汽轮机的热应力、热变形、热膨胀分析

1、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；汽轮机寿命及如何进行汽轮机的寿命管理。 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：汽缸壁厚度，汽缸壁

2、越厚，内外温差越大。材料的导热性能；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。 汽轮机的热应力一、热应力热应力概念：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部分之间的相互约束所产生的应力。温度变化时，物体内部各点温度均匀，变形不

3、受约束，则物体产生热变形而没有热应力。当变形受到约束时，则在内部产生热应力。物体各处温度不均匀时，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，且内外壁表面的热压和热拉应力均大于沿壁厚其他各处的热应力。内壁；外壁：在停机过程中，内壁表面热拉应力，外壁表面热压应力。（1）热应力与汽缸壁温差t成正比，因此可用t作为汽轮机运行中控制热应力的监视指标，在启停及负荷变化过程中，严格控制内外壁温差t在允许的范围内；（2）汽轮机冷却过快比加热过快更加危险；（原因略）（3）控制汽轮机金属的温升速度是

4、控制热应力的基本方法。运行中除监视内外壁温差外，还必须控制好金属的温度升降速度，汽缸内壁温升（温降）速度大小决定了汽轮机转速和负荷变化的快慢，也即决定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，外侧就会阻止内侧自由热膨胀，内侧产生热压应力，外侧受热拉应力。停机时，情况则相反；如果机组不断启停，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

5、1启动时，蒸汽以对流换热方式将热量传给转子外表面，再以导热方式将热量传给转子中心孔。其中转子外表面温度上升快，中心孔与外表面存在温差；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；转子中心孔与外表面的温差越大；转子的热应力也越大。启动时转子外表面产生热压应力，中心产生热拉应力；停机时，刚好相反，而正常运行时，由于径向温差变得很小，转子内的热应力基本消失。2控制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

6、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控制最大允许温升速度；（2）双层缸大功率汽轮机转子的热应力大，按转子热应力来控制最大允许温升速度。主要原因：转子的半径大于汽缸的壁厚；启动时，转子的受热条件优于汽缸；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出现在高压转子的调节级和中压转子的第一级附近。一般用监视和控制调节级汽缸内壁温度的方法来控制转子的热应力。因为蒸汽首先接触调节级处部件，蒸汽与转子温差较大，在启停及正常运行中，应注意调节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。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

7、汽缸裂纹。随着对汽缸的结构的改进，对机组启停及加减负荷速度的限制，使汽缸的热疲劳损坏逐步得到解决。随着容量进一步增大，转子直径也增大，转子热疲劳损坏也突出了。 转子低频疲劳损伤启动时转子外表面产生热压应力，中心产生热拉应力；停机时，转子外表面产生热拉应力，中心产生热压应力；汽轮机每启停一次，转子表面就会交替出现一次热压应力和热拉应力，多次启停，在交变热应力反复作用下，将使转子金属表面出现裂纹，称为转子的低频疲劳损伤。启停时加热或冷却越快，转子损耗就越大。越容易出现裂纹。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

8、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进行，但对于大功率汽轮机我们规定，机组定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，再进行超速试验。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。 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置。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：保证汽缸在

9、纵向能自由热胀冷缩，在横向能均匀膨胀，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

10、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置，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

11、；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mA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（表面放热系数,是指一定单位面积、单位时间和温度下，释放的热量。一般可采用单位千卡/平方米小时表示）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

12、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。（3）凝汽器真空在升速和暖机过程中，当真空降低时，若保持机组转速不变，须增加进汽量，使高压转子受热增加，胀差增大。使中、低压转子鼓风摩擦热量被增加的蒸汽量带走，胀差减少。（由于中、低压转子叶片较长，其鼓风摩擦热量比高压转子大。当真空降低时，中低压转子鼓风摩擦热量被增加的蒸汽量带走，故胀差减少；因此，在升速暖机过程中不能用提高真空的办法来减小中、低压通流部

13、分的胀差。）(4)鼓风摩擦热量鼓风摩擦损失与动叶片长度成正比，与圆周速度三次方成正比，所以低压转子的鼓风摩擦损失远比高、中压转子大，鼓风摩擦损失热量加热通流部分，使胀差增加，在小流量时其影响较大。随着流量增加，其影响逐渐减小，当流量达到一定值时，鼓风摩擦损失的热量已能全部被带走，这时对胀差的影响就会消失。(5)转速转子的离心力与转速的平方成正比；在离心力作用下，转子沿径向伸长，轴向则缩短，胀差减小。（弹性材料的径向应变与轴向应变有一定比例关系，当转子径向伸长时，转子轴向必然会缩短）大容量机组转速高、转子长，离心力对胀差的影响应加以考虑。随流量增大、转速上升，高压转子的胀差逐渐增大，而中低压转子

14、胀差先随转速升高而增加，中速之后又随转速增加而减小。(6)进汽参数当进汽参数突然发生变化时，转子的受热状态首先发生变化，而对汽缸的影响要滞后一段时间，胀差将发生变化。(7)隔板挠度隔板在压差作用下产生的挠度会使动静部分的间隙减小。应考虑对胀差的影响；但在启动时，由于蒸汽流量很小，隔板前后压差不大，可以忽略对胀差的影响。5控制胀差的方法胀差的大小主要取决于蒸汽的温度变化率，在运行中可用蒸汽温度变化率来控制胀差。额定参数启动时，为控制转子和汽缸的温差，进行低速暖机和低负荷暖机，目的是减少进汽量，使汽缸温度跟上蒸汽温度的变化，当汽缸温度接近蒸汽温度时，再继续增加进汽量，升速和升负荷。三、汽缸的膨胀不

15、畅汽缸的热膨胀影响机组的启停以及增减负荷的速度，一旦汽缸膨胀不畅，将引起振动、机件故障，严重时会造成机组损坏。(1)汽缸膨胀不畅表现形式汽缸膨胀不畅包括轴向膨胀不畅和横向膨胀不畅汽缸轴向膨胀不畅，表现为启动过程中高、中压胀差较大，严重影响启动速度，延长启动时间。动叶围带处可能发生严重磨损；汽缸横向膨胀不畅(汽缸跑偏或汽缸横向窜动)，表现为前轴承箱两侧横向膨胀差和汽缸左右(横向)膨胀差的增大，可以断定汽缸膨胀发生偏斜，揭缸后可能会进一步发现汽缸上的轴封会留下明显的单侧摩擦痕迹或在立销处有挤压痕迹等。三种表现形式：轴承座和台板之间的接触状态变化；汽轮机各轴承座之间的相互位置发生了变动；改变了动静部

16、件之间的径向间隙或轴向间隙。(2)汽缸膨胀不畅产生的原因汽缸膨胀不畅多发生在高、中压缸，尤其是高、中缸分缸机组；低压缸直接坐落在台板上，质量大且温度不高，膨胀量较小，一般不会发生汽缸膨胀不畅现象。造成汽缸膨胀不畅的主要原因有：滑销系统有缺陷或损坏。纵销、立销间隙过大和磨损，立销刚度不足，销座固定不牢等造成的跑偏：如果纵销损坏，在启停过程中造成轴承座横向移动，带动汽缸移动，造成汽缸跑偏。如果立销损坏，在启停过程中造成汽缸横向移动，造成汽缸跑偏。如果猫爪横销卡涩，造成汽缸横向膨胀受阻，造成汽缸跑偏。汽缸台板、轴承座与基础台板之间，表面缺乏润滑剂或台板锈蚀，造成摩擦力增加，一旦汽缸膨胀力克服台板的摩

17、擦力，汽缸便进入无润滑膨胀状态，对汽缸膨胀不致造成很大的影响；当汽缸与轴承座中心不正，汽缸和轴承座在机组膨胀时易发生偏移或扭转，使滑销系统产生变形卡阻，汽缸膨胀所受阻力将大为增大，将造成汽缸膨胀不畅。汽缸、轴承座及转子间错位，引起汽缸膨胀不畅，导致轴承、转子故障，轴封磨损漏汽，透平油进水和机组振动等问题，严重的损坏汽轮机。管系对汽缸的侧向作用力较大。缸体与许多管道相连，由于制造和安装存在误差、运行中残余应力的释放、管道的蠕变以及支吊架的失效等原因，使得管道对汽缸有一定的作用力。若作用力偏差大，形成较大的侧向作用力，造成汽缸横向膨胀受阻，汽缸跑偏，严重时造成立销脱落和立销座开焊，转轴碰磨引起弯轴

18、事故。运行中应注意左右两侧膨胀的不均，汽轮机进口两侧的汽温差随锅炉左右温差增加而增大，故要限制左右两侧的汽温差，并控制启停、增减负荷速度。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

19、原因：上下汽缸散热面积不同：下缸布置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。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。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。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，且下汽缸是置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。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

20、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置，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

21、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

22、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置时)。（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置、采用法兰螺栓加热装置等。 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。盘车装置作用：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）

23、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。转子的最大弯曲值：式中 fu用千分表测得转子的晃度值，mm；L两轴承间转子的长度，mm；l千分表与轴承的距

24、离，mm。（4）一般规定汽轮机转子的晃度值不超过0.05mm，部分制造厂规定晃度表指示不得大于原始值0.02mm。 汽轮机的寿命管理一、汽轮机的寿命从初次投入运行至转子出现第一条宏观裂纹（长度大约为0.20.5mm）期间总的工作时间。二、转子的高温蠕变损耗1蠕变寿命在高温和静载荷下，蠕变会使零部件缓慢地随时间延长而导致断裂，汽轮机每运行一小时，金属材料就发生一小时蠕变，消耗了一小时蠕变寿命，蠕变寿命损耗率为：其中：t-运行累计时间（h）t2-汽轮机满负荷时，调节级处金属温度和工作应力下的蠕变断裂时间（h），蠕变断裂时间t2随工作温度的升高和承受应力的增加而减少。2汽轮机蠕变损伤监控（1）由于不

25、同温度及应力下，t2不同，故应记录每种工况运行时间，分别计算再加起来；（2）汽缸和转子都有蠕变损伤，大型机组汽缸承受应力小于转子所承受的应力，只须考虑转子寿命损耗；（3）若能严格控制超温运行，并保持正常应力水平，则转子蠕变寿命损耗不大，仅当金属温度高于设计值时，才考虑转子蠕变寿命损耗。三、转子低频疲劳损耗1转子低频疲劳损耗汽轮机每启停一次，转子表面层就会交替出现一次热压应力和热拉应力，若汽轮机多次启停，则交变热应力多次反复作用，将引起转子金属表面出现裂纹，称为转子低频疲劳损耗。2转子不同部位的疲劳寿命损耗曲线疲劳寿命损耗曲线表明了金属温度变化量、金属温度变化率与转子寿命的关系：疲劳寿命损耗曲线

26、的横坐标为该部位表面介质的温度变化量，纵坐标为介质的温度变化率，f值为循环周次N的倒数，即：f=1/N，即在N对应的应力值下循环一次后，转子寿命损耗的百分数。从曲线变化关系可以看出，机组每次启停时金属温度变化量越大，金属温度变化率越快，对转子寿命损耗的影响就越大。金属温度变化率变小，允许的金属温度变化量便可以稍大一些，反之亦然。四、汽轮机的寿命管理1寿命分配转子的总寿命损耗主要是低频疲劳损伤和高温蠕变损伤之和。（1）蠕变损伤取决于转子运行温度、应力水平和运行小时数。（2）在不同循环应力i交替作用下，各作用了ni次，总的疲劳寿命损耗为：2当总寿命损耗E=1时，认为转子寿命损耗殆尽，转子的低频疲劳损伤和稳定运行时的高温蠕变损伤的比例分配主要根据机组运