热膨胀、热应力与热变形

1、热膨胀、热应力和热变热膨胀、热应力和热变形形A.热膨胀 汽轮机在暖机后随着缸体温度的上升而膨胀也就是金属的热胀冷缩简称为热膨胀。 1 汽轮机的绝对膨胀：在低压缸两侧的横向中心线上各设置一纵销，允许低压缸轴向自由膨胀，确定低压缸的横向位置，保证低压缸中心位置不发生变化。在低压缸前后两端各设置一横销，允许低压缸横向的自由膨胀，以确定低压缸轴向位置。低压缸纵销中心线与横销中心线的交点即为膨胀的死点，从这点开始，汽缸可在基础台板上自由膨胀。 在前轴承座下设有一纵销，其位于前轴承座及台板间的轴向中心线上，允许前轴承座轴向自由膨胀，限制其横向移动，因此整个机组以死点为中心，通过高中压缸带动前轴承座向前膨胀

2、，前轴承座的位移表示高中压缸和低压缸向前膨胀之和，称为绝对膨胀。 2 转子对汽缸的相对膨胀： 当汽轮机启动加热或停机冷却及负荷变化时，汽缸和转子都会产生热膨胀或冷收缩，由于转子的受热面积比汽缸大，且转子质量比汽缸小，蒸汽对转子的传热比汽缸快得多，因此转子和汽缸之间存在着膨胀差，这个膨胀差是转子相对于汽缸而言的，故称为相对膨胀差，简称差胀。 在机组启动加热时，转子膨胀大于汽缸，其相对膨胀差称为正差胀，而当汽轮机冷却时，转子冷却较快，其收缩也比汽缸块，产生负差胀，负差胀也会发生在有法兰螺栓加热装置的汽轮机，当加热装置投入时，其汽缸膨胀可能比转子膨胀得快。 西门子DEH的热控制就是将汽机厂的这些要求

3、和手段转换成程序，测取（或模拟计算）受温度剧烈变化影响的汽机主要厚重部件如高中压主汽门阀体、高中压缸体、高中压转子等部件的内外壁温，然后计算出可能的最大应力及热膨胀（用温差进行表征）并与规定限值进行比较，从而构成汽机监视系统的一部分，并根据应力决定汽机启动过程中的升速率以及变负荷时最大的允许负荷变动率。 启动时，转子外表面温度上升速度较中心孔快得多，从而产生温差。外表面产生压缩应力，内孔表面产生拉伸应力。若表面温升剧烈，压缩应力会使表面材料屈服，在负荷稳定后，转子表面会持续残余拉伸应力影响。目前，把这种转子金属材料承受一次加热冷却的过程称为一次温度循环，由此而引起的疲劳则称为低周疲劳。这样的一

4、次交变热应力虽然不一定立即造成宏观可见的缺陷，但B.热应力 是每一次较大的热应力交变，都会消耗转子的使用寿命，经多次累计，最终会使转子出现宏观裂纹损坏。热态启动时，如果新蒸汽的温度没有保证调节级室汽温略高于金属温度，则是转子表面受到冷却，之后随着参数的提高，转子表面又被加热，因此，使转子表面先受到拉伸应力，后受到压缩应力；内孔壁承受的则先是压缩应力，后是拉伸应力。这样，一次启动就形成了一次交变应力的循环。汽轮机热应力评估TSE的基本功能就是对汽轮机的高、中压转子、高压主汽门、调门阀体和高压缸体等厚重部件的温差进行监视，防止由于蒸汽温度与金属温度的不匹配导致金属部件产生过大的热应力，影响部件的使

5、用寿命。这里的温差监视实际上是所谓的温度裕量（Margin）监视。它是汽轮机部件的实际温差和设计温差的差值，温度裕量越大，说明温差越小，部件所受的热应力也越 小。为了确保机组启动和变工况时，其热应力处于可控范围，DEH根据温度裕量的大小自动设置升速率和最大允许的负荷变动率。而且TSE出现故障时，DEH将不允许机组启动，并闭锁汽轮机升速或变负荷启动和停机后由于上、下汽缸存在温差，转子上、下部门也存在温差，在此温差作用下，转子要发生热变形。如果转子中心孔存在液体，在运转过程中也会发生热变形所导致的热弯曲。变工况时，转子金属温度变化可能导致液体的蒸发或凝结，从而使转子产生局部过冷或过热引起的热变形。

6、C.热变形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。转子的离心力与转速的平方成正比在离心力作用下转子沿径向伸长轴向则缩短，胀差减小。弹性材料的径向应变与轴向应变有一定比例关系当转子径向伸长时 转子轴向必然会缩短大容量机组转速高、转子长离心力对胀差的影响应加以考虑。随流量增大、转速上升高压转子的胀差逐渐增大而中低压转子胀差先随转速升高而增加中速之后又随转速增加而减小。蒸汽升温速度蒸汽升温速度冷态滑参数启动的过程中，限制加负荷的主要因素是

7、胀差正值的增大，而影响胀差的主要因素就是蒸汽的升温速度。蒸汽升温速度越快，不仅转子内的温差大，而且转子与汽缸的温差也越大，其相对胀差也就越大。因此一般限制主蒸汽温升率和再热蒸汽的升温速度在规定范围内。根据数据计算可得，冷态低速启动时主蒸汽温升率为12.67/min，高速冷态启动时主蒸汽温升率为6.33/min，初始负荷下的冷态启动主蒸汽温升率为5.85/min。D.冷态启动监视参数金属的温升变化金属的温升变化汽轮机启动时，金属中应力的大小是由其内、外壁温差决定的，而且温差又与金属的升温速度有关，因此控制金属升温率是控制热应力的最基本手段。对于具体的机组各部件的几何尺寸是固定的，温升率越高则其内

8、外壁温差越大。因此制造厂家在规程中规定的各种允许温差都是以允许应力为基础的；允许温差又与金属的升温速度有一定的关系。所以控制金属的升温速度不仅可以调整转子和汽缸的相对胀差，而且可以控制零部件中的启动热应力。上、下汽缸温差上、下汽缸温差 上、下汽缸温差的大小影响汽缸的上拱形变（弯曲）及转子的热弯曲值。因此上、下缸温差控制在规定值范围内。蒸汽参数蒸汽参数热态启动前，机组金属部件已有较高的温度只有选择较高的冲转参数，才能使蒸汽温度与金属相匹配即他们的温差应符合汽轮机的热应力、热变形和胀差的要求。一般宜采用正温差启动（即蒸汽温度高于金属温度）。 如调节级段的汽缸和转子表面温度在450以上，则采用正温差

9、启动有困难，为了满足电力负荷的要求，只好采用负温差启动（即蒸汽温度低于金属温度）。负温差启动过程中，转子和汽缸先受到蒸汽冷却，而后又随蒸汽参数的升高而被加热，转子和汽缸受一次交变热应力循环，增E.热态启动监视参数 加了寿命损耗。若汽温过低冲转，则在转子表面和汽缸内壁引起过大的热应力，严重时产生裂纹和过大变形，导致动静间隙变化发生摩擦故障。在负温差启动过程中，要严密监视蒸汽的温度值，并尽快提高汽轮机的进气温度，严密监视机组胀差、振动等，尽快升速、并网及带负荷。如果压缩热应力超过材料的屈服极限,局部地方会产生塑性变形。在初始负荷（5%10%额定负荷，又称基本负荷）以前，由于塑性变形不能恢复，在转子

10、表面会出现残余拉应力，但在高温条件下，由于材料松弛致使残余应力随着时间的增加而逐渐减小。转子与蒸汽的温差转子与蒸汽的温差在转子存在弹性热弯曲时启动汽轮机，转子重心与旋转中心偏离，高速旋转将产生更大的离心力，使转子弯曲增大并出现动静部分之间的径向摩擦和轴向摩擦，摩擦部位温度急剧升高，又促使转子进一步弯曲，而弯曲增大又引起摩擦加剧，这种恶性循环有可能导致汽轮机大轴永久性弯曲。在热态冲转前消除转子的弯曲是机组热态启动的关键条件。热态启动过程中，汽轮机迅速进行冲转、升速、并网、升负荷至初负荷点，不能期待在机组冲转后再来矫正转子热弯曲。大型机组汽轮机转子轴径大，轴系长，即使启动前大轴弯曲合格，也不等于大

11、轴横截面上温度分布均匀。因此，要求热态冲转前要进行连续盘车，以消除转子暂时性热弯曲。若启动前转子挠度超过规定值，则应延长盘车时间。连续盘车期间应避免盘车中断，如有中断，则应按规定延长盘车时间。盘车时要仔细听声音，检查轴封处有无金属摩擦声，如有摩擦，应采取措施消除后再启动。600MW机组这样的汽轮机转子，在蒸汽温度不变的情况下，转子表面温度和转子内部温度趋于基本均匀所需要的时间约为45h。由此可见，汽轮机在冷态启动时，事先送汽预热的时间应当不少于45h。此外，蒸汽与转子的温差以不大于100为宜，蒸汽的升温以不大于2.5/min为宜。如果蒸汽与转子的温差达到150，那么，即使平滑的转子表面，其热应力将大到材料屈服极限的数值；如果是这样，转子表面很快就会产生疲劳裂纹。由此可见，为了限制热应力，就必须限制蒸汽与转子的温F.控制方法差。此外，由于构成转子的材料相当厚大，各部分材料之