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摘要：本文着重分析汽轮机的启、停过程中温差的产生和由此引起的热应力，及针对产生的问题采取相应的安全措施。
关键词：汽轮机；热应力；相对膨胀；绝对膨胀
汽轮机运行涉及到非常多的内容，从运行工况看，包括汽轮机的启动、停机、空负荷以及带负荷等工况。汽轮机从静止状态到工作状态的启动过程和从工作状态到静止状态的停机过程中，各部件的工作参数都将发生剧烈变化，因此可以认为启动和停机过程是汽轮机运行中最复杂的运行工况。
而这些剧烈变化的工作参数中，对机组安全运行起决定因素的则是温度的变化。温度的剧烈变化，会在汽轮机各部件中形成温度梯度从而产生热变形和热应力，如果不采取相应的措施，就会使汽机部件变形甚至发生严重的损坏。因此在这里我们结合汽轮机的启、停工况分析温差的产生及由此引起的热变形和热应力，从而针对产生的问题采取相应的安全措施。
1汽轮机受热分析
汽轮机冷态启动时，高温蒸汽首先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，且蒸汽压力越高，放热系数越大。因而汽缸内壁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，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。
在通常的流速范围内，流速越大，放热系数越高。流速不变时，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。
汽轮机金属本身的换热过程是单向热传导过程。例如，高温蒸汽接触汽缸内壁，热量首先传给内壁表面，再通过金属的热传导由内壁传给外壁。
热应力的定义：由于物体的热变形受阻，则在物体内部产生的应力而称之。物体受热膨胀时受阻将产生压应力，而冷却收缩时受阻产生拉应力。对于物体不受外部温度影响时，其内部的温差同样会产生热应力，高温区产生压应力，低温区产生拉应力，汽机转子和汽缸的热应力主要是由于其温度分步不均引起。在汽轮机启动或工况变化时，由于掠过转子和汽缸表面的蒸汽温度不断变化，就引起了转子和汽缸温度分步不均，其不均匀度越大，其产生的热应力越大，当热应力超过一定值后，会使金属部件产生塑性变形，从而引起较大的疲劳损伤。
1.1汽缸的热应力
内外壁表面的热压和热拉应力均大于沿壁厚其它各处的热应力。
当汽缸内壁温度变化率越大。缸壁越厚时，温差就越大，因而热应力也越大。汽缸内壁温度变化率的大小，意味着汽轮机转速和负荷变化速度的快慢。当然也意味着启动、停机过程的快慢。对于高参数大功率的机组，汽缸壁、法兰通常很厚，因此汽缸内壁温度变化率需要严格加以控制，这也是高参数大功率汽轮机启动时间较长的原因之一。
实践证明，汽缸出现裂纹或损坏，大多是由拉应力所引起的。由以上分析可知，汽缸内壁在快速冷却时将出现较大的拉应力，所以汽轮机的快速冷却比快速加热更为危险。所以，处于热态的汽轮机若用低温蒸汽进行启动，或汽轮机突然甩负荷，机组将是非常危险的。同时，为减少启动时汽缸、法兰和螺栓间的温差、缩短启动时间，许多大功率汽轮机中均设有法兰螺栓加热装置。
1.2转子的热应力
转子在启停过程中，表面亦受到单向加热或冷却，与汽缸一样也是不稳定的热传导过程，其温度分布即等温线大体与轴线平行。例如，启动时高温蒸汽加热转子表面，则越接近转子轴心部分温度越低。由于这个径向温差的存在，使转子中心产生热拉应力，表面产生热压应力。当汽轮机带到一定负荷处于稳定工况后，转子内部温度趋于平衡，转子热应力就基本消失。此时转子仅承受由于离心力和汽流力引起的应力。汽轮机停机时的情况与启动时正好相反，转子表面产生热拉应力，中心处产生热压应力。
在分析转子热应力时，可粗略的将转子看成一个从表面加热或冷却的圆柱体。当转子半径与汽缸法兰厚度相等时，在同样的温度变化率下，转子表面与中心的最大温差恰好为汽缸内外壁或法兰内外壁温差的一半。因此，对转子半径与汽缸法兰厚度相差不大的单层缸高压汽轮机来说，启动中只要按照汽轮机法兰热应力来控制最大允许温升速度，转子热应力就不会超过允许值。但是对采用双层汽缸结构的大汽轮机就不同了，这时，限制启停及负荷变化的主要矛盾是转子热应力的大小，而不是汽缸法兰热应力，主要原因如下：
1.2.1转子由于转动，边界层几乎可以不计，使其表面温度接近于蒸汽温度，但其内孔温度仍是启动前的温度。因此，由于转子内外温差引起的热应力必然很大。同时的，大功率机组转子直径增大，而双层的汽缸采用反而使汽缸蓖厚有所减薄，致使转子内外壁厚度超出汽缸壁厚，所以转子的矛盾更加突出。
1.2.2 启动时，转子的应力水平高于汽缸。启动时由于汽缸处于真空状态，蒸汽静压应力几乎不存在，而转子因转动还承受一定的离心拉应力。故转子的应力水平比汽缸要高。
1.2.3对于大功率汽轮机汽缸结构的改进。例如，不采用直径过大的连接螺栓，并将法兰螺栓内移，使得法兰凸缘不太明显以及圆通型汽缸的采用等，都有助于减少汽缸法兰的热应力，使得转子热应力相对突出了。
对于大功率机组来说，还必须注意转子的低周波应力和低温脆性转变问题。转子的周波应力是指从启动到停机，转子表面或中心孔处的热应力的大小和方向随时间变化且刚好完成一个应力循环的交变热应力。由于汽轮机运行时间较长，所以启停时的交变热应力频率较低，故称低周波应力。低周波应力对汽轮机将造成疲劳破坏。实践证明，汽轮机启停次数越多且启停时加热、冷却越剧烈转子就越容易产生低周波疲劳损坏，因此大功率机组必须采取合理的启听方式，并尽量减少启停次数，否则转子的使用寿命将受到影响。。例如，大功率机组的超速试验，习惯上是在定速后进行，大功率机组如果在这种情况下进行超速试验，对转子就十分不利。因为转子在定速后不仅其表面与中心存在较大的热应力，而且会因转子中心温度低于材料的脆性转变温度而造成转子的脆性断裂。
2汽缸和转子的绝对膨胀
现代大功率机组汽轮机的轴向长度增加很多，汽缸和转子的绝对膨胀值也达到相当大数值。例如125MW汽輪机在额定工况下，其高中压外缸及转子的绝对膨胀值分别达到19.24mm和21.08mm。因此在运行中必须加强对汽轮机绝对膨胀值的监视。除应保证汽缸的纵向膨胀外，还应保证横向的均匀膨胀，防止汽轮机中心偏移。对于使用法兰螺栓加热装置的汽轮机，则应将汽缸两侧法兰的温差控制在合理范围之内。
通常选择调节级区段的法兰内壁温度作为汽缸纵向膨胀的监视点。在汽轮机运行中，只要控制监视点温度在适当的范围内，就能保证汽缸膨胀符合启动和正常运行的要求。
3汽缸和转子的相对膨胀
汽轮机启停过程中，由于汽缸和转子的材料、结构尺寸以及受热条件不同，即使是在相同的蒸汽参数下，两者之间也存在明显的温差。对大功率机组来说，汽缸、转子的质量与它们接触蒸汽的表面积之比的大小代表了蓄热量的大小。其汽缸的质面比往往比转子的质面比大，即汽缸需要被加热的金属质量大而接触蒸汽的面积小，转子需要被加热的金属质量小而接触蒸汽的面积大。
汽轮机在启停过程中，由于转子和汽缸产生相对膨胀差而引起通流部分动静间隙发生变化。因此，在机组的启停和运行中，必须严格监视和控制胀差的变化，使之不超出最大的正负允许值。通常所采取的措施有：
3.1合理使用汽缸和法兰螺栓加热装置，一般认为法兰内壁或汽缸内壁
温度是接近于转子温度的，因此，控制法兰或汽缸内外壁温差也就可控制汽缸与转子的温差。
3.2合理调整轴封供汽。例如，冷态启动汽轮机时，选择温度较低的轴
关键词：汽轮机；热应力；相对膨胀；绝对膨胀
汽轮机运行涉及到非常多的内容，从运行工况看，包括汽轮机的启动、停机、空负荷以及带负荷等工况。汽轮机从静止状态到工作状态的启动过程和从工作状态到静止状态的停机过程中，各部件的工作参数都将发生剧烈变化，因此可以认为启动和停机过程是汽轮机运行中最复杂的运行工况。
而这些剧烈变化的工作参数中，对机组安全运行起决定因素的则是温度的变化。温度的剧烈变化，会在汽轮机各部件中形成温度梯度从而产生热变形和热应力，如果不采取相应的措施，就会使汽机部件变形甚至发生严重的损坏。因此在这里我们结合汽轮机的启、停工况分析温差的产生及由此引起的热变形和热应力，从而针对产生的问题采取相应的安全措施。
1汽轮机受热分析
汽轮机冷态启动时，高温蒸汽首先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，且蒸汽压力越高，放热系数越大。因而汽缸内壁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，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。
在通常的流速范围内，流速越大，放热系数越高。流速不变时，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。
汽轮机金属本身的换热过程是单向热传导过程。例如，高温蒸汽接触汽缸内壁，热量首先传给内壁表面，再通过金属的热传导由内壁传给外壁。
热应力的定义：由于物体的热变形受阻，则在物体内部产生的应力而称之。物体受热膨胀时受阻将产生压应力，而冷却收缩时受阻产生拉应力。对于物体不受外部温度影响时，其内部的温差同样会产生热应力，高温区产生压应力，低温区产生拉应力，汽机转子和汽缸的热应力主要是由于其温度分步不均引起。在汽轮机启动或工况变化时，由于掠过转子和汽缸表面的蒸汽温度不断变化，就引起了转子和汽缸温度分步不均，其不均匀度越大，其产生的热应力越大，当热应力超过一定值后，会使金属部件产生塑性变形，从而引起较大的疲劳损伤。
1.1汽缸的热应力
内外壁表面的热压和热拉应力均大于沿壁厚其它各处的热应力。
当汽缸内壁温度变化率越大。缸壁越厚时，温差就越大，因而热应力也越大。汽缸内壁温度变化率的大小，意味着汽轮机转速和负荷变化速度的快慢。当然也意味着启动、停机过程的快慢。对于高参数大功率的机组，汽缸壁、法兰通常很厚，因此汽缸内壁温度变化率需要严格加以控制，这也是高参数大功率汽轮机启动时间较长的原因之一。
实践证明，汽缸出现裂纹或损坏，大多是由拉应力所引起的。由以上分析可知，汽缸内壁在快速冷却时将出现较大的拉应力，所以汽轮机的快速冷却比快速加热更为危险。所以，处于热态的汽轮机若用低温蒸汽进行启动，或汽轮机突然甩负荷，机组将是非常危险的。同时，为减少启动时汽缸、法兰和螺栓间的温差、缩短启动时间，许多大功率汽轮机中均设有法兰螺栓加热装置。
1.2转子的热应力
转子在启停过程中，表面亦受到单向加热或冷却，与汽缸一样也是不稳定的热传导过程，其温度分布即等温线大体与轴线平行。例如，启动时高温蒸汽加热转子表面，则越接近转子轴心部分温度越低。由于这个径向温差的存在，使转子中心产生热拉应力，表面产生热压应力。当汽轮机带到一定负荷处于稳定工况后，转子内部温度趋于平衡，转子热应力就基本消失。此时转子仅承受由于离心力和汽流力引起的应力。汽轮机停机时的情况与启动时正好相反，转子表面产生热拉应力，中心处产生热压应力。
在分析转子热应力时，可粗略的将转子看成一个从表面加热或冷却的圆柱体。当转子半径与汽缸法兰厚度相等时，在同样的温度变化率下，转子表面与中心的最大温差恰好为汽缸内外壁或法兰内外壁温差的一半。因此，对转子半径与汽缸法兰厚度相差不大的单层缸高压汽轮机来说，启动中只要按照汽轮机法兰热应力来控制最大允许温升速度，转子热应力就不会超过允许值。但是对采用双层汽缸结构的大汽轮机就不同了，这时，限制启停及负荷变化的主要矛盾是转子热应力的大小，而不是汽缸法兰热应力，主要原因如下：
1.2.1转子由于转动，边界层几乎可以不计，使其表面温度接近于蒸汽温度，但其内孔温度仍是启动前的温度。因此，由于转子内外温差引起的热应力必然很大。同时的，大功率机组转子直径增大，而双层的汽缸采用反而使汽缸蓖厚有所减薄，致使转子内外壁厚度超出汽缸壁厚，所以转子的矛盾更加突出。
1.2.2 启动时，转子的应力水平高于汽缸。启动时由于汽缸处于真空状态，蒸汽静压应力几乎不存在，而转子因转动还承受一定的离心拉应力。故转子的应力水平比汽缸要高。
1.2.3对于大功率汽轮机汽缸结构的改进。例如，不采用直径过大的连接螺栓，并将法兰螺栓内移，使得法兰凸缘不太明显以及圆通型汽缸的采用等，都有助于减少汽缸法兰的热应力，使得转子热应力相对突出了。
对于大功率机组来说，还必须注意转子的低周波应力和低温脆性转变问题。转子的周波应力是指从启动到停机，转子表面或中心孔处的热应力的大小和方向随时间变化且刚好完成一个应力循环的交变热应力。由于汽轮机运行时间较长，所以启停时的交变热应力频率较低，故称低周波应力。低周波应力对汽轮机将造成疲劳破坏。实践证明，汽轮机启停次数越多且启停时加热、冷却越剧烈转子就越容易产生低周波疲劳损坏，因此大功率机组必须采取合理的启听方式，并尽量减少启停次数，否则转子的使用寿命将受到影响。。例如，大功率机组的超速试验，习惯上是在定速后进行，大功率机组如果在这种情况下进行超速试验，对转子就十分不利。因为转子在定速后不仅其表面与中心存在较大的热应力，而且会因转子中心温度低于材料的脆性转变温度而造成转子的脆性断裂。
2汽缸和转子的绝对膨胀
现代大功率机组汽轮机的轴向长度增加很多，汽缸和转子的绝对膨胀值也达到相当大数值。例如125MW汽輪机在额定工况下，其高中压外缸及转子的绝对膨胀值分别达到19.24mm和21.08mm。因此在运行中必须加强对汽轮机绝对膨胀值的监视。除应保证汽缸的纵向膨胀外，还应保证横向的均匀膨胀，防止汽轮机中心偏移。对于使用法兰螺栓加热装置的汽轮机，则应将汽缸两侧法兰的温差控制在合理范围之内。
通常选择调节级区段的法兰内壁温度作为汽缸纵向膨胀的监视点。在汽轮机运行中，只要控制监视点温度在适当的范围内，就能保证汽缸膨胀符合启动和正常运行的要求。
3汽缸和转子的相对膨胀
汽轮机启停过程中，由于汽缸和转子的材料、结构尺寸以及受热条件不同，即使是在相同的蒸汽参数下，两者之间也存在明显的温差。对大功率机组来说，汽缸、转子的质量与它们接触蒸汽的表面积之比的大小代表了蓄热量的大小。其汽缸的质面比往往比转子的质面比大，即汽缸需要被加热的金属质量大而接触蒸汽的面积小，转子需要被加热的金属质量小而接触蒸汽的面积大。
汽轮机在启停过程中，由于转子和汽缸产生相对膨胀差而引起通流部分动静间隙发生变化。因此，在机组的启停和运行中，必须严格监视和控制胀差的变化，使之不超出最大的正负允许值。通常所采取的措施有：
3.1合理使用汽缸和法兰螺栓加热装置，一般认为法兰内壁或汽缸内壁
温度是接近于转子温度的，因此，控制法兰或汽缸内外壁温差也就可控制汽缸与转子的温差。
3.2合理调整轴封供汽。例如，冷态启动汽轮机时，选择温度较低的轴