汽轮机的三热理论

1、1 1、汽轮机的稳态传热过程：金属部件内的温、汽轮机的稳态传热过程：金属部件内的温度分布不随时间变化。（汽轮机的稳定运行度分布不随时间变化。（汽轮机的稳定运行工况属于稳态传热过程；汽轮机启、停过程工况属于稳态传热过程；汽轮机启、停过程属于非稳定传热过程）属于非稳定传热过程）2 2、汽轮机内的主要传热方式：蒸汽与金属表面、汽轮机内的主要传热方式：蒸汽与金属表面之间的热量传递，称之为换热；热量在金属部之间的热量传递，称之为换热；热量在金属部件内部的传递，称之为导热。件内部的传递，称之为导热。3 3、换热系数越大、热导率越小金属部件内形、换热系数越大、热导率越小金属部件内形成的温差就越大。成的温差就

2、越大。4 4、凝结换热：当蒸汽与低于饱和温度的壁面接、凝结换热：当蒸汽与低于饱和温度的壁面接触时，在壁面上发生凝结，放出汽化潜热。触时，在壁面上发生凝结，放出汽化潜热。 凝结换热分为：珠状凝结和膜状凝结；珠状凝结换热分为：珠状凝结和膜状凝结；珠状凝结放热系数大于膜状凝结放热系数；凝结放热系数大于膜状凝结放热系数； 汽轮机冷态启动时发生凝结换热；蒸汽对汽汽轮机冷态启动时发生凝结换热；蒸汽对汽缸表面的放热为膜状凝结换热；转子上由于离心缸表面的放热为膜状凝结换热；转子上由于离心力的作用一般不会形成水膜，因此为珠状凝结换力的作用一般不会形成水膜，因此为珠状凝结换热。热。5 5、对流换热：金属部件温度达

3、到对应压力下的、对流换热：金属部件温度达到对应压力下的饱和温度时，蒸汽对金属表面的放热数是以对流饱和温度时，蒸汽对金属表面的放热数是以对流方式进行的；蒸汽的对流换热系数比凝结放热系方式进行的；蒸汽的对流换热系数比凝结放热系数小得多。数小得多。 对流换热系数随蒸汽的流动状态以及蒸汽的温对流换热系数随蒸汽的流动状态以及蒸汽的温度、压力、流速的变化而变化。一般来说随着汽度、压力、流速的变化而变化。一般来说随着汽轮机负荷的增加，蒸汽压力的提高，放热系数是轮机负荷的增加，蒸汽压力的提高，放热系数是不断增加的。不断增加的。1 1、转子或汽缸内外壁的温差的大小取决于以下、转子或汽缸内外壁的温差的大小取决于以

4、下几个因素：几何尺寸、导热率、蒸汽温度变化率几个因素：几何尺寸、导热率、蒸汽温度变化率和温度变化范围、换热系数。和温度变化范围、换热系数。 对于确定形式的汽轮机，温差的大小取决于对于确定形式的汽轮机，温差的大小取决于运行条件。因此启停过程中应通过改变蒸汽压力、运行条件。因此启停过程中应通过改变蒸汽压力、温度、流量和流速等方法来控制蒸汽对金属的放温度、流量和流速等方法来控制蒸汽对金属的放热量。热量。2 2、汽缸单向受热时可能出现的温度分布情况、汽缸单向受热时可能出现的温度分布情况（1 1）双曲线：加热剧烈）双曲线：加热剧烈（2 2）直线：稳定加热）直线：稳定加热（3 3）抛物线：缓慢加热）抛物线

5、：缓慢加热3 3、临界点（危险点）：高压缸调节级和中压缸第、临界点（危险点）：高压缸调节级和中压缸第一级一级4 4、准稳态：当蒸汽温升率一定时，温差达到最大、准稳态：当蒸汽温升率一定时，温差达到最大且保持不变时的状态。且保持不变时的状态。5 5、暖机的主要目的：、暖机的主要目的：（1 1）减小汽轮机转子和汽缸内外壁温差；）减小汽轮机转子和汽缸内外壁温差；（2 2）使转子、汽缸加热均匀充分，减小汽轮）使转子、汽缸加热均匀充分，减小汽轮机胀差；机胀差；（3 3）使汽轮机转子加热均匀并保持整体温度）使汽轮机转子加热均匀并保持整体温度水平在转子材料的脆性转变温度以上，从而水平在转子材料的脆性转变温度以

6、上，从而防止转子脆性断裂。防止转子脆性断裂。1 1、热应力：物体温度变化时其变形受到限制，、热应力：物体温度变化时其变形受到限制，则在物体内就会产生应力，这种应力称为热应则在物体内就会产生应力，这种应力称为热应力。力。2 2、汽缸的热应力：、汽缸的热应力： 汽轮机启动时：内壁为压应力、外壁为拉应力。汽轮机启动时：内壁为压应力、外壁为拉应力。内壁热压应力：内壁热压应力：外壁热拉应力：外壁热拉应力：tE132内tE131外汽轮机停机时：内壁为拉应力、外壁为压应力汽轮机停机时：内壁为拉应力、外壁为压应力tE132外tE131内说明：说明：（1 1）热应力与温差成正比。）热应力与温差成正比。（2 2）

7、汽缸冷却过快比加热过快更危险：）汽缸冷却过快比加热过快更危险： 因为冷却过程，汽轮机内壁产生拉应力，并且拉因为冷却过程，汽轮机内壁产生拉应力，并且拉应力是压应力的两倍；应力是压应力的两倍； 汽缸同时还受着蒸汽的静拉应力及残余拉汽缸同时还受着蒸汽的静拉应力及残余拉应力，而汽缸材料的抗拉能力小于其抗压能力，应力，而汽缸材料的抗拉能力小于其抗压能力，所以上述三种拉应力之和很可能大于材料的强所以上述三种拉应力之和很可能大于材料的强度极限，使汽缸产生裂纹。度极限，使汽缸产生裂纹。 （3 3）汽轮机甩半负荷比甩全负荷更危险）汽轮机甩半负荷比甩全负荷更危险因为甩半负荷时蒸汽的放热系数比甩全负荷时因为甩半负荷

8、时蒸汽的放热系数比甩全负荷时的放热系数大的多。的放热系数大的多。（4 4）控制汽轮机金属的温升速度是控制热应力）控制汽轮机金属的温升速度是控制热应力的基本方法。的基本方法。 bctbttt22汽缸内外壁温差；汽缸壁的厚度导温系数金属的温升速度 通常汽缸的温升速度应控制在通常汽缸的温升速度应控制在3 34/4/分钟；分钟；主汽阀、调节汽阀，由于其阀体壁厚比汽缸薄一主汽阀、调节汽阀，由于其阀体壁厚比汽缸薄一些，通常规定阀体的温升速度为些，通常规定阀体的温升速度为4 4 5/ 5/分钟分钟3 3、螺栓的热应力：、螺栓的热应力：螺栓工作时的受力：螺栓工作时的受力：蒸汽的静拉应力；蒸汽的静拉应力；螺栓的

9、预拉应力；螺栓的预拉应力；热拉应力。热拉应力。规定法兰与螺栓的温差允许值是：规定法兰与螺栓的温差允许值是：20 20 35 35tEpu4 4、转子的热应力：、转子的热应力：转子的温差：转子的温差： 当汽缸壁厚和转子半径相等时，同当汽缸壁厚和转子半径相等时，同样的温升速度，则汽缸的温差是转子温样的温升速度，则汽缸的温差是转子温差的两倍。差的两倍。 但大机组，启停过程中一般通过监但大机组，启停过程中一般通过监视转子的热应力来控制机组的启停速度。视转子的热应力来控制机组的启停速度。原因：汽缸采用双层，汽缸壁减薄；原因：汽缸采用双层，汽缸壁减薄；而转子直径增大；而转子直径增大；tbRt42 一般用监

10、视和控制调节级汽缸内壁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。温度的方法来控制转子的热应力。5 5、热冲击：短时间内进行大量的热交、热冲击：短时间内进行大量的热交换，金属部件内迅速产生较大的温差，换，金属部件内迅速产生较大的温差，热应力增大甚至超过材料的屈服极限。热应力增大甚至超过材料的屈服极限。造成热冲击的原因造成热冲击的原因：（1）启动时蒸汽温度与金属温度不匹配）启动时蒸汽温度与金属温度不匹配（2）极热态启动造成的热冲击（3）甩负荷造成的热冲击（4）运行过程中蒸汽温度突然发生大幅度变化。4、应力集中及转子汽缸最大热应力部位（1）发生最大热应力的时刻：准稳态（2）发生最大

11、热应力的部位：高压缸调节级处、中压缸进汽室。 1 1、汽缸的绝对热膨胀：汽缸的绝对膨胀量取、汽缸的绝对热膨胀：汽缸的绝对膨胀量取决于法兰温度。决于法兰温度。 （1 1）以死点为基准的轴向膨胀。）以死点为基准的轴向膨胀。 滑销系统卡涩将引起汽缸膨胀受阻，轴滑销系统卡涩将引起汽缸膨胀受阻，轴向膨胀受阻时将引起动静部分之间轴向间隙变化、向膨胀受阻时将引起动静部分之间轴向间隙变化、汽缸变形、严重时可造成动静部分摩擦。汽缸变形、严重时可造成动静部分摩擦。 （2 2）汽缸的横向膨胀）汽缸的横向膨胀 左右法兰温度不均或横销卡涩将引起汽缸左右法兰温度不均或横销卡涩将引起汽缸横向膨胀不一致，严重时可造成动静部分

12、之间摩横向膨胀不一致，严重时可造成动静部分之间摩擦，因此运行时应监视左右法兰温度不超过规定擦，因此运行时应监视左右法兰温度不超过规定值。值。2 2、转子的绝对膨胀、转子的绝对膨胀转子的轴向绝对膨胀是以推力盘为死点的。转子的轴向绝对膨胀是以推力盘为死点的。3 3、本级组的膨胀示意图、本级组的膨胀示意图135135MWMW机组膨胀示意图机组膨胀示意图高压内缸膨胀量由两部分组成：高压内缸膨胀量由两部分组成：外缸在高中压缸分缸面处的膨胀值，加上高压内外缸在高中压缸分缸面处的膨胀值，加上高压内缸由此分缸面处向前的膨胀值；缸由此分缸面处向前的膨胀值；中压内缸膨胀量由两部分组成：中压内缸膨胀量由两部分组成：

13、外缸在高中压缸分缸面处的膨胀值，减去中压内外缸在高中压缸分缸面处的膨胀值，减去中压内缸由此分缸面处向后的膨胀值；缸由此分缸面处向后的膨胀值；2、汽缸和转子的相对膨胀、汽缸和转子的相对膨胀 汽缸和转子由于受热条件不同、线胀系数不汽缸和转子由于受热条件不同、线胀系数不同，因此膨胀时产生了膨胀差值。同，因此膨胀时产生了膨胀差值。（1 1）相对膨胀的概念：转子与汽缸沿轴向的膨）相对膨胀的概念：转子与汽缸沿轴向的膨胀差值。转子的膨胀大于汽缸的膨胀称为正胀差，胀差值。转子的膨胀大于汽缸的膨胀称为正胀差，反之为负胀差反之为负胀差。（2 2）胀差的影响：使动静部分轴向间隙发生变）胀差的影响：使动静部分轴向间隙

14、发生变化。正胀差使级间轴向间隙减小，负胀差使本级化。正胀差使级间轴向间隙减小，负胀差使本级轴向间隙减小。（见下图）轴向间隙减小。（见下图）（3 3）冷态启动时胀差的变化规律：汽轮机胀差）冷态启动时胀差的变化规律：汽轮机胀差总体表现为正胀差。汽轮机进入准稳态区或启动总体表现为正胀差。汽轮机进入准稳态区或启动过程结束时，正胀差值达到最大。过程结束时，正胀差值达到最大。ba （4）汽轮机甩负荷、停机、热态启动时相对胀差的变化规律：往往出现负胀差。 （5）转子惰走阶段胀差的变化：汽轮机打闸停机后，在惰走阶段胀差有不同程度的增加，主要原因如下：1）没有蒸汽进入通流部分，转子鼓风摩擦产生的热量不能被带走，

15、使转子温度升高。2）转子的回转效应，即高速旋转时轴变粗变短，）转子的回转效应，即高速旋转时轴变粗变短，转速降低时轴变细变长。转速降低时轴变细变长。（6）影响胀差的因素及控制胀差的措施。）影响胀差的因素及控制胀差的措施。1）滑销系统通畅与否；）滑销系统通畅与否； 2）控制蒸汽温升和流量变化速度，这是控制胀）控制蒸汽温升和流量变化速度，这是控制胀差的有效方法。差的有效方法。 3）轴封供汽的影响；轴封供汽温度、供汽时间。）轴封供汽的影响；轴封供汽温度、供汽时间。（这是冷态启动和热态启动时轴封供汽时间不同（这是冷态启动和热态启动时轴封供汽时间不同原因之一）原因之一） 4 4）法兰螺栓加热装置的影响；）

16、法兰螺栓加热装置的影响；5 5）凝汽器真空的影响；）凝汽器真空的影响；6 6）汽缸保温和疏水的影响。）汽缸保温和疏水的影响。讨论：胀差产生时，本机组动静部分之间的间隙讨论：胀差产生时，本机组动静部分之间的间隙变化。变化。一、上、下缸温差引起的热变形一、上、下缸温差引起的热变形1、引起上、下汽缸温差的主要因素、引起上、下汽缸温差的主要因素（1）上、下缸散热面积不同；）上、下缸散热面积不同；（2）下缸疏水的影响；）下缸疏水的影响；（3）上、下缸保温不同；）上、下缸保温不同；（4）上、下缸位置不同；）上、下缸位置不同；（5）部分进汽；）部分进汽；（6）停机后热蒸汽停留在汽缸上部。）停机后热蒸汽停留在

17、汽缸上部。 2、汽缸拱背变形、汽缸拱背变形拱背变形的影响：拱背变形的影响：下部径向间隙减小，隔板倾斜使轴向间隙变化。下部径向间隙减小，隔板倾斜使轴向间隙变化。3、上下缸温差通常的允许范围：、上下缸温差通常的允许范围： 3550二、汽缸法兰内外壁温差引起的热变形二、汽缸法兰内外壁温差引起的热变形1、水平方向的变形、水平方向的变形 法兰内壁温度高于外壁温度：中间截面产生法兰内壁温度高于外壁温度：中间截面产生立椭圆，结合面为内张口；两端截面为扁椭圆，立椭圆，结合面为内张口；两端截面为扁椭圆，结合面为外张口。结合面为外张口。 法兰外壁温度高于内壁温度：中间截面产生法兰外壁温度高于内壁温度：中间截面产生

18、扁椭圆，结合面为外张口；两端截面为立椭圆，扁椭圆，结合面为外张口；两端截面为立椭圆，结合面为内张口。结合面为内张口。2、垂直方向的变形、垂直方向的变形 当法兰结合面热应力超过材料的屈服极限时，当法兰结合面热应力超过材料的屈服极限时，结合面将产生张口。结合面将产生张口。3、危害：动静间隙变化，发生摩擦；结合面漏、危害：动静间隙变化，发生摩擦；结合面漏汽。汽。 4、一般要求调节级处法兰内外壁温差小于、一般要求调节级处法兰内外壁温差小于100度，度，对装有法兰螺栓加热装置的汽轮机应把此温度控对装有法兰螺栓加热装置的汽轮机应把此温度控制在制在30度左右。度左右。讨论：决不允许法兰外壁温度高于内壁温度。讨论：决不允许法兰外壁温度高于内壁温度。 三、汽轮机转子的热弯曲三、汽轮机转子