心温度过低而产生较大为了避免转子中心温度过低而产生较大的热应力，并防止金属材料低温脆性转的热应力，并防止金属材料低温脆性转变，运行规程中规定：大容
34、量机组在定变，运行规程中规定：大容量机组在定速后，应带部分负荷运行数小时，再将速后，应带部分负荷运行数小时，再将负荷减到零，解列发电机，然后进行汽负荷减到零，解列发电机，然后进行汽轮机的超速试验。轮机的超速试验。第第39页页/共共84页页 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 螺栓热应力螺栓热应力 在汽轮机启动过程中，法兰与螺栓在汽轮机启动过程中，法兰与螺栓之间存在着较大的温度差，而且法兰的之间存在着较大的温度差，而且法兰的温度高于螺栓的温度。由于法兰在厚度温度高于螺栓的温度。由于法兰在厚度方向上的膨胀，螺栓被拉长，此时，螺方向上的膨胀，螺栓被拉长，此时，螺栓除承受安装
35、时的拉伸预应力和汽缸内栓除承受安装时的拉伸预应力和汽缸内部蒸汽工作压力而引起的拉伸应力外，部蒸汽工作压力而引起的拉伸应力外，又额外地产生附加热应力。如三种拉应又额外地产生附加热应力。如三种拉应力之和超过螺栓材料的屈服极限，螺栓力之和超过螺栓材料的屈服极限，螺栓就发生塑性变形甚至断裂。就发生塑性变形甚至断裂。第第40页页/共共84页页 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 在螺栓产生热拉应力的同时，法兰则在螺栓产生热拉应力的同时，法兰则相应地受到热压应力的作用，若这种应力相应地受到热压应力的作用，若这种应力过大时，法兰结合面的局部就可能因受过过大时，法兰结合面的局部就可能
36、因受过度的压缩而产生塑性变形，结合面的严密度的压缩而产生塑性变形，结合面的严密性将受到破坏。性将受到破坏。第第41页页/共共84页页 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 螺栓所承受的热拉应力是随着法兰与螺栓所承受的热拉应力是随着法兰与螺栓温差的增大而增加的。一般情况下，螺栓温差的增大而增加的。一般情况下，汽轮机的其他部件在允许的加热速度下，汽轮机的其他部件在允许的加热速度下，螺栓的热应力是不致达到危险程度的，因螺栓的热应力是不致达到危险程度的，因此它不限制汽轮机的启动速度。但是，当此它不限制汽轮机的启动速度。但是，当蒸汽温度比进汽处的汽缸金属温度高很多蒸汽温度比进汽处
37、的汽缸金属温度高很多时，就应注意螺栓热应力增长情况。时，就应注意螺栓热应力增长情况。第第42页页/共共84页页 汽轮机的热应力、热膨胀和热变形汽轮机的热应力、热膨胀和热变形热冲击的概念热冲击的概念所谓热冲击，是指蒸汽与汽缸、转子所谓热冲击，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。应力增大，甚至超过材料的屈服极限。第第43页页/共共84页页 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 在汽轮机冷态启动时的在汽轮机冷态启动时的凝结放热阶段，
38、在冲转时蒸凝结放热阶段，在冲转时蒸汽温度过高与金属温度不匹汽温度过高与金属温度不匹配时，在汽轮机极热态启动配时，在汽轮机极热态启动时，都会使汽轮机金属部件时，都会使汽轮机金属部件受到热冲击。受到热冲击。第第44页页/共共84页页 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 汽汽轮轮机机在在启启停停和和工工况况变变化化时时，转转子子和和汽汽缸缸除除了了承承受受热热应应力力外外，还还要要承承受受蒸蒸汽汽的的工工作作压压力力。对对于于转转子子还还要要承承受受旋旋转转离离心心应应力力，因因此此汽汽缸缸和和转转子子实实际际上上承承受受的的是是工工作作应力和热应力的合成应力。应力和热应力
39、的合成应力。应力合成应力合成第第45页页/共共84页页 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的热膨胀汽轮机的热膨胀汽缸的热膨胀汽缸的热膨胀 汽缸的热膨胀，除了与长度尺寸和金属汽缸的热膨胀，除了与长度尺寸和金属材料的线胀系数的大小有关外，主要取决于材料的线胀系数的大小有关外，主要取决于汽轮机通流部分的热力过程和各段金属温度汽轮机通流部分的热力过程和各段金属温度的变化值。由于汽缸轴向长度最大，因而当的变化值。由于汽缸轴向长度最大，因而当温度变化时其长度变化量也大。温度变化时其长度变化量也大。第第46页页/共共84页页 汽轮机的热应力、热膨胀和热变形汽轮机的热应力、热膨
40、胀和热变形汽缸以死点为基准，在滑销系统引导下的轴汽缸以死点为基准，在滑销系统引导下的轴向热膨胀数值可近似表示为：向热膨胀数值可近似表示为：Lcy=cytcyLcyLcy汽缸的轴向热膨胀值汽缸的轴向热膨胀值 cy汽缸金属材料的线胀系数汽缸金属材料的线胀系数tcy汽缸的平均温升汽缸的平均温升Lcy汽缸轴向长度汽缸轴向长度第第47页页/共共84页页 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 由于高压汽轮机法兰的宽度和厚由于高压汽轮机法兰的宽度和厚度比汽缸壁厚度大得多，因而法兰就度比汽缸壁厚度大得多，因而法兰就象铁箍一样紧束住汽缸，故汽轮机的象铁箍一样紧束住汽缸，故汽轮机的热膨胀主
41、要取决于法兰各段的平均温热膨胀主要取决于法兰各段的平均温升。上式改写为：升。上式改写为：Lqg=qgtfLLqg第第48页页/共共84页页 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 在汽轮机运行中，把调节级处汽缸或在汽轮机运行中，把调节级处汽缸或法兰的温度值作为监视点，作出金属温度法兰的温度值作为监视点，作出金属温度与膨胀值的对应关系。与膨胀值的对应关系。48 8121620mm100200300400第第49页页/共共84页页 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 这样在汽轮机运行中，用以检查汽缸的这样在汽轮机运行中，用以检查汽缸的热膨胀值，即只要
42、将调节级处汽缸或法兰的热膨胀值，即只要将调节级处汽缸或法兰的温度控制在适当的范围内就能保证汽缸热膨温度控制在适当的范围内就能保证汽缸热膨胀符合要求。此外汽轮机在启停及正常运行胀符合要求。此外汽轮机在启停及正常运行中还应保证汽缸两侧能均匀膨胀，否则汽缸中还应保证汽缸两侧能均匀膨胀，否则汽缸中心线就会发生偏移。因此应注意监视汽缸中心线就会发生偏移。因此应注意监视汽缸左右两侧的膨胀，将调节级汽室处左右两侧左右两侧的膨胀，将调节级汽室处左右两侧法兰金属温度控制在合理范围内。法兰金属温度控制在合理范围内。第第50页页/共共84页页 汽轮机的热应力、热膨胀和热变形汽轮机的热应力、热膨胀和热变形转子的热膨胀
43、转子的热膨胀与汽缸热膨胀原理相同，转子的热膨胀值近似为：与汽缸热膨胀原理相同，转子的热膨胀值近似为：Lro=rotroLro Lro转子的轴向热膨胀值转子的轴向热膨胀值ro转子金属材料的线胀系数转子金属材料的线胀系数tro转子的平均温升转子的平均温升Lro转子轴向长度转子轴向长度第第51页页/共共84页页 汽轮机的热应力、热膨胀和热变形汽轮机的热应力、热膨胀和热变形汽缸和转子的相对膨胀汽缸和转子的相对膨胀汽缸和转子的相对膨胀汽缸和转子的相对膨胀 汽轮机的汽缸和转子，其轴向长度均汽轮机的汽缸和转子，其轴向长度均较横向尺寸大，故轴向热膨胀是主要的。较横向尺寸大，故轴向热膨胀是主要的。转子和汽缸不仅
44、金属材料和线胀系数不同，转子和汽缸不仅金属材料和线胀系数不同，而且汽轮机转子质量比汽缸小，转子与蒸而且汽轮机转子质量比汽缸小，转子与蒸汽接触的表面积却是汽缸与蒸汽接触表面汽接触的表面积却是汽缸与蒸汽接触表面积的积的5倍左右，因此启动过程中，转子的温倍左右，因此启动过程中，转子的温升比汽缸快，轴向膨胀值比汽缸大，从而升比汽缸快，轴向膨胀值比汽缸大，从而两者轴向膨胀数值产生差异。两者轴向膨胀数值产生差异。第第52页页/共共84页页 汽轮机的热应力、热膨胀和热变形汽轮机的热应力、热膨胀和热变形汽缸死点汽缸死点推力轴承推力轴承支持轴承支持轴承一台单缸汽轮机转子与汽缸的相对膨胀示意图一台单缸汽轮机转子与
45、汽缸的相对膨胀示意图第第53页页/共共84页页 汽轮机的热应力、热膨胀和热变形汽轮机的热应力、热膨胀和热变形汽缸受热膨胀时，以滑销系统的死点为基准向高压端汽缸受热膨胀时，以滑销系统的死点为基准向高压端伸长，推动轴承座向前移动，由于推力瓦作用，整个伸长，推动轴承座向前移动，由于推力瓦作用，整个转子也必然随之向前移动；转子受热膨胀时，以推力转子也必然随之向前移动；转子受热膨胀时，以推力轴承为基准向低压端伸长。这样推力瓦就间接地成为轴承为基准向低压端伸长。这样推力瓦就间接地成为转子和汽缸轴向位置的相对固定点。若转子和汽缸某转子和汽缸轴向位置的相对固定点。若转子和汽缸某一截面至推力瓦的距离为一截面至推
46、力瓦的距离为L，转子、汽缸在该截面的平，转子、汽缸在该截面的平均温升为均温升为tro、tcy 则汽缸和转子的膨胀值分别为：则汽缸和转子的膨胀值分别为：Lro=ro tro L Lcy=cy tcy L第第54页页/共共84页页 汽轮机的热应力、热膨胀和热变形汽轮机的热应力、热膨胀和热变形假定转子与汽缸金属材料的线胀系数均为假定转子与汽缸金属材料的线胀系数均为则则在这个截面上转子与汽缸膨胀差值为：在这个截面上转子与汽缸膨胀差值为：Lro-cy=L t ro-cyt ro-cy转子与汽缸的平均温升差转子与汽缸的平均温升差转子与汽缸沿轴向膨胀之差值，称为转子与汽缸转子与汽缸沿轴向膨胀之差值，称为转子
47、与汽缸的相对膨胀差，简称的相对膨胀差，简称胀差。胀差。第第55页页/共共84页页 汽轮机的热应力、热膨胀和热变形汽轮机的热应力、热膨胀和热变形习惯上规定：正胀差正胀差：转子轴向膨胀大于汽缸值。转子轴向膨胀大于汽缸值。负胀差：负胀差：转子轴向膨胀小于汽缸值。转子轴向膨胀小于汽缸值。第第56页页/共共84页页 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 汽轮机滑销系统汽轮机滑销系统滑销系统的作用：滑销系统的作用：保持汽缸和转子的中心一致，避免因机体膨胀保持汽缸和转子的中心一致，避免因机体膨胀中心变化，引起机组振动或动、静之间的摩擦；中心变化，引起机组振动或动、静之间的摩擦；保证汽
48、缸能自由膨胀，以免发生过大应力引起保证汽缸能自由膨胀，以免发生过大应力引起变形；变形；使转子和静子轴向与径向间隙符合要求。使转子和静子轴向与径向间隙符合要求。第第57页页/共共84页页 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 汽轮机的横销只允许轴承座和汽轮机的横销只允许轴承座和汽缸作横向膨胀；纵销只允许其纵汽缸作横向膨胀；纵销只允许其纵向膨胀。向膨胀。汽缸和轴承座之间设有立销，汽缸和轴承座之间设有立销，立销只允许汽缸在垂直方向膨胀，立销只允许汽缸在垂直方向膨胀，使汽缸中心和轴承中心在同一纵分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，面上，以保证汽缸与轴
49、承中心一致，使转子中心与汽缸中心一致。使转子中心与汽缸中心一致。第第58页页/共共84页页 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 汽轮机转子是以推力盘为死点，沿轴向汽轮机转子是以推力盘为死点，沿轴向向前后膨胀的。当工况变化时，推力盘有时向前后膨胀的。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，要考虑推力盘间隙的影响。流部分间隙时，要考虑推力盘间隙的影响。由于汽缸的轴向尺寸大，故汽缸的轴向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。国产膨胀成为重要的监视指标。国产300MW汽汽轮机高中压缸
50、总膨胀可达近轮机高中压缸总膨胀可达近40mm。第第59页页/共共84页页 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NC300MW机组汽缸和转子膨胀系统图机组汽缸和转子膨胀系统图 高压内缸高压内缸膨胀方向膨胀方向高中压转子膨胀方向高中压转子膨胀方向高中压外缸高中压外缸膨胀方向膨胀方向低压缸膨胀方向低压缸膨胀方向第第60页页/共共84页页 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的热膨胀汽轮机的热膨胀汽轮机启动时胀差的变化规律汽轮机启动时胀差的变化规律汽轮机甩负荷、停机、热态启动时汽轮机甩负荷、停机、热态启动时相对胀差的变化规律相对胀差的变化规律影响胀