汽轮机转子永久弯曲原因分析及检修中检查处理

刘顺宝 等

摘要：本文就汽輪机转子弯曲的机理进行简单介绍，着重分析了汽轮机转子发生永久性弯曲的原因，并详细介绍了汽轮机本体检修中常用的转子弯曲检查、测量方法，最后介绍了几种常用的直轴方法，以期对汽轮机转子的精细检修和安全运行起到指导作用。

关键词：汽轮机转子 弯曲原因 测量

0 引言

汽轮机是高速旋转的机械，转子在高温高压的工作环境下工作，除了在动叶通道完成能量转换、传递扭矩外，还要承受很大的离心力、热应力及振动产生的动应力。为了保证汽轮机能长期安全稳定运行，在汽轮机转子制造时应精密，调整、安装、检修时应精细准确。

汽轮机转子发生永久性弯曲， 是火力发电厂的重大恶性事故之一， 它不仅增加机组的非计划停运时间， 而且还要耗用相当多的检修费用， 是火力发电厂绝对不愿发生的事。但由于运行启停操作失误，设计、安装、检修不当，汽轮机转子弯曲时有发生，对机组安全稳定运行带来很大威胁，甚至造成巨大经济损失，应引起汽轮机检修、运行人员的足够重视。一般情况下，转子重心偏移0.10mm便不可能运行。按机械工业部标准3000r/min的汽轮机转子最大弯曲值不应大于0.03mm。

本文就汽轮机转子弯曲的机理进行简单介绍，着重分析了汽轮机转子发生永久性弯曲的原因，并详细介绍了汽轮机本体检修中常用的转子弯曲检查、测量方法，并介绍了几种常用的直轴方法与适用范围。

1 汽轮机转子弯曲的机理

汽轮机转子弯曲通常分为热弹性弯曲和永久性弯曲。热弹性弯曲是指转子内部温度分布不均匀，转子受热后膨胀不均而造成的弯曲。当转子内部温度均匀后这种热弯曲会自然消失，永久性弯曲则不同，当转子局部区域受到急骤加热（或冷却） 而该区域与其它部位产生很大的温度偏差，受热部位热膨胀受到约束产生巨大的压应力。当其应力值超过转子材料的屈服极限时，转子局部便产生压缩塑性变形。当转子内部温度均匀后，该部位将有残存拉应力，塑性变形不消失，从而造成转子的永久性弯曲。

2 汽轮机转子发生永久性弯曲的原因

汽轮机转子发生永久性弯曲的原因是多方面的。汽轮机长期高速运行，在设计、制造、检修或运行过程中稍有疏忽，即可能引起转子弯曲，具体分析可归纳为如下原因：

2.1 运行过程中发生强烈振动，引起动静摩擦，摩擦后产生的热量，主要是沿转子传导。由于剧烈的振动摩擦，所以被摩擦部位的温度很高，造成材料屈服强度下降，过大的热应力使转子发生热变形，向摩擦一侧凸起弯曲，导致进一步加重摩擦与变形。转子发热处的金属，随温度升高而欲向四周膨胀，但四周的冷金属阻止此种膨胀，结果在发热处部分金属产生压力，在一定温度下，此压力超过金属材料屈服点，在转子冷却后，就向摩擦处相反的方向弯曲，形成永久性弯曲。如果金属摩擦部分没有超过它的弹性极限，当转子冷却后还可以恢复至原来状态。

2.2 安装或检修中对轴封调整不当，汽封片退让间隙不够。高温高压汽轮机的高、中压转子与叶轮是整体锻造成型的，它没有汽封套，因而高、中压轴封部位在启停过程中容易发生摩擦弯曲。有些高、中压气缸与轴承联接是利用下缸猫爪搭接在轴承箱上，此种结构，在汽封洼窝找正时，应该考虑猫爪温度上升时汽封洼窝中心的变化。

2.3 汽缸进水或冷蒸汽进入。汽轮机运行中由于锅炉故障导致蒸汽温度急剧下降，加热器水管破裂或疏水布置不合理等因素，引起冷水或冷蒸汽进入汽缸，喷至转子上，使转子受到不均匀骤然冷却。在受冷的一面要收缩，保有原来温度的热的一面不发生收缩，于是转子就出现弯曲，当温差大于某一数值后，就会产生超过屈服极限的热应力，于是热的一面就产生压缩变形，冷的一面就产生拉伸塑性变形，此时，就应停机，温度相同的转子，冷的一面就会变成凸出的一面，形成转子永久弯曲。转子弯曲变形中，由于摩擦造成的弯曲，曲率较小，由于冷水或冷汽引起的弯曲曲率较大。

2.4 汽缸保温不良。如果汽缸保温不良，汽轮机在启停过程中，上下缸会产生较大温差，通常上缸温度高于下缸温度，使上缸膨胀高于下缸，上缸拱起，这种现象俗称“猫拱背”。在拱背发生时，下汽缸径向间隙减少，造成动静摩擦，损坏下汽缸隔板汽封及速度级汽封，叶轮还会偏离正常垂直平面，使轴向间隙减小，有些机组停机后盘车盘不动，往往是这种现象造成的。上下缸温差最大值出现在速度级区域，所以上下缸拱背也出现在调速级附近、一般速度级上下温差每增加10℃，该处动静间隙减小0.10mm，隔板汽封间隙减少0.4～0.7mm，因此规定上下缸温差不能超过50℃。由于上下缸温差造成的动静摩擦，进而引起的转子弯曲是暂时弯曲，如果此时操作失误，又加剧了摩擦，可能会导致永久弯曲。

2.5 转子热弯曲引起的永久弯曲。汽轮机套装叶轮和其他部件，轴向膨胀间隙留的不足或不均匀，当轴受热后膨胀受阻，产生暂时弯曲，这只有当转子在某一温度时才会出现。但暂时弯曲一旦引起动静摩擦，弯曲加剧也可能造成永久弯曲。

2.6 转子内部残余应力释放后发生弯曲。近几年国内发生了多起机组新投产不久就发生汽轮机转子弯曲的现象，经查安装、运行记录均未发现导致转子弯曲原因。这主要是因为转子制造中热处理不理想而残留热应力，热应力又随机组启停转子温度发生变化得到释放而引起转子永久弯曲。

3 汽轮机转子发生永久性弯曲在不同状态下的检测

汽轮发电机组轴系发生弯曲，导致其重心偏离了几何中心，会造成运行中发生较大振动，因而在测振时振动频谱以一阶振型为主要成分，同时出现二阶振型成分，表现为两侧轴承振动的相位接近，在启动过程的第一临界转速附近会出现强烈振动，且轴向振动也较平时有所增加，近似于静不平衡，为了准确判断，可用下列方法区分。

3.1 不揭缸判断转子弯曲。如果怀疑转子弯曲、但不能肯定，一般需揭上缸进行检查，但是大型机组揭缸工作是非常复杂的，在工作实践中，可利用相似三角形原理，通过测量转子两侧对轮或推力盘瓢偏值，即可近似求出主轴弯曲值大小及位置，从而进一步判断转子是否弯曲。在检修工作中，我们可以从机组安装、检修记录查得原瓢偏值，如转子发生弯曲，其对轮及推力盘瓢偏值必然增加，而且是从轴的纵断面向内侧瓢偏，因而测量瓢偏值，对比出瓢偏变化情况，即可推导出转子的弯曲值及弯曲的位置。图1所示是一台弯曲高中压转子实例。由图1可知，△OEF≌△ACD，△O1GH≌△BCD，

所以■=■ ■=■ .

已知量：对轮瓢偏变化值EF=ΔX，半径OF=d/2；推力盘瓢偏变化值O1G=ΔY，半径=D/2；

转子两轴颈间距离AC+BC=L。

将已知量带入上式解方程可得：

AC=■ CD=■

CD即为转子最大弯曲值，AC为最大弯曲点距A轴承的距离。

实际上转子为一刚体，并非如图1所示的那样，故上述计算与实际情况会略有误差，但可大致测出其趋势。

3.2 在汽缸内测量转子弯曲及校正。汽缸内测量转子弯曲，传统方法是采用百分表直接测量。测量前，需用细砂纸将各测量部位的结垢、锈蚀、毛刺等打磨光滑，将转子圆周分为8等分，按旋转方向盘动转子，依次对准各点进行测量读数，画好记录圆。然后将纵断面各弯曲点数值相连，即可描绘出转子弯曲曲线，这是非常直观、较为精确的。但在众多检修工作中，测量时会遇到一些困难，如由于主轴表面腐蚀、橢圆等，使曲线不能成为圆滑曲线，造成判断偏差。一般情况下我们根据百分表读数变化趋势和沿圆周相对180°的两个数值之和是否相等来检验测量数值准确与否。这种方法可以判断出测量是否有误差，则无法确定其弯曲数值究竟是多少，最大点在何处。为解决此问题这里介绍一种判断其数值真伪的方法——偏心圆法，借助计算机软件的精确作图可以方便而准确鉴别测点数据的真伪。其原理是转子弯曲后其几何中心必然偏离正常中心，如果我们找出偏离的圆心，绘出偏心圆，量出其偏心值，即可科学的判断弯曲方向及数值，方法如下：①用传统方法测量出数值后，画出记录圆，算出同直径两端读数代数差，按同一比例在其直径辐射线上描点。②通过记录圆圆心和大多数代数差点绘制偏心圆，确定其圆心。③连接记录圆圆心O及偏心圆圆心O1，延长交偏心圆于M点，偏心距OO1即为横断面最大弯曲值，M点为转子弯曲的准确方向。

举例如下：某厂4号机组高中压转子调速级处弯曲测量记录圆如图2所示。

计算同直径两端读数代数差如下：

位置 代数差

1——5 10

2——6 12

3——7 5

4——8 -9

绘制偏心圆，确定其圆心，测量OO1距离，如图3所示。

由图3可以判断出，转子弯曲的测量数值是正确的，除④点以外，其他各点均基本落在偏心圆上。偏心距OO1为0.062mm，最大弯曲点M位置在1～2之间靠近2点1/4处。

④偏心圆法修正转子弯曲的用途：a它是8个测点综合数值分析后的全面反映，而传统方法直接测量出的弯曲值仅代表一周中同直径两端读数的差值，是片面的。如果一个数值有问题，即可能做出错误的判断。因此对最大弯曲点应该作偏心圆分析一下，再对最大弯曲值及位置方向下结论。b它可准确地绘出横断面最大弯曲的数值及方向。因为转子测点处受椭圆、锈蚀等的影响，不可能测出真实数值，但加以修正即可反映出正确数值。c偏心圆法原理上不受测点多少的影响，但在实际作图时仍存在点越多越精确的事实，故建议采用12点、16点测量方式。

4 汽轮机直轴方法原理及适用范围

当汽轮机转子一旦确定发生永久弯曲，且弯曲值>0.06mm，即应进行直轴处理。直轴方法大致有捻打法、局部加热法、局部加热加压法、内应力松弛法等。但采用哪种方法应根据具体情况进行选择。本文仅就各种方法的适用范围及原理进行阐述，具体的直轴方案及操作方法需依据实际情况制定。

4.1 捻打法的原理是将主轴凹面向上放置，用锤捻打凹处，使金属分子间的内聚力减少而使纤维伸长，达到直轴的目的。此方法直轴后存在残余应力，稳定性较差。捻打法适用于低参数转子及发电机转子，特别是发电机转子弯曲后，采用松弛法或局部加热法对电气绝缘是不允许的，故采用捻打法比较合适。

4.2 局部加热法的原理是将凸出部位的金属纤维收缩，凹入侧的金属纤维伸长，达到使主轴伸直的目的。故在轴弯曲凸出部位进行局部加热，使金属纤维随温度升高向四周膨胀，但四周冷金属纤维阻止这种膨胀，使加热部位金属产生压应力。在一定温度下，此应力超过金属屈服点，在金属内产生残余变形，当轴冷却后，就会向原弯曲部位的相反方向弯曲，达到直轴的目的。局部加热法适用于碳素钢及部分合金钢。特别指出的是当主轴有局部淬火或转子为鼓形或空心整锻转子，且弯曲度大于1.0mm时，不适合使用局部加热法。

4.3 局部加热加压法的原理与局部加热法基本相同。如果主轴直径在200mm以上，局部加热法效果不显著，最好采用局部加热加压法。它与局部加热法不同之处，是在加热之前把轴向凸出侧朝上放置，利用机械加压工具，事先在加热处附近施加压力，使轴的加热部位预先产生应力，当加热时，轴向上弯曲遇到补充阻力，因而在加热处的钢材，比纯加热直轴时，提前超过屈服点，使直轴过程加快。

4.4 内应力松弛法直轴是利用金属材料在高温下会发生应力松弛的特性。应力松弛法直轴，在轴的弯曲部分全圆周加热到低于回火温度30～50℃之后，在弯曲凸点上加上该温度下屈服极限以下的一定外力，使轴产生弹性变形，在高温下作用在轴上的应力逐渐降低，弹性变形转变为塑性变形，使轴直过来。内应力松弛法直轴后内部不存在应力，稳定性好，对轴的寿命影响小，特别适用于合金钢制造的高压整锻转子大轴，故现代大型机组转子弯曲后均采用此法直轴。

4.5 机加工车削后动平衡补偿。部分转子弯曲是由制造中的热处理不理想而残留热应力造成的，多數情况下弯曲不是很大，而且均匀分布在整个转子跨度上。这种质量偏心可使用动平衡的方法在一些转速下直接抵消旋转矢量激振力，减小振动。因应力释放引起的转子弯曲，不能热加工直轴处理，遇到这种情况时，可对转子弯曲较大处进行机加车削，然后动平衡处理。如某厂1号机组CCLN660-

25/600/600型汽轮机高中压转子进汽平衡环处最大弯曲0.13mm，采用此种方法处理后效果良好。

5 总结

探讨汽轮机转子发生永久弯曲的机理与原因，可以方便我们在检修工作中做出正确的判断，并在检修、运行过程中加以更正、避免。转子弯曲最大值的精确测量，是判断是否需要直轴的要素之一，弯曲位置的精确定位也是直轴工作顺利进行的基础。

参考文献：

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