热力管道热应力热膨胀热变形教学课件PPT.ppt

主讲人俞辉 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 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 由于汽缸金属内外壁 转子金属内外壁之间存在热阻 并且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 蒸汽在汽轮机中的传热现象 汽轮机的换热方式 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 在缓慢加热 不稳定加热 过程中 金属内部温度梯度场为抛物线型 温度场中的热应力的分布是不均匀的 最大热应力为压缩应力 而且发生在温度较高的内表面 汽缸内表面 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 这种传热过程为剧烈加热过程 金属内壁加热剧烈 温度瞬间变化很大 其温度分布为双曲线型 此时金属温差大部分发生在近内壁表面 汽缸内表面 当吸放热过程逐渐趋于稳定 即稳定加热时 其温度分布为直线型 压缩与拉伸应力对称分布于中心线两侧 在中心线处的应力为零 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 汽轮机的换热方式 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 凝结换热方式结束 此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 汽轮机的换热方式 甩1 2负荷工况比甩全负荷工况更危险 就是这个道理 既甩1 2负荷时 蒸汽的放热系数比甩全负荷时的放热系数要大得多 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 准稳态点 在一定的温升率条件下 随着蒸汽对金属放热时间的增长和蒸汽参数的提高 蒸汽对金属的放热系数不断增大 即蒸汽对金属的放热量不断增加 从而使金属部件的温差不断增大 当调节级的蒸汽温度升到满负荷时所对应的蒸汽温度时 蒸汽温度的变化率为零 此时金属部件内部温差达到最大值 在温升率变化曲线上的这一点叫做准稳态点 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转子达到准稳态点 汽轮机启停过程为不稳定热传导过程 不稳定状态额定工况下的运行为稳定热传导过程 稳态过程汽轮机在二者之间的工作过程称 准稳态过程 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应力 这种由于温度的变化而引起的应力称之为热应力 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 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 汽轮机启停和工况变化时转子和汽缸的热应力 在汽轮机启动及工况变化时 由于掠过转子和汽缸表面的蒸汽温度是不断变化的 这就引起转子和汽缸内部温度分布不均匀且随工况而变化 正是由于这种不均匀的温度分布 使得转子和汽缸内部产生了热应力 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 汽轮机冷态启动时的热应力 汽缸内壁和转子外表面产生压应力 汽缸外壁和转子中心孔产生拉应力 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 实践证明 汽缸出现裂纹或损坏 大多是由拉应力所引起的 汽缸内壁在快速冷却时 将出现较大的拉应力 所以汽轮机的快速冷却比快速加热更加危险 例如 热态启动汽轮机若用低湿蒸汽 温度低于汽缸金属温度的蒸汽 进行启动 或汽轮机突然甩负荷时 机组是非常危险的 汽缸的热应力 对汽轮机而言 汽缸壁所产生的热应力是与汽缸内外壁温差成正比的 它的大小又取决于汽缸壁加热或冷却的速度 汽缸金属温升或温降的速度 及汽缸壁的厚度 而汽缸内外壁温差与汽缸内壁的温度变化率及汽缸壁的厚度的平方成正比 当汽缸内壁的温度变化率越大 汽缸壁越厚 汽缸内外壁的温差就越大 从而热应力也越大 汽缸内壁温度变化的大小 意味着汽轮机的转速和负荷变化速度的快慢 当然也意味着汽轮机启动 停机过程的快慢 对于大容量汽轮机 汽缸壁尤其是法兰通常做的很厚 因此汽缸内壁温度变化率需要严格加以控制 这也是大容量汽轮机启动时间一般比中小型汽轮机要长的原因 在采用喷嘴调节的汽轮机中 当启动和负荷变化时 调节级汽室的蒸汽温度变化很大 汽缸的最大温差常常出现在调节级附近的汽缸壁与法兰过度的地方或相邻的法兰螺栓孔处 故当汽轮机启动及负荷变动时 必须严格控制调节级汽室蒸汽温度的变化率 转子热应力 和汽缸一样 汽轮机转子在启动或停机过程中 也是不稳定热传导过程 启动时 高温蒸汽加热转子表面 越接近转子中心温度则越低 转子截面的径向温差使转子中心产生热拉应力 而转子表面产生热压应力 当汽轮机带到一定负荷处于稳定工况后 转子截面内部温度趋进平衡 转子热应力基本消失 通过汽缸 转子的最大温差公式可知 若转子的半径与汽缸法兰厚度相等时 则在同样的温度变化率下 转子表面和中心的最大温差恰好为汽缸内外壁最大温差的一半 因此在实际运行中 只要按照汽缸法兰热应力允许值来控制最大允许的升温速度 转子的热应力就不会超过允许值 大容量汽轮机往往采用双层汽缸结构 这样 限制汽轮机启停及负荷变化就不是主要矛盾了 而转子的热应力则成为主要因素 随着汽轮机容量的增大 转子直径也越来越大 汽轮机在启停过程中 转子的热应力 热变形也就越大 转子在启停过程中 要注意转子的低周疲劳和低温脆性转变 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 转子的低周疲劳是指机组多次反复启停时 转子表面在经过压 拉交变应力的反复作用下 或加热 冷却过于剧烈 即使在应力不超过材料的屈服极限的情况下 转子的金属材料仍产生微观裂纹的现象称低周波疲劳损伤 转子的低温脆性转变是指金属材料在低温条件下工作时 机械性能发生变化 既从韧性转变为脆性 材料的许用应力下降 当温度降低至某一值时 由于许用应力的下降 金属材料发生脆性断裂 这一温度称为脆性转变温度 脆性转变温度一般在120 140 汽轮机的超速试验 习惯上在汽轮机定速后进行 这样对转子是不利的 因为此时转子的温差较大而且转子中心处的温度低于材料的脆性转变温度 故为了避免转子中心温度过低而产生较大的热应力 并防止金属材料低温脆性转变 运行规程中规定 大容量机组在定速后 应带部分负荷运行数小时 再将负荷减到零 解列发电机 然后进行汽轮机的超速试验 螺栓热应力 在汽轮机启动过程中 法兰与螺栓之间存在着较大的温度差 而且法兰的温度高于螺栓的温度 由于法兰在厚度方向上的膨胀 螺栓被拉长 此时 螺栓除承受安装时的拉伸预应力和汽缸内部蒸汽工作压力而引起的拉伸应力外 又额外地产生附加热应力 如三种拉应力之和超过螺栓材料的屈服极限 螺栓就发生塑性变形甚至断裂 在螺栓产生热拉应力的同时 法兰则相应地受到热压应力的作用 若这种应力过大时 法兰结合面的局部就可能因受过度的压缩而产生塑性变形 结合面的严密性将受到破坏 螺栓所承受的热拉应力是随着法兰与螺栓温差的增大而增加的 一般情况下 汽轮机的其他部件在允许的加热速度下 螺栓的热应力是不致达到危险程度的 因此它不限制汽轮机的启动速度 但是 当蒸汽温度比进汽处的汽缸金属温度高很多时 就应注意螺栓热应力增长情况 热冲击的概念 所谓热冲击 是指蒸汽与汽缸 转子等部件之间在短时间内进行大量的热交换 金属部件内温差迅速增大 热应力增大 甚至超过材料的屈服极限 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 都会使汽轮机金属部件受到热冲击 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 汽轮机的热膨胀 汽缸的热膨胀 汽缸的热膨胀 除了与长度尺寸和金属材料的线胀系数的大小有关外 主要取决于汽轮机通流部分的热力过程和各段金属温度的变化值 由于汽缸轴向长度最大 因而当温度变化时其长度变化量也大 汽缸以死点为基准 在滑销系统引导下的轴向热膨胀数值可近似表示为 lcy cy tcylcy lcy 汽缸的轴向热膨胀值 cy 汽缸金属材料的线胀系数 tcy 汽缸的平均温升 lcy 汽缸轴向长度 由于高压汽轮机法兰的宽度和厚度比汽缸壁厚度大得多 因而法兰就象铁箍一样紧束住汽缸 故汽轮机的热膨胀主要取决于法兰各段的平均温升 上式改写为 lqg qg tfllqg 在汽轮机运行中 把调节级处汽缸或法兰的温度值作为监视点 作出金属温度与膨胀值的对应关系 4 8 12 16 20 mm 100 200 300 400 这样在汽轮机运行中 用以检查汽缸的热膨胀值 即只要将调节级处汽缸或法兰的温度控制在适当的范围内就能保证汽缸热膨胀符合要求 此外汽轮机在启停及正常运行中还应保证汽缸两侧能均匀膨胀 否则汽缸中心线就会发生偏移 因此应注意监视汽缸左右两侧的膨胀 将调节级汽室处左右两侧法兰金属温度控制在合理范围内 转子的热膨胀 与汽缸热膨胀原理相同 转子的热膨胀值近似为 lro ro trolro lro 转子的轴向热膨胀值 ro 转子金属材料的线胀系数 tro 转子的平均温升 lro 转子轴向长度 汽缸和转子的相对膨胀 汽轮机的汽缸和转子 其轴向长度均较横向尺寸大 故轴向热膨胀是主要的 转子和汽缸不仅金属材料和线胀系数不同 而且汽轮机转子质量比汽缸小 转子与蒸汽接触的表面积却是汽缸与蒸汽接触表面积的5倍左右 因此启动过程中 转子的温升比汽缸快 轴向膨胀值比汽缸大 从而两者轴向膨胀数值产生差异 一台单缸汽轮机转子与汽缸的相对膨胀示意图 汽缸受热膨胀时 以滑销系统的死点为基准向高压端伸长 推动轴承座向前移动 由于推力瓦作用 整个转子也必然随之向前移动 转子受热膨胀时 以推力轴承为基准向低压端伸长 这样推力瓦就间接地成为转子和汽缸轴向位置的相对固定点 若转子和汽缸某一截面至推力瓦的距离为l 转子 汽缸在该截面的平均温升为 tro tcy则汽缸和转子的膨胀值分别为 lro ro trol lcy cy tcyl 假定转子与汽缸金属材料的线胀系数均为 则在这个截面上转子与汽缸膨胀差值为 lro cy l tro cy tro cy转子与汽缸的平均温升差 转子与汽缸沿轴向膨胀之差值 称为转子与汽缸的相对膨胀差 简称胀差 习惯上规定 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 基础知识 汽轮机滑销系统 滑销系统的作用 保持汽缸和转子的中心一致 避免因机体膨胀中心变化 引起机组振动或动 静之间的摩擦 保证汽缸能自由膨胀 以免发生过大应力引起变形 使转子和静子轴向与径向间隙符合要求 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 立销只允许汽缸在垂直方向膨胀 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 要考虑推力盘间隙的影响 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 高压内缸膨胀方向 高中压转子膨胀方向 高中压外缸膨胀方向 低压缸膨胀方向 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 以缓解胀差大的矛盾 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 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 汽轮机的热变形 上下汽缸温差引起的热变形 汽缸法兰内外壁温差引起的热变形 汽轮机转子的热弯曲 上下汽缸温差引起的热变形 上下缸的温度 通常是上缸温度高于下缸温度 因而上缸变形大于下缸变形引起汽缸向上拱起 发生热翘曲变形 俗称猫拱背 上下汽缸温差产生的主要原因 上下汽缸的重量和散热面积不同 下汽缸的重量约比上汽缸重一半 下汽缸还带有抽汽 疏水等管道 启动时 蒸汽在汽缸内凝结形成的疏水都经下汽缸排出 疏水形成的水膜降低了下汽缸的受热条件 而较高温度的蒸汽自然上升加热上汽缸 故上汽缸温度比下汽缸高 下缸的保温材料因自身重量 不易严密而且容易脱落 使保温效果不如上汽缸 下汽缸处于运行平台之下 受到下面温度较低空气对流通风的影响 使下汽缸加速冷却 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 热汽流聚集在上汽缸 冷汽流在下汽缸 使上下汽缸的冷却程度不一样 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 也促使上下汽缸温差增大 但是在启动时 由于下汽缸加热调整不当 也有可能导致下汽缸温度高于上汽缸温度 此时汽缸产生向下弯曲变形 上 下汽缸的温差沿轴向并不一样 其最大值通常出现在调节级附近 通过试验得知 高压汽轮机上下汽缸温差每增加10 调节级下部径向间隙约减少0 1mm左右 高压汽轮机隔板汽封径向间隙都较小 一般为0 4 0 7mm 因此上 下汽缸的温差常常规定不得大于35 50 如果超过50 就可能使径向间隙消失 造成动静部分摩擦 汽缸法兰内外壁温差引起的热变形 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 这时将引起法兰在水平方向和垂直方向的热变形 法兰在水平方向的变形 启动时 法兰内壁温度高于外壁温度 使法兰内壁的升长大于外壁 从而法兰在水平方向将产生图a所示的热变形 法兰的这种热变形 使得汽缸中部截面a a由圆变为立椭圆 而汽缸前后部截面b b由圆变为扁椭圆 前者引起汽缸左 右径向间隙减小 而后者引起汽缸上 下径向间隙减小 法兰在垂直方向的变形 法兰内外壁温差还引起垂直方向的变形 当法兰内壁温度高于外壁温度时 内壁金属的膨胀增加了法兰结合面的热压应力 如果此热应力超过材料的屈服极限 金属就会产生塑性变形 当法兰