热应力热膨胀热变形PPT学习教案

1、会计学1热应力热膨胀热变形热应力热膨胀热变形第1页/共46页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第2页/共46页汽轮机在稳定工况下运行时的传热过程第3页/共46页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。 第4页/共46页第5页/共46页第6页/共46页 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1520倍。 由于凝结换热非常剧烈，很

2、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。 第7页/共46页 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。 第8页/共46页 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。第9页/共46页 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

3、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。第10页/共46页金属部件的温度分布准稳态点第11页/共46页 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

4、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。第12页/共46页热应力的概念第13页/共46页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 第14页/共46页 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。第15页/共46页汽缸壁的热应力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。3、控制汽轮机金属的温升速度是控制热应力的基本方法。第16页/共46页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、

5、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第17页/共46页转子的热应力 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 交变应力的作用危急转子的寿命 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第18页/共46页第19页/共46页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汽缸外壁和转子中心孔而产生第20页/共46页汽轮机停机过程的热应力 汽缸内壁

6、和转子外表面产生汽缸外壁和转子中心孔则产生第21页/共46页第22页/共46页负荷变动时的热应力 降负荷时，转子表面和汽缸内壁产生 增负荷时，转子表面和汽缸内壁产生 第23页/共46页第24页/共46页第25页/共46页第26页/共46页一、汽缸和转子的热膨胀1、汽缸的热膨胀LcycytcyLcy如图所示：汽缸的轴向膨胀此外注意：汽缸的横向膨胀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第27页/共46页2、转子的热膨胀Lroro tro Lrotro转子的平均温升ro 金属材料的线膨胀系数Lro转子长度第28页/共46页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

7、胀差。：转子轴向膨胀大于汽缸值。转子轴向膨胀小于汽缸值。第29页/共46页第30页/共46页 汽轮机转子是以推力盘为死点，沿周详向前后膨胀的。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。 第31页/共46页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第32页/共46页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第33页/共46页汽轮机冷态启动前，汽缸一般要进行预热，轴封

8、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第34页/共46页汽轮机甩负荷、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

9、对极热态启动，几乎不可避免地会出现负胀差。 第35页/共46页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 第36页/共46页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。第37页/共46页汽轮机的热变形一、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”。第38页/共46页二、汽轮机的几种热变形（一）上、下缸温

10、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。第39页/共46页（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。第40页/共46页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：计算方法如下：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35500C第41页/共46页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，这时法兰在水平面内产生热变形（