熱應力和熱變形2課件

第二節(jié)汽輪機的熱應力、熱膨脹、熱變形一、汽輪機的受熱特點

啟動過程溫度變化劇烈，各部件受熱條件不同，汽輪機金屬部件存在溫度梯度，導致熱應力，熱變形啟動時溫度變化：內壁與蒸汽直接接觸，溫度上升比較快；外壁溫度上升比較慢，造成溫度差。汽缸部件由于受到約束，不能自由膨脹，因此將產生熱應力。其中溫度高部件受壓；溫度低部件受拉伸作用

汽輪機啟停中的限制因素：熱應力、熱膨脹、熱變形

熱應力:在汽輪機啟動、停機或變負荷過程中，其零部件由于溫度變化而產生膨脹或收縮變形，稱為熱變形。當熱變形受到某種約束(包括金屬纖維之間的約束)時，則要在零部件內產生應力，這種由于溫度(或溫差)引起的應力稱為溫度應力或熱應力二、汽輪機的熱應力?一?

汽缸的熱應力

1內外壁溫差允許值的確定根據金屬特性工作溫度，確定許用最大應力，推出允許的最大溫差停機時以內壁拉應力計算啟動時以外壁拉應力計算冷態(tài)啟動比停機甩負荷時允許的內外壁溫差要大些2內外溫差取決與汽缸壁加熱或冷卻的速度以及壁厚—和汽缸內壁溫度變化率成正比—和汽缸壁厚平方成正比.采用雙層缸汽缸啟動停機,轉速和負荷變化的快慢影響內壁溫度的變化

3汽缸最大熱應力存在于調節(jié)級汽室啟動時調節(jié)級汽室溫度變化最劇烈4熱應力監(jiān)測直接無法測量；通過測溫度變化率獲得?二?轉子熱應力1轉子啟停時單向受熱，包括冷卻，轉子表面和軸心溫度存在溫差，產生熱應力；同時承受離心應力在穩(wěn)定工況運行一段時間后，內部溫度平衡，轉子截面溫度均勻，熱應力消失,只承受其他應力3合成應力若超過材料的許用應力，則局部會產生塑性變形，在轉子表面出現殘余應力，縮短轉子的使用壽命。?三?熱沖擊蒸汽與汽缸，轉子等金屬部件產生極強的熱交換，短時間內金屬部件溫差劇烈上升，熱應力急劇增大，甚至超過材料的屈服極限，造成部件損壞。1啟動時蒸汽溫度和金屬溫度不匹配

低壓微過熱蒸汽沖轉，合理暖機2極熱態(tài)啟動造成的熱沖擊3甩負荷造成的熱沖擊3汽輪機轉子鋼和其他鐵索體合金一樣，沖擊試驗斷口形貌隨試驗溫度不同而有很大不同。在低溫下為脆性斷裂,材料的許用應力較低,金屬容易斷裂；在高溫下為韌性斷裂，許用應力高些。低溫脆性轉變溫度一般為100-120度某轉子表面蒸汽150/h升溫2小時后,恒溫,溫度和轉子熱應力關系曲線低負荷暖機的原因若空負荷暖機,參數低,進汽量小,加熱太慢，不經濟，且高中壓不能超過低溫脆性轉變溫度．低負荷暖機運行一段時間進行超速時間，轉子熱應力明顯降低，只受離心拉應力且超過低溫脆性轉變溫度．三、汽缸的熱膨脹?一?汽缸的熱膨脹（絕對膨脹）汽缸的絕對膨脹值理論上可以用式表示

式中β為計算段材料的線膨脹系數(1／℃）?t一計算工況金屬溫度與安裝溫度之差，即計算段的溫度增量（℃）L一一計算截面至死點的軸向距離絕對膨脹值取決于汽缸的長度，線膨脹系數和各段金屬溫度的變化值實際應用時分段考慮：先計算各區(qū)段的絕對膨脹值，然后進行修正和疊加，得出汽缸的絕對膨脹值。注意：每臺機組必須首先了解滑銷系統(tǒng).大容量機組法蘭厚度和寬度遠大于汽缸壁厚,法蘭前后搭在軸承座上,汽缸的膨脹值取決于法蘭各段的平均溫度t0,L距離死點的長度,t0法蘭各段的平均溫度一般選取調節(jié)級區(qū)域的法蘭內壁溫度作為汽缸軸向膨脹的監(jiān)視點,控制監(jiān)視點溫度在正常允許范圍內.3)

脹差的計算由于汽輪機轉子的軸向位置是由推力軸承固定的，所以脹差是以推力軸承為起點的某一處，轉子和汽缸總的膨脹差，同時兼顧每段汽缸和轉子各自的膨脹方向．例如距推力軸承B處的差脹可以表示為：式中Lr，Lc一分別為轉子和汽缸的膨脹值（mm）β

r和βc一分別為轉子和汽缸的線膨脹系數(1／C）?tr和?tc一分別為轉子和汽缸的計算工況溫度增量（℃）

由于汽缸和轉子是由多區(qū)段組成的，所以計算差脹時，也是先計算各區(qū)段的差脹，然后相加。簡化為：△l相對=△l轉子-△l汽缸=βl(△t轉子-△t汽缸)=βl(t轉子-t汽缸)

9）影響脹差的因素分析a)負荷變化的影響：開機，轉速、負荷上升速度快，則蒸汽量D↑快，換熱強烈，△t（轉子、汽缸）↑，正脹差↑；停機，負荷↓速度快，則蒸汽溫度↓快，△t（轉子、汽缸）↑，負脹差↑。b)

主蒸汽溫度升（降）速度：開機，T↑快，則正脹差↑；停機，T↓速度快則負脹差↑。暖機汽缸和轉子的溫差取決于蒸汽溫升（降）速度c)

軸封供汽溫度：冷態(tài)開機，△T(汽、金屬)越大，局部正脹差越大；合理使用法蘭加熱裝置．熱態(tài)開機，T（汽）低于T(金屬)越多，則局部負脹差越大。主汽溫度下降，未及時倒換汽源，局部負脹差d)

輪盤摩擦鼓風效應e)排汽溫度（真空）f)

泊松效應四、汽輪機的熱變形汽缸或轉子金屬內部同一截面存在溫差，引起熱應力，同時產生熱變形．熱變形的危害：轉子和汽缸的變形增大，動靜徑向間隙發(fā)生變化，碰磨，引起大的振動，造成轉子彎曲．(一)上下缸溫差引起的熱變形1原因分析:

2徑向間隙和金屬溫差間的關系汽輪機動、靜部分的最小徑向間隙：隔板汽封和軸端汽封。上、下缸溫差引起熱變形：貓拱背上、下缸溫差的危害：下缸隔板汽封間隙減小，動、靜部分摩擦。上下缸溫差引起的汽缸熱變形(二)汽缸內外壁和法蘭內外壁溫差引起的熱變形

汽缸法蘭隨機組容量增大變厚,啟動停機負荷變動時,內外壁溫差產生熱應力外,還可能導致熱變形內溫度高時,內、外壁溫差引起熱變形中部為立橢圓，法蘭出現內張口；兩端為橫橢圓，法蘭出現外張口。

危害：法蘭產生塑性變形，漏汽；隔板汽封徑向間隙減小，碰摩；法蘭螺栓受力增大,損傷法蘭螺栓。法蘭內外溫差引起的汽缸熱變形

運行規(guī)程對內、外壁溫差的限制：有法蘭螺栓加熱裝置小于30℃，無法蘭螺栓加熱裝置小于100℃。內、外壁溫差控制方法控制蒸汽與缸內壁的溫差和蒸汽溫升率。投入法蘭螺栓加熱裝置。(三)轉子的熱彎曲彎曲的分類：彈性（暫時），塑性（永久）。由于轉子的徑向溫差太大,其熱應力超過材料的屈服極限,造成轉子的永久變形產生塑性彎曲2)

彎曲的危害：振動加大；動、靜部分徑向間隙減小，碰磨。

盤車裝置的作用之一當汽輪機上下存在溫差時,盤動轉子,上下受熱均勻,減少轉子的熱彎曲3）引起彎曲的原因轉子存在徑向溫差（停機，轉子靜止，上、下缸溫度不等）離心力的作用靜止狀態(tài)下進蒸汽。碰磨，局部加熱冷態(tài)原始彎曲汽缸進水4）熱彎曲的測量晃動的測量位置：軸承附近的軸徑處?；蝿拥臏y量內容：轉子轉動中，軸徑表面與探頭的徑向間隙,直流分量?；蝿拥慕M成：臨時彎曲+原始晃動.晃動變化值就是軸承附近軸徑處的軸彎曲增加值..晃動測量值fu與缸內最大軸彎曲fmax的關系fmax=0.25fuL/lL>>l，測量可用千分表（1/1000mm）計算值最大軸彎曲處為兩軸承的中間處，實際最大軸彎曲處為調節(jié)級或中壓缸第一級處，上述算法偏于安全運行規(guī)程對彎曲的限制：測得轉子晃度.不得超過原始晃度0.02mm驗收規(guī)范：冷態(tài)最大彎曲>0.05mm,必須直軸。5)運行時防止大軸彎曲的措施

運行規(guī)程對彎曲的限制：fu不得大于0.02mm（0.04)。依據：fu對應的fmax必須小于隔板汽封間隙考慮過臨界轉速時的振動值0.40mm。驗收規(guī)范：如冷態(tài)最大彎曲>0.05mm,必須直軸，若0.03mm<冷態(tài)最大彎曲<0.05mm則需重做高速動平衡?？刂茝澢幕敬胧┳龊脛悠胶?；嚴禁在轉子靜止狀態(tài)下進汽；控制振動，防止碰摩；控制蒸汽溫升率?；螖[值現場稱為晃度，實際上是指轉子永久或熱彎曲和轉子表面不圓度等，在低速下所呈現的擺動值（雙幅），也稱晃擺值，它不包括任何外力作用下轉軸所產生的位移，因此測量轉子晃擺值必須在低速下進行。若忽略轉子表面不圓度的影響，晃擺值應等于轉子彎曲值的兩倍，偏心在機組運行監(jiān)測和轉子平衡兩個領域內，偏心的含義不同．在機組運行監(jiān)測中，偏心是指軸頸中心偏離軸瓦中心的現象，也稱偏心位置．通過偏心的監(jiān)測可以發(fā)現轉子承受外加載荷和軸瓦工作的狀況。在轉子平衡領域內，偏心是指轉子質量中心偏離轉軸回轉中心的一種現象，稱為質量偏心，簡稱偏心．其偏離的數值稱偏心距，單位是微米，它不能被任何儀表直接測量出來．偏心是引起轉軸振動最重要的激振力。一轉子彎曲所呈現的晃擺值；二軸頸中心偏離軸瓦中心的距離．將偏心、偏心率(度)的測量分別定義為軸頸在軸瓦內相對位置、轉子彎曲的測量．彎曲和振動的互激

彎曲加大振動 振動引發(fā)碰摩 局部加熱彎曲增大第三節(jié)其他監(jiān)視參數600MW汽輪機主要參數限值序號參數單位正常高限低限跳閘1轉速rpm300033602負荷MW6583主汽溫℃538543528474/4604高排溫度℃4204325凝汽器真空KPa-95.5/-94.5(A/B)-86.6-74.76排汽溫度℃801077推力瓦磨損油壓KPa85(0.6mm)118(0.8mm)8高中壓缸差脹mm20.24.73.4/21.69低壓缸差脹mm31.87.410主機軸振mm0.125(#9:0.067)0.2(#9:0.1)11EHG油壓力MPa118.97.612EHG油溫度℃40～45652013潤滑油壓MPa0.1960.1030.06914潤滑油溫℃434615頂軸油壓MPa10～202.716軸承回油溫度℃50～607517支持軸承溫度℃115121（手動）18推力瓦溫度℃85107（手動）19主油箱油位mm50100-10020EHG油箱油位mm50100-10021主機軸封壓力KPa271122軸加負壓KPa-3-3.5-2.523凝汽器水位mm50178-178主汽溫度監(jiān)視段壓力潤滑油壓和軸瓦溫度真空主汽溫度高危害：材料高溫蠕變；緊固件松馳。處理措施：額定為535度，連續(xù)545度30min以上不能下降，停機；550度，立即停機。主汽溫度低主要危害：水沖擊和末幾級葉片濕度大故障類型1：汽溫直線下降處理措施：10分鐘內下降50度，打閘停機。故障類型2：汽壓基本不變，汽溫下降處理措施：低于額定溫度20度時，開始減負荷，每降低10度減20%負荷。故障類型3：汽溫、汽壓同時下降處理措施：按滑參數停機監(jiān)視。過熱度低于50度，打閘停機；調節(jié)級后蒸汽溫度低于（高內缸上半內壁溫度+35度），打閘停機。監(jiān)視段壓力監(jiān)視段壓力：各段抽汽壓力與流量的比值變化反映通流面積變化，監(jiān)視抽汽壓力能夠及時發(fā)現斷葉片、異物堵塞，葉片結垢故障，所以各段抽汽壓力稱為監(jiān)視段壓力。其中，調節(jié)級后壓力能反映整個通流部分面積變化，最重要。潤滑油壓和軸瓦溫度

潤滑油壓應重點監(jiān)視勵磁機端部軸承油壓，因為該瓦離油泵最遠。下列之一，立即停機：軸承回油溫度超過75度或突然上升到70度；烏金溫度超過90度；回油溫度升高，軸承冒煙；潤滑油壓低于規(guī)定值，啟動交、直流油泵無效。低真空的危害轉子中心變化，附加一個彎矩，軸彎曲，振動加大。凝汽器銅管脹口脫開。維持負荷，則蒸汽流量加大，調節(jié)級和末級動葉過負荷。原因不明則按真空度減負荷(200MW)真空度（%）85838077757259負荷（%）100806040200停機

循環(huán)水中斷故障發(fā)生判斷特征：1)循環(huán)水泵電流至0，或2)循環(huán)水進水壓力降低。處理措施：檢查循環(huán)水泵跳閘，投備用泵；檢查循環(huán)水進水門。

凝結器滿水故障發(fā)生判斷特征：凝結器水位高信號。故障原因：1）負荷上升，凝結水至除氧器門未相應開大；軟化水補水門關不嚴；2）銅管破裂。處理措施：開大凝結水至除氧器門；檢查、關閉軟化水補水門；凝結水硬度超標則申請減負荷、停機。

軸封供汽不足故障發(fā)生判斷特征：軸封供汽壓力到0或微負壓。處理措施：開大軸封調整門。

軸封供汽不足故障發(fā)生判斷特征：軸封供汽壓力到0或微負壓。處理措施：開大軸封