秦琦棟 桂啟志 劉良玉 李光明

(中國東方電氣集團東方汽輪機有限公司，四川618000)

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汽輪機轉(zhuǎn)子熱穩(wěn)定試驗方法探究

秦琦棟 桂啟志 劉良玉 李光明

(中國東方電氣集團東方汽輪機有限公司，四川618000)

針對國內(nèi)外常見的四種熱穩(wěn)定試驗的評判標準，分析了各種標準及對應(yīng)數(shù)據(jù)處理方法的物理意義，探討了各種方法的優(yōu)劣及誤差來源，還分析了汽輪機轉(zhuǎn)子熱穩(wěn)定試驗具體實施過程中影響試驗結(jié)果準確性的因素。

汽輪機；轉(zhuǎn)子；熱穩(wěn)定試驗

汽輪機轉(zhuǎn)子的熱穩(wěn)定試驗(俗稱熱跑)，是將滿足熱穩(wěn)定試驗條件的汽輪機轉(zhuǎn)子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)，測量在一個旋轉(zhuǎn)周期中其靜撓度的變化情況，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。其目的是檢測轉(zhuǎn)子在熱態(tài)下是否穩(wěn)定，即不發(fā)生變形，仍然保持軸對稱的特性。其必要性在于：汽輪機的轉(zhuǎn)速較高，若轉(zhuǎn)子熱變形徑跳超差，會產(chǎn)生較大的不平衡離心力，引起機組振動。汽輪機的振動超過規(guī)定范圍時，輕則使端部軸封、隔板汽封磨損，間隙增大，漏汽損失增加，使機組運行經(jīng)濟性降低。振動嚴重時，可能使與機組相連接的軸承、軸承座、主油泵、傳動齒輪、凝汽器、管道等發(fā)生共振，甚至引起連接螺栓松動、地腳螺栓斷裂等，從而造成重大事故。因此，為提高汽輪機運行時的安全性、可靠性和穩(wěn)定性，必須重視汽輪機轉(zhuǎn)子的熱穩(wěn)定試驗。

1 試驗原理

圖1是我廠的熱穩(wěn)定試驗示意圖，汽輪機轉(zhuǎn)子熱穩(wěn)定試驗設(shè)備型號為BTG1025。將轉(zhuǎn)子置于滾輪支架上，使轉(zhuǎn)子入爐區(qū)域在加熱爐體以內(nèi)，轉(zhuǎn)子一側(cè)連接有驅(qū)動轉(zhuǎn)子勻速轉(zhuǎn)動裝置。爐體采用上蓋下座方式，根據(jù)轉(zhuǎn)子長度自由組合爐體，爐體之間連接部位采用石棉等密封。轉(zhuǎn)子上沿軸向方向分為5條及以上測試帶，每條測試帶分為四個相位，勻速轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)子，采用跳動測量桿檢測每條測試帶上的各個相位的跳動值并記錄。采用熱電偶檢測爐內(nèi)溫度，使轉(zhuǎn)子均勻升溫至熱穩(wěn)定試驗溫度并保溫(升溫中途需根據(jù)轉(zhuǎn)子葉輪大小進行一定時間保溫)，待轉(zhuǎn)子溫度均勻后，再次采用跳動測量桿檢測每條測試帶上的各個相位的跳動值，并記錄。使轉(zhuǎn)子均勻緩慢降溫，直至室溫后第三次采用跳動測量桿檢測每條測試帶上的各個相位的跳動值，并記錄。對獲得的三組數(shù)據(jù)進行分析評判，確認轉(zhuǎn)子在熱態(tài)下及最終冷態(tài)下是否有撓曲變形。轉(zhuǎn)子熱穩(wěn)定溫度-時間曲線如圖2所示。

第一次冷態(tài)跳動測量數(shù)據(jù)可用于分析試驗前轉(zhuǎn)子的加工是否滿足同心度跳動要求；熱態(tài)下跳動測量數(shù)據(jù)可以用于分析在熱態(tài)下轉(zhuǎn)子是否發(fā)生了撓性彎曲變形；最終冷態(tài)下的跳動測量數(shù)據(jù)可用于分析轉(zhuǎn)子在冷卻后，加熱時發(fā)生的撓性彎曲變形是否已恢復(fù)。若已恢復(fù)，則說明熱態(tài)下的變形是由加熱速度過快，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子徑向方向上溫度不均產(chǎn)生應(yīng)力造成的。

2 四種常見評判標準

對測量后數(shù)據(jù)的評判標準和具體評判方法，不同國家及公司制定的標準和方法有所不同。本

圖1 轉(zhuǎn)子熱穩(wěn)定試驗示意圖

Figure 1 Schematic diagram of thermal stability test of rotor

圖2 轉(zhuǎn)子熱穩(wěn)定溫度-時間曲線

Figure 2 Rotor thermal stability curve between temperature and time

文選取了日本日立公司的標準、國內(nèi)常見使用的標準、歐洲普遍使用的標準、美國制定的標準等國內(nèi)外四種常見的評判標準進行了重點探討。

2.1 各評判標準及方法介紹

2.1.1 日本日立公司評判標準及方法

每小時測量一次跳動值，在坐標圖中對四個相位上的跳動進行矢量疊加，得到最終矢量，矢量的方向即為該時刻轉(zhuǎn)子軸心偏移的方向，矢量的大小為轉(zhuǎn)子軸心偏移量的2倍。將每小時各矢量終點連接起來，即可得到整個過程中轉(zhuǎn)子軸心偏移的軌跡，如圖3所示。設(shè)四個相位上測得的跳動值分別為A、B、C、D，則該時刻轉(zhuǎn)子彎曲度為：

圖3 轉(zhuǎn)子軸心偏移軌跡

Figure 3 Rotor axis offset trajectory

根據(jù)前述矢量疊加得到的軸心偏移值，可畫出溫度、跳動隨時間的變化曲線，如圖4所示。

評判標準：若軸心偏移值為圖5(a)型曲線，則判定為合格；若軸心偏移值為圖5(b)型曲線，當熱態(tài)時數(shù)值與最終冷態(tài)時數(shù)值差超過0.05 mm時，則判定為不合格。

圖4 轉(zhuǎn)子溫度、跳動隨時間的變化曲線

Figure 4 The curves of temperature, shifting and elongation of rotor changed with time

(a)由殘余應(yīng)力引起

(b)由組織不均勻引起

圖5 轉(zhuǎn)子溫度、跳動與時間的變化曲線

Figure 5 The curves of temperature and shifting of rotor changed with time

2.1.2 國內(nèi)常見使用的評判標準及方法

根據(jù)三次測量的跳動值，計算理論彎曲度值為：

式中，F(xiàn)0為冷態(tài)時轉(zhuǎn)子的彎曲度值；F′為熱態(tài)時轉(zhuǎn)子的彎曲度值；F1～F4為冷態(tài)時轉(zhuǎn)子四個相位上的跳動值；F1′～F4′為熱態(tài)時轉(zhuǎn)子的彎曲度值。F0與F′之間的夾角(α+β)，如圖6所示，其計算公式為：

圖6 轉(zhuǎn)子彎曲度值之間的夾角

Figure 6 Angle between the rotor curvature values

實際彎曲度值為：

評判標準：熱態(tài)時實際彎曲度值不大于0.05 mm，且最終冷態(tài)時的實際彎曲度值(殘余彎曲度)不大于0.025 mm。

2.1.3 歐洲普遍使用的評判標準及方法

選取轉(zhuǎn)子的一個測試帶為例，假設(shè)熱態(tài)的讀數(shù)為A1、B1、C1、D1，最終冷態(tài)時的讀數(shù)為A2、B2、C2、D2，則如圖7所示：

x1=B1-D1

y1=A1-C1

x2=B2-D2

y2=A2-C2

ΔX=x1-x2

ΔY=y1-y2

評判標準：λ不超過0.05 mm時為合格。

圖7 λ計算方法示意圖

Figure 7 Schematic diagram ofλcalculation method

2.1.4 美國制定的評判標準及方法

假設(shè)熱態(tài)的讀數(shù)為A1、B1、C1、D1，最終冷態(tài)時的讀數(shù)為A2、B2、C2、D2，則：

ΔA=A1-A2

ΔB=B1-B2

ΔC=C1-C2

ΔD=D1-D2

在ΔA、ΔB、ΔC、ΔD四個差值中選取最大正值和最大負值，兩者相減而不需考慮正負符號，所得結(jié)果即為最大撓度值ΔY。

評判標準：ΔY不大于0.051 mm。

2.2 各方法優(yōu)劣

2.2.1 日立公司評判標準

日立的計算方法中，對于彎曲度的計算，即根據(jù)外圓跳動計算出軸心偏移。評判標準的意義：

(1)圖5(a)中的跳動值曲線反映了最終冷態(tài)時的轉(zhuǎn)子撓度與熱態(tài)時的轉(zhuǎn)子撓度相同或相近。此種撓曲變形是由于鍛件本身存在不對稱分布的殘余內(nèi)應(yīng)力引起的。加熱破壞了殘余內(nèi)應(yīng)力的平衡，導(dǎo)致內(nèi)應(yīng)力發(fā)生變化并重新分布，從而使轉(zhuǎn)子發(fā)生變形。在最終冷卻后，殘余內(nèi)應(yīng)力一直按照熱態(tài)時的狀態(tài)分布，因此最終冷態(tài)時的轉(zhuǎn)子變形也與熱態(tài)時相同。

(2)圖5(b)中的跳動值曲線反映了熱態(tài)時轉(zhuǎn)子出現(xiàn)的撓曲變形在趨向最終冷態(tài)的過程中逐漸消除。此種撓曲變形是由于轉(zhuǎn)子內(nèi)部組織不均勻引起。加熱后，不同部位其熱膨脹大小不一，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子變形；在逐漸冷卻過程中，其膨脹量逐漸縮小，直至最終冷態(tài)時轉(zhuǎn)子膨脹量縮小至與初始冷態(tài)相同。

(3)因此，日立方法中，對于該現(xiàn)象，若變形量超過允許值0.05 mm，則判定不合格。

2.2.2 國內(nèi)常見的評判標準

國內(nèi)的方法中，從其公式中可以看出，其“實際熱彎曲度值”事實上是熱態(tài)相對于初始冷態(tài)的軸心偏移量，評判標準要求該軸心偏移量不大于0.05 mm，同時要求最終冷態(tài)相對于初始冷態(tài)的殘余軸心偏移量不大于0.025 mm。此方法特殊之處在于，始終以各狀態(tài)相對于初始冷態(tài)的狀態(tài)來表征，這是其他方法中沒有的。熱態(tài)時軸心相對于初始冷態(tài)的偏移，可能由內(nèi)應(yīng)力不均和組織不均而引起，最終冷態(tài)時軸心相對于初始冷態(tài)的偏移，主要由內(nèi)應(yīng)力不均而引起。此種方法及評判標準，相當于對兩者均作出了限定。相對而言，此種評判標準更為嚴格。

2.2.3 歐洲普遍使用的評判標準

歐洲使用的方法，即最終冷態(tài)時軸心相對于熱態(tài)時的偏移。其評判標準與日立標準完全一致，兩者差異在于計算方法不同。歐洲方法考慮了正負偏移，而日立方法未考慮正負偏移，導(dǎo)致可能會存在合格的假象，即圓心可在某一圓范圍內(nèi)偏移，如果方向恰好相反，則偏移可能相差0.1 mm，該方法在幾何意義上則只允許0.05 mm的一段弦長。

2.2.4 美國使用的評判標準

美國制定的方法要求合格的條件是各相位上熱態(tài)與冷態(tài)的差值中最大差值與最小差值相差0.051 mm，該要求就確定了所有差值均在0.051 mm范圍內(nèi)。從幾何意義上看，各相位熱態(tài)減去冷態(tài)的差值的矢量終點都在一個半徑相差0.051 mm的同心圓環(huán)內(nèi)，無論這個圓環(huán)有多大。因此美國使用的方法誤差相對較大。設(shè)x為最大及最小兩者差值，y為另外兩個相位的差值，則轉(zhuǎn)子實際軸心彎曲量與美國使用方法計算得到的差值之間的誤差為：

其中，0

2.3 各種方法具體計算

下面以我廠某600 MW機組高中壓轉(zhuǎn)子熱穩(wěn)定試驗的中間三條測試帶數(shù)據(jù)(見表1)為例，采取各種方法進行計算，結(jié)果見表2。

從表2中可以看出：對于同一測試帶的數(shù)據(jù)，不同的方法，其判定結(jié)果可能不同，也可能相同，取決于測試帶數(shù)據(jù)本身對評判方法的適應(yīng)性；同一種方法下，對于不同的測試帶數(shù)據(jù)，日立方法為全部合格，其余三種方法均有一條測試帶不合格，由評判方法本身的精密性決定。

表1 原始數(shù)據(jù)(μm)

Table 1 Primary data (μm)

測試帶測試帶二測試帶三測試帶四相位初始冷態(tài)熱態(tài)最終冷態(tài)A2018-3193865B2026-3197875C2019-3240882D2021-3223885A39873147-274B39543185-285C39153144-280D39153165-277A-600-6554-4541B-587-6567-4545C-572-6549-4531D-599-6566-4558

表2 用四種方法判定的結(jié)果(μm)

Table 2 The results determined by four methods (μm)

方法類型測試帶測試帶二測試帶三測試帶四評判標準日立方法熱態(tài)與最終冷態(tài)軸心偏移值的差值判定結(jié)論17合格5合格5合格差值小于0.05mm為合格國內(nèi)方法熱態(tài)實際彎曲度值最終冷態(tài)實際彎曲度值判定258合格4536不合格1215合格熱態(tài)實際彎曲度值不超過0.05mm,且冷態(tài)實際彎曲度值不超過0.025mm時,為合格歐洲方法λ判定73不合格28合格15合格λ不超過0.05mm為合格美國方法ΔY判定64不合格49合格14合格ΔY不超過0.051mm為合格

3 誤差來源分析

在轉(zhuǎn)子熱穩(wěn)定試驗的具體實施中，有以下三個方面會影響轉(zhuǎn)子熱穩(wěn)定試驗的準確性：

(1)支撐處的跳動

轉(zhuǎn)子靠電機帶動旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子與滾輪的接觸帶之間存在摩擦力，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時靠摩擦力帶動滾輪旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)子支撐圓本身有圓跳；滾輪外圓表面的跳動、哨度、粗糙度等；滾輪與支撐圓之間的接觸情況及試驗過程中磨損導(dǎo)致的變化；加熱后轉(zhuǎn)子外徑變化導(dǎo)致轉(zhuǎn)子與滾輪之間受力夾角發(fā)生變化。以上情況均會引起支撐處跳動發(fā)生變化，從而對轉(zhuǎn)子熱穩(wěn)定試驗的準確性產(chǎn)生影響。

(2)跳動值的獲得

跳動值的讀取依靠打在轉(zhuǎn)子外圓的跳動測量桿。在高溫?zé)釕B(tài)時，轉(zhuǎn)子軸向伸長量較大(普通火電汽輪機轉(zhuǎn)子伸長量一般在30 mm以上)，此時跳動測量桿所測得的外圓與初始冷態(tài)和最終熱態(tài)時測得的外圓并非是同一外圓。此外，轉(zhuǎn)子分四個相位讀取點，對于四個相位的跳動值，無論是人為方式讀取或設(shè)定時間自動采集，由于電機轉(zhuǎn)速誤差和機械差異，可能會存在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)一圈的時間與四次讀取跳動數(shù)值的間隔時間的總和并不一定恰好完全匹配。會導(dǎo)致每一圈讀取的四個相位與下一圈讀取的四個相位并不一定完全重合(可能會有角度差異)。另外，轉(zhuǎn)子在熱態(tài)時外徑顯著增大，由于內(nèi)應(yīng)力可能會發(fā)生不規(guī)則變形。由于轉(zhuǎn)子外圓表面本身有跳動、哨度、粗糙度等，因此上述這些情況，可能會使獲得的跳動值存在假象。

(3)跳動值的傳遞

跳動測量桿頂部打在轉(zhuǎn)子外圓表面，通過嵌在爐體中的套筒作為導(dǎo)向，將轉(zhuǎn)子跳動情況通過測量桿體由爐內(nèi)傳遞至爐外。由于套筒與測量桿之間有較大間隙，在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動過程中可能會導(dǎo)致測量桿有較大晃動，從而對跳動值的準確傳遞產(chǎn)生影響。此外，爐外測量桿根部采用彈簧對測量桿給予一定預(yù)緊力，使測量桿頂部緊緊頂在轉(zhuǎn)子外圓表面，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時由于摩擦，根據(jù)轉(zhuǎn)子表面情況，可能會對測量桿施加一個不穩(wěn)定的表面切向力。由于測量桿體與套筒內(nèi)壁接觸，因此測量桿與套筒之間會存在不穩(wěn)定的摩擦力。該不穩(wěn)定的摩擦力也會對跳動值的準確傳遞產(chǎn)生影響。

4 結(jié)論

汽輪機轉(zhuǎn)子熱穩(wěn)定試驗原理基本一致，評判標準及數(shù)據(jù)處理方法則因不同廠家各有不同，導(dǎo)致檢測結(jié)果有所不同。其檢測結(jié)果直接關(guān)系到轉(zhuǎn)子的運行安全和使用壽命，應(yīng)引起足夠重視。本文同時指出了目前熱穩(wěn)定試驗具體實施中存在的誤差，可供未來熱穩(wěn)定試驗設(shè)備精確化制造提供參考。

[1] HHS KCK0010 R04汽輪機轉(zhuǎn)子主軸毛坯的熱穩(wěn)定試驗[S]．日本日立公司．

[2] DZ6.1.45-90轉(zhuǎn)子熱試驗操作指導(dǎo)書[S]．東方汽輪機廠．

[3] ASTM A472-98汽輪機主軸和主軸鍛件的熱穩(wěn)定性試驗方法[S]．美國材料與試驗協(xié)會．

[4] 于秀平，王群，孫煜偉，等. 轉(zhuǎn)子熱穩(wěn)定性測試方法分析[J]．大型鑄鍛件．2012(3)：20-21．

[5] 方國華. 轉(zhuǎn)子的熱穩(wěn)定試驗[J]．工業(yè)汽輪機．2013(1)：30-34．

編輯 陳秀娟

Research on Test Method for Thermal Stability of Steam Turbine Rotor

Qin Qidong, Gui Qizhi, Liu Liangyu, Li Guangming

For common four evaluation criteria at home and abroad for thermal stability test, the physical meaning of the various standards and the corresponding data processing method has been analyzed, and the advantages and disadvantages of various methods and the sources of error have been discussed, and the factors that affect the accuracy of the test results during the thermal stability test of the turbine rotor have been analyzed.

steam turbine; rotor; thermal stability test

2016—05—25

秦琦棟(1986—)，男，本科雙學(xué)士，工程師，現(xiàn)從事汽輪機轉(zhuǎn)子加工及裝配工藝工作。

TK477

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