热膨胀和热应力
什么是热膨胀？
随着固体材料的温度升高，结构的体积最终受到增加的影响，这种现象称为热膨胀。这一过程是由于热量增加材料动能的能力而引起的。
在固体中，分子通常位于彼此近距离附近，这有助于结构的定义形状。随着温度的升高，分子开始以更快的速度振动并彼此推开。各个原子之间的分离增加会导致固体扩展，从而增加结构的体积。
随着膨胀而有热应力
随着这种体积扩大，固体的元素会承受更大的压力。热应力可能会对结构的强度和稳定性产生重大影响，并可能导致某些组件内的裂缝或断裂。这种故障损害了结构的整体设计，这可能导致可能减弱和变形。
焊接中的残留应力只是一个例子。在焊接中，金属零件之间形成键，通过熔化其表面并将它们放在一起，使它们在材料再次凝固时将它们结合在一起。随着组装结构的冷却，由于热膨胀系数不同，焊接的某些区域比其他区域往往比其他区域收缩更多。这会导致焊缝区域内的残留应力。
解决设计中的热扩展
在设计过程中，重要的是要考虑热膨胀以及产生的应力以实现最佳性能。这涉及研究传热与结构力学之间的关系，重点是结构的材料以及位移场。
以扩展关节为例。它们通常被实施到建筑物，桥梁和铁路的设计中，以帮助释放由于温度升高而引起的内部压力。这些中层结构分离弥补了运动，并且对于减轻热应力的结构成分至关重要，并有助于控制结构内的开裂。
但是，在某些情况下，热膨胀及其产生的压力在设计中被包含。在一个被称为收缩拟合，将外部组件加热到扩展点，以将其与内部组件交配。这种加热技术形成了一个关节，在两个单个部分之间形成了不可移动的键。随着两个组件达到相同的温度，该关节变得更强大。
设计热条件的一个示例
设计用于处理高水平的压力和温度，燃气轮机由可以忍受极端条件的组成部分组成。当热燃烧气体流过涡轮机的定位和转子时，这些组件可能会破裂和失败。
为了防止这种变形，从高压压缩机套管中的出血叶片中抽出较冷的空气，并被燃烧室推入涡轮机壳。这是一种冷却液，有助于在这些强烈的条件下稳定组件。在叶片侧面表面冷却和管道内的内部冷却，直接在燃烧室后面施加，以使涡轮机具有更大的耐热应力。
定子叶片和内部冷却管之间的热交换导致刀片内的温度梯度。刀片内温度的这种位移有助于冷却整体结构，并防止整个叶片达到燃烧气的温度。冷却剂的存在限制了燃气轮机内的热膨胀，并限制了增加体积的潜在应力。
发布：2014年10月31日最后修改：2017年2月21日