热应力和热变形2

第二节汽轮机的热应力、热膨胀、热变形一、汽轮机的受热特点

启动过程温度变化剧烈，各部件受热条件不同，汽轮机金属部件存在温度梯度，导致热应力，热变形启动时温度变化：内壁与蒸汽直接接触，温度上升比较快；外壁温度上升比较慢，造成温度差。汽缸部件由于受到约束，不能自由膨胀，因此将产生热应力。其中温度高部件受压；温度低部件受拉伸作用

汽轮机启停中的限制因素：热应力、热膨胀、热变形

热应力:在汽轮机启动、停机或变负荷过程中，其零部件由于温度变化而产生膨胀或收缩变形，称为热变形。当热变形受到某种约束(包括金属纤维之间的约束)时，则要在零部件内产生应力，这种由于温度(或温差)引起的应力称为温度应力或热应力二、汽轮机的热应力‹一›

汽缸的热应力

从上述公式可以看出，汽缸内外表面的热应力与汽缸内外表面温差成正比。—启动过程内表面受压；外表面受拉；停机过程相反；—汽缸受拉伸作用容易产生裂纹；受挤压则产生弯曲；—汽缸内外表面热应力高于其他表面热应力；内表面热应力为外表面热应力的两倍—应控制任何工况下汽缸的热应力小于材料许用应力，严格控制内外温差1内外壁温差允许值的确定根据金属特性工作温度，确定许用最大应力，推出允许的最大温差停机时以内壁拉应力计算启动时以外壁拉应力计算冷态启动比停机甩负荷时允许的内外壁温差要大些2内外温差取决与汽缸壁加热或冷却的速度以及壁厚—和汽缸内壁温度变化率成正比—和汽缸壁厚平方成正比.采用双层缸汽缸启动停机,转速和负荷变化的快慢影响内壁温度的变化

3汽缸最大热应力存在于调节级汽室启动时调节级汽室温度变化最剧烈4热应力监测直接无法测量；通过测温度变化率获得‹二›转子热应力1转子启停时单向受热，包括冷却，转子表面和轴心温度存在温差，产生热应力；同时承受离心应力在稳定工况运行一段时间后，内部温度平衡，转子截面温度均匀，热应力消失,只承受其他应力3合成应力若超过材料的许用应力，则局部会产生塑性变形，在转子表面出现残余应力，缩短转子的使用寿命。冷态启动时转子表面承受压应力，中心孔表面承受热拉应力，中心孔的强度低于其他部位，所以在启动和加负荷过程中限制转子内外温差，减小中心孔热应力的目的。4热态启动，极热态启动转子表面温度会暂时下降被冷却，转子表面形成热拉伸应力5停机过程转子表面热拉伸应力，6甩负荷时，所带负荷越大，引起热应力越大，而且甩部分负荷转子表明的热应力更大7热应力最大部分，调节级，中压第一级，高压转子前轴封，中压转子前轴封处。‹三›热冲击蒸汽与汽缸，转子等金属部件产生极强的热交换，短时间内金属部件温差剧烈上升，热应力急剧增大，甚至超过材料的屈服极限，造成部件损坏。1启动时蒸汽温度和金属温度不匹配

低压微过热蒸汽冲转，合理暖机2极热态启动造成的热冲击3甩负荷造成的热冲击‹四›汽轮机超速试验的条件1对大型汽轮机组，对超速试验的安排有较严格的要求。按规程规定。超速试验应安排在机组并网并接带一定负荷且运行一段时间，经过充分暖机后，机组迅速减负荷到零、解列后，才可进行超速试验。2对于机组超速试验作出这一规定，主要是考虑转子的脆性转变温度(即FATT值），以及转子做超速试验时的受力3汽轮机转子钢和其他铁索体合金一样，冲击试验断口形貌随试验温度不同而有很大不同。在低温下为脆性断裂,材料的许用应力较低,金属容易断裂；在高温下为韧性断裂，许用应力高些。低温脆性转变温度一般为100-120度4转子运行过程中受力分析

启动中转子受力:离心拉应力,热应力离心应力和转速的平方成正比超速试验转速110-112℅,离心力和额定转速时比增大21-25℅启动时转子受热,转子外表面受压,内表面受拉.若冲转定速后马上做超速实验,此时转子中心承受的应力很大,离心拉应力和热应力,往往超过材料的许用应力,容易出现裂纹.启动中除控制转子的温升速度外,经过几次暖机,可以使转子内部温度均匀,热应力减少某转子表面蒸汽150/h升温2小时后,恒温,温度和转子热应力关系曲线低负荷暖机的原因若空负荷暖机,参数低,进汽量小,加热太慢，不经济，且高中压不能超过低温脆性转变温度．低负荷暖机运行一段时间进行超速时间，转子热应力明显降低，只受离心拉应力且超过低温脆性转变温度．三、汽缸的热膨胀‹一›汽缸的热膨胀（绝对膨胀）汽缸的绝对膨胀值理论上可以用式表示

式中β为计算段材料的线膨胀系数(1／℃）∆t一计算工况金属温度与安装温度之差，即计算段的温度增量（℃）L一一计算截面至死点的轴向距离绝对膨胀值取决于汽缸的长度，线膨胀系数和各段金属温度的变化值实际应用时分段考虑：先计算各区段的绝对膨胀值，然后进行修正和叠加，得出汽缸的绝对膨胀值。注意：每台机组必须首先了解滑销系统.大容量机组法兰厚度和宽度远大于汽缸壁厚,法兰前后搭在轴承座上,汽缸的膨胀值取决于法兰各段的平均温度t0,L距离死点的长度,t0法兰各段的平均温度一般选取调节级区域的法兰内壁温度作为汽缸轴向膨胀的监视点,控制监视点温度在正常允许范围内.‹二›汽缸和转子的相对膨胀-胀差1)

胀差的定义：启动、停机过程中因为转子、汽缸的质面比和加热条件不同导致的轴向热膨胀的差值。2)

胀差的危害：动、静部分轴向间隙减小。正胀差和负胀差一般机组允许的正账差大于负向账差3)

胀差的计算由于汽轮机转子的轴向位置是由推力轴承固定的，所以胀差是以推力轴承为起点的某一处，转子和汽缸总的膨胀差，同时兼顾每段汽缸和转子各自的膨胀方向．例如距推力轴承B处的差胀可以表示为：式中Lr，Lc一分别为转子和汽缸的膨胀值（mm）β

r和βc一分别为转子和汽缸的线膨胀系数(1／C）∆tr和∆tc一分别为转子和汽缸的计算工况温度增量（℃）

由于汽缸和转子是由多区段组成的，所以计算差胀时，也是先计算各区段的差胀，然后相加。简化为：△l相对=△l转子-△l汽缸=βl(△t转子-△t汽缸)=βl(t转子-t汽缸)

4)

胀差的特征：推力盘处为0，离推力盘越远，转子膨胀量越大,胀差越大。5)

汽轮机结构设计：离推力盘越远，隔板、叶轮轴向间隙越大。6)

转子轴向热膨胀的相对死点：推力瓦7）胀差的测量：各缸轴承处，测量转子和轴承（汽缸）之间位移。冷态推力盘靠在工作面上时为0，转子多膨胀为正，多收缩为负。8)探头布置在轴承座或汽缸上9）影响胀差的因素分析a)负荷变化的影响：开机，转速、负荷上升速度快，则蒸汽量D↑快，换热强烈，△t（转子、汽缸）↑，正胀差↑；停机，负荷↓速度快，则蒸汽温度↓快，△t（转子、汽缸）↑，负胀差↑。b)

主蒸汽温度升（降）速度：开机，T↑快，则正胀差↑；停机，T↓速度快则负胀差↑。暖机汽缸和转子的温差取决于蒸汽温升（降）速度

c)

轴封供汽温度：冷态开机，△T(汽、金属)越大，局部正胀差越大；合理使用法兰加热装置．热态开机，T（汽）低于T(金属)越多，则局部负胀差越大。主汽温度下降，未及时倒换汽源，局部负胀差d)

轮盘摩擦鼓风效应e)排汽温度（真空）f)

泊松效应10）胀差保护制定依据离推力盘最远，离胀差测点最近处的轮盘、隔板冷态轴向间隙（推力盘靠在工作面上时）四、汽轮机的热变形汽缸或转子金属内部同一截面存在温差，引起热应力，同时产生热变形．热变形的危害：转子和汽缸的变形增大，动静径向间隙发生变化，碰磨，引起大的振动，造成转子弯曲．(一)上下缸温差引起的热变形1原因分析:

2径向间隙和金属温差间的关系汽轮机动、静部分的最小径向间隙：隔板汽封和轴端汽封。上、下缸温差引起热变形：猫拱背上、下缸温差的危害：下缸隔板汽封间隙减小，动、静部分摩擦。上下缸温差引起的汽缸热变形运行规程对上、下缸温差的限制:35-50℃依据：隔板汽封间隙：0.4-0.7mm(单边),上、下缸温差每增加10℃，隔板汽封径向间隙变化0.1mm。(二)汽缸内外壁和法兰内外壁温差引起的热变形

汽缸法兰随机组容量增大变厚,启动停机负荷变动时,内外壁温差产生热应力外,还可能导致热变形内温度高时,内、外壁温差引起热变形中部为立椭圆，法兰出现内张口；两端为横椭圆，法兰出现外张口。

危害：法兰产生塑性变形，漏汽；隔板汽封径向间隙减小，碰摩；法兰螺栓受力增大,损伤法兰螺栓。法兰内外温差引起的汽缸热变形

运行规程对内、外壁温差的限制：有法兰螺栓加热装置小于30℃，无法兰螺栓加热装置小于100℃。内、外壁温差控制方法控制蒸汽与缸内壁的温差和蒸汽温升率。投入法兰螺栓加热装置。(三)转子的热弯曲弯曲的分类：弹性（暂时），塑性（永久）。由于转子的径向温差太大,其热应力超过材料的屈服极限,造成转子的永久变形产生塑性弯曲2)

弯曲的危害：振动加大；动、静部分径向间隙减小，碰磨。

盘车装置的作用之一当汽轮机上下存在温差时,盘动转子,上下受热均匀,减少转子的热弯曲3）引起弯曲的原因转子存在径向温差（停机，转子静止，上、下缸温度不等）离心力的作用静止状态下进蒸汽。碰磨，局部加热冷态原始弯曲汽缸进水4）热弯曲的测量晃动的测量位置：轴承附近的轴径处。晃动的测量内容：转子转动中，轴径表面与探头的径向间隙,直流分量。晃动的组成：临时弯曲+原始晃动.晃动变化值就是轴承附近轴径处的轴弯曲增加值..晃动测量值fu与缸内最大轴弯曲fmax的关系fmax=0.25fuL/lL>>l，测量可用千分表（1/1000mm）计算值最大轴弯曲处为两轴承的中间处，实际最大轴弯曲处为调节级或中压缸第一级处，上述算法偏于安全运行规程对弯曲的限制：测得转子晃度.不得超过原始晃度0.02mm验收规范：冷态最大弯曲>0.05mm,必须直轴。5)运行时防止大轴弯曲的措施

运行规程对弯曲的限制：fu不得大于0.02mm（0.04)。依据：fu对应的fmax必须小于隔板汽封间隙考虑过临界转速时的振动值0.40mm。验收规范：如冷态最大弯曲>0.05mm,必须直轴，若0.03mm<冷态最大弯曲<0.05mm则需重做高速动平衡。控制弯曲的基本措施做好动平衡；严禁在转子静止状态下进汽；控制振动，防止碰摩；控制蒸汽温升率。晃摆值现场称为晃度，实际上是指转子永久或热弯曲和转子表面不圆度等，在低速下所呈现的摆动值（双幅），也称晃摆值，它不包括任何外力作用下转轴所产生的位移，因此测量转子晃摆值必须在低速下进行。若忽略转子表面不圆度的影响，晃摆值应等于转子弯曲值的两倍，偏心在机组运行监测和转子平衡两个领域内，偏心的含义不同．在机组运行监测中，偏心是指轴颈中心偏离轴瓦中心的现象，也称偏心位置．通过偏心的监测可以发现转子承受外加载荷和轴瓦工作的状况。在转子平衡领域内，偏心是指转子质量中心偏离转轴回转中心的一种现象，称为质量偏心，简称偏心．其偏离的数值称偏心距，单位是微米，它不能被任何仪表直接测量出来．偏心是引起转轴振动最重要的激振力。一转子弯曲所呈现的晃摆值；二轴颈中心偏离轴瓦中心的距离．将偏心、偏心率(度)的测量分别定义为轴颈在轴瓦内相对位置、转子弯曲的测量．弯曲和振动的互激

弯曲加大振动 振动引发碰摩 局部加热弯曲增大第三节其他监视参数600MW汽轮机主要参数限值序号参数单位正常高限低限跳闸1转速rpm300033602负荷MW6583主汽温℃538543528474/4604高排温度℃4204325凝汽器真空KPa-95.5/-94.5(A/B)-86.6-74.76排汽温度℃801077推力瓦磨损油压KPa85(0.6mm)118(0.8mm)8高中压缸差胀mm20.24.73.4/21.69低压缸差胀mm31.87.410主机轴振mm0.125(#9:0.067)0.2(#9:0.1)11EHG油压力MPa118.97.612EHG油温度℃40～45652013润滑油压MPa0.1960.1030.06914润滑油温℃434615顶轴油压MPa10～202.716轴承回油温度℃50～607517支持轴承温度℃115121（手动）18推力瓦温度℃85107（手动）19主油箱油位mm

50100-10020EHG油箱油位mm

50100-10021主机轴封压力KPa271122轴加负压KPa-3-3.5-2.523凝汽器水位mm

50178-178主汽温度监视段压力润滑油压和轴瓦温度真空主汽温度高危害：材料高温蠕变；紧固件松驰。处理措施：额定为535度，连续545度30min以上不能下降，停机；550度，立即停机。主汽温度低主要危害：水冲击和末几级叶片湿度大故障类型1：汽温直线下降处理措施：10分钟内下降50度，打闸停机。故障类型2：汽压基本不变，汽温下降处理措施：低于额定温度20度时，开始减负荷，每降低10度减20%负荷。故障类型3：汽温、汽压同时下降处理措施：按滑参数停机监视。过热度低于50度，打闸停机；调节级后蒸汽温度低于（高内缸上半内壁温度+35度），打闸停机。监视段压力监视段压力：各段抽汽压力与流量的比值变化反映通流面积变化，监视抽汽压力能够及时发现断叶片、异物堵塞，叶片结垢故障，所以各段抽汽压力称为监视段压力。其中，调节级后压力能反映整个通流部分面积变化，最重要。润滑油压和轴瓦温度

润滑油压应重点监视励磁机端部轴承油压，因为该瓦离油泵最远。下列之一，立即停机：轴承回油温度超过75度或突然上升到70度；乌金温度超过90度；回油温度升高，轴承冒烟；润滑油压低于规定值，启动交、直流油泵无效。低真空的危害转子中心变化，附加一个弯矩，轴弯曲，振动加大。凝汽器铜管胀口脱开。维持负荷，则蒸汽流量加大，调节级和末级动叶过负荷。原因不明则按真空度减负荷(200MW)真空度（%）85838077757259负荷（%）100806040200停机

循环水中断故障发生判断特征：1)循环水泵电流至0，或2)循环水进水压力降低。处理措施：检查循环水泵跳闸，投备用泵；检查循环水进水门。

凝结器满水故障发生判断特征：凝结器水位高信号。故障原因：1）负荷上升，凝结水至除氧器门未相应开大；软化水补水门关不严；2）铜管破裂。处理措施：开大凝结水至除氧器门