热膨胀和热应力
什么是热膨胀？
作为固体材料的经历温度的增加，结构的体积最终通过增加影响，其现象称为热膨胀。该过程是由热量增加材料的动能的能力。
在固体内，分子通常彼此紧密地定位，有助于结构的限定形状。随着温度升高，分子开始以更快的速度振动并彼此推开。各个原子之间的这种增加的分离使得固体膨胀，从而增加了结构的体积。
随着膨胀来热应力
通过该容量的放大，固体的元素经历更大水平的应力。热应力可以对结构的强度和稳定性产生显着影响，可能导致某些部件内的裂缝或破裂。这种失败损害了结构的整体设计，这可能导致可能的弱化和变形。
焊接残余应力只是一个例子。在焊接中，通过将它们的表面熔化并将它们放在一起，在金属部件之间形成粘合，使得当材料再次固化时它们连接它们。随着组装结构冷却，由于不同的热膨胀系数，焊接的一些区域倾向于超过其他区域。这导致焊缝区域内的残余应力。
解决设计中的热膨胀
在设计过程中，重要的是考虑热膨胀和所产生的应力，以实现最佳性能。这涉及调查传热和结构力学之间的关系，聚焦在结构的材料以及位移场上。
例如，采取膨胀节。它们通常被实施到建筑物，桥梁和铁路的设计中，以帮助释放因温度的增加而引起的内部应力。这些中间结构分离补偿了运动，并且对于减轻热应力的结构部件并有助于控制结构内的裂缝至关重要。
然而，在某些情况下，热膨胀和产生的应力是在设计中拥有的。在称为收缩拟合，将外部部件加热到扩展点，其目标是将其与其内部部件交配。这种加热技术形成关节，在两个个体部件之间产生不可移动的粘合。随着两种组分达到相同温度，该接头变得更强。
设计热条件的一个例子
旨在处理高水平的压力和温度，燃气轮机由能够忍受极端条件的组件组成。作为热燃气流过涡轮机的定子和转子，这些部件可能破裂和失效。
为了防止这种变形，从高压压缩机壳体中的出血叶片中拉出较冷的空气，并由燃烧室推动并进入涡轮机壳体。这用作冷却剂，以帮助在这些强烈条件下稳定组分。在叶片侧表面上冷却，管道内的内部冷却直接施加在燃烧室后面，以提供具有更大耐热应力的涡轮机。
定子叶片和内部冷却管道之间的热交换导致叶片内的温度梯度。这种叶片内的温度的位移有助于冷却整体结构并防止整个刀片达到燃烧气体的温度。冷却剂的存在限制了燃气轮机内的热膨胀和可能由该量增加的潜在应力。
发布时间：2014年10月31日最后修改：2017年2月21日