汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子永久彎曲原因分析及檢修中檢查處理

劉順寶 等

摘要：本文就汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子彎曲的機(jī)理進(jìn)行簡單介紹，著重分析了汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子發(fā)生永久性彎曲的原因，并詳細(xì)介紹了汽輪機(jī)本體檢修中常用的轉(zhuǎn)子彎曲檢查、測量方法，最后介紹了幾種常用的直軸方法，以期對汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子的精細(xì)檢修和安全運(yùn)行起到指導(dǎo)作用。

關(guān)鍵詞：汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子 彎曲原因 測量

0 引言

汽輪機(jī)是高速旋轉(zhuǎn)的機(jī)械，轉(zhuǎn)子在高溫高壓的工作環(huán)境下工作，除了在動葉通道完成能量轉(zhuǎn)換、傳遞扭矩外，還要承受很大的離心力、熱應(yīng)力及振動產(chǎn)生的動應(yīng)力。為了保證汽輪機(jī)能長期安全穩(wěn)定運(yùn)行，在汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子制造時應(yīng)精密，調(diào)整、安裝、檢修時應(yīng)精細(xì)準(zhǔn)確。

汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子發(fā)生永久性彎曲， 是火力發(fā)電廠的重大惡性事故之一， 它不僅增加機(jī)組的非計(jì)劃停運(yùn)時間， 而且還要耗用相當(dāng)多的檢修費(fèi)用， 是火力發(fā)電廠絕對不愿發(fā)生的事。但由于運(yùn)行啟停操作失誤，設(shè)計(jì)、安裝、檢修不當(dāng)，汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子彎曲時有發(fā)生，對機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來很大威脅，甚至造成巨大經(jīng)濟(jì)損失，應(yīng)引起汽輪機(jī)檢修、運(yùn)行人員的足夠重視。一般情況下，轉(zhuǎn)子重心偏移0.10mm便不可能運(yùn)行。按機(jī)械工業(yè)部標(biāo)準(zhǔn)3000r/min的汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子最大彎曲值不應(yīng)大于0.03mm。

本文就汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子彎曲的機(jī)理進(jìn)行簡單介紹，著重分析了汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子發(fā)生永久性彎曲的原因，并詳細(xì)介紹了汽輪機(jī)本體檢修中常用的轉(zhuǎn)子彎曲檢查、測量方法，并介紹了幾種常用的直軸方法與適用范圍。

1 汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子彎曲的機(jī)理

汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子彎曲通常分為熱彈性彎曲和永久性彎曲。熱彈性彎曲是指轉(zhuǎn)子內(nèi)部溫度分布不均勻，轉(zhuǎn)子受熱后膨脹不均而造成的彎曲。當(dāng)轉(zhuǎn)子內(nèi)部溫度均勻后這種熱彎曲會自然消失，永久性彎曲則不同，當(dāng)轉(zhuǎn)子局部區(qū)域受到急驟加熱（或冷卻） 而該區(qū)域與其它部位產(chǎn)生很大的溫度偏差，受熱部位熱膨脹受到約束產(chǎn)生巨大的壓應(yīng)力。當(dāng)其應(yīng)力值超過轉(zhuǎn)子材料的屈服極限時，轉(zhuǎn)子局部便產(chǎn)生壓縮塑性變形。當(dāng)轉(zhuǎn)子內(nèi)部溫度均勻后，該部位將有殘存拉應(yīng)力，塑性變形不消失，從而造成轉(zhuǎn)子的永久性彎曲。

2 汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子發(fā)生永久性彎曲的原因

汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子發(fā)生永久性彎曲的原因是多方面的。汽輪機(jī)長期高速運(yùn)行，在設(shè)計(jì)、制造、檢修或運(yùn)行過程中稍有疏忽，即可能引起轉(zhuǎn)子彎曲，具體分析可歸納為如下原因：

2.1 運(yùn)行過程中發(fā)生強(qiáng)烈振動，引起動靜摩擦，摩擦后產(chǎn)生的熱量，主要是沿轉(zhuǎn)子傳導(dǎo)。由于劇烈的振動摩擦，所以被摩擦部位的溫度很高，造成材料屈服強(qiáng)度下降，過大的熱應(yīng)力使轉(zhuǎn)子發(fā)生熱變形，向摩擦一側(cè)凸起彎曲，導(dǎo)致進(jìn)一步加重摩擦與變形。轉(zhuǎn)子發(fā)熱處的金屬，隨溫度升高而欲向四周膨脹，但四周的冷金屬阻止此種膨脹，結(jié)果在發(fā)熱處部分金屬產(chǎn)生壓力，在一定溫度下，此壓力超過金屬材料屈服點(diǎn)，在轉(zhuǎn)子冷卻后，就向摩擦處相反的方向彎曲，形成永久性彎曲。如果金屬摩擦部分沒有超過它的彈性極限，當(dāng)轉(zhuǎn)子冷卻后還可以恢復(fù)至原來狀態(tài)。

2.2 安裝或檢修中對軸封調(diào)整不當(dāng)，汽封片退讓間隙不夠。高溫高壓汽輪機(jī)的高、中壓轉(zhuǎn)子與葉輪是整體鍛造成型的，它沒有汽封套，因而高、中壓軸封部位在啟停過程中容易發(fā)生摩擦彎曲。有些高、中壓氣缸與軸承聯(lián)接是利用下缸貓爪搭接在軸承箱上，此種結(jié)構(gòu)，在汽封洼窩找正時，應(yīng)該考慮貓爪溫度上升時汽封洼窩中心的變化。

2.3 汽缸進(jìn)水或冷蒸汽進(jìn)入。汽輪機(jī)運(yùn)行中由于鍋爐故障導(dǎo)致蒸汽溫度急劇下降，加熱器水管破裂或疏水布置不合理等因素，引起冷水或冷蒸汽進(jìn)入汽缸，噴至轉(zhuǎn)子上，使轉(zhuǎn)子受到不均勻驟然冷卻。在受冷的一面要收縮，保有原來溫度的熱的一面不發(fā)生收縮，于是轉(zhuǎn)子就出現(xiàn)彎曲，當(dāng)溫差大于某一數(shù)值后，就會產(chǎn)生超過屈服極限的熱應(yīng)力，于是熱的一面就產(chǎn)生壓縮變形，冷的一面就產(chǎn)生拉伸塑性變形，此時，就應(yīng)停機(jī)，溫度相同的轉(zhuǎn)子，冷的一面就會變成凸出的一面，形成轉(zhuǎn)子永久彎曲。轉(zhuǎn)子彎曲變形中，由于摩擦造成的彎曲，曲率較小，由于冷水或冷汽引起的彎曲曲率較大。

2.4 汽缸保溫不良。如果汽缸保溫不良，汽輪機(jī)在啟停過程中，上下缸會產(chǎn)生較大溫差，通常上缸溫度高于下缸溫度，使上缸膨脹高于下缸，上缸拱起，這種現(xiàn)象俗稱“貓拱背”。在拱背發(fā)生時，下汽缸徑向間隙減少，造成動靜摩擦，損壞下汽缸隔板汽封及速度級汽封，葉輪還會偏離正常垂直平面，使軸向間隙減小，有些機(jī)組停機(jī)后盤車盤不動，往往是這種現(xiàn)象造成的。上下缸溫差最大值出現(xiàn)在速度級區(qū)域，所以上下缸拱背也出現(xiàn)在調(diào)速級附近、一般速度級上下溫差每增加10℃，該處動靜間隙減小0.10mm，隔板汽封間隙減少0.4～0.7mm，因此規(guī)定上下缸溫差不能超過50℃。由于上下缸溫差造成的動靜摩擦，進(jìn)而引起的轉(zhuǎn)子彎曲是暫時彎曲，如果此時操作失誤，又加劇了摩擦，可能會導(dǎo)致永久彎曲。

2.5 轉(zhuǎn)子熱彎曲引起的永久彎曲。汽輪機(jī)套裝葉輪和其他部件，軸向膨脹間隙留的不足或不均勻，當(dāng)軸受熱后膨脹受阻，產(chǎn)生暫時彎曲，這只有當(dāng)轉(zhuǎn)子在某一溫度時才會出現(xiàn)。但暫時彎曲一旦引起動靜摩擦，彎曲加劇也可能造成永久彎曲。

2.6 轉(zhuǎn)子內(nèi)部殘余應(yīng)力釋放后發(fā)生彎曲。近幾年國內(nèi)發(fā)生了多起機(jī)組新投產(chǎn)不久就發(fā)生汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子彎曲的現(xiàn)象，經(jīng)查安裝、運(yùn)行記錄均未發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致轉(zhuǎn)子彎曲原因。這主要是因?yàn)檗D(zhuǎn)子制造中熱處理不理想而殘留熱應(yīng)力，熱應(yīng)力又隨機(jī)組啟停轉(zhuǎn)子溫度發(fā)生變化得到釋放而引起轉(zhuǎn)子永久彎曲。

3 汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子發(fā)生永久性彎曲在不同狀態(tài)下的檢測

汽輪發(fā)電機(jī)組軸系發(fā)生彎曲，導(dǎo)致其重心偏離了幾何中心，會造成運(yùn)行中發(fā)生較大振動，因而在測振時振動頻譜以一階振型為主要成分，同時出現(xiàn)二階振型成分，表現(xiàn)為兩側(cè)軸承振動的相位接近，在啟動過程的第一臨界轉(zhuǎn)速附近會出現(xiàn)強(qiáng)烈振動，且軸向振動也較平時有所增加，近似于靜不平衡，為了準(zhǔn)確判斷，可用下列方法區(qū)分。

3.1 不揭缸判斷轉(zhuǎn)子彎曲。如果懷疑轉(zhuǎn)子彎曲、但不能肯定，一般需揭上缸進(jìn)行檢查，但是大型機(jī)組揭缸工作是非常復(fù)雜的，在工作實(shí)踐中，可利用相似三角形原理，通過測量轉(zhuǎn)子兩側(cè)對輪或推力盤瓢偏值，即可近似求出主軸彎曲值大小及位置，從而進(jìn)一步判斷轉(zhuǎn)子是否彎曲。在檢修工作中，我們可以從機(jī)組安裝、檢修記錄查得原瓢偏值，如轉(zhuǎn)子發(fā)生彎曲，其對輪及推力盤瓢偏值必然增加，而且是從軸的縱斷面向內(nèi)側(cè)瓢偏，因而測量瓢偏值，對比出瓢偏變化情況，即可推導(dǎo)出轉(zhuǎn)子的彎曲值及彎曲的位置。圖1所示是一臺彎曲高中壓轉(zhuǎn)子實(shí)例。由圖1可知，△OEF≌△ACD，△O1GH≌△BCD，

所以■=■ ■=■ .

已知量：對輪瓢偏變化值EF=ΔX，半徑OF=d/2；推力盤瓢偏變化值O1G=ΔY，半徑=D/2；

轉(zhuǎn)子兩軸頸間距離AC+BC=L。

將已知量帶入上式解方程可得：

AC=■ CD=■

CD即為轉(zhuǎn)子最大彎曲值，AC為最大彎曲點(diǎn)距A軸承的距離。

實(shí)際上轉(zhuǎn)子為一剛體，并非如圖1所示的那樣，故上述計(jì)算與實(shí)際情況會略有誤差，但可大致測出其趨勢。

3.2 在汽缸內(nèi)測量轉(zhuǎn)子彎曲及校正。汽缸內(nèi)測量轉(zhuǎn)子彎曲，傳統(tǒng)方法是采用百分表直接測量。測量前，需用細(xì)砂紙將各測量部位的結(jié)垢、銹蝕、毛刺等打磨光滑，將轉(zhuǎn)子圓周分為8等分，按旋轉(zhuǎn)方向盤動轉(zhuǎn)子，依次對準(zhǔn)各點(diǎn)進(jìn)行測量讀數(shù)，畫好記錄圓。然后將縱斷面各彎曲點(diǎn)數(shù)值相連，即可描繪出轉(zhuǎn)子彎曲曲線，這是非常直觀、較為精確的。但在眾多檢修工作中，測量時會遇到一些困難，如由于主軸表面腐蝕、橢圓等，使曲線不能成為圓滑曲線，造成判斷偏差。一般情況下我們根據(jù)百分表讀數(shù)變化趨勢和沿圓周相對180°的兩個數(shù)值之和是否相等來檢驗(yàn)測量數(shù)值準(zhǔn)確與否。這種方法可以判斷出測量是否有誤差，則無法確定其彎曲數(shù)值究竟是多少，最大點(diǎn)在何處。為解決此問題這里介紹一種判斷其數(shù)值真?zhèn)蔚姆椒ā膱A法，借助計(jì)算機(jī)軟件的精確作圖可以方便而準(zhǔn)確鑒別測點(diǎn)數(shù)據(jù)的真?zhèn)?。其原理是轉(zhuǎn)子彎曲后其幾何中心必然偏離正常中心，如果我們找出偏離的圓心，繪出偏心圓，量出其偏心值，即可科學(xué)的判斷彎曲方向及數(shù)值，方法如下：①用傳統(tǒng)方法測量出數(shù)值后，畫出記錄圓，算出同直徑兩端讀數(shù)代數(shù)差，按同一比例在其直徑輻射線上描點(diǎn)。②通過記錄圓圓心和大多數(shù)代數(shù)差點(diǎn)繪制偏心圓，確定其圓心。③連接記錄圓圓心O及偏心圓圓心O1，延長交偏心圓于M點(diǎn)，偏心距OO1即為橫斷面最大彎曲值，M點(diǎn)為轉(zhuǎn)子彎曲的準(zhǔn)確方向。

舉例如下：某廠4號機(jī)組高中壓轉(zhuǎn)子調(diào)速級處彎曲測量記錄圓如圖2所示。

計(jì)算同直徑兩端讀數(shù)代數(shù)差如下：

位置 代數(shù)差

1——5 10

2——6 12

3——7 5

4——8 -9

繪制偏心圓，確定其圓心，測量OO1距離，如圖3所示。

由圖3可以判斷出，轉(zhuǎn)子彎曲的測量數(shù)值是正確的，除④點(diǎn)以外，其他各點(diǎn)均基本落在偏心圓上。偏心距OO1為0.062mm，最大彎曲點(diǎn)M位置在1～2之間靠近2點(diǎn)1/4處。

④偏心圓法修正轉(zhuǎn)子彎曲的用途：a它是8個測點(diǎn)綜合數(shù)值分析后的全面反映，而傳統(tǒng)方法直接測量出的彎曲值僅代表一周中同直徑兩端讀數(shù)的差值，是片面的。如果一個數(shù)值有問題，即可能做出錯誤的判斷。因此對最大彎曲點(diǎn)應(yīng)該作偏心圓分析一下，再對最大彎曲值及位置方向下結(jié)論。b它可準(zhǔn)確地繪出橫斷面最大彎曲的數(shù)值及方向。因?yàn)檗D(zhuǎn)子測點(diǎn)處受橢圓、銹蝕等的影響，不可能測出真實(shí)數(shù)值，但加以修正即可反映出正確數(shù)值。c偏心圓法原理上不受測點(diǎn)多少的影響，但在實(shí)際作圖時仍存在點(diǎn)越多越精確的事實(shí)，故建議采用12點(diǎn)、16點(diǎn)測量方式。

4 汽輪機(jī)直軸方法原理及適用范圍

當(dāng)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子一旦確定發(fā)生永久彎曲，且彎曲值>0.06mm，即應(yīng)進(jìn)行直軸處理。直軸方法大致有捻打法、局部加熱法、局部加熱加壓法、內(nèi)應(yīng)力松弛法等。但采用哪種方法應(yīng)根據(jù)具體情況進(jìn)行選擇。本文僅就各種方法的適用范圍及原理進(jìn)行闡述，具體的直軸方案及操作方法需依據(jù)實(shí)際情況制定。

4.1 捻打法的原理是將主軸凹面向上放置，用錘捻打凹處，使金屬分子間的內(nèi)聚力減少而使纖維伸長，達(dá)到直軸的目的。此方法直軸后存在殘余應(yīng)力，穩(wěn)定性較差。捻打法適用于低參數(shù)轉(zhuǎn)子及發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子，特別是發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子彎曲后，采用松弛法或局部加熱法對電氣絕緣是不允許的，故采用捻打法比較合適。

4.2 局部加熱法的原理是將凸出部位的金屬纖維收縮，凹入側(cè)的金屬纖維伸長，達(dá)到使主軸伸直的目的。故在軸彎曲凸出部位進(jìn)行局部加熱，使金屬纖維隨溫度升高向四周膨脹，但四周冷金屬纖維阻止這種膨脹，使加熱部位金屬產(chǎn)生壓應(yīng)力。在一定溫度下，此應(yīng)力超過金屬屈服點(diǎn)，在金屬內(nèi)產(chǎn)生殘余變形，當(dāng)軸冷卻后，就會向原彎曲部位的相反方向彎曲，達(dá)到直軸的目的。局部加熱法適用于碳素鋼及部分合金鋼。特別指出的是當(dāng)主軸有局部淬火或轉(zhuǎn)子為鼓形或空心整鍛轉(zhuǎn)子，且彎曲度大于1.0mm時，不適合使用局部加熱法。

4.3 局部加熱加壓法的原理與局部加熱法基本相同。如果主軸直徑在200mm以上，局部加熱法效果不顯著，最好采用局部加熱加壓法。它與局部加熱法不同之處，是在加熱之前把軸向凸出側(cè)朝上放置，利用機(jī)械加壓工具，事先在加熱處附近施加壓力，使軸的加熱部位預(yù)先產(chǎn)生應(yīng)力，當(dāng)加熱時，軸向上彎曲遇到補(bǔ)充阻力，因而在加熱處的鋼材，比純加熱直軸時，提前超過屈服點(diǎn)，使直軸過程加快。

4.4 內(nèi)應(yīng)力松弛法直軸是利用金屬材料在高溫下會發(fā)生應(yīng)力松弛的特性。應(yīng)力松弛法直軸，在軸的彎曲部分全圓周加熱到低于回火溫度30～50℃之后，在彎曲凸點(diǎn)上加上該溫度下屈服極限以下的一定外力，使軸產(chǎn)生彈性變形，在高溫下作用在軸上的應(yīng)力逐漸降低，彈性變形轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄宰冃危馆S直過來。內(nèi)應(yīng)力松弛法直軸后內(nèi)部不存在應(yīng)力，穩(wěn)定性好，對軸的壽命影響小，特別適用于合金鋼制造的高壓整鍛轉(zhuǎn)子大軸，故現(xiàn)代大型機(jī)組轉(zhuǎn)子彎曲后均采用此法直軸。

4.5 機(jī)加工車削后動平衡補(bǔ)償。部分轉(zhuǎn)子彎曲是由制造中的熱處理不理想而殘留熱應(yīng)力造成的，多數(shù)情況下彎曲不是很大，而且均勻分布在整個轉(zhuǎn)子跨度上。這種質(zhì)量偏心可使用動平衡的方法在一些轉(zhuǎn)速下直接抵消旋轉(zhuǎn)矢量激振力，減小振動。因應(yīng)力釋放引起的轉(zhuǎn)子彎曲，不能熱加工直軸處理，遇到這種情況時，可對轉(zhuǎn)子彎曲較大處進(jìn)行機(jī)加車削，然后動平衡處理。如某廠1號機(jī)組CCLN660-

25/600/600型汽輪機(jī)高中壓轉(zhuǎn)子進(jìn)汽平衡環(huán)處最大彎曲0.13mm，采用此種方法處理后效果良好。

5 總結(jié)

探討汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子發(fā)生永久彎曲的機(jī)理與原因，可以方便我們在檢修工作中做出正確的判斷，并在檢修、運(yùn)行過程中加以更正、避免。轉(zhuǎn)子彎曲最大值的精確測量，是判斷是否需要直軸的要素之一，彎曲位置的精確定位也是直軸工作順利進(jìn)行的基礎(chǔ)。

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