汽輪機轉子熱穩定試驗方法探究

桂啟志， 秦琦棟， 李光明， 劉良玉

(東方汽輪機有限公司, 四川德陽 618000)

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汽輪機轉子熱穩定試驗方法探究

桂啟志， 秦琦棟， 李光明， 劉良玉

(東方汽輪機有限公司, 四川德陽 618000)

闡述了汽輪機轉子熱穩定試驗的原理，并針對國內外常用的4種熱穩定試驗的評判標準，分析了各種標準及對應數據處理方法的物理意義，探討了各種方法的優劣及誤差來源，并以某600 MW機組高中壓轉子熱穩定試驗原始采集數據為例，按這4種評判標準對應的數據處理方法進行了數據計算，分析了汽輪機轉子熱穩定試驗實施過程中影響試驗結果準確性的因素及其對評判方法的影響。

汽輪機； 轉子； 熱穩定； 試驗

汽輪機轉子的熱穩定試驗(俗稱熱跑)，是將滿足熱穩定試驗條件的汽輪機轉子加熱到工作溫度以上30～50 K，在測試設備上以2～4 r/min的速度旋轉，測量其在一個旋轉周期中靜撓度的變化情況，并與冷態下的結果相比較，若相差較大，則說明轉子在高溫狀態下的同心度不好。汽輪機的轉速較高，若轉子熱變形徑跳超差，會產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定范圍時，輕則使端部軸封、隔板汽封磨損，間隙增大，增加漏汽損失，使機組運行經濟性降低；重則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。熱穩定試驗的目的是檢測轉子在熱態下是否穩定，即不發生變形，仍然保持軸對稱的特性，為提高汽輪機運行時的安全性、可靠性和穩定性提供保障。

對于汽輪機轉子熱穩定試驗的數據，目前國內外存在著不同的評判標準和方法。針對各評判標準及方法間存在的差異，筆者選取4種常用的評判標準及方法，對其差異進行了對比分析，探討了各種方法的優劣及誤差來源，并基于某600 MW機組高、中壓轉子熱穩定試驗原始采集數據，進一步驗證了不同評判標準及方法間的差異。

1 試驗原理

圖1是該600 MW機組高、中壓轉子的熱穩定試驗示意圖。由圖1可見：將轉子置于滾輪支架上，使轉子入爐區域在加熱爐體以內，轉子一側連接有驅動轉子勻速轉動裝置。爐體采用上蓋下座方式，根據轉子長度自由組合爐體，爐體之間連接部位采用石棉等密封。轉子上沿軸向方向分為5條及以上測試帶，每條測試帶分為4個相位，勻速轉動轉子，對轉子按要求升溫并降溫。

圖1 轉子熱穩定試驗示意圖

在轉子處于初始冷態、熱穩定試驗溫度保溫狀態、最終冷態3個狀態下，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3組數據進行分析評判，確認轉子在熱態及最終冷態下是否有撓曲變形(見圖2)。

圖2 轉子熱穩定溫度-時間圖

2 評判標準優劣探討

對于測量后數據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。筆者選取了國內外4種常用的評判標準進行了重點探討，即日本日立公司的標準、國內使用的標準、歐洲普遍使用的標準、美國制定的標準。

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

對于跳動值的測量，每小時進行一次。對4個相位上的跳動，在坐標圖中進行矢量疊加，得到最終矢量，矢量的方向即為該時刻轉子軸心偏移的方向，矢量的大小為轉子軸心偏移量的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子軸心偏移的軌跡(見圖3)。

圖3 轉子軸心偏移軌跡

轉子彎曲度為：

(1)

式中：E為某時刻的轉子彎曲度；A、B、C、D分別為該時刻轉子在0°、90°、180°、270° 4個相位上的跳動值。

根據矢量疊加得到的軸心偏移值，可畫出溫度、跳動、轉子伸長量隨時間的變化圖(見圖4)。

圖4 轉子溫度、跳動、轉子伸長量隨時間的變化圖

評判標準：若軸心偏移值為圖5(a)型曲線，則判定合格；若軸心偏移值為圖5(b)型曲線，當熱態時數值與最終冷態時數值差值ΔΕ超過0.05 mm時，則判定不合格。

圖5 軸心偏移值曲線

2.1.2 國內常見使用的評判標準及方法

計算轉子初始冷態時的彎曲度為：

(2)

式中：F0為初始冷態時轉子的彎曲度；F1、F2、F3、F4分別為初始冷態時轉子在0°、90°、180°、270° 4個相位上的跳動值。

計算轉子熱態或最終冷態時的彎曲度為：

(3)

F0與F′之間的夾角(α+β)見圖6。

圖6 初始冷態與熱態(或最終冷態)彎曲度間夾角

(4)

(5)

式中：α和β分別為初始冷態時和熱態時(或最終冷態)轉子軸心偏移方向與豎直方向的夾角。

轉子實際彎曲度為：

(6)

評判標準：熱態時實際彎曲度不大于0.05 mm，且最終冷態時實際彎曲度(殘余彎曲度)不大于0.025 mm，則判定合格。

從上述計算過程可看出：此處理論彎曲度值的定義，與日本日立公司的彎曲度的定義是一致的；不同之處在于，國內方法中的評判指標(熱態實際彎曲度值和殘余彎曲度)分別是熱態和最終冷態相對于初始冷態進行定義；而日本日立公司的評判指標是以最終冷態相對于熱態進行定義，與初始冷態無關。

2.1.3 歐洲普遍使用的評判標準及方法

選取轉子的一個測試帶為例，假設熱態時該測試帶的轉子外圓在0°、90°、180°、270° 4個相位跳動讀數分別為A1、B1、C1、D1，最終冷態時該測試帶在相應相位上的讀數依次為A2、B2、C2、D2，則

x1=A1-C1

(7)

y1=B1-D1

(8)

x2=A2-C2

(9)

y2=B2-D2

(10)

(11)

式中：x1、y1為熱態時轉子分別在0°～180°、90°～270°兩個方向上跳動讀數的差值；x2、y2為最終冷態時轉子分別在0°～180°、90°～270°兩個方向上跳動讀數的差值；λ為最終冷態時轉子軸心相對于熱態時轉子軸心的偏移值的2倍。

評判標準：λ不超過0.05 mm時為合格。

上述計算過程的幾何意義見圖7。

圖7 歐洲計算方法的幾何意義

2.1.4 美國制定的評判標準及方法

假設熱態的讀數為A1、B1、C1、D1，最終冷態時的讀數為A2、B2、C2、D2，則

ΔA=A1-A2

(12)

ΔB=B1-B2

(13)

ΔC=C1-C2

(14)

ΔD=D1-D2

(15)

式中：ΔA、ΔB、ΔC、ΔD分別為各相位上熱態時讀數與最終冷態時讀數的差值。

在ΔA、ΔB、ΔC、ΔD中選取最大正值和最大負值，兩者相減而無需考慮正負符號，所得結果即為最大撓度值ΔY。

評判標準：ΔY不大于0.051 mm時為合格[1]。

2.2 各評判標準及方法優劣比較

日立公司的計算方法中，對于彎曲度的計算，即根據外圓跳動計算出軸心偏移，其物理意義十分清晰。圖5(a)中的跳動值曲線反映了熱態時轉子出現的撓曲變形在趨向最終冷態的過程中一直保持恒定，沒有變化。出現該現象的原因在于此種撓曲變形是由于鍛件本身存在不對稱分布的殘余內應力，加熱破壞了殘余內應力的平衡，導致內應力發生變化并重新分布，從而使轉子發生變形。在最終冷卻后，殘余內應力一直按照熱態時的狀態分布，因此最終冷態時的轉子變形也與熱態時相同。圖5(b)中的跳動值曲線反映了熱態時轉子出現的撓曲變形在趨向最終冷態的過程中逐漸消除。出現該現象的原因在于此種撓曲變形是由于轉子內部組織不均勻引起，加熱后，不同部位其熱膨脹大小不一，導致轉子變形，軸心偏移值增大；后續在逐漸冷卻過程中，其膨脹量逐漸縮小，軸心偏移值變小[2]。因此，日立公司的方法中，對于該現象，若變形量超過允許值0.05 mm，則判定不合格。

國內的方法中，從其代數式可以看出，其“熱態實際彎曲度”事實上是熱態相對于初始冷態的軸心偏移量，評判標準要求該軸心偏移量不大于0.05 mm，同時要求最終冷態相對于初始冷態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相對于初始冷態的軸心偏移量來表征，這是其他方法中沒有的。熱態時轉子軸心相對于初始冷態時的偏移，可能由內應力不均和組織不均引起；最終冷態時轉子軸心相對于初始冷態時的偏移，主要由內應力不均引起。這種方法及評判標準，不僅對單純由內應力不均引起的軸心偏移量大小作出了限定，而且對由內應力不均以及內部組織不均勻兩個因素疊加引起的軸心偏移量的大小也作出了限定。相對而言，這種評判標準更為嚴格一些。

歐洲使用的評判標準，物理意義十分清晰，即最終冷態時軸心相對于熱態時的偏移，與日立公司標準一致。在具體的評判方法上，日立公司評判方法注意了軸心偏移值大小的變化，忽略了軸心偏移的方向，可能會出現合格的假象，即以初始冷態時的轉子軸心位置為圓心，以熱態時的軸心偏移值為半徑作圓，轉子在從熱態趨于最終冷態過程中，當軸心在該圓形軌跡上移動時，其軸心偏移值仍將保持不變，滿足合格要求，但實際上轉子可能已經發生撓曲變形。歐洲計算方法則可以避免該假象的發生。

美國制定的方法只是通過最大差值與最小差值間的差值來簡單地判斷轉子軸心偏移情況，沒有考慮剩余兩個相位的跳動情況，因此不能真實反映轉子的實際軸心彎曲量，通過該方法得到的轉子軸心偏移量與真實的偏移量之間總是存在一定誤差。該誤差為：

(16)

式中：f(m,n)為所求誤差；m為最大差值與最小差值之間的差值；n為其余兩個相位上的差值。

式(16)關于m單調遞減，關于n單調遞增，即最大差值與最小差值之間的差值越小，則計算誤差越大；剩余兩個相位上的差值之間相差越大，則計算誤差越大。誤差最大可達0.021mm。

2.3 各方法具體計算

筆者以某600MW機組高、中壓轉子熱穩定試驗的中間3條測試帶的數據為例，采取4種方法進行計算，其原始數據見表1。

表1 原始測量數據 μm

依據上述各計算方法，對表1中的原始數據進行計算，結果見表2。

表2 4種方法計算結果 μm

由表2可以看出：對于同一測試帶的數據，采用不同的評判標準和方法，判定結果并不完全一致。該現象的出現，印證了不同的評判標準和方法，其本身的精密性和對原始數據的適應性是不同的。

3 影響試驗數據采集準確性的因素

3.1 轉子支撐處的平穩性

轉子靠電動機帶動旋轉。轉子與滾輪的接觸帶之間存在摩擦力，該摩擦力帶動滾輪轉動。由于制造誤差，轉子支撐圓和滾輪外圓表面都存在著不為零的跳動、不平行度和一定的粗糙度。滾輪與轉子互相接觸的兩個表面在連續轉動過程中不斷互相嚙合磨損，導致轉子支撐處的跳動在熱穩定試驗過程中逐漸變化。此外，轉子在加熱后支撐處外徑增大，使轉子與滾輪之間夾角發生變化，從而導致摩擦力的大小發生變化。上述兩種情況均會影響轉子支撐處的平穩性，從而影響熱穩定試驗時轉子外圓各測量帶的跳動數據。

3.2 跳動值讀取的準確性

轉子外圓測量帶上的跳動通過跳動測量桿進行檢測。高溫熱態時，轉子軸向伸長量較大(600 MW火電汽輪機低壓轉子伸長量一般在30 mm以上)，此時跳動測量桿所在的轉子外圓橫截面相對于冷態時跳動測量桿所在的轉子外圓橫截面，已并非同一橫截面；其次，對于測試帶上均勻分布的4個相位的跳動值，無論是人為讀取還是設定時間自動采集，由于不可避免的電動機轉速誤差等因素，使得在每一次跳動值讀取間隔時間內，轉子并未恰好轉完四分之一圈，這會導致轉子外圓測量帶上每一圈的4個跳動值讀取點與下一圈的4個跳動值讀取點并不一定完全重合；再次，轉子在熱態時外徑顯著增大，由于內應力釋放轉子外圓可能會存在不規則變形，從而導致轉子外圓本身的跳動再次發生變化。上述3種情況，均會影響轉子外圓各測量帶上跳動值讀取的準確性。

3.3 跳動值傳遞的準確性

使用跳動測量桿檢測轉子外圓測量帶的跳動值時，需將測量桿穿過嵌在爐體中的套筒，爐外的測量桿根部處采用彈簧對測量桿給予一定軸向預緊力，使爐內的測量桿頂部頂在轉子測量帶外圓表面。套筒與測量桿之間有較大間隙。跳動檢測時，在測量桿頂部與轉子測量帶外圓表面接觸處，根據轉子轉動時測量帶表面情況，測量桿頂部會受到不穩定的沿轉子外圓表面的切向力。該切向力會導致測量桿在套筒內晃動，或者使測量桿與套筒內壁接觸，從而對跳動值的準確傳遞產生影響。

上述三條因素中，轉子支撐處的平穩性和跳動值讀取的準確性對于前述4種評判方法的影響都是一致的。對于第2條因素，考慮到美國方

法需要對同一個跳動檢測點在熱態和最終冷態時的兩個跳動值做差值計算，其對同一個跳動檢測點在兩種狀態下的重復定位準確度要求較高，因此，采用美國方法評判時，第2條因素對真實結果的影響要相對大些。而其余3種方法均是對同一狀態下的4個相位的跳動數據進行計算，目的是得到該狀態下的軸心偏移，因此，采用其余3種方法評判時，上述第2條因素對真實結果的影響要相對小些。

4 結語

(1) 國內使用的方法不僅規定了單純由內應力不均引起的軸心偏移量，而且規定了由內應力不均以及內部組織不均勻兩個因素疊加引起的軸心偏移量，在本文所述的4種方法中，相對最為嚴謹。

(2) 美國制定的方法不能準確地反映出轉子熱穩定試驗時軸心偏移量，計算結果存在誤差。4個相位上最大差值與最小差值之間的差值越小，誤差越大；其余2個相位上的差值之間相差越大，誤差越大，最大可達0.021 mm。

(3) 歐洲普遍使用的方法與日本日立公司的方法在評判標準上是一致的，但歐洲方法相對較為嚴謹一些，可避免出現合格的假象。

(4) 針對同一測試帶的數據，采用不同的評判標準和方法，得到的結論可能會有不同。

(5) 在對轉子進行熱穩定試驗時，為了提高試驗數據采集的準確性，應當在轉子支撐處的平穩性、跳動值讀取的準確性和跳動值傳遞的準確性三個方面盡量改善。其中，跳動值讀取的準確性對美國評判方法的影響相對大一些，對其余3種評判方法的影響相對小一些。

[1] American Society for Testing and Materials. Standard specification for heat stability of steam turbine shafts and rotor forgings: ASTM A472/A472M-07(2012)[S]. Pennsylvania: ASTM International, 2012.

[2]方國華. 轉子的熱穩定試驗[J]. 工業汽輪機, 2013(1): 30-34.

Study on Method of Thermal Stability Test for Steam Turbine Rotors

Gui Qizhi, Qin Qidong, Li Guangming, Liu Liangyu

(Dongfang Turbine Co., Ltd., Deyang 618000, Sichuan Province, China)

An introduction is presented to the principle of thermal stability test for steam turbine rotors, including an analysis on the physical meanings of data processing method prescribed in 4 evaluation criteria commonly used domestically and overseas, while their advantages and disadvantages as well as corresponding error sources were explored. Taking the thermal stability test for a 600 MW HP/IP steam turbine rotor as an example, the original data were processed respectively with the methods concerned in above four criteria, based on which, factors influencing the accuracy of each test method were analyzed.

steam turbine; rotor; thermal stability; test

2016-05-27；

2016-07-04

桂啟志(1976—)，男，工程師，主要從事汽輪機制造技術和技術管理工作。

E-mail: guiqz@126.com

TK263.61

A

1671-086X(2017)02-0076-05