汽轮机转子热稳定试验方法探究

秦琦栋 桂启志 刘良玉 李光明

(中国东方电气集团东方汽轮机有限公司，四川618000)



汽轮机转子热稳定试验方法探究

秦琦栋 桂启志 刘良玉 李光明

(中国东方电气集团东方汽轮机有限公司，四川618000)

针对国内外常见的四种热稳定试验的评判标准，分析了各种标准及对应数据处理方法的物理意义，探讨了各种方法的优劣及误差来源，还分析了汽轮机转子热稳定试验具体实施过程中影响试验结果准确性的因素。

汽轮机；转子；热稳定试验

汽轮机转子的热稳定试验(俗称热跑)，是将满足热稳定试验条件的汽轮机转子加热到工作温度以上30～50℃，在测试设备上以(2～4)r/min的速度旋转，测量在一个旋转周期中其静挠度的变化情况，并与冷态下的结果相比较。若相差较大，则说明转子在高温状态下的同心度不好。其目的是检测转子在热态下是否稳定，即不发生变形，仍然保持轴对称的特性。其必要性在于：汽轮机的转速较高，若转子热变形径跳超差，会产生较大的不平衡离心力，引起机组振动。汽轮机的振动超过规定范围时，轻则使端部轴封、隔板汽封磨损，间隙增大，漏汽损失增加，使机组运行经济性降低。振动严重时，可能使与机组相连接的轴承、轴承座、主油泵、传动齿轮、凝汽器、管道等发生共振，甚至引起连接螺栓松动、地脚螺栓断裂等，从而造成重大事故。因此，为提高汽轮机运行时的安全性、可靠性和稳定性，必须重视汽轮机转子的热稳定试验。

1 试验原理

图1是我厂的热稳定试验示意图，汽轮机转子热稳定试验设备型号为BTG1025。将转子置于滚轮支架上，使转子入炉区域在加热炉体以内，转子一侧连接有驱动转子匀速转动装置。炉体采用上盖下座方式，根据转子长度自由组合炉体，炉体之间连接部位采用石棉等密封。转子上沿轴向方向分为5条及以上测试带，每条测试带分为四个相位，匀速转动转子，采用跳动测量杆检测每条测试带上的各个相位的跳动值并记录。采用热电偶检测炉内温度，使转子均匀升温至热稳定试验温度并保温(升温中途需根据转子叶轮大小进行一定时间保温)，待转子温度均匀后，再次采用跳动测量杆检测每条测试带上的各个相位的跳动值，并记录。使转子均匀缓慢降温，直至室温后第三次采用跳动测量杆检测每条测试带上的各个相位的跳动值，并记录。对获得的三组数据进行分析评判，确认转子在热态下及最终冷态下是否有挠曲变形。转子热稳定温度-时间曲线如图2所示。

第一次冷态跳动测量数据可用于分析试验前转子的加工是否满足同心度跳动要求；热态下跳动测量数据可以用于分析在热态下转子是否发生了挠性弯曲变形；最终冷态下的跳动测量数据可用于分析转子在冷却后，加热时发生的挠性弯曲变形是否已恢复。若已恢复，则说明热态下的变形是由加热速度过快，导致转子径向方向上温度不均产生应力造成的。

2 四种常见评判标准

对测量后数据的评判标准和具体评判方法，不同国家及公司制定的标准和方法有所不同。本

图1 转子热稳定试验示意图

Figure 1 Schematic diagram of thermal stability test of rotor

图2 转子热稳定温度-时间曲线

Figure 2 Rotor thermal stability curve between temperature and time

文选取了日本日立公司的标准、国内常见使用的标准、欧洲普遍使用的标准、美国制定的标准等国内外四种常见的评判标准进行了重点探讨。

2.1 各评判标准及方法介绍

2.1.1 日本日立公司评判标准及方法

每小时测量一次跳动值，在坐标图中对四个相位上的跳动进行矢量叠加，得到最终矢量，矢量的方向即为该时刻转子轴心偏移的方向，矢量的大小为转子轴心偏移量的2倍。将每小时各矢量终点连接起来，即可得到整个过程中转子轴心偏移的轨迹，如图3所示。设四个相位上测得的跳动值分别为A、B、C、D，则该时刻转子弯曲度为：

图3 转子轴心偏移轨迹

Figure 3 Rotor axis offset trajectory

根据前述矢量叠加得到的轴心偏移值，可画出温度、跳动随时间的变化曲线，如图4所示。

评判标准：若轴心偏移值为图5(a)型曲线，则判定为合格；若轴心偏移值为图5(b)型曲线，当热态时数值与最终冷态时数值差超过0.05 mm时，则判定为不合格。

图4 转子温度、跳动随时间的变化曲线

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

(a)由残余应力引起

(b)由组织不均匀引起

图5 转子温度、跳动与时间的变化曲线

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

2.1.2 国内常见使用的评判标准及方法

根据三次测量的跳动值，计算理论弯曲度值为：

式中，F0为冷态时转子的弯曲度值；F′为热态时转子的弯曲度值；F1～F4为冷态时转子四个相位上的跳动值；F1′～F4′为热态时转子的弯曲度值。F0与F′之间的夹角(α+β)，如图6所示，其计算公式为：

图6 转子弯曲度值之间的夹角

Figure 6 Angle between the rotor curvature values

实际弯曲度值为：

评判标准：热态时实际弯曲度值不大于0.05 mm，且最终冷态时的实际弯曲度值(残余弯曲度)不大于0.025 mm。

2.1.3 欧洲普遍使用的评判标准及方法

选取转子的一个测试带为例，假设热态的读数为A1、B1、C1、D1，最终冷态时的读数为A2、B2、C2、D2，则如图7所示：

x1=B1-D1

y1=A1-C1

x2=B2-D2

y2=A2-C2

ΔX=x1-x2

ΔY=y1-y2

评判标准：λ不超过0.05 mm时为合格。

图7 λ计算方法示意图

Figure 7 Schematic diagram ofλcalculation method

2.1.4 美国制定的评判标准及方法

假设热态的读数为A1、B1、C1、D1，最终冷态时的读数为A2、B2、C2、D2，则：

ΔA=A1-A2

ΔB=B1-B2

ΔC=C1-C2

ΔD=D1-D2

在ΔA、ΔB、ΔC、ΔD四个差值中选取最大正值和最大负值，两者相减而不需考虑正负符号，所得结果即为最大挠度值ΔY。

评判标准：ΔY不大于0.051 mm。

2.2 各方法优劣

2.2.1 日立公司评判标准

日立的计算方法中，对于弯曲度的计算，即根据外圆跳动计算出轴心偏移。评判标准的意义：

(1)图5(a)中的跳动值曲线反映了最终冷态时的转子挠度与热态时的转子挠度相同或相近。此种挠曲变形是由于锻件本身存在不对称分布的残余内应力引起的。加热破坏了残余内应力的平衡，导致内应力发生变化并重新分布，从而使转子发生变形。在最终冷却后，残余内应力一直按照热态时的状态分布，因此最终冷态时的转子变形也与热态时相同。

(2)图5(b)中的跳动值曲线反映了热态时转子出现的挠曲变形在趋向最终冷态的过程中逐渐消除。此种挠曲变形是由于转子内部组织不均匀引起。加热后，不同部位其热膨胀大小不一，导致转子变形；在逐渐冷却过程中，其膨胀量逐渐缩小，直至最终冷态时转子膨胀量缩小至与初始冷态相同。

(3)因此，日立方法中，对于该现象，若变形量超过允许值0.05 mm，则判定不合格。

2.2.2 国内常见的评判标准

国内的方法中，从其公式中可以看出，其“实际热弯曲度值”事实上是热态相对于初始冷态的轴心偏移量，评判标准要求该轴心偏移量不大于0.05 mm，同时要求最终冷态相对于初始冷态的残余轴心偏移量不大于0.025 mm。此方法特殊之处在于，始终以各状态相对于初始冷态的状态来表征，这是其他方法中没有的。热态时轴心相对于初始冷态的偏移，可能由内应力不均和组织不均而引起，最终冷态时轴心相对于初始冷态的偏移，主要由内应力不均而引起。此种方法及评判标准，相当于对两者均作出了限定。相对而言，此种评判标准更为严格。

2.2.3 欧洲普遍使用的评判标准

欧洲使用的方法，即最终冷态时轴心相对于热态时的偏移。其评判标准与日立标准完全一致，两者差异在于计算方法不同。欧洲方法考虑了正负偏移，而日立方法未考虑正负偏移，导致可能会存在合格的假象，即圆心可在某一圆范围内偏移，如果方向恰好相反，则偏移可能相差0.1 mm，该方法在几何意义上则只允许0.05 mm的一段弦长。

2.2.4 美国使用的评判标准

美国制定的方法要求合格的条件是各相位上热态与冷态的差值中最大差值与最小差值相差0.051 mm，该要求就确定了所有差值均在0.051 mm范围内。从几何意义上看，各相位热态减去冷态的差值的矢量终点都在一个半径相差0.051 mm的同心圆环内，无论这个圆环有多大。因此美国使用的方法误差相对较大。设x为最大及最小两者差值，y为另外两个相位的差值，则转子实际轴心弯曲量与美国使用方法计算得到的差值之间的误差为：

其中，0

2.3 各种方法具体计算

下面以我厂某600 MW机组高中压转子热稳定试验的中间三条测试带数据(见表1)为例，采取各种方法进行计算，结果见表2。

从表2中可以看出：对于同一测试带的数据，不同的方法，其判定结果可能不同，也可能相同，取决于测试带数据本身对评判方法的适应性；同一种方法下，对于不同的测试带数据，日立方法为全部合格，其余三种方法均有一条测试带不合格，由评判方法本身的精密性决定。

表1 原始数据(μm)

Table 1 Primary data (μm)

测试带测试带二测试带三测试带四相位初始冷态热态最终冷态A2018-3193865B2026-3197875C2019-3240882D2021-3223885A39873147-274B39543185-285C39153144-280D39153165-277A-600-6554-4541B-587-6567-4545C-572-6549-4531D-599-6566-4558

表2 用四种方法判定的结果(μm)

Table 2 The results determined by four methods (μm)

方法类型测试带测试带二测试带三测试带四评判标准日立方法热态与最终冷态轴心偏移值的差值判定结论17合格5合格5合格差值小于0.05mm为合格国内方法热态实际弯曲度值最终冷态实际弯曲度值判定258合格4536不合格1215合格热态实际弯曲度值不超过0.05mm,且冷态实际弯曲度值不超过0.025mm时,为合格欧洲方法λ判定73不合格28合格15合格λ不超过0.05mm为合格美国方法ΔY判定64不合格49合格14合格ΔY不超过0.051mm为合格

3 误差来源分析

在转子热稳定试验的具体实施中，有以下三个方面会影响转子热稳定试验的准确性：

(1)支撑处的跳动

转子靠电机带动旋转，转子与滚轮的接触带之间存在摩擦力，转子转动时靠摩擦力带动滚轮旋转。转子支撑圆本身有圆跳；滚轮外圆表面的跳动、哨度、粗糙度等；滚轮与支撑圆之间的接触情况及试验过程中磨损导致的变化；加热后转子外径变化导致转子与滚轮之间受力夹角发生变化。以上情况均会引起支撑处跳动发生变化，从而对转子热稳定试验的准确性产生影响。

(2)跳动值的获得

跳动值的读取依靠打在转子外圆的跳动测量杆。在高温热态时，转子轴向伸长量较大(普通火电汽轮机转子伸长量一般在30 mm以上)，此时跳动测量杆所测得的外圆与初始冷态和最终热态时测得的外圆并非是同一外圆。此外，转子分四个相位读取点，对于四个相位的跳动值，无论是人为方式读取或设定时间自动采集，由于电机转速误差和机械差异，可能会存在转子转一圈的时间与四次读取跳动数值的间隔时间的总和并不一定恰好完全匹配。会导致每一圈读取的四个相位与下一圈读取的四个相位并不一定完全重合(可能会有角度差异)。另外，转子在热态时外径显著增大，由于内应力可能会发生不规则变形。由于转子外圆表面本身有跳动、哨度、粗糙度等，因此上述这些情况，可能会使获得的跳动值存在假象。

(3)跳动值的传递

跳动测量杆顶部打在转子外圆表面，通过嵌在炉体中的套筒作为导向，将转子跳动情况通过测量杆体由炉内传递至炉外。由于套筒与测量杆之间有较大间隙，在转子转动过程中可能会导致测量杆有较大晃动，从而对跳动值的准确传递产生影响。此外，炉外测量杆根部采用弹簧对测量杆给予一定预紧力，使测量杆顶部紧紧顶在转子外圆表面，转子转动时由于摩擦，根据转子表面情况，可能会对测量杆施加一个不稳定的表面切向力。由于测量杆体与套筒内壁接触，因此测量杆与套筒之间会存在不稳定的摩擦力。该不稳定的摩擦力也会对跳动值的准确传递产生影响。

4 结论

汽轮机转子热稳定试验原理基本一致，评判标准及数据处理方法则因不同厂家各有不同，导致检测结果有所不同。其检测结果直接关系到转子的运行安全和使用寿命，应引起足够重视。本文同时指出了目前热稳定试验具体实施中存在的误差，可供未来热稳定试验设备精确化制造提供参考。

[1] HHS KCK0010 R04汽轮机转子主轴毛坯的热稳定试验[S]．日本日立公司．

[2] DZ6.1.45-90转子热试验操作指导书[S]．东方汽轮机厂．

[3] ASTM A472-98汽轮机主轴和主轴锻件的热稳定性试验方法[S]．美国材料与试验协会．

[4] 于秀平，王群，孙煜伟，等. 转子热稳定性测试方法分析[J]．大型铸锻件．2012(3)：20-21．

[5] 方国华. 转子的热稳定试验[J]．工业汽轮机．2013(1)：30-34．

编辑 陈秀娟

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

秦琦栋(1986—)，男，本科双学士，工程师，现从事汽轮机转子加工及装配工艺工作。

TK477

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