汽轮机的热应力、热变形、热膨胀分析.docVIP

汽轮机的热应力、热变形、热膨胀 主要内容：主要介绍汽轮机的热应力、热膨胀和热变形；汽轮机寿命及如何进行汽轮机的寿命管理。 Ⅰ 汽轮机的受热特点 一、汽缸壁的受热特点 汽轮机启停过程是运行中最复杂的工况。在启停过程中，由于温度剧烈变化，各零部件中及它们之间形成较大的温差。导致零部件产生较大的热应力，同时还引起热膨胀和热变形。当应力达到一定水平时，会使高温部件遭受损伤，最终导致部件损坏。 1．汽缸的受热特点 （1）启动时，蒸汽的热量以对流方式传给汽缸内壁，再以导热方式传向外壁，最后经保温层散向大气，汽缸内外壁存在温差，内壁温度高于外壁温度，停机过程则产生相反温差。 （2）影响内外壁温差的主要因素： ①汽缸壁厚度δ，汽缸壁越厚，内外温差越大。 ②材料的导热性能； ③蒸汽对内壁的加热强弱。 加热急剧：温度分布为双曲线型，温差大部分集中在内壁一侧， 热冲击时； 加热稳定：温度分布为直线型，温差分布均匀， 汽轮机稳定运行工况； 缓慢加热：温度分布为抛物线型，内壁温差较大， 实际启动过程中； 2．转子的受热特点 蒸汽的热量以对流方式传给转子外表面，再以导热方式传到中心孔，通过中心孔散给周围环境，在转子外表面和中心孔产生温差，温差取决于转子的结构、材料的特性及蒸汽对转子的加热程度。 Ⅱ 汽轮机的热应力 一、热应力 热应力概念：当物体温度变化时，热变形受到其它物体约束或物体内部各部分之间的相互约束所产生的应力。 ①温度变化时，物体内部各点温度均匀，变形不受约束，则物体产生热变形而没有热应力。当变形受到约束时，则在内部产生热应力。 ②物体各处温度不均匀时，即使没有外界约束条件，也将产生热应力；在温度高的一侧产生热压应力，在温度低的一侧产生热拉应力。 二、汽缸壁的热应力 1．启动时，汽缸内壁为热压应力，外壁为热拉应力，且内外壁表面的热压和热拉应力均大于沿壁厚其他各处的热应力。 内壁； 外壁： 在停机过程中，内壁表面热拉应力，外壁表面热压应力。 （1）热应力与汽缸壁温差Δt成正比，因此可用Δt作为汽轮机运行中控制热应力的监视指标，在启停及负荷变化过程中，严格控制内外壁温差Δt在允许的范围内； （2）汽轮机冷却过快比加热过快更加危险；（原因略） （3）控制汽轮机金属的温升速度是控制热应力的基本方法。 运行中除监视内外壁温差外，还必须控制好金属的温度升降速度，汽缸内壁温升（温降）速度大小决定了汽轮机转速和负荷变化的快慢，也即决定了汽轮机启动和停机过程的快慢。 三、法兰螺栓的热应力 （1）沿着法兰宽度方向存在温差，必然引起热应力。 启动时，法兰外侧的温度低于内侧温度，因而受热后内侧膨胀大，外侧膨胀小，外侧就会阻止内侧自由热膨胀，内侧产生热压应力，外侧受热拉应力。停机时，情况则相反；如果机组不断启停，法兰内外侧就要承受交变的热应力。 （2）螺栓的热拉应力随法兰和螺栓的温差增大而增加，一般规定法兰与螺栓温差的允许值为：中参数机组40--50℃，高参数大容量机组20--35℃。 四、转子的热应力 1．启动时，蒸汽以对流换热方式将热量传给转子外表面，再以导热方式将热量传给转子中心孔。其中转子外表面温度上升快，中心孔与外表面存在温差；其温差大小主要与蒸汽温度变化率以及转子本身的热容量有关。温差与蒸汽温度变化率成正比；且热容量（系统在某一过程中，温度升高（或降低）1所吸收（或放出）的热量叫做这个系统在该过程中的热容量表面放热系数,是指一定单位面积、单位时间和温度下，释放的热量。一般可采用单位千卡/平方米小时表示 (1)上下汽缸温差产生的原因： ①上下汽缸散热面积不同：下缸布置有回热抽汽管道和疏水管道，散热面积大，在同样保温条件下，上缸温度比下缸温度高。 ②温度较高的蒸汽位于汽缸上部，凝结放热后凝结水流到下缸，在下缸形成一层水膜，使下缸加热条件恶化。 ③停机后汽缸内形成空气对流，温度较高的空气聚集在上汽缸，温度较低的空气在下汽缸，增大了上下汽缸的温差。 ④下汽缸的保温不如上汽缸，运行时由于振动，下汽缸保温材料容易脱落，且下汽缸是置于温度较低的运行平台以下并造成空气对流，使上下汽汽缸冷却条件不同，增大了温差。 ⑤在空负荷或低负荷运行时，由于部分进汽仅上部调节阀开启，使上下汽缸温差增大。 (2)上下汽缸温差最大值通常出现在调节级附近，汽缸的最大拱起也出现在调节级附近。 拱背变形使下部动静径向间隙减小，同时隔板和叶轮也将偏离正常时所在的垂直平面而使轴向间隙发生变化，导致动静部件摩擦。 (3)通常要求上下汽缸温差不超过35--50℃，同时严格控制温升速度。 启动时应尽量投入高压加热装置，开足下汽缸的疏水门；安装或大修时，下汽缸应采用优质保温材料，或增厚下汽缸的保温层；设法改进保温结构，使保温层与下汽缸的紧密贴合，避免保温层的脱落；在下汽缸装设挡