大型汽轮机运行特性1.ppt

大型汽轮机运行特性大型汽轮机运行特性主讲：傅忠广主讲：傅忠广本课程的主要内容本课程的主要内容汽轮机的调峰运行与汽轮机热应力和寿命管理汽轮机的调峰运行与汽轮机热应力和寿命管理汽轮机启停和正常运行中的几个关键问题汽轮机启停和正常运行中的几个关键问题汽轮机几种典型运行事故汽轮机几种典型运行事故与运行特性相关的汽轮机几个典型系统及运行管理与运行特性相关的汽轮机几个典型系统及运行管理 汽轮机采用的提高经济性的先进技术汽轮机采用的提高经济性的先进技术汽轮机组状态的监测和故障诊断汽轮机组状态的监测和故障诊断第一章第一章 汽轮机的调峰运行与汽轮机的调峰运行与 汽轮机热应力汽轮机热应力和寿命管理和寿命管理国内火电机组发展现状与技术基础国内火电机组发展现状与技术基础 l电力发展成就很大，但电力需求结构发生了较大变化，导致电网峰谷差增大，供电紧张l我国电网的问题主要表现为：高峰期电力短缺电网峰谷差大最大负荷增长的波动性加大电网调峰困难日负荷曲线 负荷低谷负荷低谷-日最小负荷日最小负荷负负荷荷尖尖峰峰-尖尖峰峰负负荷荷或或最大负荷最大负荷最最小小负负荷荷以以下下的的负负荷荷称称为为基荷基荷最大负荷与最小负荷之差最大负荷与最小负荷之差称为峰谷差称为峰谷差 目前电网的应对策略目前电网的应对策略l对于缺电严重的地区，通过加强需求侧管理减少拉路限电，力争做到限电不拉路在用电高峰期间，依靠各级政府的主导和支持，配合有关部门采用行政手段为主、经济手段为辅的方式进行移峰或避峰。电力供应紧张的华东、河南、河北等地区，对工业用户可实行周轮休制度，以均衡周负荷，降低工作日的高峰负荷水平。中西部一些地区，安排大用户和高耗能企业在用电高峰季节和日高峰时段进行设备检修，以腾出负荷空间电网峰谷差增大的主要原因电网峰谷差增大的主要原因 l第二产业用电比重减小第二产业用电比重减小l第三产业和居民生活用电比重相应提高第三产业和居民生活用电比重相应提高l电网高峰负荷中，空调负荷大约占电网高峰负荷中，空调负荷大约占30%，在经，在经济发达地区，可能要大于这个数字济发达地区，可能要大于这个数字l工业内部高耗电行业（冶金、化工、建材等）工业内部高耗电行业（冶金、化工、建材等）和传统行业（纺织、煤炭等）用电比重减小，和传统行业（纺织、煤炭等）用电比重减小，低电耗、高附加值产业的用电比重相应提高低电耗、高附加值产业的用电比重相应提高预期电网负荷的变化趋势预期电网负荷的变化趋势l发达国家电网平均调峰幅度约为发达国家电网平均调峰幅度约为50，中等发达，中等发达国家约为国家约为40，第三世界国家约为，第三世界国家约为30。l据据2002年调查，我国电网平均调峰幅度约为年调查，我国电网平均调峰幅度约为37 国外电网的调峰手段国外电网的调峰手段l水电机组调峰水电机组调峰l抽水蓄能调峰机组抽水蓄能调峰机组l火电机组调峰火电机组调峰l燃气轮机机组调峰燃气轮机机组调峰l联合循环机组联合循环机组调峰调峰制约我国电网调峰的主要因素（制约我国电网调峰的主要因素（1）l我国水电的总体调峰容量十分有限主要是水电站季节贫水欠发时间长，有很多是径流式，汛期库容小，不宜弃水调峰；水电站要服从于水利枢纽工程的综合利用，充分兼顾防洪、发电和航运的作用，特别是汛期，发电必须服从于防洪。因此火电机组的调峰压力很大。制约我国电网调峰的主要因素（制约我国电网调峰的主要因素（2）l部分地区，如山东等经济比较发达的东部地区，受水力资源限制，基本没有可供经济开发的水电站站址抽水蓄能电站的建设要有合适的地形和水源，条件好的抽水蓄能电站的站址越来越少，而且抽水蓄能电站一般造价高（需要引进可逆式机组）、建设周期长 制约我国电网调峰的主要因素（制约我国电网调峰的主要因素（3）l受油气资源限制，一些地区受油气资源限制，一些地区没有燃油或天然气的燃气轮没有燃油或天然气的燃气轮机发电用于调峰机发电用于调峰 制约我国电网调峰的主要因素（制约我国电网调峰的主要因素（4）l电网结构不合理，受区域电网潮流及负电网结构不合理，受区域电网潮流及负荷联络线稳定极限的制约，导致电网局荷联络线稳定极限的制约，导致电网局部地区负荷分配不合理，造成局部部地区负荷分配不合理，造成局部“窝窝电电”、“欠电欠电”现象，被迫加大电网调现象，被迫加大电网调峰的现象普遍发生。峰的现象普遍发生。制约我国电网调峰的主要因素（制约我国电网调峰的主要因素（5）l电源结构不合理，火电机组所占比例大，但电源结构不合理，火电机组所占比例大，但没有相应的火电调峰电站；供热机组多数是没有相应的火电调峰电站；供热机组多数是以热定电，调峰能力差，以热定电，调峰能力差，2000年年10万千瓦及万千瓦及以下凝汽机组和小于以下凝汽机组和小于0.6万千瓦的小火电共万千瓦的小火电共计计6000多万千瓦退役。多万千瓦退役。l电网中很多大机组都参与了调峰，但调峰能力不足依然是电网运行的主要矛盾。调峰机组的运行特性l启、停频繁l负荷变动范围大l对外界负荷变化的响应迅速l影响机组运行机动性、灵活性的因素很多。这里重点关注：影响汽轮机、锅炉运行机动性、灵活性的有关因素关注关注：调峰机组汽机转子的局部设计对运行特性的影响l研究发现：汽轮机转子上的局部结构不同导致机组不同的运行特性。调峰机组汽机转子的局部设计对运行特性的影响调峰机组汽机转子的局部设计对运行特性的影响调峰机组汽机转子的局部设计对运行特性的影响调峰机组汽机转子的局部设计对运行特性的影响调峰机组汽机转子的局部设计对运行特性的影响调峰机组汽机转子的局部设计对运行特性的影响调峰机组汽机转子的局部设计对运行特性的影响调峰机组汽机转子的局部设计对运行特性的影响调峰机组的设计与运行特性l日本东芝公司十分重视高温汽缸头几级叶轮区域附近转子表面形状的改进工作。通过采取特殊的结构措施，大大提高了汽轮机的机动性。调峰机组的设计与运行特性l如对某厂运行的100MW机组进行的分析表明：该型汽轮机不宜作两班制调峰运行。若一定要参与调峰运行，建议车大弹性槽圆角半径和隔板汽封进出汽处过渡圆角半径。汽轮机的调峰运行汽轮机的调峰运行(peak and cyclic load operation)我国火电机组调峰现状我国火电机组调峰现状l可供燃煤机组选择的调峰方式可供燃煤机组选择的调峰方式 低负荷运行方式 两班制运行或周末停机运行方式 低速旋转热备用调峰方式 l强制频繁启停和深度调峰，影响到机组的强制频繁启停和深度调峰，影响到机组的安全性、经济性与可靠运行安全性、经济性与可靠运行两班制运行两班制运行l机组白天基本满负荷运行，夜间低谷时停机组白天基本满负荷运行，夜间低谷时停运运810小时，清晨热态启动，周末停运。小时，清晨热态启动，周末停运。l应具备三个条件应具备三个条件机组启停损失小，停运比低负荷运行经济机组启停损失小，停运比低负荷运行经济机组启停迅速，能在机组启停迅速，能在8小时内顺利启动小时内顺利启动机组具有一定自动化程度，运行人员操作工作机组具有一定自动化程度，运行人员操作工作量不过于繁重量不过于繁重夜间低负荷运行夜间低负荷运行l机组白天基本满负荷运行，深夜负荷低谷时降低负荷机组白天基本满负荷运行，深夜负荷低谷时降低负荷运行。运行。l有的小机组夜间采用少蒸汽无负荷运行方式，发电机有的小机组夜间采用少蒸汽无负荷运行方式，发电机转为电动机方式运行，带无功负荷，故也称为调相运转为电动机方式运行，带无功负荷，故也称为调相运行。行。l要求：要求：机组具有负荷快速变化（机组具有负荷快速变化（510%/分钟）的适应能力分钟）的适应能力低负荷运行稳定性好，并能保持较高的热效率低负荷运行稳定性好，并能保持较高的热效率周末停机周末停机l电网负荷一般在周末比较低，为此要求电网负荷一般在周末比较低，为此要求机组周末停运，周一启动。机组周末停运，周一启动。l这类机组应具备较好的启动特性和较高这类机组应具备较好的启动特性和较高的运行经济性。的运行经济性。机组调峰运行存在的问题机组调峰运行存在的问题l机组原设计按承担基本负荷设计，负荷适应机组原设计按承担基本负荷设计，负荷适应性较差性较差l锅炉低负荷稳燃问题，导致调峰能力差锅炉低负荷稳燃问题，导致调峰能力差l一些机组自动化程度不高，热态启动性能不一些机组自动化程度不高，热态启动性能不好，很难实现两班制运行好，很难实现两班制运行l调峰手段应多样化。如：建抽水蓄能机组，调峰手段应多样化。如：建抽水蓄能机组，水电厂再开发，燃气轮机等。水电厂再开发，燃气轮机等。机组带厂用电运行机组带厂用电运行operation at auxliary powerloadl优点：系统故障时，可加快恢复电网供电，优点：系统故障时，可加快恢复电网供电，进一步提高厂用电源的可靠性，保证重要地进一步提高厂用电源的可靠性，保证重要地区符合的需要。区符合的需要。l缺点：对机组是一种恶劣工况，会影响机组缺点：对机组是一种恶劣工况，会影响机组的寿命。因此，应尽可能缩短运行时间，一的寿命。因此，应尽可能缩短运行时间，一般推荐带负荷运行时间为般推荐带负荷运行时间为1020min。汽轮机异常工况运行汽轮机异常工况运行l汽轮机处于正常工况容许变动范围之外，但尚不汽轮机处于正常工况容许变动范围之外，但尚不至于立即发生设备损坏事故的工况下运行至于立即发生设备损坏事故的工况下运行l会导致汽轮机效率的显著恶化并加速设备运行寿会导致汽轮机效率的显著恶化并加速设备运行寿命的损耗命的损耗l常见的异常工况有：常见的异常工况有：主蒸汽参数偏差过大主蒸汽参数偏差过大高背压低真空运行高背压低真空运行回热加热器停运回热加热器停运叶片截短或缺级运行叶片截短或缺级运行超出力运行，等。超出力运行，等。机组调峰运行存在的问题机组调峰运行存在的问题l机组原设计按承担基本负荷设计，负荷适应机组原设计按承担基本负荷设计，负荷适应性较差性较差l锅炉低负荷稳燃问题，导致调峰能力差锅炉低负荷稳燃问题，导致调峰能力差l一些机组自动化程度不高，热态启动性能不一些机组自动化程度不高，热态启动性能不好，很难实现两班制运行好，很难实现两班制运行l调峰手段应多样化。如：建抽水蓄能机组，调峰手段应多样化。如：建抽水蓄能机组，水电厂再开发，燃气轮机等。水电厂再开发，燃气轮机等。影响机组运行的关键因素影响机组运行的关键因素 热应力热应力&疲劳寿命损耗疲劳寿命损耗热应力的基本概念热应力的基本概念l热变形受到约束时，在物体内部产生热应力。热变形受到约束时，在物体内部产生热应力。l当物体的温度不均匀时，即使没有外界约束，当物体的温度不均匀时，即使没有外界约束，也将产生热应力。也将产生热应力。l热应力的数值可以用简单的虎克定律表达：热应力的数值可以用简单的虎克定律表达：转子温度场和应力场转子温度场和应力场l转子热应力的特点转子热应力的特点l温度场模型温度场模型l放热系数的计算放热系数的计算l汽轮机启动时转子的温度变化汽轮机启动时转子的温度变化 l应力场模型应力场模型l转子的应力场转子的应力场 l应力重点监测部位应力重点监测部位转子热应力的特点转子热应力的特点l直接求取转子热应力很困难 由于汽轮机是高速旋转的部件，目前尚无直接测量其金属温度由于汽轮机是高速旋转的部件，目前尚无直接测量其金属温度及热应力的有效手段，需要通过理论计算来解决。及热应力的有效手段，需要通过理论计算来解决。l有些进口的机组虽然装有转子温度探针，其实这种探有些进口的机组虽然装有转子温度探针，其实这种探针同样是通过数学模型来显示转子内外温差的，并非针同样是通过数学模型来显示转子内外温差的，并非直接测量转子内外壁的温度，因此它的准确计算同样直接测量转子内外壁的温度，因此它的准确计算同样依赖于数学模型的建立。依赖于数学模型的建立。温度探针温度探针l通过模拟原理建立一个通过模拟原理建立一个数学模型，使棒体各部数学模型，使棒体各部的温度能够模拟转子的的温度能够模拟转子的径向温度及其差值。径向温度及其差值。l这种设备形似直接探测，这种设备形似直接探测，实际上是通过传热学模实际上是通过传热学模型来建立模拟关系。型来建立模拟关系。转子热应力的计算方法转子热应力的计算方法求解温度场及应力场，通常有两种方法：求解温度场及应力场，通常有两种方法：l一种是解析法，将转子视为无限长的圆柱体的一维模型，根据一维不稳定导热微分方程求得温度分布，再由体积平均温度差计算转子内外表面的热应力。l另一种理论算法是数值解法，它将转子考虑为轴对称二维计算模型，避免了一维模型简化时造成的误差，用来比较精确的计算几何边界条件及温度边界条件复杂的工程实际问题。转子温度场和应力场转子温度场和应力场l转子热应力的特点转子热应力的特点l温度场模型温度场模型l应力场模型应力场模型l放热系数的计算放热系数的计算l汽轮机启动时转子的温度变化汽轮机启动时转子的温度变化 l转子的应力场转子的应力场l应力重点监测部位应力重点监测部位温度场的数学模型温度场的数学模型l计算汽轮机转子不稳定温度场时，可以认为转子是一个均匀、计算汽轮机转子不稳定温度场时，可以认为转子是一个均匀、各向同性且无内热源的物体，属于解轴对称非定常温度函数的各向同性且无内热源的物体，属于解轴对称非定常温度函数的问题，温度问题，温度t(z,r,)t(z,r,)在区域中应满足下列偏微分方程式：在区域中应满足下列偏微分方程式：（1 1）l确定上面微分方程的解，除了需要确定上面微分方程的解，除了需要满满足初始条件足初始条件 t=t=(z(z,r),r)外，外，在物体在物体边边界条件上界条件上还应满还应满足一定的足一定的边边界条件，界条件，这里这里属于属于传热传热学学中的第三中的第三类边类边界条件，即界条件，即边边界与介界与介质质的的热热交交换换条件条件为为已知：已知：当放当放热热 系数系数时时，上式化，上式化为绝热边为绝热边界条件界条件 温度场的数学模型（续温度场的数学模型（续1）l由变分原理，偏微分方程式（由变分原理，偏微分方程式（1 1）的第三类边界条件问题，可等价地转）的第三类边界条件问题，可等价地转换为下列泛函换为下列泛函 （2）的极值问题，即的极值问题，即 在求泛函数极值的基础上，对区域在求泛函数极值的基础上，对区域D D进行离散化，在每个单元上，泛函式（进行离散化，在每个单元上，泛函式（2 2）是成立的，由于整个区域是成立的，由于整个区域D D是全部单元的总和是全部单元的总和 温度场的数学模型（续温度场的数学模型（续2）l对于边界单元：对于边界单元：l对于内部单元：对于内部单元：设温度在单元体中呈线性分布，对单元作变分计算，可得：设温度在单元体中呈线性分布，对单元作变分计算，可得：温度场的数学模型（续温度场的数学模型（续3）l通过公式推导，可得到通过公式推导，可得到n n阶线性代数方程阶线性代数方程组以求解组以求解n n个节点的温度，个节点的温度，选选用伽用伽辽辽金格金格式式，其形式为：，其形式为：上式稳定且不振荡的条件是：上式稳定且不振荡的条件是：边界条件的处理边界条件的处理l在计算温度场的时候，中心孔边界作为作为绝热边界条件处理在计算温度场的时候，中心孔边界作为作为绝热边界条件处理l轴的外表面可视为已知放热系数及介质温度的第三类边界条件轴的外表面可视为已知放热系数及介质温度的第三类边界条件当换热系数较大时，介质温度的变化对转子温度场的影响很大。当换热系数较大时，介质温度的变化对转子温度场的影响很大。汽轮机调节级汽室温度是影响机组热应力的关键参数。汽轮机调节级汽室温度是影响机组热应力的关键参数。蒸汽温度变化率是运行中应重点监控的参数蒸汽温度变化率是运行中应重点监控的参数l轴径部位，属于已知边界温度的第一类边界条件轴径部位，属于已知边界温度的第一类边界条件转子温度场和应力场转子温度场和应力场l转子的热应力的基本知识转子的热应力的基本知识l温度场模型温度场模型l放热系数的计算放热系数的计算l汽轮机启动时转子的温度变化汽轮机启动时转子的温度变化 l应力场模型应力场模型l转子的应力场转子的应力场 l应力重点监测部位应力重点监测部位放热系数的计算放热系数的计算(westinghousewestinghouse公司公司公司公司)l汽封中的放热系数汽封中的放热系数 l调节级叶轮两侧的放热系数调节级叶轮两侧的放热系数 l压力级叶轮两侧的放热系数压力级叶轮两侧的放热系数 l光轴的放热系数光轴的放热系数 汽封中的放热系数汽封中的放热系数式中式中 蒸汽的导热率，蒸汽的导热率，kJ/(m.h)kJ/(m.h)汽封间隙，汽封间隙，m;m;汽封环境宽度，汽封环境宽度，m;m;漏汽面积，漏汽面积，-漏汽量，漏汽量，kg/s;kg/s;蒸汽粘度蒸汽粘度,Pa.s,Pa.s 汽封漏汽量，汽封漏汽量，t/h;t/h;、分别为其流入口及出口的压力分别为其流入口及出口的压力 汽封入口的蒸汽比容，汽封入口的蒸汽比容，汽封汽封齿齿数数调节级叶轮两侧的放热系数调节级叶轮两侧的放热系数调节级叶轮可作为在无限流体空间旋转的圆盘来处理，调节级叶轮可作为在无限流体空间旋转的圆盘来处理，其两侧的放热系数为：其两侧的放热系数为：压力级叶轮两侧的放热系数压力级叶轮两侧的放热系数l当雷诺数当雷诺数 时时l当雷诺数当雷诺数 时时 光轴的放热系数光轴的放热系数式中，式中，光轴半径，光轴半径，m m 放热系数变化规律放热系数变化规律转子温度场和应力场转子温度场和应力场l转子的热应力的基本知识转子的热应力的基本知识l温度场模型温度场模型l放热系数的计算放热系数的计算l汽轮机启动时转子的温度变化汽轮机启动时转子的温度变化 l应力场模型应力场模型l转子的应力场转子的应力场 l应力重点监测部位应力重点监测部位汽汽汽汽轮轮轮轮机机机机启启启启动动动动时时时时转转转转子子子子的的的的温温温温度度度度变变变变化化化化汽轮机启动时转子的温度变化汽轮机启动时转子的温度变化国产国产100MW机组温态启动终了的温度场机组温态启动终了的温度场转子的内外壁的转子的内外壁的温度时间关系曲线温度时间关系曲线 转子温度场和应力场转子温度场和应力场l转子的热应力的特点转子的热应力的特点l温度场模型温度场模型l放热系数的计算放热系数的计算l汽轮机启动时转子的温度变化汽轮机启动时转子的温度变化 l应力场模型应力场模型l转子的应力场转子的应力场 l应力重点监测部位应力重点监测部位应力场的数学模型应力场的数学模型求解应力场的关键是解出在非稳态温度变化下，单元上各节点的位是解出在非稳态温度变化下，单元上各节点的位移，从而求得单元内的应变及应力，以热弹性理论为基础，单元各移，从而求得单元内的应变及应力，以热弹性理论为基础，单元各节点的位移可用矩阵表示为：节点的位移可用矩阵表示为：单元内的位移为：单元内的位移为：将上式代入几何方程：将上式代入几何方程：单元内的应变为单元内的应变为：应力场的数学模型（续应力场的数学模型（续1）有了应变之后，利用物理方程求得应力：有了应变之后，利用物理方程求得应力：转子温度场和应力场转子温度场和应力场l转子的热应力的基本知识转子的热应力的基本知识l温度场模型温度场模型l放热系数的计算放热系数的计算l汽轮机启动时转子的温度变化汽轮机启动时转子的温度变化 l应力场模型应力场模型l转子的应力场转子的应力场 l应力重点监测部位应力重点监测部位转子的应力场转子的应力场国产国产100MW机组温态启动终了的应力场机组温态启动终了的应力场转子的重点部位的转子的重点部位的应力时间关系曲线应力时间关系曲线热应力的简化计算：热应力的简化计算：转子温度场和应力场转子温度场和应力场l转子的热应力的特点转子的热应力的特点l温度场模型温度场模型l应力场模型应力场模型l放热系数的计算放热系数的计算l汽轮机启动时转子的温度变化汽轮机启动时转子的温度变化 l转子的应力场转子的应力场 l应力重点监测部位应力重点监测部位应力重点监测部位应力重点监测部位l在在机机组组启启停停过过程程中中，转转子子高高中中、压压轴轴封封段段和和前前几几级级所所经过的温度变化最为剧烈，因而产生的热应力也最大。经过的温度变化最为剧烈，因而产生的热应力也最大。l弹弹性性槽槽以以及及叶叶轮轮根根部部的的过过渡渡圆圆角角和和轴轴肩肩等等处处，由由于于热热不不匹匹配配会会存存在在着着不不同同程程度度的的热热应应力力集集中中现现象象，因因而而也也应视为机组启停时的监督重点。应视为机组启停时的监督重点。国产国产国产国产100MW100MW机组高压转子有限元计算网格划分图机组高压转子有限元计算网格划分图机组高压转子有限元计算网格划分图机组高压转子有限元计算网格划分图转子的热应力转子的热应力过渡工况下的热应力：过渡工况下的热应力：l汽轮机在启动、停机或负荷变化时，转子金属内部将产汽轮机在启动、停机或负荷变化时，转子金属内部将产生较大的温度梯度并由此产生热应力，这种过渡工况下生较大的温度梯度并由此产生热应力，这种过渡工况下的热应力是影响机组寿命损耗的重要因素。的热应力是影响机组寿命损耗的重要因素。重点部位：l汽轮机高、中压转子的前轴封段和前几级，在启停及负汽轮机高、中压转子的前轴封段和前几级，在启停及负荷变动过程中，汽温的变化最为剧烈，导致了该部位温荷变动过程中，汽温的变化最为剧烈，导致了该部位温度梯度及热应力为最大，成为整个转子的最危险部位。度梯度及热应力为最大，成为整个转子的最危险部位。转子的应力集中的部位转子的应力集中的部位转子的应力集中的转子的应力集中的部位部位：在在汽汽轮轮机机转转子子外外表表面面的的叶叶轮轮根根部部圆圆角角、轴轴肩肩以以及及槽槽沟沟等等部部位位都都存存在在不不同同程程度度的的热热应应力力集集中现象。中现象。在在机机组组启启停停时时，这这些些部部位位特特别别是是轴轴封封弹弹性性槽槽处处的的热热应应力力可可能能达达到到很很高高的的水水平平，是是影影响响机机组启停安全和寿命损耗的重点部组启停安全和寿命损耗的重点部 位。位。国产国产100MW机组停机时的热应力场机组停机时的热应力场国产国产200mw机组转子弹性槽的应力集中机组转子弹性槽的应力集中l汽封齿的热应力集中问题不大。汽封齿的热应力集中问题不大。国产国产国产国产200MW200MW机组中压第一级叶轮根部应力集中机组中压第一级叶轮根部应力集中机组中压第一级叶轮根部应力集中机组中压第一级叶轮根部应力集中N125N125机组弹性槽在冷态启动终了的应力集中机组弹性槽在冷态启动终了的应力集中机组弹性槽在冷态启动终了的应力集中机组弹性槽在冷态启动终了的应力集中热应力集中的特点热应力集中的特点l应力集中均密集在槽底应力集中均密集在槽底12mm深度以深度以内，在这个深度以外，应力迅速衰减至内，在这个深度以外，应力迅速衰减至公称应力水平。因此初始裂纹深度常为公称应力水平。因此初始裂纹深度常为12mm。在这个深度以外，原有的应。在这个深度以外，原有的应力水平很低，当加工车去表面裂纹后，力水平很低，当加工车去表面裂纹后，新表面还可有相当高的疲劳寿命。新表面还可有相当高的疲劳寿命。槽形状的改变对热应力集中的影响槽形状的改变对热应力集中的影响热应力集中的影响因素热应力集中的影响因素l几何形状几何形状l热载荷热载荷l材料的物理特性材料的物理特性热应力集中热应力集中l热应力的数值可以用简单的虎克定律表达：热应力的数值可以用简单的虎克定律表达：l前述公式只是前述公式只是针对针对光光轴轴而言，而言，实际转实际转子存在子存在应应力集中力集中现现象象 其中其中:热应力集中系数热应力集中系数 无热应力集中时光轴上的公称应力无热应力集中时光轴上的公称应力几何形状对应力集中的影响几何形状对应力集中的影响l国产国产N200机组由于高、中压转子弹性槽的几何形状设计不甚合理，机组由于高、中压转子弹性槽的几何形状设计不甚合理，槽太深且底部拐角圆弧太小，导致了严重的热应力集中现象。槽太深且底部拐角圆弧太小，导致了严重的热应力集中现象。l热应力集中主要表现在转子的轴向应力，切向应力集中现象轻微。热应力集中主要表现在转子的轴向应力，切向应力集中现象轻微。汽机转子局部几何形状对应力集中的影响汽机转子局部几何形状对应力集中的影响热载荷的影响热载荷的影响l热应力集中系数与一般的机械应力集中热应力集中系数与一般的机械应力集中系数不同，其值除与几何形状有关外，系数不同，其值除与几何形状有关外，还与热载荷有关。还与热载荷有关。热应力集中系数热应力集中系数 vs 机械应力集中系数机械应力集中系数l在相同的几何尺寸在相同的几何尺寸下，热应力集中系下，热应力集中系数要比机械应力集数要比机械应力集中系数大；轴的直中系数大；轴的直径越大，两者相差径越大，两者相差越多；当轴径较小越多；当轴径较小时，两者趋于相等。时，两者趋于相等。暖机过程对应力集中的影响暖机过程对应力集中的影响物理特性对应力集中的影响物理特性对应力集中的影响当应力接近或超过材料的屈服极限时，应力进入塑性范当应力接近或超过材料的屈服极限时，应力进入塑性范围，真实应力集中系数减小，而应变系数增大。围，真实应力集中系数减小，而应变系数增大。热应力集中系数的计算热应力集中系数的计算（经验公式计算）（经验公式计算）（经验公式计算）（经验公式计算）叶轮根部或轴肩根部叶轮根部或轴肩根部l当启动进入准稳态后当启动进入准稳态后轴肩处：叶轮根部：或两叶轮之间、单叶轮根部的应力集中情况两叶轮之间、单叶轮根部的应力集中情况轴封弹性槽的热应力集中系数轴封弹性槽的热应力集中系数l式中：式中：Kt 理论集中系数，理论集中系数，槽的深度；槽的深度；r 槽底圆角半径；槽底圆角半径；or 相当于槽底直径的光轴公称当量应力；相当于槽底直径的光轴公称当量应力；o 相当于槽面直径的光轴公称当量应力；相当于槽面直径的光轴公称当量应力；因为热应力与转子直径的平方成正比，为了简化计算，可以将上述因为热应力与转子直径的平方成正比，为了简化计算，可以将上述式中的当量应力比，代以相应直径平方之比。式中的当量应力比，代以相应直径平方之比。热应力集中系数随启动时间的变化热应力集中系数随启动时间的变化l变化关系可由下式近似表达变化关系可由下式近似表达l式中：式中：Kth 进入准稳态时的进入准稳态时的集中系数；集中系数；启动到达的时间，启动到达的时间，min;Kt 启动到达时间启动到达时间 t 时的热应时的热应力集中系数。力集中系数。影响热应力的因素影响热应力的因素l转子的结构材料转子的结构材料 l温度的变化温度的变化l压力的变化压力的变化材料对热应力的影响材料对热应力的影响热应力的基本方程式为：热应力的基本方程式为：弹性模量弹性模量 线胀系数线胀系数 泊松比泊松比 转子钢热物性的变化转子钢热物性的变化温度的变化对热应力的影响温度的变化对热应力的影响l温升率对热应力的影响温升率对热应力的影响l从图中三条曲线对比可以看出，温升率越大，热应力从图中三条曲线对比可以看出，温升率越大，热应力水平越高，而且热应力在开始阶段迅速达到最大值，水平越高，而且热应力在开始阶段迅速达到最大值，随后呈下降趋势。随后呈下降趋势。调节级汽室汽温与转子温度调节级汽室汽温与转子温度l计算热应力时，调节级和中压第一级汽计算热应力时，调节级和中压第一级汽室汽温是一个最重要的参数。很多降低室汽温是一个最重要的参数。很多降低热应力的技术措施，都与调整这个区域热应力的技术措施，都与调整这个区域的汽温有关的汽温有关l汽轮机定速之前，调节级汽温难以确定汽轮机定速之前，调节级汽温难以确定（理论计算和实际测试都存在困难）（理论计算和实际测试都存在困难）调节级室汽温的降落幅度调节级室汽温的降落幅度l调节级室汽温的降落幅度与进汽调节方式、新汽调节级室汽温的降落幅度与进汽调节方式、新汽参数以及调节级的设计焓降有关参数以及调节级的设计焓降有关N125机组热态启动冲转时调节级汽温降落幅度计算值见下表机组热态启动冲转时调节级汽温降落幅度计算值见下表由表可见：新汽由表可见：新汽压力越低，汽温压力越低，汽温降落的幅度越小。降落的幅度越小。因此在启动时，因此在启动时，新汽的压力以低新汽的压力以低些为宜。些为宜。调节级后的温度与温度匹配调节级后的温度与温度匹配汽轮机转子照片汽轮机转子照片N125机组两班制运行调节级汽温实测机组两班制运行调节级汽温实测N200N200机组启动过程中调节级汽温变化曲线机组启动过程中调节级汽温变化曲线机组启动过程中调节级汽温变化曲线机组启动过程中调节级汽温变化曲线(实测实测实测实测)汽温波动对热应力的影响汽温波动对热应力的影响 l当启动或正常运行时，由于锅炉燃烧或其它不定因素，当启动或正常运行时，由于锅炉燃烧或其它不定因素，常常引起主汽温的波动，导致调节级汽温也随之发生常常引起主汽温的波动，导致调节级汽温也随之发生变化。调节级汽温对汽缸和转子热应力的影响，除了变化。调节级汽温对汽缸和转子热应力的影响，除了汽温变化幅度汽温变化幅度外，汽温的外，汽温的变化频率变化频率也是一个重要的因也是一个重要的因素。素。l计算表明，如果汽温波动不超过计算表明，如果汽温波动不超过25，在转子和汽缸，在转子和汽缸上不会产生有害的热应力。上不会产生有害的热应力。压力的变化对热应力的影响压力的变化对热应力的影响l蒸汽的压力往往影响放热系数蒸汽的压力往往影响放热系数 在一般粗略的计算中，可以把两者之间的关系归纳为：在一般粗略的计算中，可以把两者之间的关系归纳为：转子光轴处：转子光轴处：高压轴封入口：高压轴封入口：外表面可以视为第三类边界条件：外表面可以视为第三类边界条件：压力越大，对流系数就越大。压力越大，对流系数就越大。汽汽汽汽轮轮轮轮机机机机启启启启动动动动时时时时高高高高中中中中压压压压转转转转子子子子的的的的温温温温度度度度变变变变化化化化热冲击热冲击l金属材料受到剧烈的加热或冷却，引起内部产生很大金属材料受到剧烈的加热或冷却，引起内部产生很大的温差，形成很大的冲击热应力的现象称为的温差，形成很大的冲击热应力的现象称为热冲击热冲击。热冲击时承受很大的热应力，有时仅一次热冲击就可能造热冲击时承受很大的热应力，有时仅一次热冲击就可能造成零部件的永久性破坏。成零部件的永久性破坏。汽轮机热态启动时，如主蒸汽管道暖管、疏水不充分或正汽轮机热态启动时，如主蒸汽管道暖管、疏水不充分或正常运行中，锅炉汽包水位失调而造成满水等均可能产生汽常运行中，锅炉汽包水位失调而造成满水等均可能产生汽轮机的热冲击。轮机的热冲击。同样，当电网或发电机故障而引起汽轮机甩负荷后带厂用同样，当电网或发电机故障而引起汽轮机甩负荷后带厂用电或空负荷运行，也将造成汽轮机的热冲击。电或空负荷运行，也将造成汽轮机的热冲击。l热冲击可能对汽轮机产生严重的损伤，因此，在机组热冲击可能对汽轮机产生严重的损伤，因此，在机组启停和正常运行中，应特别注意。启停和正常运行中，应特别注意。寿命损耗寿命损耗l疲劳损伤疲劳损伤由材料力学可知，金属材料在交变应力反复作由材料力学可知，金属材料在交变应力反复作用下，会出现疲劳损伤。用下，会出现疲劳损伤。即使应力不超过材料的屈服极限，经过一定次即使应力不超过材料的屈服极限，经过一定次数的循环（交变应力反复作用），金属材料也数的循环（交变应力反复作用），金属材料也将产生微观裂纹。将产生微观裂纹。如果应力足够大，则循环次数不多，材料也将如果应力足够大，则循环次数不多，材料也将断裂。断裂。寿命损耗（续寿命损耗（续1）l寿命寿命工程上，将致裂疲劳循环周次（致裂寿命）称为：有效工程上，将致裂疲劳循环周次（致裂寿命）称为：有效寿命。寿命。工程上，将产生宏观初始裂纹至断裂之间的循环周次工程上，将产生宏观初始裂纹至断裂之间的循环周次（即断裂寿命与致裂寿命之差）称为：残余寿命。（即断裂寿命与致裂寿命之差）称为：残余寿命。l低周疲劳低周疲劳汽轮机在启停和工况变化过程中，转子承受交变热应力。汽轮机在启停和工况变化过程中，转子承受交变热应力。这种交变热应力循环的特点是：交变循环周期长，频率这种交变热应力循环的特点是：交变循环周期长，频率低，疲劳裂纹萌发的循环次数少，故称为低周疲劳低，疲劳裂纹萌发的循环次数少，故称为低周疲劳影响寿命损耗的因素影响寿命损耗的因素l影响汽轮机寿命的因素有很多，如蠕变断裂、影响汽轮机寿命的因素有很多，如蠕变断裂、热脆性、热疲劳以及高温介质的氧化和腐蚀热脆性、热疲劳以及高温介质的氧化和腐蚀等。等。l主要的影响因素是受到交变热应力作用引起主要的影响因素是受到交变热应力作用引起的低周疲劳寿命损耗，以及受到高温和工作的低周疲劳寿命损耗，以及受到高温和工作应力作用而产生的蠕变损耗。应力作用而产生的蠕变损耗。低周疲劳低周疲劳(a)540 (b)565两种温度下，两种温度下，断口扫描电镜图片断口扫描电镜图片 高温蠕变高温蠕变l蠕变即金属在高温下，长期承受一定的工作应力，即使应力不超过金蠕变即金属在高温下，长期承受一定的工作应力，即使应力不超过金属在该温度下的许用应力，也将发生缓慢而连续的塑性变形。属在该温度下的许用应力，也将发生缓慢而连续的塑性变形。565下蠕变裂纹扩展图下蠕变裂纹扩展图 时效过程中组织变化时效过程中组织变化(a)原始试样原始试样 (b)660 时效时效300小时小时(c)660 时效时效500小时小时 (d)660 时效时效800小时小时 660温度下不同时效时间的金相组织照片温度下不同时效时间的金相组织照片低周疲劳低周疲劳l汽轮机在启停过程中转子所承受的是交变热应力。启汽轮机在启停过程中转子所承受的是交变热应力。启动加热时转子表面承受压应力，停机时为拉应力，在动加热时转子表面承受压应力，停机时为拉应力，在这种交变应力作用下，经过一定周次的循环，就会在这种交变应力作用下，经过一定周次的循环，就会在金属表面出现疲劳裂纹并逐渐扩展以致断裂。金属表面出现疲劳裂纹并逐渐扩展以致断裂。l汽轮机转子承受的这种交变应力的特点是交变周期长、汽轮机转子承受的这种交变应力的特点是交变周期长、频率低、疲劳裂纹的循环周期少，故称为低周疲劳。频率低、疲劳裂纹的循环周期少，故称为低周疲劳。低周疲劳特性对寿命的损耗低周疲劳特性对寿命的损耗l19831983年前苏联文献中公布的转子钢年前苏联文献中公布的转子钢 疲劳特性曲线疲劳特性曲线 l从图中看到，所受热应力越大，循环周次从图中看到，所受热应力越大，循环周次(即金属材料的疲劳寿即金属材料的疲劳寿命命)就越少；工作温度越高，循环周次就越少。就越少；工作温度越高，循环周次就越少。低周疲劳特性对寿命的损耗低周疲劳特性对寿命的损耗(续续)l30Cr2MoV30Cr2MoV钢钢500500时的低周疲劳曲线时的低周疲劳曲线 转子疲劳寿命损耗转子疲劳寿命损耗的计算的计算l依据材料的低周疲劳特性曲线进行计算，首先求依据材料的低周疲劳特性曲线进行计算，首先求 式中，式中，计算点的公称当量应力；计算点的公称当量应力；材料的弹性模量；材料的弹性模量；弹、塑性应变集中系数；弹、塑性应变集中系数；l算出后算出后 ，即可查得，即可查得 ，则启动（或停机）一次的寿命损耗为，则启动（或停机）一次的寿命损耗为 高温蠕变高温蠕变l蠕变即金属在高温下，长期承受一定的工作应力，即使应蠕变即金属在高温下，长期承受一定的工作应力，即使应力不超过金属在该温度下的许用应力，也将发生缓慢而连力不超过金属在该温度下的许用应力，也将发生缓慢而连续的塑性变形。续的塑性变形。l实验证明，金属的蠕变与金属材料所承受的工作应力和工实验证明，金属的蠕变与金属材料所承受的工作应力和工作温度有密切的关系。在工作应力和工作温度一定时，蠕作温度有密切的关系。在工作应力和工作温度一定时，蠕变发展过程呈现三个阶段：变发展过程呈现三个阶段：第一阶段，是蠕变不稳定阶段；第一阶段，是蠕变不稳定阶段；第二阶段，是蠕变的稳定阶段，蠕变速度恒定；第二阶段，是蠕变的稳定阶段，蠕变速度恒定；第三阶段，蠕变速度增加很快，直至断裂。在汽轮机寿命管理时，第三阶段，蠕变速度增加很快，直至断裂。在汽轮机寿命管理时，第三阶段时间不能计入蠕变寿命。第三阶段时间不能计入蠕变寿命。高温蠕变高温蠕变l汽轮机的工作温度很高，其汽缸、转子等零部件会发汽轮机的工作温度很高，其汽缸、转子等零部件会发生蠕变，损耗寿命。转子的蠕变寿命损耗率生蠕变，损耗寿命。