汽轮机的热应力、热膨胀和热变形汽轮机的热应力、热膨胀和热变形主讲人主讲人 俞俞 辉辉汽轮机的热应力、热膨胀和热变形汽轮机的热应力、热膨胀和热变形蒸汽在汽轮机中的传热现象金属部件的温度分布汽轮机的热应力汽轮机的热膨胀汽轮机的热变形汽轮机的热应力、热膨胀和热变形汽轮机的热应力、热膨胀和热变形蒸汽在汽轮机中的传热现象蒸汽在汽轮机中的传热现象蒸汽在汽轮机内膨胀做功，将热能转变为机蒸汽在汽轮机内膨胀做功，将热能转变为机 械能，同时又以对流传热的方式，将热量传递给械能，同时又以对流传热的方式，将热量传递给 汽缸、转子等金属部件的表面。热量在汽缸内以汽缸、转子等金属部件的表面。热量在汽缸内以 导热的方式从内壁传到外壁，最后经保温层散到导热的方式从内壁传到外壁，最后经保温层散到 大气；热量在转子内以导热方式从转子表面传到大气；热量在转子内以导热方式从转子表面传到 中心孔，通过中心孔散给周围空间。中心孔，通过中心孔散给周围空间。由于汽缸金属内外壁、转子金属内外壁之间由于汽缸金属内外壁、转子金属内外壁之间 存在热阻，并且热量从金属内导热需要一定的时存在热阻，并且热量从金属内导热需要一定的时 间，因而在汽缸内、外壁间以及转子表面和中心间，因而在汽缸内、外壁间以及转子表面和中心 孔间形成温差孔间形成温差。 汽轮机的热应力、热膨胀和热变形汽轮机的热应力、热膨胀和热变形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蒸汽在汽轮机中的传热现象蒸汽在汽轮机中的传热现象汽轮机的换热方式汽轮机的热应力、热膨胀和热变形汽轮机的热应力、热膨胀和热变形汽轮机在稳定工况下运行时的传热过程汽轮机在蒸汽参数不随时间变化的汽轮机在蒸汽参数不随时间变化的 稳定工况下运行时，稳定工况下运行时，汽缸、转子等金属汽缸、转子等金属 部件内的部件内的温度分布温度分布是不随时间变化的称是不随时间变化的称 为稳态传热过程。为稳态传热过程。汽轮机的热应力、热膨胀和热变形汽轮机的热应力、热膨胀和热变形在缓慢加热（不稳在缓慢加热（不稳 定加热）过程中，定加热）过程中， 金属内部温度梯度金属内部温度梯度 场为抛物线型，温场为抛物线型，温 度场中的热应力的度场中的热应力的 分布是不均匀的，分布是不均匀的， 最大热应力为压缩最大热应力为压缩 应力，而且发生在应力，而且发生在 温度较高的内表面温度较高的内表面 。汽 缸 内 表 面汽轮机的热应力、热膨胀和热变形汽轮机的热应力、热膨胀和热变形汽轮机在启停和工况变化时的传热过程汽轮机在启停和工况变化时的传热过程在汽轮机启停和工况变化时，汽缸和转子整个在汽轮机启停和工况变化时，汽缸和转子整个 金属部件的温度分布将发生变化。金属部件的温度分布将发生变化。 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。 汽轮机的热应力、热膨胀和热变形汽轮机的热应力、热膨胀和热变形这种传热过程为 剧烈加热过程。 金属内壁加热剧 烈，温度瞬间变 化很大，其温度 分布为双曲线型 ，此时金属温差 大部分发生在近 内壁表面。汽 缸 内 表 面汽轮机的热应力、热膨胀和热变形汽轮机的热应力、热膨胀和热变形汽 缸 内 表 面当吸放热过程逐渐 趋于稳定（即稳定 加热时）其温度分 布为直线型。压缩 与拉伸应力对称分 布于中心线两侧， 在中心线处的应力 为零。汽轮机的热应力、热膨胀和热变形汽轮机的热应力、热膨胀和热变形凝结换热的概念凝结换热的概念当蒸汽与温度低于蒸汽压力对应的饱当蒸汽与温度低于蒸汽压力对应的饱 和温度的金属表面接触时，在金属表面容和温度的金属表面接触时，在金属表面容 易发生凝结换热现象，蒸汽放出汽化潜热易发生凝结换热现象，蒸汽放出汽化潜热 ，凝结成液体。，凝结成液体。膜状凝结膜状凝结珠状凝结珠状凝结汽轮机的换热方式汽轮机的热应力、热膨胀和热变形汽轮机的热应力、热膨胀和热变形膜状凝结膜状凝结凝结换热时蒸汽在金属表面凝结成水膜。凝结换热时蒸汽在金属表面凝结成水膜。 珠状凝结珠状凝结凝结换热时蒸汽在金属表面凝结成水凝结换热时蒸汽在金属表面凝结成水 珠。（汽轮机转子以一定转速旋转，由于珠。（汽轮机转子以一定转速旋转，由于 离心力作用，形不成水膜）。离心力作用，形不成水膜）。汽轮机的热应力、热膨胀和热变形汽轮机的热应力、热膨胀和热变形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。 汽轮机的热应力、热膨胀和热变形汽轮机的热应力、热膨胀和热变形对流换热的概念对流换热的概念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，凝结 换热方式结束。此时蒸汽对金属表面 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。 汽轮机的换热方式汽轮机的热应力、热膨胀和热变形汽轮机的热应力、热膨胀和热变形甩1/2负荷工况比甩全负荷工况 更危险，就是这个道理。既甩1/2负 荷时，蒸汽的放热系数比甩全负荷时 的放热系数要大得多。汽轮机的热应力、热膨胀和热变形汽轮机的热应力、热膨胀和热变形换热系数对金属部件上引起的温差的影响换热系数对金属部件上引起的温差的影响换热系数越大，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。汽轮机的热应力、热膨胀和热变形汽轮机的热应力、热膨胀和热变形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。汽轮机的热应力、热膨胀和热变形汽轮机的热应力、热膨胀和热变形准稳态点在一定的温升率条件下，随着蒸汽对对金属放 热时间热时间 的增长长和蒸汽参数的提高，蒸汽对对金属的 放热热系数不断增大，即蒸汽对对金属的放热热量不断 增加，从而使金属部件的温差不断增大，当调调节 级级的蒸汽温度升到满负满负 荷时时所对应对应 的蒸汽温度时时 ，蒸汽温度的变变化率为为零，此时时金属部件内部温 差达到最大值值，在温升率变变化曲线线上的这这一点叫 做准稳态稳态 点。 汽轮机的热应力、热膨胀和热变形汽轮机的热应力、热膨胀和热变形准稳态点：温差达到最大值的时刻。准稳态点：温差达到最大值的时刻。例：某汽轮机当蒸汽温度以温升例：某汽轮机当蒸汽温度以温升2.52.5/ /minmin变化时，调节级处高压转子金属温度变化时，调节级处高压转子金属温度随时间的变化关系。随时间的变化关系。汽轮机的热应力、热膨胀和热变形汽轮机的热应力、热膨胀和热变形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 转子达到准稳态点汽轮机的热应力、热膨胀和热变形汽轮机的热应力、热膨胀和热变形汽轮机启停过程为不稳定热传导过程不稳定状态 额定工况下的运行为稳定热传导过程稳态过程汽轮机在二者之间的工作过程称准稳态过程汽轮机的热应力、热膨胀和热变形汽轮机的热应力、热膨胀和热变形汽轮机的热应力汽轮机的热应力热应力的概念由于温度的变化引起的物体变形称由于温度的变化引起的物体变形称 之为热变形。如果物体的热变形受到约之为热变形。如果物体的热变形受到约 束，则在物体内就会产生应力，这种由束，则在物体内就会产生应力，这种由 于温度的变化而引起的应力称之为热应于温度的变化而引起的应力称之为热应 力。力。 汽轮机的热应力、热膨胀和热变形汽轮机的热应力、热膨胀和热变形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 汽轮机的热应力、热膨胀和热变形汽轮机的热应力、热膨胀和热变形当物体内部加热或冷却不均匀，温度分布当物体内部加热或冷却不均匀，温度分布 不均匀时，物体即使不受到外部约束，其内部不均匀时，物体即使不受到外部约束，其内部 也会产生热应力。也会产生热应力。 高温区产生压应力高温区产生压应力 低温区产生拉应力低温区产生拉应力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。汽轮机的热应力、热膨胀和热变形汽轮机的热应力、热膨胀和热变形汽轮机启停和工况变化时转子和汽缸的热应力 在汽轮机启动及工况变化时，由于掠 过转子和汽缸表面的蒸汽温度是不断变化 的，这就引起转子和汽缸内部温度分布不 均匀且随工况而变化。正是由于这种不均 匀的温度分布，使得转子和汽缸内部产生 了热应力。汽轮机的热应力、热膨胀和热变形汽轮机的热应力、热膨胀和热变形汽轮机冷态启动时的热应力汽轮机冷态启动时的热应力 汽轮机停机过程的热应力汽轮机停机过程的热应力 汽轮机热态启动时的热应力汽轮机热态启动时的热应力 负荷变动时的热应力负荷变动时的热应力 汽轮机的热应力、热膨胀和热变形汽轮机的热应力、热膨胀和热变形汽轮机冷态启动时的热应力 汽缸内壁和转子外表面产生压应力压应力汽缸外壁和转子中心孔产生拉应力拉应力汽轮机的热应力、热膨胀和热变形汽轮机的热应力、热膨胀和热变形汽轮机停机过程的热应力 汽缸内壁和转子外表面产生拉应力拉应力汽缸外壁和转子中心孔则产生压应力压应力汽轮机的热应力、热膨胀和热变形汽轮机的热应力、热膨胀和热变形汽轮机热态启动时的热应力汽轮机热态启动时的热应力 在整个热态启动过程中，冲转时进入调在整个热态启动过程中，冲转时进入调 节级处的蒸汽温度可能比该处的金属温度低节级处的蒸汽温度可能比该处的金属温度低 ，使其先受到冷却，在转子表面和汽缸内表，使其先受到冷却，在转子表面和汽缸内表 面产生拉应力。随着转速的升高及接带负荷面产生拉应力。随着转速的升高及接带负荷 ，该处的蒸汽温度将迅速提高，并高出金属，该处的蒸汽温度将迅速提高，并高出金属 温度，转子表面及汽缸内壁将产生压应力，温度，转子表面及汽缸内壁将产生压应力， 这样在整个热态启动过程中，汽轮机部件的这样在整个热态启动过程中，汽轮机部件的 热应力要经历一个拉热应力要经历一个拉压循环。压循环。 汽轮机的热应力、热膨胀和热变形汽轮机的热应力、热膨胀和热变形负荷变动时的热应力 降负荷时，转子表面和汽缸内壁产生拉应力拉应力 增负荷时，转子表面和汽缸内壁产生压应力压应力 汽轮机的热应力、热膨胀和热变形汽轮机的热应力、热膨胀和热变形实践证明，汽缸出现裂纹或损坏，大多 是由拉应力所引起的。汽缸内壁在快速冷却 时，将出现较大的拉应力，所以汽轮机的快 速冷却比快速加热更加危险。例如，热态启动汽轮机若用低湿蒸汽（温 度低于汽缸金属温度的蒸汽）进行启动， 或汽轮机突然甩负荷时，机组是非常危险 的。汽轮机的热应力、热膨胀和热变形汽轮机的热应力、热膨胀和热变形汽缸的热应力对汽轮机而言，汽缸壁所产生的热应力 是与汽缸内外壁温差成正比的，它的大小又 取决于汽缸壁加热或冷却的速度（汽缸金属 温升或温降的速度）及汽缸壁的厚度。而汽 缸内外壁温差与汽缸内壁的温度变化率及汽 缸壁 的厚度的平方成正比，当汽缸内壁的温 度变化率越大、汽缸壁越厚，汽缸内外壁的 温差就越大，从而热应力也越大。汽轮机的热应力、热膨胀和热变形汽轮机的热应力、热膨胀和热变形汽缸内壁温度变化的大小，意味着 汽轮机的转速和负荷变化速度的快慢， 当然也意味着汽轮机启动、停机过程的 快慢。对于大容量汽轮机，汽缸壁尤其 是法兰通常做的很厚，因此汽缸