第八章　汽轮机的热应力、热滕胀及热变形
第一节 汽轮机的受热特点
　　 汽轮机在启动、停机和负荷变化过程中，各部件金属温度都将发生变化，尤其在启动过程中，汽轮机各部件金属温度变化得更为剧烈。例如，高参数汽轮机在冷态启动时，其进汽部分的金属温度将由原来的室温升高到500℃以上，所以启动过程实质上是汽轮机的加热过程。由于各部件的受热条件不同，它们的加热和传热情况也不同，从而使汽轮机各金属部件形成温度梯度、产生热应力和热变形，当热应力和热变形过大而超出金属部件的允许范围时，这些金属部件将产生永久变形甚至更严重的损坏。为了保证汽轮机启动的安全，必须了解并掌握汽轮机在启动过程中的受热情况。
　　 当汽轮机冷态启动时，温度较高的蒸汽与冷的汽缸内壁接触，这时蒸汽的热量主要以凝结放热的形式传给金属壁。由于凝结放热的放热系数很高(蒸汽压力越高，放热系数越大传热量也就越大)，汽缸内壁温度很快就上升到该蒸汽压力下的饱和温度。当汽缸内壁的金属温度高于该蒸汽压力下的饱和温度时，随着汽缸内壁温度的升高，蒸汽的凝结放热阶段就告结束，此后，蒸汽主要是以对流换热方式向金属传热。
　　 蒸汽的对流放热系数远远低于凝结放热系数而且还不稳定，其大小取决于蒸汽的流速莉密度(密度随压力和温度而改变)。在通常的流速范围内，流速越大，放热系数越高，流进不变时，高压蒸汽和湿蒸汽的放热系数较大，低压微过热蒸汽的放热系数较小。放热系数直接影响到汽缸内外壁温差，放热系数大时，蒸汽传给汽缸内壁的热量大，反之传热量小，传热量过大将加剧汽缸内壁单向受热的不均匀性，使汽缸内外壁温差增大。因此在启动过程中，应通过改变蒸汽压力、温度、流量和流速等方法来控制蒸汽对金属的放热量。
　　 汽轮机金属本身的换热过程是热传导过程。例如，加热蒸汽接触汽缸内壁，热量首先传给内壁表面，外壁的热量是由内壁通过金属的热传导而获得的，由于汽缸金属内外壁之间存在热阻，因此内壁温度将高于外壁温度而形成汽缸内外壁的温差。对汽轮机转子来说，虽然受热条件比汽缸好些，它的外周面和叶轮两侧面均能与蒸汽接触，但转子中心的热量仍然是山它的外周面以热传导的方式传递至中心的，因此转子沿半径方向也会出现温度梯度。但在一般情况下，转子出现的径向温度梯度小于汽缸沿厚度方向的温度梯度。
　　 当汽轮机各金属部件受到单向加热时，汽缸和法兰可近似看做是厚壁金属平板。由于加热的剧烈程度不同，沿平板壁厚的温度分布情况大体呈双曲线型、直线型和抛物线型三种典型情况，如图8—1所示。

　　 当平板内壁加热剧烈，温度瞬间变化很大时，其温度分布为双曲线型，此时平板上的温差大部分发生在近内壁表面。当吸放热过程逐渐趋于稳定(即稳定加热)时，其温度分布为直线型(温度场的中心通过平板中心)。若金属平板受约束而不发生弯曲变形，则平板中心线与内侧热表面间的金属产生压缩应力，中心线与外表面间的金属产生拉伸应力，压缩与拉 伸应为对称地分布于中心线两侧，在中心线处的应力为零。
　　 以上两种情况的温度分布，在汽轮机启动中是极少见的。启动时汽缸壁往往受到缓慢地加热，此时温度分布呈抛物线型，在这种情况下，缸内任意一点A的温度t可用下式求得

　　 抛物线和双曲线型温度场中的热应力的分布是不对称的，最大热应力为压缩应力，而且发生在温度较高的内表面。
第二节 汽轮机的热应力
　　 一、汽缸的热应力
　　 汽轮机的汽缸可以粗略地看做是一个厚壁圆筒，若不做精确的计算，就可以将汽缸当作一块厚平板来处理。根据前面所述，平板在不稳定加热时，沿板壁厚度方向的温度大致呈抛物线型分布，如图8—2所示。若汽缸壁的平均温度为tav，则沿壁厚任意一点的热应力б可用下式求得

　　 式(8—2)表明，汽轮机缸壁热应力与汽缸沿缸壁厚度的平均温度与任意点的温度之差成正比。当汽缸温度沿壁厚分布近似抛物线时，缸壁的平均温度tav可用下式表示