1、汽輪機的受熱特點一、汽缸壁的受熱特點汽輪機啟停過程是運行中最復雜的工況。在啟停過程中,由于溫度劇烈變化,各零部件中及它們之間形成較大的溫差。導致零部件產生較大的熱應力,同時還引起熱膨脹和熱變形。當應力達到一定水平時,會使高溫部件遭受損傷,最終導致部件損壞。1.汽缸的受熱特點(1啟動時,蒸汽的熱量以對流方式傳給汽缸內壁,再以導熱方式傳向外壁,最后經保溫層散向大氣,汽缸內外壁存在溫差,內壁溫度高于外壁溫度,停機過程則產生相反溫差。(2影響內外壁溫差的主要因素:汽缸壁厚度,汽缸壁越厚,內外溫差越大。材料的導熱性能;蒸汽對內壁的加熱強弱。加熱急劇:溫度分布為雙曲線型,溫差大部分集中在內壁一側,熱沖擊時

2、;加熱穩定:溫度分布為直線型,溫差分布均勻,汽輪機穩定運行工況;緩慢加熱:溫度分布為拋物線型,內壁溫差較大,實際啟動過程中;2.轉子的受熱特點蒸汽的熱量以對流方式傳給轉子外表面,再以導熱方式傳到中心孔,通過中心孔散給周圍環境,在轉子外表面和中心孔產生溫差,溫差取決于轉子的結構、材料的特性及蒸汽對轉子的加熱程度。二.熱應力由于溫度的變化而引起物體的變形稱之為熱變形。如果物體的熱變形受到約束,則在物體內部就會產生應力,這種應力稱之為熱應力。當溫度變化時,如果物體內各點的溫度變化是均勻的,并且其變形不受約束,既可以自由膨脹或收縮,則物體只存在熱變形,而不產生熱應力。如果物體膨脹受到約束,則物體內將產

3、生壓應力;如物體冷卻收縮受到約束,則物體內將產生拉應力。當物體加熱或冷卻不均勻,溫度分布不均勻時,物體即使不受到外部約束,其內部也會產生熱應力,高溫區產生壓應力,低溫區產生拉應力。汽輪機轉子和汽缸的熱應力主要是由于溫度分布不均勻引起的。在汽輪機啟動及變工況時,由于掠過轉子和汽缸表面的蒸汽溫度是不斷變化的,這就引起轉子和汽缸內部溫度分布不均勻且隨工況變化。正是由于這種不均勻的溫度分布,使得轉子和汽缸內部產生了熱應力。熱應力的大小只與金屬部件內的溫度分布有關,溫度分布越不均勻,產生的熱應力就越大。而金屬部件的溫度分布取決于材質、換熱劇烈程度、蒸汽溫升率。蒸汽溫升率越大,金屬部件內的溫度分布越不均勻

4、,造成的溫差越大,產生的熱應力也越大,當熱應力超過一定值后,會使金屬部件產生塑性變形,從而引起較大的疲勞損傷。對汽輪機轉子來說,在機組啟停或變工況條件下,往往在調節級前后產生最大的熱應力,對于沖動式汽輪機,調節級前后的離心應力也很大,因此在變工況條件下,熱應力與離心應力的合成可使總應力大大升高。目前采用的無中心孔汽輪機轉子的最大優點是降低了轉子的工作應力,另外縮短了制造周期,降低了生產成本。但無中心孔轉子的應用前景取決于以下兩個因素:一是金屬冶煉、加工及熱處理水平的提高;二是超聲波探傷技術,解決對服役中轉子進行全體積探傷的難題。1.汽輪機冷態啟動時的熱應力冷態啟動對汽缸和轉子等金屬部件來說是個

5、加熱過程,隨著沖轉并網帶負荷,金屬部件溫度不斷升高。對汽缸來說,隨著蒸汽溫度的升高,汽缸內壁溫度升高,內壁溫度大于外壁溫度,內壁由于受外壁的制約產生壓應力而外壁受內壁膨脹影響產生拉應力。對轉子來說,外表面首先被加熱,使得外表面與中心孔而形成溫差,外表面產生壓應力,中心孔表面產生拉應力。2.停機時的熱應力停機實際上是汽輪機零部件冷卻過程,隨著蒸汽溫度的下降和熱量的減少,汽缸內壁和轉子外表面首先被冷卻,而汽缸外壁和轉子中心孔冷卻滯后,致使汽缸內壁溫度小于外壁溫度,轉子表面溫度小于中心孔溫度。與啟動相反,汽缸內壁和轉子表面產生拉應力;汽缸外壁和轉子中心孔產生壓應力。在停機過程中可以在汽輪機尚有一定負

6、荷時打閘停機,隨后汽輪機金屬部件經歷自然冷卻,故停機過程金屬部件溫度下降的速度及幅度比啟動時小得多,其產生的熱應力也小得多。3.汽輪機熱態啟動時的熱應力汽輪機熱態啟動時,進入調節級氣閥處蒸汽溫度可能低于該處金屬溫度,使其金屬部件先冷卻,轉子表面和汽缸內壁產生拉應力,隨著轉速升高及并網帶負荷,該處蒸汽溫度迅速升高,并高出金屬溫度,轉子表面及汽缸內壁產生壓應力,這樣整個啟動過程要經歷一個拉壓應力循環,所以極易造成熱沖擊。4.負荷變化時的熱應力汽輪機負荷在35%100%范圍變動時,調節級后溫度變化可達100,因此負荷變動,轉子和汽缸上將產生溫差和熱應力。負荷下降,蒸汽溫度低于金屬溫度,轉子和汽缸內壁

7、產生拉應力;負荷上升,蒸汽溫度高于金屬溫度,轉子表面和汽缸內壁產生壓應力。這樣經歷一個拉壓應力循環,也易造成熱沖擊。汽輪機的熱膨脹及熱變形一、汽缸和轉子的熱膨脹危害:汽輪機在啟停和變工況時,設備零部件存在溫差,產生熱應力,引起熱膨脹,改變了常溫下零部件位臵。由于各部件幾何尺寸及材質的不同,其熱膨脹也不相同,造成各動靜部分間隙變化,危害汽輪機的安全運行。要求:保證汽缸在縱向能自由熱脹冷縮,在橫向能均勻膨脹,汽輪機動靜部分間隙及轉子和汽缸洼窩中心保持不變或變化很小。1.汽缸沿橫向的膨脹若調節級汽室外左右兩側法蘭的金屬溫差控制良好,就能使汽缸橫向膨脹均勻。否則,汽缸將產生中心偏移。為保證汽缸左右膨脹

8、均勻,規定主蒸汽和再熱蒸汽兩側汽溫差不應超過28。2.汽缸沿軸向的膨脹對于法蘭比汽缸壁薄的機組,汽缸沿軸向的膨脹量取決于汽缸各段平均溫升;對于法蘭比汽缸壁厚的機組,汽缸沿軸向的膨脹量取決于法蘭各段平均溫升。正常運行時,通常選擇調節級區段的法蘭內壁溫度作為汽缸縱向膨脹的監視點,只要監視點溫度在適當范圍內,就能保證汽缸的熱膨脹在允許范圍內。對高參數大容量汽輪機,其法蘭壁厚遠大于汽缸壁厚,汽缸的膨脹量會受到法蘭膨脹量的限制;在啟動過程中,為使汽缸得到充分膨脹,應該投入法蘭加熱裝臵,并把汽缸和法蘭的溫差控制在允許的范圍內。3.轉子的熱膨脹隨著機組容量的提高,轉子的軸向長度增加,轉子的軸向膨脹量較大,在

9、運行中應加強對轉子膨脹量的監控,以防止卡澀和動靜部分磨損。二、汽缸與轉子的相對膨脹1.脹差概念脹差:轉子與汽缸沿軸向膨脹之差稱為脹差。當轉子軸向膨脹量大于汽缸軸向膨脹量時,脹差為正,反之為負。汽輪機在啟動及加負荷時,脹差為正;在停機或減負荷時,脹差為負。2.脹差產生的原因:(1轉子和汽缸的金屬材料不同,熱脹系數不同;(2汽缸質量大與蒸汽接觸面積小,轉子質量小與蒸汽接觸面積大;轉子和汽缸的質面比:轉子或汽缸質量與被加熱面積之比,通常以m/A表示。轉子質量輕、表面積大,則質面比小,而汽缸質量大、表面積小,則質面比大。(3轉子轉動,故蒸汽對轉子表面的放熱系數比對汽缸表面的放熱系數大。3.危害:脹差使

10、通流部分動靜沿軸向間隙發生變化,造成動靜部件的碰撞和摩擦,延誤啟動時間、引起機組振動、大軸彎曲等嚴重事故。當脹差為正時,動葉出口與下級靜葉入口間隙減小;當脹差為負時,靜葉出口與動葉入口之間的間隙減小;4.影響脹差的主要因素(1主、再熱蒸汽的溫升、溫降速度及負荷變化速度;(2軸封供汽溫度和供汽時間冷態啟動時,在沖轉前向軸封供汽,由于供汽溫度高于轉子溫度,轉子局部受熱而伸長,可能出現軸封摩擦現象。熱態啟動時,為防止軸封供汽后脹差出現負值,軸封供汽應選用高溫汽源,且要先向軸封供汽,后抽真空。并盡量縮短沖轉前軸封供汽時間。四、汽輪機的熱變形1.熱變形的危害汽輪機啟停和負荷變化時,汽缸和轉子除熱應力外,

11、還會產生熱變形,如果汽缸和轉子的撓曲值過大,將造成通流部分動靜部件的徑向間隙減少、動靜部件磨損。不僅使汽封徑向間隙擴大,增大漏汽量,使汽輪機運行的經濟性降低;而且動靜部件的摩擦還將引起機組振動以及大軸彎曲等事故。2.汽缸的熱翹曲在啟停過程中上下汽缸存在溫差,上缸溫度高于下缸溫度。上汽缸溫度高、熱膨脹大,下汽缸溫度低、熱膨脹小,引起汽缸向上拱起。“拱背”變形,(1上下汽缸溫差產生的原因:上下汽缸散熱面積不同:下缸布臵有回熱抽汽管道和疏水管道,散熱面積大,在同樣保溫條件下,上缸溫度比下缸溫度高。溫度較高的蒸汽位于汽缸上部,凝結放熱后凝結水流到下缸,在下缸形成一層水膜,使下缸加熱條件惡化。停機后汽缸

12、內形成空氣對流,溫度較高的空氣聚集在上汽缸,溫度較低的空氣在下汽缸,增大了上下汽缸的溫差。下汽缸的保溫不如上汽缸,運行時由于振動,下汽缸保溫材料容易脫落,且下汽缸是臵于溫度較低的運行平臺以下并造成空氣對流,使上下汽汽缸冷卻條件不同,增大了溫差。在空負荷或低負荷運行時,由于部分進汽僅上部調節閥開啟,使上下汽缸溫差增大。(2上下汽缸溫差最大值通常出現在調節級附近,汽缸的最大拱起也出現在調節級附近。拱背變形使下部動靜徑向間隙減小,同時隔板和葉輪也將偏離正常時所在的垂直平面而使軸向間隙發生變化,導致動靜部件摩擦。(3通常要求上下汽缸溫差不超過35-50,同時嚴格控制溫升速度。啟動時應盡量投入高壓加熱裝

13、臵,開足下汽缸的疏水門;安裝或大修時,下汽缸應采用優質保溫材料,或增厚下汽缸的保溫層;設法改進保溫結構,使保溫層與下汽缸的緊密貼合,避免保溫層的脫落;在下汽缸裝設擋風板,以減小零米冷風對下汽缸的冷卻。3.汽缸內外壁和法蘭內外壁溫差引起的熱變形(1法蘭壁厚度比汽缸壁厚度大得多,在機組啟動時,法蘭內外壁產生較大溫差,除引起熱應力外,沿法蘭的水平和垂直方向還將產生熱變形。(2法蘭的熱彎曲汽輪機啟動時,汽缸和法蘭內壁溫度高于外壁溫度,使法蘭內壁熱膨脹值大于外壁,從而使法蘭水平方向發生熱翹曲現象,(3汽缸變形法蘭的熱變形,引起汽缸橫截面發生變形。在汽缸的中部形成立橢圓,其法蘭結合面形成內張口,上下間隙增

14、大,左右間隙減小,在汽缸的兩側形成橫橢圓,其法蘭結合面形成外張口,上下間隙減小,左右間隙增大。(4危害:法蘭的熱翹曲過大,會引起動靜部分摩擦;垂直膨脹會使法蘭結合面局部發生塑性變形,當法蘭螺栓負荷卸去后,上下結合面便出現內外張口,造成法蘭結合面漏汽。在法蘭內壁溫度高于外壁溫度時,內壁金屬的垂直膨脹增加了法蘭接合面的熱壓應力,如果此熱壓應力超過材料的屈服極限,金屬就會產生塑性變形,同時還會導致螺栓被拉斷或螺帽結合面被壓壞。運行規程規定:法蘭內外壁溫差的極限不應大于100(在沒有法蘭螺栓加熱裝臵時。(5為減少汽缸熱翹曲,可采用下缸加厚保溫層或是加裝在下缸底部的電熱裝臵、采用法蘭螺栓加熱裝臵等。4.

15、轉子的熱彎曲(1彈性彎曲、塑性彎曲彈性彎曲:轉子處于靜止狀態時,會出現溫差,產生熱變形。當上下汽缸溫度趨于平穩,溫差消失后,轉子的徑向溫差和變形也隨著消失,恢復到原來的狀態。這種彎曲是暫時的。塑性彎曲:當轉子徑向溫差過大,熱應力超過材料屈服極限時,將造成轉子的永久變形。盤車裝臵作用:當上下汽缸存在溫差時盤動轉子,使轉子均勻冷卻或加熱,以減少轉子的熱彎曲。(2危害:當轉子彈性彎曲較大時,也是汽缸拱起較大時;此時動靜間隙可能消失,如果轉子轉動,其彎曲部位與隔板汽封將產生摩擦,使轉子彎曲部位溫度升高,加劇了轉子的熱彎曲,動靜摩擦也加劇,機組振動增大,甚至使轉子產生永久彎曲。在啟動前盤車時,應測量轉子彎曲情況,彎曲值在允許范圍內方可啟動。(3轉子的最大彎曲部位通常在調節級附近,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訊器圓盤上測取轉子晃度。小結:一、基本概念(1熱變形: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。(2熱應力:當物體溫度變化時,它的熱變形受到某種約束時,則在零部件內產生應力,這種由于溫差引起的應力稱熱應力。(3脹差:汽