汽輪機第六章

汽輪機第六章第1頁，共40頁，2023年，2月20日，星期一一、轉(zhuǎn)子振動的基本概念1.臨界轉(zhuǎn)速的概念（ｐ280）2.臨界轉(zhuǎn)速的危害3.“剛性軸”和“撓性軸”的概念4.單盤轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速的計算方法“甩振”5.實際轉(zhuǎn)軸的計算方法6.臨界轉(zhuǎn)速的影響因素橫向力，軸向力，扭矩，支座（思考題：葉輪臨界轉(zhuǎn)速和軸臨界轉(zhuǎn)速的區(qū)別）第四節(jié)轉(zhuǎn)子的振動與壽命第2頁，共40頁，2023年，2月20日，星期一二、補充與深入1.轉(zhuǎn)子為何會振動？2.剛性轉(zhuǎn)子、撓性轉(zhuǎn)子、轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速。3.平衡、靜平衡、動平衡4.振動，振型5.共振，臨界轉(zhuǎn)速6.如何通過試驗方法判斷振動狀態(tài)?相位7.轉(zhuǎn)子振動狀態(tài)與機組故障診斷(碰磨、不平衡、油膜渦動、汽隙激振、不對中、轉(zhuǎn)子彎曲、裂紋轉(zhuǎn)子)第3頁，共40頁，2023年，2月20日，星期一三、汽輪機轉(zhuǎn)子的壽命管理隨著電力事業(yè)的發(fā)展，特別是大容量、高參數(shù)機組的安裝、投運，國內(nèi)各電網(wǎng)容量迅速增加。隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展，人民生活水平提高，用電結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。工業(yè)用電比重下降，農(nóng)業(yè)用電和城鄉(xiāng)人民生活用電大為上升。這樣一來，使得電網(wǎng)峰谷差日趨增大（達最高負(fù)荷的30~50%）。為了解決電網(wǎng)峰谷差日趨增大的問題，就得進行調(diào)峰。但我國目前是以火電為主，約占發(fā)電總裝機容量的80~85%。水電調(diào)峰及中小型火電機組調(diào)峰已不能滿足調(diào)峰幅度的要求。為了適應(yīng)負(fù)荷變化的要求，原來帶基本負(fù)荷的大型火電機組參加電網(wǎng)調(diào)峰勢在必行。第4頁，共40頁，2023年，2月20日，星期一

火電機組參加電網(wǎng)調(diào)峰一般有兩種方式：即“低負(fù)荷運行”和“兩班制啟?！闭{(diào)峰方式。以這兩種方式參加電網(wǎng)調(diào)峰，必然是使汽輪機啟停次數(shù)增多、負(fù)荷變化頻繁，經(jīng)常處于變工況下運行。這樣，汽輪機的主要部件，特別是汽輪機轉(zhuǎn)子，經(jīng)常受到“熱沖擊”（或冷沖擊），從而引起交變熱應(yīng)力，導(dǎo)致部件低周疲勞損耗（汽輪機部件承受熱沖擊而產(chǎn)生交變應(yīng)力的特點是交變周期長、頻率低、疲勞裂紋萌生循環(huán)周次少，故稱低周疲勞），縮短機組使用壽命。當(dāng)然，過分地強調(diào)機組使用壽命長而忽略經(jīng)濟性也是片面的。如為了使機組部件不至于產(chǎn)生大的熱應(yīng)力，則要延長啟動時間。機組在啟動時，是不發(fā)電的，經(jīng)濟性最差。因此，對調(diào)峰機組主要部件的使用壽命進行合理分配，在保證安全的基礎(chǔ)上取得最大的經(jīng)濟效益，使其在規(guī)定的服役年限內(nèi)，讓機組主要部件的可用壽命得到充分利用。第5頁，共40頁，2023年，2月20日，星期一

熱應(yīng)力：汽輪機在啟動、停機和發(fā)生大幅度負(fù)荷變化時，其部件要受到“熱沖擊”（或冷沖擊），使部件的溫度分布發(fā)生變化而產(chǎn)生膨脹或收縮變形（熱變形）。當(dāng)部件的自由膨脹受到約束時而產(chǎn)生的應(yīng)力稱為熱應(yīng)力（溫度應(yīng)力）。換熱系數(shù)：汽輪機在啟動、停機和發(fā)生大幅度負(fù)荷變化時，蒸汽與轉(zhuǎn)子金屬表面的換熱量和換熱系數(shù)是隨啟動、停機和發(fā)生負(fù)荷變化過程中蒸汽參數(shù)變化而變化，即由蒸汽的流動速度、壓力、溫度確定。第6頁，共40頁，2023年，2月20日，星期一汽輪機轉(zhuǎn)子的溫度分布和熱應(yīng)力

蒸汽參數(shù)（主要是溫度）的變化對于轉(zhuǎn)子和汽缸都會產(chǎn)生熱沖擊，都會導(dǎo)致低周疲勞損傷，引起機組壽命損耗。大量科技文獻證明，轉(zhuǎn)子的壽命只有汽缸壽命的一半。因此，在討論汽輪機組壽命問題時，主要考慮汽輪機轉(zhuǎn)子的壽命損耗。只要轉(zhuǎn)子的壽命能滿足運行要求，則機組的壽命就能滿足要求。轉(zhuǎn)子是汽輪機的主要部件，其工作條件是高壓、高溫、高轉(zhuǎn)速，受力情況復(fù)雜。轉(zhuǎn)子在工作時，要受到葉輪、葉片和轉(zhuǎn)軸質(zhì)量離心力而產(chǎn)生的機械應(yīng)力。在啟動、停機和發(fā)生大幅度負(fù)荷變化過程中，又由于轉(zhuǎn)子內(nèi)部溫度分布不均、各部分金屬的自由膨脹受約束而產(chǎn)生熱應(yīng)力。第7頁，共40頁，2023年，2月20日，星期一

汽輪機轉(zhuǎn)子為軸對稱的高速旋轉(zhuǎn)體，溫度在圓周方向可認(rèn)為是均勻的。因此，可把轉(zhuǎn)子看成無限長、空心軸對稱圓柱體，溫度分布是軸對稱的。汽輪機在啟動、停機和負(fù)荷發(fā)生大幅度變化時，轉(zhuǎn)子周圍的蒸汽壓力、溫度都會發(fā)生變化。隨著周圍的蒸汽溫度的變化，轉(zhuǎn)子金屬外表面溫度也將隨著變化，如：啟動過程中，隨著蒸汽流量不斷增加和蒸汽溫度不斷提高，使轉(zhuǎn)子金屬溫度從初始溫度逐漸上升到正常工作溫度。在升溫過程中，轉(zhuǎn)子內(nèi)外表面產(chǎn)生溫度差，即轉(zhuǎn)子外表面金屬溫度高，中心孔表面溫度低。轉(zhuǎn)子外表面產(chǎn)生壓應(yīng)力，中心孔表面產(chǎn)生拉應(yīng)力；在停機過程中，情況剛好相反，轉(zhuǎn)子外表面產(chǎn)生拉應(yīng)力，中心孔表面產(chǎn)生壓應(yīng)力。第8頁，共40頁，2023年，2月20日，星期一

對于大型中間再熱機組，高壓轉(zhuǎn)子調(diào)節(jié)級區(qū)段和中壓轉(zhuǎn)子第一級區(qū)段的蒸汽溫度最高，溫度變化最劇烈，熱應(yīng)力也就最大。因此，其熱應(yīng)力和壽命損耗必需重點考查和計算。圖5—80和圖5—81分別為國產(chǎn)200MW汽輪機高壓轉(zhuǎn)子調(diào)節(jié)級區(qū)段和中壓轉(zhuǎn)子第一級區(qū)段外表面的熱應(yīng)力曲線。圖5—82第9頁，共40頁，2023年，2月20日，星期一圖5—82、圖5—83分別為國產(chǎn)200MW汽輪機冷態(tài)啟動時，溫升率為180到啟動終了時的高壓轉(zhuǎn)子調(diào)節(jié)級區(qū)段和中壓轉(zhuǎn)子第一級區(qū)段的軸向熱應(yīng)力場。從熱應(yīng)力分布曲線可以看到，在轉(zhuǎn)子的葉輪跟部、軸肩、熱槽等處的熱應(yīng)力比光滑區(qū)段表面的熱應(yīng)力大得多。這些部位形狀特殊，幾何尺寸發(fā)生突變，存在熱應(yīng)力集中。在汽輪機啟動、停機和負(fù)荷發(fā)生大幅度變化時，這些部位的熱應(yīng)力可能達到很高水平。當(dāng)循環(huán)次數(shù)達到一定值時，裂紋就首先出現(xiàn)在這些部位，并且會逐步擴展。圖5—83第10頁，共40頁，2023年，2月20日，星期一Pa第11頁，共40頁，2023年，2月20日，星期一

汽輪機轉(zhuǎn)子的壽命

汽輪機轉(zhuǎn)子的壽命（全壽命或致斷壽命）由兩部分組成：裂紋萌生壽命（致裂壽命）：是指轉(zhuǎn)子第一次投運開始到轉(zhuǎn)子出現(xiàn)第一條裂紋為止，這段時間稱為致裂壽命。裂紋擴展壽命：從第一條裂紋出現(xiàn)到轉(zhuǎn)子破壞，這段時間稱為轉(zhuǎn)子剩余壽命（或殘余壽命）。由斷裂力學(xué)可知，剩余壽命可能比致裂壽命長得多。這就是說，當(dāng)汽輪機轉(zhuǎn)子出現(xiàn)初始裂紋時，并不意味著轉(zhuǎn)子壽命完結(jié)，還可以在一定控制條件下繼續(xù)運行相當(dāng)長的時間。第12頁，共40頁，2023年，2月20日，星期一轉(zhuǎn)子材料的低周疲勞特性曲線為了找出壽命損耗與熱應(yīng)力的關(guān)系，必需了解轉(zhuǎn)子金屬材料的低周疲勞特性。轉(zhuǎn)子金屬材料的低周疲勞特性，即應(yīng)力與應(yīng)變，全應(yīng)變與致裂（或致斷）周次的關(guān)系，在實際工程計算中常用的是Timo曲線。該圖為雙對數(shù)坐標(biāo)，縱坐標(biāo)為材料在交變應(yīng)力作用下的全應(yīng)變，圖中的橫坐標(biāo)是相應(yīng)下的致斷循環(huán)周次，循環(huán)周次的倒數(shù)即為相應(yīng)應(yīng)力水平下每循環(huán)一次的疲勞損耗的百分比。第13頁，共40頁，2023年，2月20日，星期一

汽輪機轉(zhuǎn)子的高溫蠕變損傷汽輪機轉(zhuǎn)子在穩(wěn)定工況下運行時，其溫度分布趨于均勻，熱應(yīng)力可不計。但轉(zhuǎn)子在高溫和機械應(yīng)力作用下，金屬材料將發(fā)生高溫蠕變損傷。因此，在估計轉(zhuǎn)子壽命時，應(yīng)考慮高溫蠕變損傷在轉(zhuǎn)子總壽命中所占的百分比。第14頁，共40頁，2023年，2月20日，星期一

汽輪機轉(zhuǎn)子疲勞壽命損耗的估算

利用上述轉(zhuǎn)子材料的低周疲勞特性曲線，可對汽輪機各種變工況（包括冷態(tài)啟動、熱態(tài)啟動、滑參數(shù)停機、額定參數(shù)停機、升降負(fù)荷和甩負(fù)荷等）進行疲勞壽命估算。其重點考查部位便是在高溫區(qū)工作的高壓轉(zhuǎn)子調(diào)節(jié)級區(qū)段和中壓轉(zhuǎn)子第一級區(qū)段的應(yīng)力集中處，如前軸封彈性槽、葉輪根部等幾何尺寸發(fā)生突變部位。這些部位在某一工況下的熱應(yīng)力和總應(yīng)變，在圖（如Timo曲線）的縱坐標(biāo)中找出對應(yīng)點，作平行線與曲線相交，得到橫坐標(biāo)上的對應(yīng)點的，其倒數(shù)1/就表示該工況的應(yīng)變（或應(yīng)力）交變一個完整循環(huán)的疲勞壽命（用Timo曲線查得的是致斷壽命）損耗率。第15頁，共40頁，2023年，2月20日，星期一

如果汽輪機在整個服役期內(nèi)出現(xiàn)該工況運行有次，則該工況運行總疲勞損耗率為/；同理，可求得另一種變工況時所考查部位的應(yīng)力、應(yīng)變，查得。若汽輪機在服役期內(nèi)出現(xiàn)該工況運行有次，則在這一工況運行總疲勞損耗率為/。如此類推，可求得所有變工況所對應(yīng)的疲勞損耗率。則疲勞壽命總損耗率按線性累積準(zhǔn)則（Miner準(zhǔn)則）為：

式中，I=1,2,3,……，k，是指汽輪機在整個服役期內(nèi)可能發(fā)生的變工況運行方式。汽輪機在整個服役期內(nèi)既有各種不同的變工況運行，也有各種方式穩(wěn)定工況運行。前者引起轉(zhuǎn)子低周疲勞壽命損耗，后者引起轉(zhuǎn)子蠕變壽命損耗。這樣，汽輪機轉(zhuǎn)子總的壽命損耗應(yīng)為二者之和。第16頁，共40頁，2023年，2月20日，星期一

汽輪機轉(zhuǎn)子可用壽命分配

為了合理地利用汽輪機轉(zhuǎn)子可用壽命，必須對轉(zhuǎn)子壽命進行有計劃的科學(xué)管理，對汽輪機在服役期內(nèi)的壽命損耗作出明確的、切合實際的分配規(guī)劃，并擬出各種運行工況方案（轉(zhuǎn)子壽命損耗曲線），提出壽命損耗允許條件下的控制指標(biāo)[如蒸汽、金屬的溫升（降）率、負(fù)荷變化率等]，達到既安全又經(jīng)濟的目的。汽輪機轉(zhuǎn)子的壽命分配與機組在電網(wǎng)中所承擔(dān)的負(fù)荷性質(zhì)、國家能源政策及設(shè)計、制造、運行水平等因素有關(guān)。轉(zhuǎn)子的可用壽命一般認(rèn)為為30年。在這30年內(nèi)，疲勞壽命總損耗率約占80%左右，高溫蠕變損傷率約為20%左右。要對疲勞壽命總損耗率再作進一步合理分配，即根據(jù)機組在電網(wǎng)中所承擔(dān)的負(fù)荷性質(zhì)（帶基本負(fù)荷或調(diào)峰負(fù)荷），來確定機組的冷態(tài)啟動、熱態(tài)啟動、停機、升（降）負(fù)荷等變工況運行次數(shù)。第17頁，共40頁，2023年，2月20日，星期一

如某電廠200MW汽輪機，原是按帶基本負(fù)荷設(shè)計的，自安裝投運10年以來，基本上是帶基本負(fù)荷。按帶基本負(fù)荷這種運行方式，10年來總的壽命損耗為下表所示：根據(jù)上表，該機運行10年只消耗了總壽命的14.41%。第18頁，共40頁，2023年，2月20日，星期一一般取機組壽命安全可用系數(shù)為0.6。這樣，還有45.59%的使用壽命。如果今后按兩班制啟停方式參加電網(wǎng)調(diào)峰，則每年的壽命損耗如下表：按這種算法，機組按兩班制啟停方式參加電網(wǎng)調(diào)峰，還可以安全使用17年第19頁，共40頁，2023年，2月20日，星期一如果按低負(fù)荷運行方式參加電網(wǎng)調(diào)峰，則每年的壽命損耗如下表：照此表計算，按低負(fù)荷調(diào)峰方式運行，機組還有24年多的安全使用壽命。第20頁，共40頁，2023年，2月20日，星期一第21頁，共40頁，2023年，2月20日，星期一第22頁，共40頁，2023年，2月20日，星期一第23頁，共40頁，2023年，2月20日，星期一第24頁，共40頁，2023年，2月20日，星期一第25頁，共40頁，2023年，2月20日，星期一第26頁，共40頁，2023年，2月20日，星期一Pa第27頁，共40頁，2023年，2月20日，星期一第28頁，共40頁，2023年，2月20日，星期一第29頁，共40頁，2023年，2月20日，星期一第五節(jié)、機組振動一、機組振動問題概述1.運行狀態(tài)優(yōu)劣的重要標(biāo)志之一2.機組設(shè)計、制造、安裝、檢修質(zhì)量的綜合反映二、機組振動的危害1.疲勞破壞；2.組合件松弛；3動靜碰摩；4.永久形變；5.裝置誤動作；6.電機電氣問題；7.建筑結(jié)構(gòu)損傷；8.其它（ｐ284）第30頁，共40頁，2023年，2月20日，星期一三、機組振動的原因及初步分析1.平衡不良激振力2.中心偏差激振力3.軸承油膜不穩(wěn)定或出現(xiàn)油膜振蕩激振力4.臨界轉(zhuǎn)速設(shè)計不當(dāng)結(jié)構(gòu)5.轉(zhuǎn)軸支承剛度不夠或裝配不良結(jié)構(gòu)6.基礎(chǔ)缺陷結(jié)構(gòu)7.汽輪機內(nèi)機件的振動激振力8.汽輪機運行工況的變動激振力9.發(fā)電機內(nèi)的缺陷激振力第31頁，共40頁，2023年，2月20日，星期一思考題：“一般情況下，…”，那么負(fù)荷一般是如何影響振動狀況？（p285）第32頁，共40頁，2023年，2月20日，星期一一、汽缸的強度問題汽缸是汽輪機的主要部件。汽缸必需做成上下兩半，這樣就必需有法蘭、螺栓。在汽缸上又有抽汽口、汽室，小型機組的汽缸上還有調(diào)節(jié)閥及其傳動機構(gòu)等，所以汽缸形狀復(fù)雜，受力情況復(fù)雜。1.汽缸采用雙層缸結(jié)構(gòu)的原因2.調(diào)節(jié)閥的布置問題3.汽缸的熱膨脹及滑銷系統(tǒng)，膨脹死點的概念第六節(jié)、其它重要部件的強度問題第33頁，共40頁，2023年，2月20日，星期一二、汽缸的強度計算

汽缸形狀和受力情況復(fù)雜。用理論分析法計算其應(yīng)力準(zhǔn)確值是困難的。一般把汽缸近似地視為軸對稱的殼體，這樣，就可以用薄殼理論進行計算。當(dāng)然“薄殼”是有一定條件的，即當(dāng)

式中R——汽缸壁中心面的半徑；——汽缸壁厚度。第34頁，共40頁，2023年，2月20日，星期一三、螺栓預(yù)緊力計算

1.螺栓預(yù)緊力與汽缸形變

2.預(yù)緊力計算方法。（ｐ300）四、法蘭強度1.法蘭的危險情況2.法蘭強度計算方法第35頁，共40頁，2023年，2月20日，星期一五、隔板強度計算1.隔板強度分析方法2.隔板最危險部位第36頁，共40頁，2023年，2月20日，星期一第七節(jié)、汽輪機零部件的材料、許