于秀平 王 群 孫煜偉 張國利

(天津重型裝備工程研究有限公司，天津300457)

隨著轉(zhuǎn)子鍛件制造技術(shù)的不斷進(jìn)步，用戶對轉(zhuǎn)子的性能要求也不斷提高，越來越多的廠家把轉(zhuǎn)子的熱穩(wěn)定性測試作為產(chǎn)品驗(yàn)收的一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)。在這種情況下，熱穩(wěn)定性測試技術(shù)的科學(xué)性、合理性顯得尤為重要，測試結(jié)果的準(zhǔn)確性直接關(guān)系到轉(zhuǎn)子的運(yùn)行安全和使用壽命。

熱穩(wěn)定性試驗(yàn)俗稱熱跑，是汽輪機(jī)整鍛轉(zhuǎn)子特有的試驗(yàn)項(xiàng)目。一般是在轉(zhuǎn)子加工完成后(進(jìn)入總裝之前)將其加熱到工作溫度以上30～50℃，在測試設(shè)備上以(2～4)r/min的速度旋轉(zhuǎn)，測量其在一個(gè)旋轉(zhuǎn)周期中靜撓度的變化情況，并與冷態(tài)下的結(jié)果相比較。若相差較大，則說明轉(zhuǎn)子在高溫狀態(tài)下的同心度不好，高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)可能發(fā)生轉(zhuǎn)子與定子的運(yùn)動(dòng)干涉及不良振動(dòng)，需要重新找正加工或采取熱處理措施消除應(yīng)力。熱穩(wěn)定性測試是確保轉(zhuǎn)子在正常工作條件下能夠穩(wěn)定安全運(yùn)行的必要步驟。

1 試驗(yàn)原理

國內(nèi)外不同廠家的熱穩(wěn)定測試設(shè)備可能在規(guī)格大小、測試精度方面有所不同，但測試原理基本一致。圖1、圖2分別給出了轉(zhuǎn)子檢測帶和檢測原理的示意圖。

熱穩(wěn)定性測試國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，長度≥2.5m的轉(zhuǎn)子至少要有五條測試帶。從圖1可看出，1、5號位置位于轉(zhuǎn)子的兩端，3號盡量取在轉(zhuǎn)子長度的中點(diǎn)，2、4號位置分別位于1、3號之間和3、5號之間。如果檢測需求方有特殊要求，也可視設(shè)備情況增加測試帶的數(shù)量。

圖1中Z-Z區(qū)為轉(zhuǎn)子的加熱區(qū)域，Y-Y為托輥的支撐位置，爐體與轉(zhuǎn)子軸頸的間隙一般用耐火纖維氈密封。

圖2是撓度檢測示意簡圖。轉(zhuǎn)子在設(shè)備帶動(dòng)下旋轉(zhuǎn)，十字撥叉和轉(zhuǎn)子同軸旋轉(zhuǎn)。采樣時(shí)，系統(tǒng)通過撓度檢測桿把轉(zhuǎn)子表面的撓度變化通過傳感器轉(zhuǎn)換為電信號傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng)的測試軟件上，各個(gè)檢測帶的撓度數(shù)值可以直接讀出并記錄。十字撥叉和轉(zhuǎn)子一般約每30 s或20 s旋轉(zhuǎn)一周。采樣時(shí)，十字撥叉每旋轉(zhuǎn)90°取一個(gè)撓度值(十字撥叉的每個(gè)葉片經(jīng)過一接近開關(guān)時(shí)取值)，每旋轉(zhuǎn)一周取四次樣，系統(tǒng)自動(dòng)顯示、存儲數(shù)據(jù)。

圖1 轉(zhuǎn)子檢測帶Figure 1 Rotor test zone

圖2 撓度檢測Figure 2 Deflection test

2 檢測方法

2.1 測試過程

不同廠家的熱穩(wěn)定性測試方法有所不同，主流的檢測方法源于美國西屋標(biāo)準(zhǔn)，并被歐洲廠家采用。中國制定的國家試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)也源自西屋標(biāo)準(zhǔn)。

通常，檢測過程分為三步，即第一次冷測(室溫)、熱態(tài)測試(試驗(yàn)溫度下)和第二次冷測(室溫)。轉(zhuǎn)子通用的加熱曲線如圖3所示。圖3中T表示試驗(yàn)溫度，t表示在試驗(yàn)溫度下、讀3次熱態(tài)數(shù)值之前的保溫時(shí)間(一般每隔1 h讀1次數(shù)值)。

圖3 轉(zhuǎn)子加熱曲線Figure 3 Heating curve of rotor

轉(zhuǎn)子加熱前進(jìn)行第一次冷態(tài)測試，目的是檢測轉(zhuǎn)子的機(jī)械加工精度是否達(dá)到了熱穩(wěn)定試驗(yàn)的要求，否則會影響測試結(jié)果。加熱到測試溫度之后進(jìn)行熱態(tài)測試，這是測試的重點(diǎn)。轉(zhuǎn)子在測試溫度下保溫一定時(shí)間，應(yīng)力得到釋放，撓度變化則趨于穩(wěn)定，穩(wěn)定的標(biāo)志就是轉(zhuǎn)子每個(gè)測試帶上的各個(gè)測試點(diǎn)的撓度波動(dòng)都在一定范圍內(nèi)，繼而在保溫的最后3 h記錄正式數(shù)據(jù)。然后冷卻到室溫之下進(jìn)行第二次冷測，記錄各個(gè)測試點(diǎn)的數(shù)值。

值得注意的是，熱態(tài)測試和第二次冷態(tài)測試的數(shù)據(jù)非常重要。熱態(tài)和冷態(tài)讀數(shù)通常各取3組，3組讀數(shù)必須在相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的范圍內(nèi)，第3組數(shù)據(jù)作為最終正式的計(jì)算數(shù)據(jù)。因此一定要獲得客觀、準(zhǔn)確的數(shù)值，最終轉(zhuǎn)子熱穩(wěn)定性的好壞就是通過處理這兩次正式測試結(jié)果的數(shù)據(jù)來評定。

國內(nèi)外絕大多數(shù)廠家都是采取上述測試方法，但可能針對不同產(chǎn)品，在具體的數(shù)值標(biāo)準(zhǔn)上有所差別。也有一些廠家，如印度的BHEL公司，會把轉(zhuǎn)子的去應(yīng)力退火與熱穩(wěn)定性測試結(jié)合進(jìn)行。

2.2 數(shù)據(jù)處理

不同廠家對于試驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理方式有所不同。本文重點(diǎn)介紹歐洲及國內(nèi)廠家通常采用的兩種計(jì)算方法。

選取轉(zhuǎn)子的一個(gè)測試帶為例，假設(shè)讀取數(shù)值的位置為時(shí)鐘0、3、6、9位置，在一個(gè)采樣周期內(nèi)讀取的撓度數(shù)值相應(yīng)記錄為A、B、C、D，熱態(tài)的正式讀數(shù)為A1、B1、C1、D1，第二次冷測正式讀數(shù)為A2、B2、C2、D2。歐洲廠家一般采用的數(shù)據(jù)處理示意圖見圖4。

圖4 數(shù)據(jù)處理示意圖Figure 4 Schematic drawing of data treatment

數(shù)據(jù)處理過程如下：

x1=B1-D1，y1=A1-C1

x2=B2-D2，y2=A2-C2

△X=x1-x2，△Y=y1-y2

計(jì)算：

結(jié)論：

λ≤規(guī)定數(shù)值，合格。

國內(nèi)廠家一般采用的計(jì)算方法如下:

差值:

S1=A1-A2

S2=B1-B2

S3=C1-C2

S4=D1-D2

絕對值：

λ1=|S1|

λ2=|S2|

λ3=|S3|

λ4=|S4|

結(jié)論:

λ1、λ2、λ3、λ4≤25 μm，S1、S2、S3、S4的最大差值≤50 μm。

比較上述兩種數(shù)據(jù)處理方法，第一種計(jì)算方式比較復(fù)雜但物理意義清晰，它表征了轉(zhuǎn)子熱態(tài)和冷態(tài)圓心位置的偏移量；第二種計(jì)算方法簡單，便于操作。具體采用哪種方式應(yīng)視檢測需求方的要求而定。

3 發(fā)展趨勢

現(xiàn)今，國內(nèi)外具備轉(zhuǎn)子熱穩(wěn)定性測試能力的廠家很多，而同樣具備檢測能力的轉(zhuǎn)子制造廠家則具有獨(dú)特的優(yōu)勢。轉(zhuǎn)子制造廠家擁有強(qiáng)大、完備的技術(shù)條件和設(shè)備條件，對產(chǎn)品整個(gè)生產(chǎn)過程執(zhí)行質(zhì)量控制，若轉(zhuǎn)子的熱穩(wěn)定性測試不合格，則可迅速查明原因，采取處理措施(如去應(yīng)力退火或重新熱處理)，這對縮短生產(chǎn)周期、及時(shí)滿足市場需求十分有利。轉(zhuǎn)子制造廠家應(yīng)在以下幾方面提高自身的檢測能力：

(1)隨著轉(zhuǎn)子鍛件向大質(zhì)量、大尺寸方向發(fā)展，需要配備更大尺寸規(guī)格、更大載重量的熱跑爐以滿足檢測需求。

(2)轉(zhuǎn)子的熱穩(wěn)定性測試是一個(gè)高精度、高靈敏度的測試技術(shù)，要求設(shè)備具有較高的測試精度和穩(wěn)定的測試環(huán)境以保證測試結(jié)果的準(zhǔn)確。因此提高設(shè)備的測試精度和精確自動(dòng)化操作程度對提高測試結(jié)果的準(zhǔn)確性非常重要。

(3)隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，熱穩(wěn)定性測試設(shè)備需要配備強(qiáng)大的測試軟件來對數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)記錄和處理。為提高測試的自動(dòng)化程度和生產(chǎn)效率，降低人工測試、計(jì)算可能帶來的誤差，對相應(yīng)的軟件開發(fā)提出了更高的要求。

4 結(jié)語

熱穩(wěn)定性測試是轉(zhuǎn)子鍛件性能檢測中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，檢測結(jié)果直接關(guān)系到轉(zhuǎn)子的運(yùn)行安全和使用壽命，應(yīng)引起足夠重視。轉(zhuǎn)子制造廠家應(yīng)提高自身檢測能力，根據(jù)需求方的技術(shù)要求制定出合理、科學(xué)的檢測規(guī)程，保證產(chǎn)品質(zhì)量。

[1] JB/T 9021—2010汽輪機(jī)主軸和轉(zhuǎn)子鍛件的熱穩(wěn)定性試驗(yàn)方法[S].

[2] 汪洪濱，劉劍飛，劉大禮.汽輪機(jī)主軸和轉(zhuǎn)子鍛件熱穩(wěn)定性分析方法研[J].汽輪機(jī)技術(shù)，2009，51(4): 304-306.