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1、第八章 汽轮机运行第一节 汽轮机的热应力、热膨胀及振动汽轮机在启停工况、变负荷及正常运行工况过程中，应对机组各部件及部件之间的热应力、热膨胀和振动问题给予高度的重视，它们是影响机组安全可靠运行的重要因素。汽轮机的启动是指转子由静止（或盘车）状态升速到额定转速，并将负荷逐步增加到额定负荷的过程。汽轮机的启动过程，也是蒸汽向金属部件传递热量的复杂热交换过程。在这个过程中，汽轮机各金属部件将受到高温蒸汽的加热，从室温及大气压力的状态过渡到额定温度和压力的状态。反之，停机过程是汽轮机零部件的不稳定冷却过程。汽轮机在启动、停机或负荷变化的不稳定工况下运行时，由于各部件结构和所处条件不同，蒸汽对各部件的传
2、热情况不一样，因此各个零部件中以及它们相互之间必然形成较大的温差。这除了导致各零部件产生较大的热应力外，同时还会引起不协调的热膨胀和热变形。振动现象与汽轮机安全运转的关系极大，无论零部件或整个机组的过大振动，均会带来严重的后果。国内外统计资料表明，许多汽轮机事故均起因于振动。一、汽轮机部件内的热应力在汽轮机启动、停机或变负荷过程中，其零部件由于温度变化而产生膨胀或收缩变形，可称为热变形。当热变形受到某种约束(包括金属结构自身的约束)时，则要在零部件内产生应力，这种由于温度(或温差)的影响导致的应力称为温度应力或热应力。应该指出，当温度变化时，若零部件内各点的温度分布均匀，且变形不受任何约束，则
3、零部件仅产生热变形而不会产生热应力。当此热变形受到某种约束时，则在零部件内部产生热应力。当物体的温度变化不均匀时，即使没有外界约束条件，也将产生热应力。由此可知，引起热应力的根本原因是温度变化时，零部件内温度分布不均匀或零部件热变形受到约束。汽轮机在启、停或变负荷运行时，接触汽轮机汽缸、转子各段的蒸汽温度变化引起汽缸、法兰、转子温度变化，因此汽缸、法兰、转子等零部件内都存在着温度差，由于金属结构自身的约束，这些零部件某些部位由于变形不畅将产生热变形和热应力。热应力的大小和方向与零部件内的温度场情况与运行方式有关。以法兰为例来说明产生热应力的情况：沿着法兰宽度方向有温差存在，因此会引起热应力。启
4、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，其结果是内侧产生压缩热应力，而外侧受拉伸热应力。停机时，情况则相反。法兰外侧温度大于内侧温度，这时。内侧为拉伸热应力。外侧为压缩热应力。如果机组不断启停，汽缸和法兰内外侧就要承受交变的热应力。二、转子和汽缸的胀差汽轮机在启停过程中，虽然汽缸和转子同样受到汽缸内汽流的冲刷而存在传热现象，但是这两者在汽固传热及由此导致的热膨胀方面存在很大差别。首先转子和汽缸的几何结构不一样，同时转子还是旋转部件，这两者决定了转子相对汽缸来说易于被加热和冷却；其次，转子和汽缸在机组中的布置情况又使得转子较容易膨胀，而汽缸
5、的膨胀则受到了进汽管道、台板磨擦等因素影响。所以，汽缸和转子的膨胀量是不相等，存在胀差。胀差的存在会改变汽轮机内部隔板与叶轮之间的轴向间隙，使汽轮机动静之间有可能产生磨擦，成为机组运行的安全隐患。监视胀差是机组启停过程中的一项重要任务。在启动操作时，应尽量缩短低速暖机和升速时间，这一段时间越长，则胀差就越大。在汽轮机启停和负荷变化过程中，为了避免出现过大的胀差和热应力，应当合理控制蒸汽的温升速度和负荷变化速度，合理地使用汽缸和法兰螺栓加热装置，以及利用轴封供汽控制胀差。在分析胀差时，要考虑下列因素对它的影响。1.轴封供汽温度和供汽时间的影响在汽轮机冲转前向轴封供汽时，由于冷态启动时轴封供汽温度
6、(约140-180)高于转子温度。转子局部受热而伸长，可能出现轴封摩擦现象。在热态启动时，为防止轴封供汽后胀差出现负值，轴封供汽应选用高温汽源，一般供汽温度为l80-190，并且一定要先向轴封供汽、后抽真空。应尽量缩短冲转前轴封供汽时间。2.真空的影响在升速暖机过程中。真空变化会引起胀差值改变。当真空降低时，为了保持机组转速不变，必须增加进汽量，摩擦鼓风损失增大。因而使高压转子受热加大，其胀差值随之增加。当真空提高时，则反之，使高压转子胀差减小。但真空高低对中、低压缸通流部分的胀差影响与高压转子相反。因此，在升速、暖机过程中，不采用提高真空的办法来减小中低压通流部分的胀差。3.进汽参数影响当进
7、汽参数发生变化时，首先对转子受热状态发生影响，而对汽缸的影响要滞后一段时间，这样也会引起胀差变化，而且参数的变化速度愈快，影响愈大。4.汽缸和法兰螺拴加热的影响大多数汽缸都设有水平法兰，水平法兰在升速过程中温度比汽缸要低，它阻碍汽缸的膨胀，引起胀差增加，因此要采用合适的法兰加热系统，使法兰温度也能随汽流温度而上升，可使胀差减小。5.转速影响对于大容量机组，因转子很长，应考虑离心力对胀差的影响。因为在离心力作用下，转于会发生径向移动，当转子发生径向伸长时，则其轴向会缩短，胀差随之减小。另外转速变化，即进汽量变化，汽缸内各级蒸汽比体积相应变化，随转速增加，高压转子胀差逐渐增大，而中低压转子胀差先随
8、转速升高而增加，中速之后又随转速增加而减小。在运行中，必须加强对汽缸绝对膨胀的监视，防止左右侧膨胀不均以及卡涩造成的动静部分摩擦事故。三、汽轮机主要零部件的热变形在启、停和带负荷运行工况变动时，由于各部件受热不均，会引起热变形，因而使通流部分或汽缸、阀门等地方的间隙产生变化，以致可能发生漏汽现象甚至严重损坏事故。1.上下汽缸温差引起的热变形汽轮机启停时，通常是上汽缸温度高于下汽缸温度。上汽缸温度高、热膨胀大，而下汽缸温度低、热膨胀小，这就引起汽缸中部向上供起（俗称猫拱背），如图8-1所示。这时，下汽缸底部动静部分的径向间隙减小，严重时甚至会发生动静部分摩擦。还会因汽缸猫拱背后,隔板偏离正常时所
9、在的垂直位置而使轴向间隙发生变化。上下汽缸最大温差通常出现在调节级处，而径向的动静间隙最小处也正好在调节级处，为此一般对高、中压汽缸内壁上、下温差进行了规定。图8-1 汽缸的热翘曲上、下汽缸温差产生的主要原因是：(1)上下汽缸的质量和散热面积不同。下汽缸比上汽缸的金属质量大，且下汽缸布置有通向低温设备的抽汽和疏水管道，因此在同样保温、加热或冷却条件下，下汽缸温度要比上汽缸下降得快些。(2)汽缸内部因蒸汽上升，蒸汽凝结的疏水经疏水管排出，疏水形成的水膜降低了下汽缸受热条件；在汽缸外部的冷空气由下而上流动而冷却下汽缸，所以下汽缸温度比上汽缸低。(3)下汽缸保温条件差，又易脱落，致使下汽缸散热较快。
10、(4)停机后因阀门不严密，向汽缸漏入汽水或有蒸汽由轴封漏入汽缸，造成上下汽缸温差增大。为了减小上下汽缸温差使其在规定范围内，必须严格控制温升速度。安装和检修时，下汽缸使用较好的保温结构和优质保温材料，在下汽缸加装挡风板以减小对流通风时对下汽缸的冷却，并正确使用盘车设备。2.法兰的热翘曲由于机械强度的需要，高参数汽轮机法兰壁厚度比汽缸壁厚度大得多，在机组启动过程中。法兰处于单边加热状态，因此在法兰内外壁会出现较大的温差，这除了引起热应力外，还会沿法兰的水平和垂直方向产生热变形。图8-2法兰的热弯曲俯视示意图图8-3 汽缸热变形示意图a变形前 b汽缸前后两端的变形 c 汽缸中间段的变形启动时，法兰
11、内壁温度高于外壁温度。使法兰内壁热膨胀值大于外壁，从而使法兰水平方向发生热翘曲现象，如图8-2所示。法兰的这种热变形，往往会引起汽缸横截面发生变形。使得汽缸中部截面由圆变为立椭圆，且出现内张口，见图8-3(c)，而前后两端横截面则变为横椭圆，且出现外张口，见图8-3 (b)。前者引起汽缸左、右径向间隙减小，后者引起汽缸上、下径向间隙减小。椭圆形的汽缸变形对静叶片直接装在汽缸壁上的反动式汽轮机影响较大，而对冲动式汽轮机的影响较小，因为隔板仍旧可以和轴大致同心。如果法兰热翘曲过大，有可能引起动静部分摩擦。同时垂直膨胀还会使法兰结合面局部地方发生塑性变形。当法兰螺栓负荷卸去后，上下缸结合面将出现内外
12、张口，造成法兰结合面漏汽。在法兰内壁温度高于外壁温度时，内壁金属的垂直膨胀增加了法兰接合面的热压应力，如果此热压应力超过材料的屈服极限，金属就会产生塑性变形，同时还会导致螺栓被拉断或螺帽结合面被压坏。运行规程规定，法兰内外壁温差的极限不应大于100(在没有法兰螺栓加热装置时)。为减少汽缸热翘曲的倾向，可以采用下缸加厚保温层或是加装在下缸底部的电热装置。对装有法兰加热装置的机组，在启动中要严格监视法兰内外壁、上下缸内壁温差，以便控制法兰加热。四、汽轮机的振动现象机组振动是汽轮发电机组运行状况优劣的重要标志之一，亦是机组设计、制造、安装、检修等质量的综合反映。任何旋转机械因质量不平衡等因素在运转中
13、均将产生振动。造成和影响机组振动的因素很多。1、机组振动的危害在起动、运转中，汽轮发电机组若振动较大，将带来一系列不良或严重的后果。(1)机组零部件承受很大动应力，促使其材料疲劳或损坏。(2)螺栓螺帽等紧固件松弛，造成汽缸中分面等处的蒸汽泄漏。(3)动静部分互相发生摩擦，轴承磨损加剧。(4)主轴弯曲。(5)超速保安装置误动作。(6)发电机转子护环及线槽内的填充物松弛、磨损。电气绝缘磨破以致短路，励磁机整流子及其碳刷磨损加剧。(7)基础台板的混凝土浇灌体松动以及基础、甚至厂房出现裂缝。(8)其他。机组振动有时会酿成整机甚至整个厂房的毁坏。2、机组振动的原因引起汽轮发电机组振动的原因很多，机组设计
14、不当、制造有缺陷、安装质量差以及运行水准低或其他偶然性因素均会引起机组产生较大的振动。归纳起来有以下几方面：1）转轴平衡不良相当数量的机组振动均由此引起。转轴不平衡一般分静不平衡和动不平衡两类。机组出制造厂之前或检修后，若未很好校准静平衡，则在运转中不平衡离心力将在轴承上产生一周期性干扰力，使机组振动。动不平衡分稳态动不平衡与瞬态动不平衡两类。稳态动不平衡多由于转轴部件在运行中发生损坏(如发电机转子护环、心环开裂或位移、汽轮机转轴局部磨损、叶片不均匀腐蚀、结垢或断裂等)，或在检修中拆掉、更换了转轴零部件而未进行动平衡工作以及转子残余变形等。瞬态动不平衡，则因机组起动运行中转体受热不均而临时变形
15、(如主轴弯曲等)或因转轴部件在高速下发生松动(如叶轮的松弛等)，或转轴某些零部件刚度不够产生弹性变形等。图8-4 转轴的振幅转速曲线利用转速与机组振动大小的关系试验可以判断振动是否确切地由转轴平衡不良所引起。该试验测定不同转速时的振幅大小，并将绘制的“振幅转速曲线”与理论上的抛物线相比较，若二者甚相符合图8-4a，则可肯定振动的原因就在于转轴不平衡。也可能有这种情况，由于某些原因(转轴运转靠近临界转速、轴承座共振等)机组在某转速附近的振幅加大而与理论曲线不同，但总趋势仍与转速平方关系相符(图8-4b)，这多仍为转轴不平衡所致。若振幅与转速的关系和理论曲线完全不符合(图8-4c)。则机组振动的原
16、因肯定不是转轴不平衡。除上述质量不平衡外，不平衡类型振动尚包括：(1)转轴弯曲 轴的弯曲必使其重心改变而产生不平衡离心力，引起机组振动。(2)叶轮松弛 套装在轴上的叶轮若紧力不足，会因叶轮的离心力或叶轮与转子的温差而使叶轮松动。当叶轮重心偏移时将产生不平衡力。(3)转轴附件的影响或发电机转子不平衡2）中心偏差中心偏差一般指汽轮机转轴和发电机转子的轴心线未联成一连续线。在此情况下各轴承受力不均匀即转轴旋转时轴承将受到周期变动的扰动力，并随机组负荷的增加(即传递扭矩增加)而加大。这就会引起整台机组振动。导致中心偏差的原因有：(1)联轴器中心偏移；(2)轴承位置的改变；(3)蜗母轮组啮合不良；(4)汽缸中心线改变。3）轴承油膜不稳定或出现油膜振荡汽
