第七章-汽轮机的运行

EH油系统（复习）1、EH油用的什么油，有什么特点，为什么用它？2、EH油系统的主要设备有哪些？各起什么作用？第七章汽轮机的运行

岭南现代高级技工学校第七章、汽轮机的运行第一节、汽轮机的热状态（汽轮机运行的基本理论——汽轮机“三热理论”）蒸汽在汽轮机中的传热现象金属部件的温度分布汽轮机的热应力汽轮机的热膨胀汽轮机的热变形三热理论蒸汽在汽轮机中的传热现象

蒸汽在汽轮机内膨胀做功，将热能转变为机械能，同时又以对流传热的方式，将热量传递给汽缸、转子等金属部件的表面。热量在汽缸内以导热的方式从内壁传到外壁，最后经保温层散到大气；热量在转子内以导热方式从转子表面传到中心孔，通过中心孔散给周围空间。由于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孔间形成温差。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换热系数对金属部件上引起的温差的影响蒸汽在汽轮机中的传热现象汽轮机在稳定工况下运行时的传热过程

汽轮机在蒸汽参数不随时间变化的稳定工况下运行时，汽缸、转子等金属部件内的温度分布是不随时间变化的称为稳态传热过程。汽轮机在启停和工况变化时的传热过程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。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，使其温度升高，金属部件内温度分布是不均匀的。而在停机和减负荷过程中，蒸汽温度低于金属部件温度，使其冷却，温度下降，金属部件内温度分布是不均匀的。凝结换热的概念

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，在金属表面容易发生凝结换热现象，蒸汽放出汽化潜热，凝结成液体。膜状凝结珠状凝结膜状凝结

凝结换热时蒸汽在金属表面凝结成水膜。珠状凝结

凝结换热时蒸汽在金属表面凝结成水珠。（汽轮机转子以一定转速旋转，由于离心力作用，形不成水膜）。

珠状凝结的放热系数比膜状凝结的放热系数要大得多，约大15~20倍。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，冲动转子。对流换热的概念

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，蒸汽对金属表面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小得多。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，在金属部件内形成的温差也就越大。导热过程的快慢则主要取决于金属材料的热导率；热导率越小，则导热过程越慢，形成的温差也就越大。

对于某种确定类型的汽轮机，由于其结构、材质、部件的尺寸已确定，因此在金属部件上引起的温差，只取决于运行条件。如果蒸汽温度变化越剧烈，温度变化范围越大，则产生的温差也越大。

当蒸汽与金属间单位时间内的换热量过大时，在金属部件内部引起的温差会急剧增加，这时金属部件受到热冲击。在汽轮机冷态启动时的凝结放热阶段，在冲转时蒸汽温度过高与金属温度不匹配时，在汽轮机极热态启动时以及甩1/2以上负荷工况下，都会使汽轮机金属部件受到热冲击。金属部件的温度分布准稳态点准稳态点：温差达到最大值的时刻。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随时间的变化关系。

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程持续增大，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度的升高而升高，但内外壁面温差保持最大且不变化。一、汽轮机的热应力热应力的概念

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束，则在物体内就会产生热应力，这种应力称之为热应力。如果物体受热膨胀受到约束，则物体内将产生压应力

如果物体冷却收缩受到约束，则物体内将产生拉应力

2.热应力变化规律：热压冷拉

热压热压冷拉冷拉

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。一、汽缸壁的热应力1、在汽缸壁厚度和金属材料一定的情况下，汽缸内、外壁表面的热应力与温差成正比2、汽缸冷却过快比加热过快更危险。（考虑蒸汽静拉力）3、控制汽轮机金属的温升速度是控制热应力的基本方法。思考：1、根据汽缸壁的热应力特点，运行中应当监视和控制什么参数？分别控制多少？2、大机组的冷态启动时间为什么较长？汽缸冷却过快比加热过快更危险在启动加热时，由于内壁温度较外壁高，受热压应力，工作蒸汽的静压力使汽缸内壁产生拉应力，虽然蒸汽静拉应力与热压应力相反。当汽缸受到冷却时，内壁就同时受到蒸汽静拉应力与热拉应力的作用，加上内壁原有的残余拉应力，就可能使内壁应力达到危险的程度。二、螺栓的热应力启动时螺栓受的热应力最大；1、法兰、螺栓的温差引起的热应力2、螺栓被紧固时拉伸预应力。3、汽缸内部蒸汽压力对螺栓产生的拉应力。以上三个应力之和为螺栓受到的应力思考：为了保证螺栓不至于出现危险状态（变形甚至断裂），运行监视控制什么？三、转子的热应力

1、在运行中，转子不仅受离心力的作用，而且也受热应力的影响。2、启动时转子表面产生热压应力，中心产生热拉应力。3、必须注意：汽轮机每启停一次，对转子表面层就交替出现一次热压应力和热拉应力。若汽轮机多次启、停，则交变应力多次反复作用，将会引起转子表面出现裂纹，这种情况称为转子低频率疲劳损伤。大机组结构优化技术改造之后，应重视转子的热应力。4、交变应力的作用危及转子的寿命。因此：必须采用合理的启停方式，并尽量减少启动次数，否则转子的使用寿命将受到影响。

5、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：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。6．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。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。②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。热应力本身看不见、摸不到，对汽轮机转子的热应力若无有效的监测，运行人员将无法得知现在运行过程热应力的大小。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热态启动时的热应力负荷变动时的热应力请回答下面变工况下汽轮机的热应力情况！汽轮机冷态启动时的热应力

汽缸内壁和转子外表面而产生压应力汽缸外壁和转子中心孔而产生拉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拉应力汽缸外壁和转子中心孔则产生压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，并高出金属温度，转子表面及汽缸内壁将产生压应力，这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—压循环。负荷变动时的热应力降负荷时，转子表面和汽缸内壁产生拉应力

增负荷时，转子表面和汽缸内壁产生压应力

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一个拉——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压应力。热冲击金属材料受到剧烈的加热或冷却，引起内部产生很大的温差，形成很大的冲击热应力的现象称为热冲击。热冲击时承受很大的热应力，有时仅一次热冲击就可能造成零部件的永久性破坏。汽轮机热态启动时，如主蒸汽管道暖管、疏水不充分或正常运行中，锅炉汽包水位失调而造成满水等均可能产生汽轮机的热冲击。同样，当电网或发电机故障而引起汽轮机甩负荷后带厂用电或空负荷运行，也将造成汽轮机的热冲击。热冲击可能对汽轮机产生严重的损伤，因此，在机组启停和正常运行中，应特别注意。

汽轮机在启停和工况变化时，转子和汽缸除了承受热应力外，还要承受蒸汽的工作压力。对于转子还要承受旋转离心应力，因此汽缸和转子实际上承受的是工作应力和热应力的合成应力。应力合成思考：

学习了汽缸、螺栓、转子的热应力，请思考：1．汽轮机启停过程中产生最大热应力的部位在哪里？我们应当以谁的热应力来控制汽轮机的最大温升速度？

2．试分析对采用双层汽缸结构的大功率汽轮机，限制启停及负荷变化的主要矛盾是转子热应力的大小，而不是汽缸法兰的热应力？一、汽缸的热膨胀1、汽缸的热膨胀⊿Lcy＝ɑcy⊿tcyLcy2、调节级处汽缸的金属温度与汽缸的热膨胀值有一定的对应关系3、汽缸的轴向膨胀有跳跃式的增加或减少时，说明滑销系统有卡涩。4、此外注意：汽缸的横向膨胀两侧不均——汽缸中心偏斜二、汽轮机的热膨胀二、转子的热膨胀⊿Lro＝ɑro⊿troLro⊿tro—转子的平均温升ɑro—金属材料的线膨胀系数Lro—转子长度相对胀差:

汽轮机汽缸与转子以同一死点膨胀或收缩时，其出现的差值称相对膨胀差。正胀差：转子轴向膨胀大于汽缸值。负胀差：转子轴向膨胀小于汽缸值。三、汽缸和转子的相对膨胀

汽轮机的横销只允许轴承座和汽缸作横向膨胀；纵销只允许其纵向膨胀。汽缸和轴承座之间设有立销，立销只允许汽缸在铅垂方向膨胀，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，使转子中心与汽缸中心一致。基础知识

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，要考虑推力间隙的影响。

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300MW汽轮机高中压缸总膨胀可达近40mm。基础知识NC300MW机组汽缸和转子膨胀系统图←←←←→→中压内缸膨胀方向高中压转子膨胀方向高中压缸膨胀方向低压缸膨胀方向●●●四、汽轮机的热膨胀汽轮机启动时胀差的变化规律汽轮机甩负荷、停机、热态启动时相对胀差的变化规律影响胀差的因素汽轮机冷态启动前，汽缸一般要进行预热，轴封要供汽，此时汽轮机胀差总体表现为正胀差。从冲转到定速阶段，汽轮机的正胀差成上升趋势。对采用中压缸启动的机组，则这阶段胀差变化主要发生在中压缸。当机组并网接待负荷后，正胀差增加的幅度较大，对于启动性能较差的机组，在启动过程中要完成多次暖机，以解胀缓差大的矛盾。汽轮机启动时胀差的变化规律汽轮机甩负荷、停机、热态启动时相对胀差的变化规律汽轮机甩负荷或停机时，流过汽轮机通流部分的蒸汽温度会低于金属温度，转子比汽缸冷却快，即转子比汽缸收缩得多，因而出现负胀差。热态启动时，转子汽缸的金属温度高，若冲转时蒸汽温度偏低，则蒸汽进入汽轮机后对转子和汽缸起冷却作用，也会出现负胀差，尤其对极热态启动，几乎不可避免地会出现负胀差。胀差的变化对汽轮机的影响胀差的变化主要引起汽轮机内部动静部分轴向间隙的变化；间隙消失，动静摩擦，设备损坏。特别注意：喷嘴出口的轴向间隙要比动叶出口的轴向间隙要小，因此，胀差的负值比正值更危险。这也是汽轮机冷却过快比加热过快更危险的原因。胀差负值比正值更危险

N125-135/550/550型汽轮机膨胀示意图

1-叶片2-喷嘴3-推力轴承4-支持轴承5-死点级内间隙b＜级间间隙a

胀差负值比正值更危险

若胀差为正值，表明转子膨胀较汽缸大，即转子以推力轴承为固定点，相对于汽缸往后伸长，使喷嘴出口轴向间隙b增大，入口轴向间隙a减小。若胀差为负值，则表明转子收缩比汽缸快，喷嘴出口轴向间隙b变小，入口轴向间隙a增大。影响胀差的因素汽轮机滑销系统畅通与否控制蒸汽温升（温降）和流量变化速度轴封供汽温度的影响汽缸法兰、螺栓加热装置的影响凝汽器真空的影响汽缸保温和疏水的影响通常采取以下措施控制胀差：（1）控制蒸汽升降温度及升降负荷的速度，以保证汽缸和转子的温差在允许范围内。（2）合理的使用汽缸和法兰螺栓加热装置。（3）利用轴封供汽控制胀差。三、汽轮机的热变形一、热变形的规律如图所示：热变形的规律是：温度高的一侧向外凸，温度低的一侧向内凹进，即“热凸冷凹”。热变形的规律：热凸冷凹二、上、下缸温差引起的热变形上下缸温差产生的原因：（1）上、下汽缸的重量和散热面积不同。（2）启动时，蒸汽在汽缸内凝结成的疏水都流经下汽缸经疏水管排出，疏水形成的水膜降低了汽缸的受热条件，而较高温度的蒸汽上升加热上汽缸，故上缸温度比下缸温度高。（3）下汽缸的保温材料因自身重量，不易严密且易脱落，使保温效果比上缸差。（4）下汽缸处于运行平台之下，受到下面温度较低的空气对流通风的影响，使下汽缸加速冷却。（5）停机后，转子在静止状态下，汽缸内残存蒸汽和进入的空气，在汽缸内对流流动，热气流聚集在上汽缸，冷气流在下汽缸，使上下汽缸的冷却条件不一样。（6）较长时间的低负荷或空负荷运行，对只有上部调节汽阀开启的汽轮机，会使上下汽缸温差增大。上下汽缸过大的温差就会造成汽缸向上弯曲的“拱背”热变形如图所示：注意；上下缸的温差沿轴向并不一样，其最大值出现在调节级附近。上下缸的温差通常规定不得大于35—500C思考：启动过程中如何控制上、下缸温差？三、汽缸法兰内外壁温差引起的热变形1、法兰内壁温度高于外壁温度，法兰内壁金属伸长较多，法兰外壁金属伸长较少，这时法兰在水平面内产生热变形（热翘曲）启动时，法兰内壁热外壁冷，使得汽缸中部截面A-A由圆变为立椭圆，发生内张口。而汽缸前后端部截面B-B由圆变为扁椭圆，发生外张口，造成运行中汽缸结合面漏汽，同时变形还会导致螺栓被拉断或螺帽结合面被压坏。

扁椭圆外张口立椭圆内张口扁椭圆外张口立椭圆内张口2、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；四、汽轮机转子的热弯曲

在启动前和停机后由于上下汽缸存在温差，使转子上下部分也存在温差，在此温差的作用下，转子要发生热弯曲。转子发生弯曲后，不仅会使机组产生异常振动，还可能造成汽轮机动静部分摩擦。因此启动前和停机后，必须正确使用盘车装置。（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）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。（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。总结：基本规律

结论：热变形的规律：热凸冷凹热应力变化规律：热压冷拉汽缸冷却过快比加热过快更危险胀差的变化规律：热正冷负胀差负值比正值更危险复习思考题一、名词解释

(1)热应力

(2)热变形

(3)胀差

二、问答题

1．汽轮机在启停过程中如何控制汽缸、转子的热应力？

2．引起转子热弯曲的原因有哪些？如何消除转子热弯曲？

3．简述汽轮机转子的低频疲劳特性。

4．为什么说汽轮机快速冷却比快速加热更加危险？

5．影响胀差的因素有哪些？运行中如何控制胀差？

6．试分析引起上下汽缸温差的主要原因有哪些?如何控制？

第五节汽轮机的寿命管理一、寿命概念寿命工程上，将致裂疲劳循环周次（致裂寿命）称为：无裂纹寿命。工程上，将产生宏观初始裂纹至断裂之间的循环周次（即断裂寿命与致裂寿命之差）称为：残余寿命。二、影响寿命损耗的因素影响汽轮机寿命的因素有很多，如蠕变断裂、热脆性、热疲劳以及高温介质的