汽轮机转子热稳定试验方法探究

桂启志， 秦琦栋， 李光明， 刘良玉

(东方汽轮机有限公司, 四川德阳 618000)



汽轮机转子热稳定试验方法探究

桂启志， 秦琦栋， 李光明， 刘良玉

(东方汽轮机有限公司, 四川德阳 618000)

阐述了汽轮机转子热稳定试验的原理，并针对国内外常用的4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，并以某600 MW机组高中压转子热稳定试验原始采集数据为例，按这4种评判标准对应的数据处理方法进行了数据计算，分析了汽轮机转子热稳定试验实施过程中影响试验结果准确性的因素及其对评判方法的影响。

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 K，在测试设备上以2～4 r/min的速度旋转，测量其在一个旋转周期中静挠度的变化情况，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。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，增加漏汽损失，使机组运行经济性降低；重则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。热稳定试验的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，为提高汽轮机运行时的安全性、可靠性和稳定性提供保障。

对于汽轮机转子热稳定试验的数据，目前国内外存在着不同的评判标准和方法。针对各评判标准及方法间存在的差异，笔者选取4种常用的评判标准及方法，对其差异进行了对比分析，探讨了各种方法的优劣及误差来源，并基于某600 MW机组高、中压转子热稳定试验原始采集数据，进一步验证了不同评判标准及方法间的差异。

1 试验原理

图1是该600 MW机组高、中压转子的热稳定试验示意图。由图1可见：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4个相位，匀速转动转子，对转子按要求升温并降温。

图1 转子热稳定试验示意图

在转子处于初始冷态、热稳定试验温度保温状态、最终冷态3个状态下，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3组数据进行分析评判，确认转子在热态及最终冷态下是否有挠曲变形(见图2)。

图2 转子热稳定温度-时间图

2 评判标准优劣探讨

对于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。笔者选取了国内外4种常用的评判标准进行了重点探讨，即日本日立公司的标准、国内使用的标准、欧洲普遍使用的标准、美国制定的标准。

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

对于跳动值的测量，每小时进行一次。对4个相位上的跳动，在坐标图中进行矢量叠加，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(见图3)。

图3 转子轴心偏移轨迹

转子弯曲度为：

(1)

式中：E为某时刻的转子弯曲度；A、B、C、D分别为该时刻转子在0°、90°、180°、270° 4个相位上的跳动值。

根据矢量叠加得到的轴心偏移值，可画出温度、跳动、转子伸长量随时间的变化图(见图4)。

图4 转子温度、跳动、转子伸长量随时间的变化图

评判标准：若轴心偏移值为图5(a)型曲线，则判定合格；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值ΔΕ超过0.05 mm时，则判定不合格。

图5 轴心偏移值曲线

2.1.2 国内常见使用的评判标准及方法

计算转子初始冷态时的弯曲度为：

(2)

式中：F0为初始冷态时转子的弯曲度；F1、F2、F3、F4分别为初始冷态时转子在0°、90°、180°、270° 4个相位上的跳动值。

计算转子热态或最终冷态时的弯曲度为：

(3)

F0与F′之间的夹角(α+β)见图6。

图6 初始冷态与热态(或最终冷态)弯曲度间夹角

(4)

(5)

式中：α和β分别为初始冷态时和热态时(或最终冷态)转子轴心偏移方向与竖直方向的夹角。

转子实际弯曲度为：

(6)

评判标准：热态时实际弯曲度不大于0.05 mm，且最终冷态时实际弯曲度(残余弯曲度)不大于0.025 mm，则判定合格。

从上述计算过程可看出：此处理论弯曲度值的定义，与日本日立公司的弯曲度的定义是一致的；不同之处在于，国内方法中的评判指标(热态实际弯曲度值和残余弯曲度)分别是热态和最终冷态相对于初始冷态进行定义；而日本日立公司的评判指标是以最终冷态相对于热态进行定义，与初始冷态无关。

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，假设热态时该测试带的转子外圆在0°、90°、180°、270° 4个相位跳动读数分别为A1、B1、C1、D1，最终冷态时该测试带在相应相位上的读数依次为A2、B2、C2、D2，则

x1=A1-C1

(7)

y1=B1-D1

(8)

x2=A2-C2

(9)

y2=B2-D2

(10)

(11)

式中：x1、y1为热态时转子分别在0°～180°、90°～270°两个方向上跳动读数的差值；x2、y2为最终冷态时转子分别在0°～180°、90°～270°两个方向上跳动读数的差值；λ为最终冷态时转子轴心相对于热态时转子轴心的偏移值的2倍。

评判标准：λ不超过0.05 mm时为合格。

上述计算过程的几何意义见图7。

图7 欧洲计算方法的几何意义

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

(12)

ΔB=B1-B2

(13)

ΔC=C1-C2

(14)

ΔD=D1-D2

(15)

式中：ΔA、ΔB、ΔC、ΔD分别为各相位上热态时读数与最终冷态时读数的差值。

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

评判标准：ΔY不大于0.051 mm时为合格[1]。

2.2 各评判标准及方法优劣比较

日立公司的计算方法中，对于弯曲度的计算，即根据外圆跳动计算出轴心偏移，其物理意义十分清晰。图5(a)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一直保持恒定，没有变化。出现该现象的原因在于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，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。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。出现该现象的原因在于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，轴心偏移值增大；后续在逐渐冷却过程中，其膨胀量逐渐缩小，轴心偏移值变小[2]。因此，日立公司的方法中，对于该现象，若变形量超过允许值0.05 mm，则判定不合格。

国内的方法中，从其代数式可以看出，其“热态实际弯曲度”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轴心偏移量来表征，这是其他方法中没有的。热态时转子轴心相对于初始冷态时的偏移，可能由内应力不均和组织不均引起；最终冷态时转子轴心相对于初始冷态时的偏移，主要由内应力不均引起。这种方法及评判标准，不仅对单纯由内应力不均引起的轴心偏移量大小作出了限定，而且对由内应力不均以及内部组织不均匀两个因素叠加引起的轴心偏移量的大小也作出了限定。相对而言，这种评判标准更为严格一些。

欧洲使用的评判标准，物理意义十分清晰，即最终冷态时轴心相对于热态时的偏移，与日立公司标准一致。在具体的评判方法上，日立公司评判方法注意了轴心偏移值大小的变化，忽略了轴心偏移的方向，可能会出现合格的假象，即以初始冷态时的转子轴心位置为圆心，以热态时的轴心偏移值为半径作圆，转子在从热态趋于最终冷态过程中，当轴心在该圆形轨迹上移动时，其轴心偏移值仍将保持不变，满足合格要求，但实际上转子可能已经发生挠曲变形。欧洲计算方法则可以避免该假象的发生。

美国制定的方法只是通过最大差值与最小差值间的差值来简单地判断转子轴心偏移情况，没有考虑剩余两个相位的跳动情况，因此不能真实反映转子的实际轴心弯曲量，通过该方法得到的转子轴心偏移量与真实的偏移量之间总是存在一定误差。该误差为：

(16)

式中：f(m,n)为所求误差；m为最大差值与最小差值之间的差值；n为其余两个相位上的差值。

式(16)关于m单调递减，关于n单调递增，即最大差值与最小差值之间的差值越小，则计算误差越大；剩余两个相位上的差值之间相差越大，则计算误差越大。误差最大可达0.021mm。

2.3 各方法具体计算

笔者以某600MW机组高、中压转子热稳定试验的中间3条测试带的数据为例，采取4种方法进行计算，其原始数据见表1。

表1 原始测量数据 μm

依据上述各计算方法，对表1中的原始数据进行计算，结果见表2。

表2 4种方法计算结果 μm

由表2可以看出：对于同一测试带的数据，采用不同的评判标准和方法，判定结果并不完全一致。该现象的出现，印证了不同的评判标准和方法，其本身的精密性和对原始数据的适应性是不同的。

3 影响试验数据采集准确性的因素

3.1 转子支撑处的平稳性

转子靠电动机带动旋转。转子与滚轮的接触带之间存在摩擦力，该摩擦力带动滚轮转动。由于制造误差，转子支撑圆和滚轮外圆表面都存在着不为零的跳动、不平行度和一定的粗糙度。滚轮与转子互相接触的两个表面在连续转动过程中不断互相啮合磨损，导致转子支撑处的跳动在热稳定试验过程中逐渐变化。此外，转子在加热后支撑处外径增大，使转子与滚轮之间夹角发生变化，从而导致摩擦力的大小发生变化。上述两种情况均会影响转子支撑处的平稳性，从而影响热稳定试验时转子外圆各测量带的跳动数据。

3.2 跳动值读取的准确性

转子外圆测量带上的跳动通过跳动测量杆进行检测。高温热态时，转子轴向伸长量较大(600 MW火电汽轮机低压转子伸长量一般在30 mm以上)，此时跳动测量杆所在的转子外圆横截面相对于冷态时跳动测量杆所在的转子外圆横截面，已并非同一横截面；其次，对于测试带上均匀分布的4个相位的跳动值，无论是人为读取还是设定时间自动采集，由于不可避免的电动机转速误差等因素，使得在每一次跳动值读取间隔时间内，转子并未恰好转完四分之一圈，这会导致转子外圆测量带上每一圈的4个跳动值读取点与下一圈的4个跳动值读取点并不一定完全重合；再次，转子在热态时外径显著增大，由于内应力释放转子外圆可能会存在不规则变形，从而导致转子外圆本身的跳动再次发生变化。上述3种情况，均会影响转子外圆各测量带上跳动值读取的准确性。

3.3 跳动值传递的准确性

使用跳动测量杆检测转子外圆测量带的跳动值时，需将测量杆穿过嵌在炉体中的套筒，炉外的测量杆根部处采用弹簧对测量杆给予一定轴向预紧力，使炉内的测量杆顶部顶在转子测量带外圆表面。套筒与测量杆之间有较大间隙。跳动检测时，在测量杆顶部与转子测量带外圆表面接触处，根据转子转动时测量带表面情况，测量杆顶部会受到不稳定的沿转子外圆表面的切向力。该切向力会导致测量杆在套筒内晃动，或者使测量杆与套筒内壁接触，从而对跳动值的准确传递产生影响。

上述三条因素中，转子支撑处的平稳性和跳动值读取的准确性对于前述4种评判方法的影响都是一致的。对于第2条因素，考虑到美国方

法需要对同一个跳动检测点在热态和最终冷态时的两个跳动值做差值计算，其对同一个跳动检测点在两种状态下的重复定位准确度要求较高，因此，采用美国方法评判时，第2条因素对真实结果的影响要相对大些。而其余3种方法均是对同一状态下的4个相位的跳动数据进行计算，目的是得到该状态下的轴心偏移，因此，采用其余3种方法评判时，上述第2条因素对真实结果的影响要相对小些。

4 结语

(1) 国内使用的方法不仅规定了单纯由内应力不均引起的轴心偏移量，而且规定了由内应力不均以及内部组织不均匀两个因素叠加引起的轴心偏移量，在本文所述的4种方法中，相对最为严谨。

(2) 美国制定的方法不能准确地反映出转子热稳定试验时轴心偏移量，计算结果存在误差。4个相位上最大差值与最小差值之间的差值越小，误差越大；其余2个相位上的差值之间相差越大，误差越大，最大可达0.021 mm。

(3) 欧洲普遍使用的方法与日本日立公司的方法在评判标准上是一致的，但欧洲方法相对较为严谨一些，可避免出现合格的假象。

(4) 针对同一测试带的数据，采用不同的评判标准和方法，得到的结论可能会有不同。

(5) 在对转子进行热稳定试验时，为了提高试验数据采集的准确性，应当在转子支撑处的平稳性、跳动值读取的准确性和跳动值传递的准确性三个方面尽量改善。其中，跳动值读取的准确性对美国评判方法的影响相对大一些，对其余3种评判方法的影响相对小一些。

[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]方国华. 转子的热稳定试验[J]. 工业汽轮机, 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

桂启志(1976—)，男，工程师，主要从事汽轮机制造技术和技术管理工作。

E-mail: guiqz@126.com

TK263.61

A

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