Ⅲ 汽轮机的热膨胀及热变形
一、汽缸和转子的热膨胀
危害：汽轮机在启停和变工况时，设备零部件存在温差，产生热应力，引起热膨胀，改变了常温下零部件位置。由于各部件几何尺寸及材质的不同，其热膨胀也不相同，造成各动静部分间隙变化，危害汽轮机的安全运行。
要求：①保证汽缸在纵向能自由热胀冷缩，在横向能均匀膨胀，
②汽轮机动静部分间隙及转子和汽缸洼窝中心保持不变或变化很小。 1．汽缸沿横向的膨胀
若调节级汽室外左右两侧法兰的金属温差控制良好，就能使汽缸横向膨胀均匀。否则，汽缸将产生中心偏移。
为保证汽缸左右膨胀均匀，规定主蒸汽和再热蒸汽两侧汽温差不应超过28℃。 2．汽缸沿轴向的膨胀
对于法兰比汽缸壁薄的机组，汽缸沿轴向的膨胀量取决于汽缸各段平均温升； 对于法兰比汽缸壁厚的机组，汽缸沿轴向的膨胀量取决于法兰各段平均温升。 正常运行时，通常选择调节级区段的法兰内壁温度作为汽缸纵向膨胀的监视点，只要监视点温度在适当范围内，就能保证汽缸的热膨胀在允许范围内。
对高参数大容量汽轮机，其法兰壁厚远大于汽缸壁厚，汽缸的膨胀量会受到法兰膨胀量的限制；在启动过程中，为使汽缸得到充分膨胀，应该投入法兰加热装置，并把汽缸和法兰的温差控制在允许的范围内。
3．转子的热膨胀
随着机组容量的提高，转子的轴向长度增加，转子的轴向膨胀量较大，在运行中应加强对转子膨胀量的监控，以防止卡涩和动静部分磨损。
二、汽缸与转子的相对膨胀 1．胀差概念
胀差：转子与汽缸沿轴向膨胀之差称为胀差。
当转子轴向膨胀量大于汽缸轴向膨胀量时，胀差为正，反之为负。 汽轮机在启动及加负荷时，胀差为正；在停机或减负荷时，胀差为负。 2．胀差产生的原因：
（1）转子和汽缸的金属材料不同，热胀系数不同；
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（2）汽缸质量大与蒸汽接触面积小，转子质量小与蒸汽接触面积大；
转子和汽缸的质面比：转子或汽缸质量与被加热面积之比，通常以m／A表示。 转子质量轻、表面积大，则质面比小，而汽缸质量大、表面积小，则质面比大。 （3）转子转动，故蒸汽对转子表面的放热系数比对汽缸表面的放热系数（表面放热系数,是指一定单位面积、单位时间和温度下，释放的热量。一般可采用单位千卡/平方米·小时·℃表示）大。
3．危害：
胀差使通流部分动静沿轴向间隙发生变化，造成动静部件的碰撞和摩擦，延误启动时间、引起机组振动、大轴弯曲等严重事故。
当胀差为正时，动叶出口与下级静叶入口间隙减小； 当胀差为负时，静叶出口与动叶入口之间的间隙减小； 4．影响胀差的主要因素
（1）主、再热蒸汽的温升、温降速度及负荷变化速度； （2）轴封供汽温度和供汽时间
冷态启动时，在冲转前向轴封供汽，由于供汽温度高于转子温度，转子局部受热而伸长，可能出现轴封摩擦现象。
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，且要先向轴封供汽，后抽真空。并尽量缩短冲转前轴封供汽时间。
（3）凝汽器真空
在升速和暖机过程中，当真空降低时，若保持机组转速不变，须增加进汽量， 使高压转子受热增加，胀差增大。
使中、低压转子鼓风摩擦热量被增加的蒸汽量带走，胀差减少。
（由于中、低压转子叶片较长，其鼓风摩擦热量比高压转子大。当真空降低时，中低压转子鼓风摩擦热量被增加的蒸汽量带走，故胀差减少；因此，在升速暖机过程中不能用提高真空的办法来减小中、低压通流部分的胀差。）
(4)鼓风摩擦热量
鼓风摩擦损失与动叶片长度成正比，与圆周速度三次方成正比， 所以低压转子的鼓风摩擦损失远比高、中压转子大，
鼓风摩擦损失热量加热通流部分，使胀差增加，在小流量时其影响较大。随着流量增加，其影响逐渐减小，当流量达到一定值时，鼓风摩擦损失的热量已能全部被带走，这时对胀差
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的影响就会消失。
(5)转速
转子的离心力与转速的平方成正比；在离心力作用下，转子沿径向伸长，轴向则缩短，胀差减小。（弹性材料的径向应变与轴向应变有一定比例关系，当转子径向伸长时，转子轴向必然会缩短）
大容量机组转速高、转子长，离心力对胀差的影响应加以考虑。随流量增大、转速上升，高压转子的胀差逐渐增大，而中低压转子胀差先随转速升高而增加，中速之后又随转速增加而减小。
(6)进汽参数
当进汽参数突然发生变化时，转子的受热状态首先发生变化，而对汽缸的影响要滞后一段时间，胀差将发生变化。
(7)隔板挠度
隔板在压差作用下产生的挠度会使动静部分的间隙减小。应考虑对胀差的影响； 但在启动时，由于蒸汽流量很小，隔板前后压差不大，可以忽略对胀差的影响。 5．控制胀差的方法
胀差的大小主要取决于蒸汽的温度变化率，在运行中可用蒸汽温度变化率来控制胀差。 额定参数启动时，为控制转子和汽缸的温差，进行低速暖机和低负荷暖机，目的是减少进汽量，使汽缸温度跟上蒸汽温度的变化，当汽缸温度接近蒸汽温度时，再继续增加进汽量，升速和升负荷。
三、汽缸的膨胀不畅
汽缸的热膨胀影响机组的启停以及增减负荷的速度，一旦汽缸膨胀不畅，将引起振动、机件故障，严重时会造成机组损坏。
(1)汽缸膨胀不畅表现形式
汽缸膨胀不畅包括轴向膨胀不畅和横向膨胀不畅
汽缸轴向膨胀不畅，表现为启动过程中高、中压胀差较大，严重影响启动速度，延长启动时间。动叶围带处可能发生严重磨损；
汽缸横向膨胀不畅(汽缸跑偏或汽缸横向窜动)，表现为前轴承箱两侧横向膨胀差和汽缸左右(横向)膨胀差的增大，可以断定汽缸膨胀发生偏斜，揭缸后可能会进一步发现汽缸上的轴封会留下明显的单侧摩擦痕迹或在立销处有挤压痕迹等。
三种表现形式：轴承座和台板之间的接触状态变化；汽轮机各轴承座之间的相互位置发
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生了变动；改变了动静部件之间的径向间隙或轴向间隙。
(2)汽缸膨胀不畅产生的原因
汽缸膨胀不畅多发生在高、中压缸，尤其是高、中缸分缸机组；低压缸直接坐落在台板上，质量大且温度不高，膨胀量较小，一般不会发生汽缸膨胀不畅现象。
造成汽缸膨胀不畅的主要原因有： ①滑销系统有缺陷或损坏。
纵销、立销间隙过大和磨损，立销刚度不足，销座固定不牢等造成的跑偏： 如果纵销损坏，在启停过程中造成轴承座横向移动，带动汽缸移动，造成汽缸跑偏。 如果立销损坏，在启停过程中造成汽缸横向移动，造成汽缸跑偏。 如果猫爪横销卡涩，造成汽缸横向膨胀受阻，造成汽缸跑偏。
②汽缸台板、轴承座与基础台板之间，表面缺乏润滑剂或台板锈蚀，造成摩擦力增加，一旦汽缸膨胀力克服台板的摩擦力，汽缸便进入无润滑膨胀状态，对汽缸膨胀不致造成很大的影响；
当汽缸与轴承座中心不正，汽缸和轴承座在机组膨胀时易发生偏移或扭转，使滑销系统产生变形卡阻，汽缸膨胀所受阻力将大为增大，将造成汽缸膨胀不畅。
③汽缸、轴承座及转子间错位，引起汽缸膨胀不畅，导致轴承、转子故障，轴封磨损漏汽，透平油进水和机组振动等问题，严重的损坏汽轮机。
④管系对汽缸的侧向作用力较大。
缸体与许多管道相连，由于制造和安装存在误差、运行中残余应力的释放、管道的蠕变以及支吊架的失效等原因，使得管道对汽缸有一定的作用力。
若作用力偏差大，形成较大的侧向作用力，造成汽缸横向膨胀受阻，汽缸跑偏，严重时造成立销脱落和立销座开焊，转轴碰磨引起弯轴事故。
⑤运行中应注意左右两侧膨胀的不均，汽轮机进口两侧的汽温差随锅炉左右温差增加而增大，故要限制左右两侧的汽温差，并控制启停、增减负荷速度。
四、汽轮机的热变形 1．热变形的危害
汽轮机启停和负荷变化时，汽缸和转子除热应力外，还会产生热变形，
如果汽缸和转子的挠曲值过大，将造成通流部分动静部件的径向间隙减少、动静部件磨损。不仅使汽封径向间隙扩大，增大漏汽量，使汽轮机运行的经济性降低；而且动静部件的摩擦还将引起机组振动以及大轴弯曲等事故。
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