汽轮机在启停和运行工况下——胀差讲义
周国强
关键词：汽轮机汽缸、胀差、汽缸的死点、怎么控制胀差、可谓汽轮机的泊桑效应。
汽轮机在启停和工况变化时，转子和汽缸分别以各自的死点为基准膨胀或收缩。由于汽缸质量大，而接触蒸汽的面积小。转子的质量小而接触蒸汽的面积大，因而各自的受热面不一样，使得汽缸和转子之间热膨胀的数值各不一样，其二者之间的差值称为相对膨胀，即转子和汽缸的胀差。
一般来说，冷态开机过程中是胀差是正值，稳定状态下胀差接近于零，降负荷和停机惰走时胀差向负向发展，单缸机组尤其明显。 但是对于多缸机组，即中间再热机组，其胀差较单缸机组更为复杂。
汽轮机转子与汽缸的相对膨胀，称为胀差。 1 习惯上规定 1.1 转子膨胀大于汽缸膨胀时的胀差值为正胀差；
1.2 汽缸膨胀大于转子膨胀时的胀差值为负胀差；
1.3 根据汽缸分类又可分为：高差、中差、低I 差、低II 差。 1.4 胀差数值是很重要的运行参数，若胀差超限，则热工保护动作使主机脱扣。
1.5 汽缸是向后膨胀而转子是向前膨胀的。
释：单缸汽轮机的汽缸膨胀，它的死点是在低压缸排气口的中心线，即从低压缸向机头方向膨胀。转子的膨胀是以机头推力瓦为死点，向发电机方向膨胀。也就是说，汽缸的膨胀方向和转子的膨胀方向是反向的。
2 使胀差向正值增大的主要原因有
2.1 启动时暖机时间太短，升速太快或升负荷太快； 2.2 汽缸夹层、法兰加热装置的加热汽温太低或流量较低，引起汽加热的作用较弱； 2.3 滑销系统或轴承台板的滑动性能差，易卡涩； 2.4 轴封汽温度过高或轴封供汽量过大，引起轴颈过份伸长； 2.5 机组启动时，进汽压力、温度、流量等参数过高；
2.6 推力轴承磨损，轴向位移增大；
2.7汽缸保温层的保温效果不佳或保温层脱落，在严禁季节里，汽机房室温太低或有穿
堂冷风；
2.8 双层缸的夹层中流入冷汽（或冷水）；
2.9 胀差指示器零点不准或触点磨损，引起数字偏差； 2.10 多转子机组，相邻转子胀差变化带来的互相影响；
2.11 真空变化的影响；
2.12 转速变化的影响；
2.13 各级抽汽量变化的影响，若一级抽汽停用，则影响高差很明显；
2.14 轴承油温太高；
2.15 机组停机惰走过程中由于“泊桑效应”的影响。 3 使胀差向负值增大的主要原因
3.1 负荷迅速下降或突然甩负荷；
3.2 主汽温骤减或启动时的进汽温度低于金属温度；
3.3 水冲击； 3.4 汽缸夹、法兰加热装置加热过度； 3.5 轴封汽温度太低； 3.6 轴向位移变化；
3.7 轴承油温太低；
3.8 启动进转速突升，由于转子在离心力的作用下轴向尺寸缩小，尤其低差变化明显；
3.9 汽缸夹层中流入高温蒸汽，可能来自汽加热装置，也可能来自进汽套管的漏汽或者
轴封漏汽。
启动时，一般应用加热装置来控制汽缸的膨胀量，而转子主要依据汽轮机的进汽温度和流量以及轴封汽的汽温和流量来控制转子的膨胀量。启动时胀差一般向正方向发展。汽轮机在停用时，随着负荷、转速的降低，转子冷却比汽缸快，所以胀差一般向负方向发展，特别是滑参数停机时尤其严重，必须采用汽加热装置向汽缸夹层和法兰通以冷却蒸汽，以免胀差保护动作。汽轮机转子停止转动后，负胀差可能会更加发展，为此应当维持一定温度的轴封蒸汽，以免造成恶果。 4 为什么正胀差大于负胀差
因为各级叶片的出气侧动静间隙大于进汽侧动静间隙(正胀差时出气侧间隙减小、负胀差时进汽侧间隙减小), 正负胀差的定值大小与汽缸和转子的膨胀量和动静间隙有关, 不同机组定值也不同。
5 什么是汽轮机的汽缸死点
汽轮机的死点是一个虚拟的点。汽轮机的滑销系统通常由横销、纵销、猫爪横销、角销等组成，保证汽缸可以自由的膨胀。所谓的死点就是在汽缸无论向哪个方向膨胀，有一个点的位置始终是不变的。这个点就是死点。 6 汽轮机启动时怎样控制差胀
6.1 选择适当的冲转参数。
6.2 制定适当的升温、升压曲线。
6.3 及时投汽缸、法兰加热装置，控制各部分金属温差在规定的范围内。
6.4 控制升速速度及定速暖机时间，带负荷后，根据汽缸温度掌握升负荷速度。
6.5 冲转暖机时及时调整真空。
6.6 轴封供汽使用适当，及时进行调整。
7 “泊桑效应”和汽轮机组转子的关系
“泊桑效应”简单的说就是：
汽轮机的轴在转速增加的时候，受到离心力的作用，而变粗、变短；转速减小的时候则，而变细、变长。 一般在汽轮机启，停机的时候由于低压缸的转子是最粗的，所以受泊桑效应最明显，是胀差变化的一个因素。【在汽轮机超速或启、停机过程中注意胀差变化是能够观察出来的。】
7.1 所谓“泊桑效应”，俗称陀螺效应，是材料力学中的一个基本概念：一个杆件被纵
向拉伸变长的时候，其横向宽度就要变小。
7.2泊桑效应的结果是转速越高转子变粗，当然必然会使转子变短，理由很简单，根据
物质平衡，在质量密度不发生变化的情况下，长胖了就会变矮。
7.3对于汽轮机转子来讲，当转速由低变高时，在变化的离心力作用下，转子横向被拉
长而轴向长度缩短，反之亦然。泊桑效应也就是汽轮机的轴在转速增加的时候，受到离心力的作用，而变粗，变短；转速减小的时候，而变细，变长。 一般在启、停机的时候由于低压缸的转子是最粗、最长的，所以受泊桑效应最明显，是胀差变化的一个因素。
7.4“泊桑效应”引起的汽轮机转子长度和宽度的变化在某一转速变化区域内，对某一
转子将是一个定值，但在开机逐渐升速与停机打闸转速急剧下降的过程中对指示胀差的影响不同。在停机打闸的过程中“泊桑效应”对胀差影响较大，即转子有突伸
现象，转子伸长量完全取决于转速的变化幅度与材料的泊桑比。
7.5根据材料力学虎克定律：材料轴向伸长（收缩）时必然引起横向收缩（伸长），弹性
范围内若横向应变为，轴向应变为，二者之比为一常数其绝对值称做横向变形系数又称泊桑比用来表示（或者这样描述：材料在受拉伸或压缩时，不仅沿纵向发生纵向变形，在横向也会同时发生缩短或增大的横向变形。由材料力学知,在弹性变形范围内，横向应变εy和纵向应变εx成正比关系,这一比值称为材料的泊松比，一般以μ表示，），即：泊桑效应只是我们的俗称。
7.6正常停机惰走，转速降低较破坏真空慢很多，虽有泊桑效应使其转子伸长，但因其
之前一直有气冷却，转子处于较冷的状态，故胀差既有负向，又有正向抵消，不是很明显；但打闸尤其是破坏真空紧急停机，属于热态转子急速停转，胀差尤其是低压胀差迅速正向增大，低压转子最长，故泊桑效应最明显，正值变化最大；转子高速旋转时，受离心力的作用，使转子发生径向和住向变形，大轴在离心力的作用下变粗变短，这种现象称为“回转效应”也叫“泊桑效应”。当转速降低时，离心力的作用减小，大轴的径长又回到原来的状态，变细变长，低压转子特别明显，惰走的时候,可以看到低压胀差突然增大与受力方向正交方向的变形，泊松效应就是一个物体，在某一个方向因受力变形，从而引起其他方向变形。