汽轮机的热应力热变形热膨胀分析.docx

本文格式为Word版，下载可任意编辑汽轮机的热应力热变形热膨胀分析 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；汽轮机寿命及如何举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繁杂的工况在启停过程中，由于温度强烈变化，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成确定水平日，会使高温部件遭遇损伤，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，结果经保温层散向大气，汽缸内外壁存在温差，内壁温度高于外壁温度，停机过程那么产生相反温差 （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，温差大片面集中在内壁一侧， 热冲击时； 加热稳定：温度分布为直线型，温差分布平匀， 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外观，再以导热方式传到中心孔，通过中心孔散给周边环境，在转子外外观和中心孔产生温差，温差取决于转子的布局、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 1 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片面之间的相互约束所产生的应力 ①温度变化时，物体内部各点温度平匀，变形不受约束，那么物体产生热变形而没有热应力当变形受到约束时，那么在内部产生热应力 ②物体各处温度不平匀时，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，且内外壁外观的热压和热拉应力均大于沿壁厚其他各处的热应力 内壁；?i??2?E???t 31??1?E??t 31??外壁：?0???在停机过程中，内壁外观热拉应力，外壁外观热压应力 2 （1）热应力与汽缸壁温差Δt成正比，因此可用Δt作为汽轮机运行中操纵热应力的监视指标，在启停及负荷变化过程中，严格操纵内外壁温差Δt在允许的范围内； （2）汽轮机冷却过快比加热过快更加危害；（理由略） （3）操纵汽轮机金属的温升速度是操纵热应力的根本方法。

运行中除监视内外壁温差外，还务必操纵好金属的温度升降速度，汽缸内壁温升（温降）速度大小抉择了汽轮机转速和负荷变化的快慢，也即抉择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，外侧就会阻拦内侧自由热膨胀，内侧产生热压应力，外侧受热拉应力停机时，处境那么相反；假设机组不断启停，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外观，再以导热方式将热量传给转子中心孔其中转子外外观温度上升快，中心孔与外外观存在温差；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； 转子中心孔与外外观的温差越大；转子的热应力也越大。

启动时转子外外观产生热压应力，中心产生热拉应力；停机时，刚好相反，而正常运行 3 时，由于径向温差变得很小，转子内的热应力根本消散 2．操纵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操纵最大允许温升速度； （2）双层缸大功率汽轮机 转子的热应力大，按转子热应力来操纵最大允许温升速度 主要理由：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展现在高压转子的调理级和中压转子的第一级邻近一般用监视和操纵调理级汽缸内壁温度的方法来操纵转子的热应力 由于蒸汽首先接触调理级处部件，蒸汽与转子温差较大，在启停及正常运行中，应留神调理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 随着对汽缸的布局的提升，对机组启停及加减负荷速度的限制，使汽缸的热疲乏损坏逐步得到解决。

②随着容量进一步增大，转子直径也增大，转子热疲乏损坏也突出了 ４．转子低频疲乏损伤 启动时转子外外观产生热压应力，中心产生热拉应力；停机时，转子外外观产生热拉应力，中心产生热压应力；汽轮机每启停一次，转子外观就会交替展现一次热压应力和热拉应力，屡屡启停，在交变热应力反复作用下，将使转子金属外观展现裂纹，称为转子的低频疲乏损伤启停时加热或冷却越快，转子损耗就越大越轻易展现裂纹 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举行，但对于大功率汽轮机我们规定，机组定速后应带片面负荷运行数小时，再将负荷减到零，解列发电机，再举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 4 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，变更了常温下零部件位置。

由于各部件几何尺寸及材质的不同，其热膨胀也不一致，造成各动静片面间隙变化，危害汽轮机的安好运行 要求：①保证汽缸在纵向能自由热胀冷缩，在横向能平匀膨胀， ②汽轮机动静片面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 若调理级汽室外左右两侧法兰的金属温差操纵良好，就能使汽缸横向膨胀平匀否那么，汽缸将产生中心偏移 为保证汽缸左右膨胀平匀，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，通常选择调理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，理应投入法兰加热装置，并把汽缸和法兰的温差操纵在允许的范围内 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，以防止卡涩和动静片面磨损。

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．胀差产生的理由： （1）转子和汽缸的金属材料不同，热胀系数不同； 5 — 8 —。