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熱用力就是當物體溫度變化時，熱變形受到其他物體約束或物體內(nèi)部各部分之間的相互約束所產(chǎn)生的應(yīng)力。對于運行中的汽輪機，熱應(yīng)力是造成設(shè)備損壞的主要因素之一，例如氣缸裂紋，轉(zhuǎn)子變形，螺栓裂紋甚至斷裂等都是由于熱應(yīng)力的多次反復(fù)交變而產(chǎn)生的。現(xiàn)將氣缸，轉(zhuǎn)子，螺栓熱應(yīng)力產(chǎn)生原因，影響因素及控制方法進行簡要分析。

一、氣缸的熱應(yīng)力

汽輪機啟動時，氣缸的內(nèi)壁直接與蒸汽接觸，所以內(nèi)壁溫度上升很快，相對來說外壁溫度上升較慢，這樣氣缸內(nèi)外壁存在較大的溫度差，此時內(nèi)壁金屬膨脹，外壁金屬還未膨脹，使內(nèi)壁承受熱壓應(yīng)力，外壁承受熱拉應(yīng)力。當汽輪機停機或蒸汽溫度突然降低時，氣缸外壁溫度可能比內(nèi)壁溫度高，使得內(nèi)壁受熱拉應(yīng)力，外壁受熱壓應(yīng)力。如果溫差很大，熱應(yīng)力也會很大。當此熱應(yīng)力超過氣缸金屬材料的許用應(yīng)力極限時，就會引起氣缸的塑性變形或永久變形甚至產(chǎn)生裂紋。

由于熱應(yīng)力與溫度差成正比，溫度差可作為控制熱應(yīng)力的指標。在汽輪機的啟停中，要控制熱應(yīng)力不超過許用值，必須控制氣缸和法蘭內(nèi)外壁的溫度差在規(guī)定范圍之內(nèi)。除此之外，還須控制氣缸內(nèi)壁溫升溫降速度。氣缸內(nèi)壁溫升溫降的速度大小也決定了汽輪機轉(zhuǎn)速和負荷變化的快慢，也就是汽輪機啟動和停機的快慢。

二、轉(zhuǎn)子的熱應(yīng)力

在運行工況變動時，汽輪機轉(zhuǎn)子的橫截面也會產(chǎn)生溫度差，產(chǎn)生熱應(yīng)力。汽輪機冷態(tài)下啟動時，轉(zhuǎn)子中心和轉(zhuǎn)子表面的溫度都接近環(huán)境溫度。隨著機組沖轉(zhuǎn)和帶負荷，轉(zhuǎn)子表面溫度迅速升高，當達到額定負荷時，溫度接近于第一級氣缸的溫度。此時轉(zhuǎn)子中心溫度則是滯后于轉(zhuǎn)子表面溫度的，這樣就產(chǎn)生了溫度差，引起了熱應(yīng)力。轉(zhuǎn)子表面產(chǎn)生熱壓應(yīng)力，轉(zhuǎn)子中心產(chǎn)生熱拉應(yīng)力。停機時，則正好相反，轉(zhuǎn)子表面溫度低于轉(zhuǎn)子中心溫度，轉(zhuǎn)子表面產(chǎn)生熱拉應(yīng)力，轉(zhuǎn)子中心產(chǎn)生熱壓應(yīng)力。

汽輪機轉(zhuǎn)子熱應(yīng)力最大值一般出現(xiàn)在高壓轉(zhuǎn)子的調(diào)節(jié)級和中壓轉(zhuǎn)子的第一級附近，所以可以用控制調(diào)節(jié)級氣缸內(nèi)壁溫度的方法來控制轉(zhuǎn)子的熱應(yīng)力。實踐中，一般按照氣缸法蘭的熱應(yīng)力允許值來控制轉(zhuǎn)子最大允許的溫度變化率，這樣轉(zhuǎn)子的熱應(yīng)力就不會超過許用值。而對于大型汽輪機組的轉(zhuǎn)子，還要考慮其使用壽命。交變熱應(yīng)力的多次反復(fù)循環(huán)會使轉(zhuǎn)子因低周疲勞而產(chǎn)生裂紋。因此在生產(chǎn)中要盡量減少汽輪機組的啟停次數(shù)和負荷的劇烈變動。

三、螺栓的熱應(yīng)力

汽輪機啟動過程中，氣缸螺栓的受熱主要是通過法蘭的傳遞，所以法蘭的溫度要高于螺栓的溫度。螺栓與法蘭的溫度差使螺栓承受了熱拉應(yīng)力。法蘭在垂直方向上的膨脹，使得螺栓被拉長。此外，螺栓還承受扣上汽缸時的預(yù)緊拉應(yīng)力以及汽缸內(nèi)部蒸汽工作壓力引起的拉應(yīng)力。當這三種拉應(yīng)力的和超過螺栓金屬材料的強度極限時，螺栓將產(chǎn)生塑性變形，甚至斷裂。

螺栓所承受的熱拉應(yīng)力隨著法蘭與螺栓的溫度差的增大而增大。尤其是主氣門，調(diào)速氣門，第一級氣缸的法蘭螺栓之間的溫度差最大。實踐中，一般只要汽輪機的其他部件在允許的溫升率下，螺栓的熱拉應(yīng)力就不大可能到危險程度。但當蒸汽溫度比氣缸溫度高很多時，螺栓的熱拉應(yīng)力就會增大很多，有可能超過許用值。大功率汽輪機一般有螺栓加熱裝置，可以很好的控制法蘭與螺栓的溫度差，從而控制螺栓的拉應(yīng)力不超過許用值。

對于長時間運行的機組，因為有應(yīng)力松弛的現(xiàn)象，螺栓的緊力會逐漸減小，螺栓損壞的可能性也將減小，但是氣缸法蘭接觸面的嚴密性會變差。所以，當機組長時間運行后，螺栓材料因應(yīng)力松弛現(xiàn)象不能保證法蘭接觸面嚴密性時，要利用停車機會將螺栓旋緊。

實踐證明，汽輪機受熱引起的熱應(yīng)力與受熱的快慢程度有關(guān)，即與溫度升高的速度有關(guān)。加熱快時熱應(yīng)力大，加熱慢時熱應(yīng)力小。所以必須控制好溫度的提升速度，才能保證汽輪機的安全，最大限度的延長機組的使用壽命。