热力管道热应力热膨胀热变形教学课件

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1、主讲人俞辉蒸汽在汽轮机中的传热现象金属部件的温度分布汽轮机的热应力汽轮机的热膨胀汽轮机的热变形蒸汽在汽轮机中的传热现象蒸汽在汽轮机内膨胀做功，将热能转变为机械能，同时又以对流传热的方式，将热量传递给汽缸、转子等金属部件的表面。热量在汽缸内以导热的方式从内壁传到外壁，最后经保温层散到大气；热量在转子内以导热方式从转子表面传到中心孔，通过中心孔散给周围空间。由于汽缸金属内外壁、转子金属内外壁之间存在热阻，并且热量从金属内导热需要一定的时间，因而在汽缸内、外壁间以及转子表面和中心孔间形成温差。汽轮机在稳定工况下运行时的传热过程汽轮机在启停和工况变化时的传热过程蒸汽在汽轮机中的

2、传热现象汽轮机的换热方式汽轮机在稳定工况下运行时的传热过程汽轮机在蒸汽参数不随时间变化的稳定工况下运行时，汽缸、转子等金属部件内的温度分布是不随时间变化的称为稳态传热过程。在缓慢加热（不稳定加热）过程中，金属内部温度梯度场为抛物线型，温度场中的热应力的分布是不均匀的，最大热应力为压缩应力，而且发生在温度较高的内表面。汽缸内表面汽轮机在启停和工况变化时的传热过程在汽轮机启停和工况变化时，汽缸和转子整个金属部件的温度分布将发生变化。在汽轮机启动和加负荷过程中，由于蒸汽温度比金属部件温度高，蒸汽将热量传给金属部件，使其温度升高，金属部件内温度分布是不均匀的。而在停机和减负荷过

3、程中，蒸汽温度低于金属部件温度，使其冷却，温度下降，金属部件内温度分布是不均匀的。这种传热过程为剧烈加热过程。金属内壁加热剧烈，温度瞬间变化很大，其温度分布为双曲线型，此时金属温差大部分发生在近内壁表面。汽缸内表面汽缸内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。压缩与拉伸应力对称分布于中心线两侧，在中心线处的应力为零。凝结换热的概念当蒸汽与温度低于蒸汽压力对应的饱和温度的金属表面接触时，在金属表面容易发生凝结换热现象，蒸汽放出汽化潜热，凝结成液体。膜状凝结珠状凝结汽轮机的换热方式膜状凝结凝结换热时蒸汽在金属表面凝结成水膜。珠状凝结凝结换热时蒸汽在金

4、属表面凝结成水珠。（汽轮机转子以一定转速旋转，由于离心力作用，形不成水膜）。珠状凝结的放热系数比膜状凝结的放热系数要大得多，约大15~20倍。由于凝结换热非常剧烈，很容易在汽轮机金属部件内形成很大的温差。为了减小这个温差，大型汽轮机在冲转前多采用盘车预热的方式，即在汽轮机启动前盘车时，通入低压低温蒸汽，使汽缸、转子预热，然后再通入较高参数的蒸汽，冲动转子。对流换热的概念当汽轮机部件金属表面温度达到对应蒸汽压力下的饱和温度时，凝结换热方式结束。此时蒸汽对金属表面的放热总是以对流换热方式进行的。蒸汽的对流换热系数比凝结放热系数小得多。汽轮机的换热方式甩1/2负荷工况比甩全负

5、荷工况更危险，就是这个道理。既甩1/2负荷时，蒸汽的放热系数比甩全负荷时的放热系数要大得多。换热系数对金属部件上引起的温差的影响换热系数越大，热导率越小，在金属部件内形成的温差也就越大。导热过程的快慢则主要取决于金属材料的热导率；热导率越小，则导热过程越慢，形成的温差也就越大。对于某种确定类型的汽轮机，由于其结构、材质、部件的尺寸已确定，因此在金属部件上引起的温差，只取决于运行条件。如果蒸汽温度变化越剧烈，温度变化范围越大，则产生的温差也越大。准稳态点在一定的温升率条件下，随着蒸汽对金属放热时间的增长和蒸汽参数的提高，蒸汽对金属的放热系数不断增大，即蒸汽对金属的放热量不

6、断增加，从而使金属部件的温差不断增大，当调节级的蒸汽温度升到满负荷时所对应的蒸汽温度时，蒸汽温度的变化率为零，此时金属部件内部温差达到最大值，在温升率变化曲线上的这一点叫做准稳态点。准稳态点：温差达到最大值的时刻。例：某汽轮机当蒸汽温度以温升2.5℃/min变化时，调节级处高压转子金属温度随时间的变化关系。由于热量在转子内部传导需要一定的时间，转子中心孔面的温度总要滞后一段时间才开始上升，因而转子表面和中心孔间就形成了温差。该温差随着整个温升过程持续增大，在经过一定的时刻后，该温差达到最大，此后虽然金属温度随蒸汽温度的升高而升高，但内外壁面温差保持最大且不变化转子达到准

7、稳态点汽轮机启停过程为不稳定热传导过程——不稳定状态额定工况下的运行为稳定热传导过程——稳态过程汽轮机在二者之间的工作过程称——准稳态过程汽轮机的热应力热应力的概念由于温度的变化引起的物体变形称之为热变形。如果物体的热变形受到约束，则在物体内就会产生应力，这种由于温度的变化而引起的应力称之为热应力。如果物体受热膨胀受到约束，则物体内将产生压应力如果物体冷却收缩受到约束，则物体内将产生拉应力当物体内部加热或冷却不均匀，温度分布不均匀时，物体即使不受到外部约束，其内部也会产生热应力。高温区产生压应力低温区产生拉应力汽轮机转子和汽缸的热应力主要