汽轮机运行工况分析（八）热应力、热膨胀、热变形分析
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⒈汽缸膨胀：（【大修现场一】高中压缸部件认识）
⑴变化原因：
① 负荷改变；
② 汽缸夹层或法兰加热装置阀门泄漏；
③ 汽温变化；
④ 滑销系统或轴承台板滑动面卡涩，汽缸突然胀缩；（什么是猫爪、横销、纵销、立销....汽缸的支承、膨胀和滑销系统）
⑤ 汽缸保温脱落不全；
⑥ 季节性的变化，冬季大雨夏季；
⑦ 穿堂风的影响；
⑧ 车肚挡风板不全。
⑵汽缸膨胀变化的影响：（汽轮机汽缸详解）
① 汽缸受热以后在长、宽、高几个方面都要膨胀，滑销系统的合理布置，满足了汽缸几个方向上的自由膨胀的要求，保证汽轮机与发电机，转子与静子部分以及轴承座中心一致，使汽缸在加热和冷却时不发生过大的应力和变形。汽缸膨胀值的大小，取决于汽缸的长度和汽缸金属材料的线膨胀系数及汽缸金属温度。对于高压汽轮机，因为其法兰宽度和厚度远远大于汽缸的厚度，所以汽缸膨胀值往往取决于法兰的平均温度，由于汽缸的金属温度的分布有一定的规律性，可以用调节级汽缸内壁的金属温度与汽缸膨胀的对应关系，便于对照分析。
② 机组起动或增负荷，汽缸膨胀绝对值是决定升速或增负荷的重要参考指标。因为有时汽缸膨胀因滑销系统活轴承台板滑动面卡涩而出现滞后现象。如果该时单根据金属温度升高情况定升速、增荷是比较危险的。汽缸膨胀滞后必将引起汽缸与转子的相对膨胀迅速上升，这时应加强对膨胀和机组振动的监视。
③ 汽缸膨胀方向根据汽缸的死点而定。一般汽轮机都是向机头方向膨胀，汽缸左右侧膨胀必须注意均匀，对于使用夹层，法兰加热装置的机组，更须不断对照左右两侧膨胀值和金属两侧温差。具有双层汽缸的机组，汽缸膨胀值主要是由外法兰的平均温度决定的。
④ （附汽缸金属事故主要是变形和开裂）汽缸变形：影响汽轮机的安全经济运行，其表现形式是汽缸水平结合面因变形而漏汽，以及汽缸圆周发生变形而导致汽轮机中心变化。为此在检修时不得不进行水平结合面的修刮和局部补焊（也可用热喷涂进行修复）以及重新调整汽轮机中心。
⑤ （附）变形主要原因有： a.汽缸残余应力过大（汽缸形状复杂，厚薄不均匀，铸造时各部分的凝固和冷却速度不一而产生内应力，在运行过程中会因残余应力的作用而导致汽缸变形。为了消除铸造残余应力需要进行消除应力退火处理）； b.蠕变的影响：（高压汽轮机汽缸的工作温度往往会在产生蠕变的温度以上，因此在长期运行过程中就会有蠕变现象发生，由于汽缸形状复杂，厚薄不均匀，各部分的温度和压力不同，使各部分的蠕变速度不同，因而各部分蠕变[塑性变形]量不同，导致汽缸变形）； c.汽轮机基础不良，造成各部分受力大小的不同而产生汽缸变形。用于测量基础沉降的观测点应齐全、装设牢固，并有合适的保护装置，基础验收时就应进行沉陷观测以作为原始数据，测量数值应估读到0.1mm，在下列安装阶段还要进行测量：I.汽轮机、发电机和凝汽器等大件重载设备均已就位；II.汽轮机扣大盖前；III.轴系连接对轮前；IV.机组第一次整套启动后。
⑥ （附）汽缸开裂：汽缸裂纹大部分都产生在温度梯度大、圆角半径小或汽缸厚度不对称的地方，法兰与汽缸壁的过渡区以及各调节汽门汽道之间最容易产生裂纹。产生裂纹的原因很复杂。 a.内因：汽缸的结构、材质、工艺等方面的原因。 b.温度条件及应力状态等方面的原因。汽缸在结构上如果拐角的半径小及壁的厚薄差别大而又过于陡峭，则容易导致应力集中及应力的增大，在一定的条件下就会导致裂纹的产生。出现了裂纹的汽缸可以采取挖除补焊等方法以消除裂纹和防止裂纹的继续扩展。
⑦ 机组有功负荷增大后转子产生的热不平衡：振动并不是随有功负荷的增大而立即增大，而是稳定一段时间后，振动才逐渐增大；同样，当有功负荷减少时，振动并不立即减少。这种现象说明振动与机组受热状态有关，它明显地包含民一个随机组有功负荷增大而增大的热变量。与发电机类同，这种热变量也有两种形式：一种是随空负荷下振动减少而减少或消失；另一种与空负荷下振动大小无关。后者又有两个原因；汽缸、轴承座膨胀不良和汽轮机转子受热后平衡恶化。
⑧ 根据现场发生的汽缸膨胀不良表现的各种现象，可以概括为以下三种表现形式，这三种形式产生的振动特征及机理如下：
a.汽轮机各轴承座之间的相互位置发生了变动：产生这种现象的后果是直接导致转子中心变动。对活动式联轴器，各轴承座之间位置的相对变化，会改变转子之间的连接中心状态。当两个转子中心偏差过大时，活动式联轴器会失去调节作用中，产生激振力；
b.改变动静部件之间径向间隙：它所产生的最严重后果是直接导致动静部分磨擦。如果磨擦发生在转轴上，将引起转子热弯曲因而造成振动；
c.改变轴承座和台板之间的接触状态：这种现象最严重的表现形式是滑动面之间出现间隙，由此降低了轴承座连接刚度，在激振力不变的情况下，振幅增大，这是现场发生汽缸膨胀不良，引起振动增大的最常见的故障形式.
⑨ 半速涡动和油膜振荡:轴瓦自激振动一般分为半速涡动和油膜振荡两个过程。转子工作转速在两倍转子第一临界转速以下所发生的轴瓦自激振动，称为半速涡动，因为这时自激振动频率近似为转子工作频率的一半。这种振动由于没有与转子临界转速发生共振，因而振幅一般不大，现场大量机组实结果多为40－100μm。转子工作转速高于两倍第一临界转速时所发生的轴瓦自激振动，称为油膜振荡，这时振动频率与转子第一临界转速接近，从而发生共振，所以转子表现为强烈的振荡。对于轴颈在外界偶然扰动下所发生的任一偏移，轴承油膜除了产生沿偏移方向的弹性恢复力保持和外界载荷平衡外，仍然要产生一个垂直于偏移方向的失稳分力，这个失稳分力将驱动转子涡动。[振动相位是振动信号由正向零点位置到标准信号脉冲前沿的距离。]
⒉汽缸与转子的相对膨胀：（为什么运行中轴向位移变化，必然引起差胀的变化？）
⑴变化原因：
① 向正值方向增加；
a．起动暖机时间不充足，升速或增荷过快；
b．汽缸夹层、法兰加热装置加热汽温太低或流量较低，引起加热不足；
c．进汽温度升高，在机组启动或运行过程中主蒸汽温度变化将影响各级蒸汽温度，主蒸汽温升速度愈快汽缸与转子间的胀差愈大；主蒸汽温降速度愈快，胀差减小愈快，以至出现负胀差；
d．轴封汽温升高或轴封供汽量过大，在启动前要向轴封供汽，若轴封供汽温度高于轴封金属温度，转子的轴封端和轴封体被加热，而轴封体是嵌在汽缸的两端，其膨胀对汽缸轴向长度几乎没有影响，但转子轴封端的膨胀却影响转子的长度，因而正胀差加大，由于轴封端占转子的长度的比例较小故对总胀差（即胀差测量值）影响较小，可是轴封处的局部胀差却比较大。如果轴封供汽温度过高，可能使轴封的轴向间隙消失，动静部分发生摩擦，若轴封供汽温度低于轴封金属温度则相反，轴封被冷却，轴封处的局部差胀为负值，为了避免轴封处出现过大的正胀差和负胀差，轴封供汽温度应略高于轴封金属温度；（轴封系统组成、作用、原理、启停及事故处理）
e．真空变化，由于排汽缸对应的转子轴端露在汽缸外，因此排汽温度变化主要影响排汽缸的膨胀量，随着排汽温度的升高排汽缸的膨胀量比对应转子轴端膨胀量大，使低压缸的相对膨胀减小。如果排汽温度的升高是由于凝汽器内压力升高而引起的，为了保持机组的转速或功率保持不变，进汽量需相应增加，从而引起高压缸胀差增大。但一般不允许采用提高凝汽器压力的办法来调整各汽缸的胀差；
f．转速变化；
g．调速汽门开度增加；
h．滑销系统或轴承台板面滑动卡涩，汽缸膨胀不出；
i．轴承油温升高；
j．推力轴承磨损，轴向位移增加；（什么是汽轮机轴向位移？）
k．汽缸保温脱落或穿堂冷风；
l．双层汽缸夹层中流入冷汽或冷水；
m．多转子机组，相邻转子差胀变化；
n．差胀指示器零点不准或触点磨损，电气式差胀指示器还受频率，电压升高影响指示偏差。
② 向负方向增加：
a．负荷下降或甩负荷；
b．汽温急剧下降；
c．水冲击；
d．轴封汽温度降低；
e．汽缸夹层、法兰加热装置加热过度，超高压和亚临界机组多采用双层缸结构，因此在启动时必须在汽缸夹层中通以适当温度的蒸汽，否则回出现较大的正胀差，增加法兰螺栓加热装置蒸汽的温度和流量，就可以加大启动过程中汽缸的膨胀量，可以减小正胀差；
j．多转子机组，相邻转子差胀变化；
k．电气式差胀指示器受频率、电压下降的影响；
l.转子回转（泊桑）效应，转子在旋转时，产生很大的离心力，转子材料在离心力的作用下沿径向产生弹性伸长，从而使轴向长度缩短，故在相同加热条件下，转子的轴向膨胀量较静止时小，因而对差胀产生影响。
⑵相对膨胀变化的影响：
① 汽缸和转子的相对膨胀又称差胀。习惯上规定转子膨胀大于汽缸膨胀时，差胀为正值。转子与汽缸相比，转子的体积小，而又全部浸在蒸汽的包围之中，两者受热情况有别，通常用受热面积与该部件体积之比值简称“体面比”（A/V）来描述。显然转子的体面比远大于汽缸，在加上转子在运行中高速旋转对蒸汽产生很大的扰动，因此蒸汽与转子间换热系数也比较大，转子被封闭在汽缸里面向外散热量也小。冷态起动时，汽机受热后，由于转子的质量小，接触蒸汽面积大，加热的较快，故膨胀的也快；而汽缸膨胀的慢，出现正胀差。转子与汽缸的相对轴向位置发生变化，内部动静间隙发生变化。正差胀值过大超限会引起高低压轴封或隔板轴封齿或者叶片出口与隔板动静摩擦，发生大轴弯曲等故障。
② 差胀向正值增大，一般在机组冷态起动与增负荷时出现，当负荷及进汽参数稳定后，差胀变化不大，因为该时汽缸为稳定传热状态，汽缸与转子的差值保持在某一值。如运行中汽缸保温层脱落，阀门泄漏引起汽缸内外温差增大等因素，差胀也会变化。
③ 高压大容量机组，差胀是起动中的一个关键，达到起动时间短，差胀值小，必须要及时分析差胀变化的原因。准确合理使用汽缸夹层及法兰加热装置，分析运行工况的变化，确保差胀控制在安全范围内，冷态起动，进汽温度，真空，转速等都是影响差胀的因素，例如：真空下降，维持同一转速，进汽量增加，高压差胀要上升，但中、低压缸摩擦鼓风热量因流量增加容易带走，可能差胀要下降些。又如：转速对差胀影响，因为鼓风摩擦热量和叶片长度成正比，和转速三次方成正比，转速升高，产生的鼓风摩擦热量增大，差胀会增加，但升至某一转速，蒸汽流量增加后可把鼓风热量带走的比较多，对差胀的影响就小了，另外，对于大直径转子在金属部件受热情况不变，当转速上升时，转子受离心力影响，引起转子径向拉伸变粗，而使转子轴向长度缩短，差胀减小，一般大容量低压转子较突出，还有调速汽门的开度变化对差胀影响也较大，因调门开度变化，使蒸汽的节流作用发生变化，汽机进汽参数也发生变化。由于汽缸影响迟缓，使差胀变化，如果新蒸汽参数未变，调门开大，调节级温度升高，差胀上升。
④ 差胀向负方向增大，一般在热态起动和滑参数停机，负荷下降或汽温急剧下降时出现，负差胀增大，使喷嘴出口与叶片进口轴向间隙减小，由于提高经济运行性，喷嘴出口与叶片间隙尽量保持的小些，因此，负差胀允许的限额要小于正差胀允许限额。负差胀的增加是比较危险的，容易发生叶片进口侧与喷嘴隔板的动静摩擦或轴封齿的碰擦，尤在高压末级及高压前几级的轴向间隙较小更为危险。
⑤ 差胀和轴向位移的零点都是在机组冷态未起动前，将转子向推力瓦工作面推足时调整好（有的向非工作面推足），冷态起动前，差胀读数调整为零，稳定运行时，虽然汽缸与转子处于稳定传热状态，由于机构及汽缸与转子受热长度及条件不一，有些机组长期稳定于某一正差胀或负差胀运行，一般机组在稳定运行中，转子膨胀较汽缸大，这是由于转子受热条件好，而汽缸只内部受热逐渐向外传热，缸温低于转子温度，差胀为正值。
⑥ 汽轮机在启停和工况变化时，由于转子和汽缸之间存在温差，因此其轴向存在膨胀差，或简称胀差。以单缸汽轮机为例，汽缸死点在排汽口中心附近，转子与汽缸的相对死点在推力轴承推力面处。汽缸由死点向进汽端膨胀，前猫爪通过横销使推力轴承向前移动，从而带动转子移动，而转子本身又以相对死点为基准向排汽端膨胀，转子与汽缸的相对膨胀关系可以看作汽缸转子均以推力面为基准向排汽端膨胀。胀差的大小意味着汽轮机动、静轴向间隙相对于静止时的变化，正差胀表示自喷嘴（静叶）至动叶间轴向间隙增大；反之，负差胀表示该轴向间隙减小。但必须指出由于大型多缸汽轮机的相对膨胀关系比较复杂，对于其中个别的通流部分来说，正负差胀对其轴向间隙的影响恰好与上述相反，例如国产N200-12.74/535/535机组的低压前汽缸即是如此。
3.上、下缸温差：（为什么规定一般上下缸温差不能超过50℃?）
⑴变化原因：
① 汽缸未完全冷却起动；
② 部分进汽，汽机低负荷运行时间过久；
③ 汽缸下部保温脱空；或车肚挡风板不全；
④ 汽缸低部积水或疏水不畅；
⑤ 抽汽管或疏水管有冷汽或冷水倒回汽缸（如除氧器满水，加热器钢管大漏满水）；
⑥ 汽缸加热装置用汽不当；
⑦ 外缸有冷空气对流；
⑧ 停机后，主汽门或抽汽门，轴封汽门泄露。
⑵上下缸温差的影响：
② 上下缸温差最大值出现在调整段区域内，几种类型机组经过试验确定：调整处上下缸温差每增加1℃，该处动静间隙约减少0.01毫米左右，一般汽轮机径向间隙为0.5～0.6毫米左右，因此，上下缸温差规定不超过50℃，如上下温差超过50℃，径向间隙基本上已经消失，如果这时起动是比较危险的。
③ 由于下汽缸比上汽缸的金属质量大，并下汽缸带有抽汽管道，散热面积大，这使得在同样保温，加热和冷却条件下，上缸温度要比下缸温度高，起动中蒸汽在汽缸中冷却成疏水，从下缸排出使下缸受热条件恶化。另外，汽缸室内外空气对流及汽缸保温条件等都是使上下缸温差大，为减少上下缸温差，应注意下缸疏水畅通，改善下缸保温结构及材料，缸下装挡风板，起动时合理地使用汽缸夹层加热装置，有效地控制上下缸温差，但也应防止对下缸加热过度造成下缸温度高于上缸，使汽缸向下拱弯，上汽缸上部的径向间隙减小，同样也会引起摩擦。
4.汽缸、法兰内外壁温差：
⑴变化原因：
① 起动暖机时间不足，升速或增荷过快；
② 汽温突变；
③ 汽缸夹层及法兰加热装置使用不当。
⑵内外壁温差大的影响：
① 当汽缸及法兰内壁温度高于外壁温度过大时，汽缸和法兰内壁金属伸长较多，而法兰外壁金属伸长较少，法兰出现热弯曲，造成汽缸中间段变为立椭圆，使汽缸通汽部分径向间隙缩小，易发生动静摩擦，监视法兰内外壁温差，实质上也监视了汽缸内外温差，，因为汽缸内外温差比法兰内外温差要小，一般起动中重点监视法兰外壁温差，例如国产30万机，以监视内缸法兰内壁与外壁温差为重点。
② 汽缸外壁温度高于内壁温度，法兰内壁温度高于外壁温度时，法兰接合面倾向于外张口，可能使法兰产生压缩塑性变形，当法兰外壁温度高于内壁温度，汽缸中间段形成横椭圆，使汽缸中间段上下部径向间隙减少，很可能引起径向摩擦，使用法兰加热装置时不应允许法兰外壁温度高于内壁，汽缸或法兰温度过高要比过低更加危险。
5.汽缸壁与法兰，法兰与螺丝温差：
⑵汽缸壁与法兰温差变化的影响：
① 汽缸比法兰容易受热，高压机组的法兰很厚（国产30万机高压外缸上下法兰总厚一米以上），受热困难，起动时必须在汽缸夹层及法兰内通汽加热，法兰如果胀不出，即使汽缸加热的温度很高，汽缸仍难以胀出，这时缸壁与法兰温差增加，产生很大热应力，且汽缸被法兰牵制造成变形，使机组产生振动，严重的使汽缸产生裂纹，汽缸胀不出必然导致差胀上升，为此在使用汽缸夹层与法兰加热装置时，必须注意法兰温度跟上汽缸温度，使缸壁与法兰温差不超限。
② 冷态起动，或滑参数停机时，如果法兰加热装置使用过度不足或汽温突降，会出现法兰温度高于汽缸温度，使汽缸中间段形成横椭圆，径向间隙减小，如果这时上下缸温差大，汽缸呈拱背，在汽缸下部发生动静摩擦的危险性增加，因此法兰温度高于汽缸温度比法兰低于汽缸温度更加危险。
⑶法兰与螺丝温差变化的影响：
① 无法兰加热装置的机组，起动时法兰认识、受热条件比螺丝好，法兰温度高于螺丝温度，装有法兰与螺丝加热装置的机组，加热蒸汽在法兰与螺丝间流动，一般螺丝受热条件较好，法兰与螺丝温差不会很大，如果法兰外缘汽柜加热量较大，使法兰温度升高较快，法兰与螺丝温差也会增大，温差过大，就会引起螺丝附加热拉伸应力，螺丝有断裂危险。
② 法兰螺丝加热过度，如果螺丝温度高于法兰温度，将引起汽缸法兰的连接松开，以致汽缸接合面漏汽。
6.转子热弯曲：（汽机大轴弯曲机理简介及预防措施学习）
⑴变化原因：
① 停机时盘车停止过或盘车间断时间不合理；
② 起动中操作不当，发生动静摩擦；
③ 进冷汽或水；
④ 轴封汽源不合理，或轴封使用不合理，系统设计时对机组热态启动所需高温汽源考虑不周，机组热态启动向轴封送汽时没有高温汽源。由于轴封供汽温度较低，抽真空时冷汽就进入汽缸，对汽机高温零件进行冷却，汽缸金属壁温度大幅度下降，轴封套收缩变形，热态启动真空抽得过高，增加了冷汽的漏入量，使汽缸内进入大量低温蒸汽，导致汽缸温度进一步下降，上、下缸温差不断加大，引起汽缸变形拱起，轴封供汽汽源倒换新蒸汽太晚，冲转后才进行切换，同时疏水也不充分，可能带入少量水分进入轴封，加剧了轴封套收缩变形。冲转后动、静部分摩擦，转子局部过热而产生永久性弯曲。。
⑵转子热弯曲大的影响：
① 转子的弯曲有两种情况，一种是由于转子本身存在温差，引起热弯曲，但当转子温度均匀时，热弯曲消失，另一种是转子金属产生塑性变形后的弯曲，为永久弯曲，需停机后进行直轴。
② 转子热弯曲最大的部位一般在调节级前后，转子热弯曲较大时，正是汽缸的弯曲也比较大的时刻，这时汽轮机动静部分径向间隙将消失，转子弯曲部分与隔板汽封齿发生摩擦，不仅造成汽封齿与轴的磨损，还在使转子弯曲部分产生高温。局部高温又加大弯曲，摩擦更加剧，结果是机组产生振动，轴与叶片复环摩坏，直至大轴产生永久弯曲，因此汽机冲转前，一定要检查转子热弯曲不可太大，起动时如发生动静摩擦应迅速停机，停机后进行连续盘车或定期间断盘1800。