熱膨脹、熱應力和熱變形

1、熱膨脹、熱應力和熱變熱膨脹、熱應力和熱變形形A.熱膨脹 汽輪機在暖機后隨著缸體溫度的上升而膨脹也就是金屬的熱脹冷縮簡稱為熱膨脹。 1 汽輪機的絕對膨脹：在低壓缸兩側的橫向中心線上各設置一縱銷，允許低壓缸軸向自由膨脹，確定低壓缸的橫向位置，保證低壓缸中心位置不發(fā)生變化。在低壓缸前后兩端各設置一橫銷，允許低壓缸橫向的自由膨脹，以確定低壓缸軸向位置。低壓缸縱銷中心線與橫銷中心線的交點即為膨脹的死點，從這點開始，汽缸可在基礎臺板上自由膨脹。 在前軸承座下設有一縱銷，其位于前軸承座及臺板間的軸向中心線上，允許前軸承座軸向自由膨脹，限制其橫向移動，因此整個機組以死點為中心，通過高中壓缸帶動前軸承座向前膨脹

2、，前軸承座的位移表示高中壓缸和低壓缸向前膨脹之和，稱為絕對膨脹。 2 轉子對汽缸的相對膨脹： 當汽輪機啟動加熱或停機冷卻及負荷變化時，汽缸和轉子都會產(chǎn)生熱膨脹或冷收縮，由于轉子的受熱面積比汽缸大，且轉子質量比汽缸小，蒸汽對轉子的傳熱比汽缸快得多，因此轉子和汽缸之間存在著膨脹差，這個膨脹差是轉子相對于汽缸而言的，故稱為相對膨脹差，簡稱差脹。 在機組啟動加熱時，轉子膨脹大于汽缸，其相對膨脹差稱為正差脹，而當汽輪機冷卻時，轉子冷卻較快，其收縮也比汽缸塊，產(chǎn)生負差脹，負差脹也會發(fā)生在有法蘭螺栓加熱裝置的汽輪機，當加熱裝置投入時，其汽缸膨脹可能比轉子膨脹得快。 西門子DEH的熱控制就是將汽機廠的這些要求

3、和手段轉換成程序，測取（或模擬計算）受溫度劇烈變化影響的汽機主要厚重部件如高中壓主汽門閥體、高中壓缸體、高中壓轉子等部件的內外壁溫，然后計算出可能的最大應力及熱膨脹（用溫差進行表征）并與規(guī)定限值進行比較，從而構成汽機監(jiān)視系統(tǒng)的一部分，并根據(jù)應力決定汽機啟動過程中的升速率以及變負荷時最大的允許負荷變動率。 啟動時，轉子外表面溫度上升速度較中心孔快得多，從而產(chǎn)生溫差。外表面產(chǎn)生壓縮應力，內孔表面產(chǎn)生拉伸應力。若表面溫升劇烈，壓縮應力會使表面材料屈服，在負荷穩(wěn)定后，轉子表面會持續(xù)殘余拉伸應力影響。目前，把這種轉子金屬材料承受一次加熱冷卻的過程稱為一次溫度循環(huán)，由此而引起的疲勞則稱為低周疲勞。這樣的一

4、次交變熱應力雖然不一定立即造成宏觀可見的缺陷，但B.熱應力 是每一次較大的熱應力交變，都會消耗轉子的使用壽命，經(jīng)多次累計，最終會使轉子出現(xiàn)宏觀裂紋損壞。熱態(tài)啟動時，如果新蒸汽的溫度沒有保證調節(jié)級室汽溫略高于金屬溫度，則是轉子表面受到冷卻，之后隨著參數(shù)的提高，轉子表面又被加熱，因此，使轉子表面先受到拉伸應力，后受到壓縮應力；內孔壁承受的則先是壓縮應力，后是拉伸應力。這樣，一次啟動就形成了一次交變應力的循環(huán)。汽輪機熱應力評估TSE的基本功能就是對汽輪機的高、中壓轉子、高壓主汽門、調門閥體和高壓缸體等厚重部件的溫差進行監(jiān)視，防止由于蒸汽溫度與金屬溫度的不匹配導致金屬部件產(chǎn)生過大的熱應力，影響部件的使

5、用壽命。這里的溫差監(jiān)視實際上是所謂的溫度裕量（Margin）監(jiān)視。它是汽輪機部件的實際溫差和設計溫差的差值，溫度裕量越大，說明溫差越小，部件所受的熱應力也越 小。為了確保機組啟動和變工況時，其熱應力處于可控范圍，DEH根據(jù)溫度裕量的大小自動設置升速率和最大允許的負荷變動率。而且TSE出現(xiàn)故障時，DEH將不允許機組啟動，并閉鎖汽輪機升速或變負荷啟動和停機后由于上、下汽缸存在溫差，轉子上、下部門也存在溫差，在此溫差作用下，轉子要發(fā)生熱變形。如果轉子中心孔存在液體，在運轉過程中也會發(fā)生熱變形所導致的熱彎曲。變工況時，轉子金屬溫度變化可能導致液體的蒸發(fā)或凝結，從而使轉子產(chǎn)生局部過冷或過熱引起的熱變形。

6、C.熱變形轉子的最大彎曲部位通常在調節(jié)級附近多缸汽輪機的高壓轉子和背壓汽輪機的轉子約在中部單缸汽輪機轉子則稍偏于轉子的前端。通過晃度來間接得到轉子的熱彎曲值將千分表裝在轉子的軸頸或軸向位移發(fā)訊器圓盤上測取轉子晃度。轉子的離心力與轉速的平方成正比在離心力作用下轉子沿徑向伸長軸向則縮短，脹差減小。彈性材料的徑向應變與軸向應變有一定比例關系當轉子徑向伸長時 轉子軸向必然會縮短大容量機組轉速高、轉子長離心力對脹差的影響應加以考慮。隨流量增大、轉速上升高壓轉子的脹差逐漸增大而中低壓轉子脹差先隨轉速升高而增加中速之后又隨轉速增加而減小。蒸汽升溫速度蒸汽升溫速度冷態(tài)滑參數(shù)啟動的過程中，限制加負荷的主要因素是

7、脹差正值的增大，而影響脹差的主要因素就是蒸汽的升溫速度。蒸汽升溫速度越快，不僅轉子內的溫差大，而且轉子與汽缸的溫差也越大，其相對脹差也就越大。因此一般限制主蒸汽溫升率和再熱蒸汽的升溫速度在規(guī)定范圍內。根據(jù)數(shù)據(jù)計算可得，冷態(tài)低速啟動時主蒸汽溫升率為12.67/min，高速冷態(tài)啟動時主蒸汽溫升率為6.33/min，初始負荷下的冷態(tài)啟動主蒸汽溫升率為5.85/min。D.冷態(tài)啟動監(jiān)視參數(shù)金屬的溫升變化金屬的溫升變化汽輪機啟動時，金屬中應力的大小是由其內、外壁溫差決定的，而且溫差又與金屬的升溫速度有關，因此控制金屬升溫率是控制熱應力的最基本手段。對于具體的機組各部件的幾何尺寸是固定的，溫升率越高則其內

8、外壁溫差越大。因此制造廠家在規(guī)程中規(guī)定的各種允許溫差都是以允許應力為基礎的；允許溫差又與金屬的升溫速度有一定的關系。所以控制金屬的升溫速度不僅可以調整轉子和汽缸的相對脹差，而且可以控制零部件中的啟動熱應力。上、下汽缸溫差上、下汽缸溫差 上、下汽缸溫差的大小影響汽缸的上拱形變（彎曲）及轉子的熱彎曲值。因此上、下缸溫差控制在規(guī)定值范圍內。蒸汽參數(shù)蒸汽參數(shù)熱態(tài)啟動前，機組金屬部件已有較高的溫度只有選擇較高的沖轉參數(shù)，才能使蒸汽溫度與金屬相匹配即他們的溫差應符合汽輪機的熱應力、熱變形和脹差的要求。一般宜采用正溫差啟動（即蒸汽溫度高于金屬溫度）。 如調節(jié)級段的汽缸和轉子表面溫度在450以上，則采用正溫差

9、啟動有困難，為了滿足電力負荷的要求，只好采用負溫差啟動（即蒸汽溫度低于金屬溫度）。負溫差啟動過程中，轉子和汽缸先受到蒸汽冷卻，而后又隨蒸汽參數(shù)的升高而被加熱，轉子和汽缸受一次交變熱應力循環(huán)，增E.熱態(tài)啟動監(jiān)視參數(shù) 加了壽命損耗。若汽溫過低沖轉，則在轉子表面和汽缸內壁引起過大的熱應力，嚴重時產(chǎn)生裂紋和過大變形，導致動靜間隙變化發(fā)生摩擦故障。在負溫差啟動過程中，要嚴密監(jiān)視蒸汽的溫度值，并盡快提高汽輪機的進氣溫度，嚴密監(jiān)視機組脹差、振動等，盡快升速、并網(wǎng)及帶負荷。如果壓縮熱應力超過材料的屈服極限,局部地方會產(chǎn)生塑性變形。在初始負荷（5%10%額定負荷，又稱基本負荷）以前，由于塑性變形不能恢復，在轉子

10、表面會出現(xiàn)殘余拉應力，但在高溫條件下，由于材料松弛致使殘余應力隨著時間的增加而逐漸減小。轉子與蒸汽的溫差轉子與蒸汽的溫差在轉子存在彈性熱彎曲時啟動汽輪機，轉子重心與旋轉中心偏離，高速旋轉將產(chǎn)生更大的離心力，使轉子彎曲增大并出現(xiàn)動靜部分之間的徑向摩擦和軸向摩擦，摩擦部位溫度急劇升高，又促使轉子進一步彎曲，而彎曲增大又引起摩擦加劇，這種惡性循環(huán)有可能導致汽輪機大軸永久性彎曲。在熱態(tài)沖轉前消除轉子的彎曲是機組熱態(tài)啟動的關鍵條件。熱態(tài)啟動過程中，汽輪機迅速進行沖轉、升速、并網(wǎng)、升負荷至初負荷點，不能期待在機組沖轉后再來矯正轉子熱彎曲。大型機組汽輪機轉子軸徑大，軸系長，即使啟動前大軸彎曲合格，也不等于大

11、軸橫截面上溫度分布均勻。因此，要求熱態(tài)沖轉前要進行連續(xù)盤車，以消除轉子暫時性熱彎曲。若啟動前轉子撓度超過規(guī)定值，則應延長盤車時間。連續(xù)盤車期間應避免盤車中斷，如有中斷，則應按規(guī)定延長盤車時間。盤車時要仔細聽聲音，檢查軸封處有無金屬摩擦聲，如有摩擦，應采取措施消除后再啟動。600MW機組這樣的汽輪機轉子，在蒸汽溫度不變的情況下，轉子表面溫度和轉子內部溫度趨于基本均勻所需要的時間約為45h。由此可見，汽輪機在冷態(tài)啟動時，事先送汽預熱的時間應當不少于45h。此外，蒸汽與轉子的溫差以不大于100為宜，蒸汽的升溫以不大于2.5/min為宜。如果蒸汽與轉子的溫差達到150，那么，即使平滑的轉子表面，其熱應力將大到材料屈服極限的數(shù)值；如果是這樣，轉子表面很快就會產(chǎn)生疲勞裂紋。由此可見，為了限制熱應力，就必須限制蒸汽與轉子的溫F.控制方法差。此外，由于構成轉子的材料相當厚大，各部分材料之