汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子的熱彎曲問題

王仲平

摘 要：汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子彎曲是一個(gè)常見問題，也是一個(gè)難點(diǎn)問題，在過去有過大量的研究。引起汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子彎曲的原因很多，其彎曲問題也變得更加復(fù)雜多樣。文章闡述了汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子熱彎曲形成原因、引起的振動(dòng)問題、熱彎曲的識(shí)別方法和處理辦法。

關(guān)鍵詞：汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子；熱彎曲；識(shí)別；處理

中圖分類號(hào)：TM311 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2017）27-0183-02

1 概述

轉(zhuǎn)子熱彎曲是指轉(zhuǎn)子在受熱后出現(xiàn)溫度分布不均而發(fā)生的變形，這種彎曲變形會(huì)導(dǎo)致機(jī)組的振動(dòng)過大，轉(zhuǎn)子熱彎曲會(huì)使得轉(zhuǎn)子平衡狀態(tài)發(fā)生變化，所以又叫做熱不平衡。汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子彎曲是電廠常見故障，熱態(tài)彎曲問題更是由于難以被察覺變的更加復(fù)雜。由于汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子彎曲會(huì)導(dǎo)致強(qiáng)烈振動(dòng)，振動(dòng)會(huì)增加摩擦，而摩擦又會(huì)加深轉(zhuǎn)子的彎曲程度，最終迫使停機(jī)。如果不及時(shí)處理，可能會(huì)產(chǎn)生更加嚴(yán)重的后果。要解決汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子為何發(fā)生會(huì)發(fā)生熱彎曲，必須要知道轉(zhuǎn)子熱彎曲的形成原因，轉(zhuǎn)子發(fā)生熱彎曲后會(huì)引起什么問題，如何對(duì)轉(zhuǎn)子熱彎曲進(jìn)行識(shí)別，再對(duì)已經(jīng)發(fā)生的問題進(jìn)行處理。

2 轉(zhuǎn)子形成熱彎曲的原因

汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子的工作介質(zhì)是高溫高壓蒸汽，轉(zhuǎn)子在投入勵(lì)磁電流后就會(huì)被加熱，正常情況下，轉(zhuǎn)子的溫度均勻增加只會(huì)使轉(zhuǎn)子長(zhǎng)度增加，之所以會(huì)造成轉(zhuǎn)子彎曲變形，是由于轉(zhuǎn)子上存在著不均勻?qū)ΨQ的因素，這種因素包括材質(zhì)、溫度和受力等方面。經(jīng)過對(duì)大量案例的整理發(fā)現(xiàn)，汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子熱彎曲故障可能出現(xiàn)在機(jī)組啟動(dòng)過程中，也可能發(fā)生在機(jī)組運(yùn)行過程中。通過分析，轉(zhuǎn)子產(chǎn)生熱彎曲的主要原因有轉(zhuǎn)子制造原因、轉(zhuǎn)子熱不平衡原因和轉(zhuǎn)子受阻力較大原因三個(gè)方面。

2.1 轉(zhuǎn)子制造原因

在制造階段，汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子會(huì)有均勻材質(zhì)和不均勻材質(zhì)兩種情況。當(dāng)轉(zhuǎn)子由均勻材質(zhì)制作時(shí)，但是在機(jī)加工前沒有將鍛造中產(chǎn)生的巨大的殘余應(yīng)力進(jìn)行釋放，這種情況下的轉(zhuǎn)子會(huì)在運(yùn)行過程中釋放應(yīng)力，造成轉(zhuǎn)子彎曲。當(dāng)制作轉(zhuǎn)子的材質(zhì)是不均勻材質(zhì)時(shí)，則相當(dāng)于轉(zhuǎn)子各部分膨脹系數(shù)都不同，而汽輪機(jī)工作的環(huán)境溫度很高，使得轉(zhuǎn)子各部分受熱后產(chǎn)生的膨脹不均勻，會(huì)導(dǎo)致汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子發(fā)生熱彎曲。

2.2 轉(zhuǎn)子熱不平衡原因

在機(jī)組運(yùn)行過程中，轉(zhuǎn)子發(fā)生熱彎曲的原因主要有以下五方面。

（1）溫差大。汽輪機(jī)在啟動(dòng)時(shí)會(huì)有參數(shù)不穩(wěn)的情況，這時(shí)汽缸的上下缸溫差會(huì)變大，變大的溫差會(huì)導(dǎo)致汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子熱彎曲問題的發(fā)生。

（2）轉(zhuǎn)子中心孔進(jìn)油。汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子在軸向方向上會(huì)有較大的溫差，潤(rùn)滑油液會(huì)在孔內(nèi)進(jìn)行熱交換，交換的熱量不同，會(huì)造成轉(zhuǎn)子溫差變大，并隨著轉(zhuǎn)子溫度的增加而變大，這樣會(huì)使得轉(zhuǎn)子在兩端和中間的溫差變大，出現(xiàn)熱彎曲。轉(zhuǎn)子中心孔是轉(zhuǎn)子釋放應(yīng)力的裝置，在運(yùn)行過程中中心孔堵頭應(yīng)嚴(yán)密。如果中心孔堵頭不嚴(yán)或者中心孔與外界有孔或者縫隙會(huì)造成潤(rùn)滑油進(jìn)入孔內(nèi)。如果中心孔的進(jìn)油越來越多，會(huì)使得汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子的熱彎曲越來越嚴(yán)重。

（3）暖機(jī)時(shí)間不足。汽輪機(jī)經(jīng)過停機(jī)和大修等設(shè)備停運(yùn)

后，由于轉(zhuǎn)子上下缸的溫度有差值，會(huì)使轉(zhuǎn)子發(fā)生不同程度的熱彎曲，如果停運(yùn)后再啟動(dòng)時(shí)機(jī)組暖機(jī)時(shí)間不足，會(huì)引起汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子在啟動(dòng)時(shí)受熱不勻，出現(xiàn)熱不平衡，最終導(dǎo)致轉(zhuǎn)子熱彎曲問題的發(fā)生。因此在汽輪機(jī)運(yùn)行規(guī)程中規(guī)定汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子在沖轉(zhuǎn)前需連續(xù)盤車不小于4小時(shí)。

（4）轉(zhuǎn)軸存在漏氣。如果汽輪機(jī)轉(zhuǎn)軸在軸向方向存在一側(cè)漏氣或者是不對(duì)稱的兩側(cè)漏氣問題，轉(zhuǎn)軸就會(huì)因?yàn)槁獠课划a(chǎn)生不同程度的被加熱或者被冷卻，也就是沿軸向方向產(chǎn)生溫度差異，這種溫差會(huì)隨著漏氣的嚴(yán)重程度而增加，使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生熱彎曲并加劇彎曲程度，還會(huì)導(dǎo)致振動(dòng)的增大。

（5）轉(zhuǎn)軸套裝部件松。汽輪機(jī)在運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)軸的套裝部分和軸之間會(huì)有溫度差異，如果套裝部分變松，轉(zhuǎn)軸就會(huì)由產(chǎn)生很大的不均勻溫差，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子熱彎曲發(fā)生。

2.3 轉(zhuǎn)子受到阻力較大

（1）膨脹受阻。套裝部件和轉(zhuǎn)軸之間有一定的間隙，套裝部分和轉(zhuǎn)軸部分會(huì)因溫度升高受熱發(fā)生膨脹，但是這兩部分溫升速率不同，使得這兩部分膨脹程度也不同，這就使得這兩部分之間的會(huì)因間隙變小發(fā)生被頂死現(xiàn)象，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子熱彎曲發(fā)生。

（2）靜動(dòng)摩擦。靜止部分和轉(zhuǎn)子也存在一定的間隙，當(dāng)轉(zhuǎn)子與靜止部件見間隙變小甚至消失，就會(huì)發(fā)生動(dòng)靜摩擦，摩擦?xí)罐D(zhuǎn)子和靜止部分相互接觸處溫度升高，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子的溫度分布不均，轉(zhuǎn)子發(fā)生熱彎曲。

3 汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子熱彎曲引起的振動(dòng)問題

汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子在運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)的熱彎曲會(huì)引起振動(dòng)。汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子的振動(dòng)幅度會(huì)受到機(jī)組負(fù)荷大小的影響。在機(jī)組冷態(tài)運(yùn)行時(shí)，振動(dòng)較小，但是隨著機(jī)組負(fù)荷的不斷增大，振動(dòng)幅度也會(huì)隨之增大，相反，隨著機(jī)組負(fù)荷的減小，振動(dòng)幅度也會(huì)隨之減小。

在日常運(yùn)行過程中，不管是啟停過程還是運(yùn)行過程中，通常通過使用測(cè)振儀測(cè)量軸承座的振動(dòng)，使用聽針來就地聽瓦蓋或軸承座里是否有異常聲音來判斷轉(zhuǎn)子的振動(dòng)狀態(tài)和是否發(fā)生摩擦。但是軸承蓋的振動(dòng)并不完全是由轉(zhuǎn)子的熱彎曲和質(zhì)量偏心決定的，它還與軸承和座的剛度、油膜的剛度及轉(zhuǎn)速等因素有關(guān)。如果汽輪機(jī)在轉(zhuǎn)速很低的情況下運(yùn)行，這時(shí)轉(zhuǎn)子的離心力就會(huì)很小，但是軸承座的剛度很大，若此時(shí)轉(zhuǎn)子有熱彎曲問題發(fā)生，但是通過測(cè)量軸承座的振動(dòng)值并不大。如果這種情況下繼續(xù)升速，會(huì)發(fā)生嚴(yán)重摩擦，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子熱彎曲更加惡化。

通常情況下，轉(zhuǎn)子熱彎曲都是暫時(shí)發(fā)生，在投入一段時(shí)間的盤車后，轉(zhuǎn)子可以恢復(fù)到正常狀態(tài)，但是如果再次啟動(dòng)時(shí)，由于汽輪機(jī)汽封非常小，汽缸內(nèi)的溫差會(huì)引起轉(zhuǎn)子的熱彎曲，進(jìn)而引起振動(dòng)，隨著熱彎曲程度的增大，振動(dòng)的幅度就會(huì)更大，如此往復(fù)，可能導(dǎo)致轉(zhuǎn)子的永久性彎曲。

汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子還可能因?yàn)樗蛘哂偷臏囟炔町愒斐蓮澢?，這種彎曲會(huì)在幾十分鐘或者一到兩個(gè)小時(shí)達(dá)到極限，在這種情況下使用測(cè)振儀測(cè)量振動(dòng)會(huì)受到限制。在機(jī)組大修后啟動(dòng)時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)這種情況，如果轉(zhuǎn)子有熱彎曲，最初幾次啟動(dòng)可能現(xiàn)象不明顯，幾次啟動(dòng)后會(huì)表現(xiàn)的越來越明顯。endprint

4 轉(zhuǎn)子彎曲的識(shí)別方法

汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子熱彎曲的表現(xiàn)形式有很多種，其中包括振動(dòng)、溫度、壓力和聲音等，只依靠轉(zhuǎn)子波形、軸心軌跡等手段是很難達(dá)到檢測(cè)目的。由于對(duì)轉(zhuǎn)子部位的振動(dòng)分析可以更加準(zhǔn)確的確定熱彎曲的部位，因此我們對(duì)轉(zhuǎn)子熱彎曲的監(jiān)測(cè)主要依賴于振動(dòng)監(jiān)測(cè)，同時(shí)結(jié)合聽聲音、測(cè)溫度、測(cè)壓力等措施，綜合判斷找到彎曲部位，并對(duì)造成熱彎曲的原因進(jìn)行系統(tǒng)分析。

判斷汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子是否發(fā)生熱彎曲，要對(duì)下面幾方面進(jìn)行密切觀察：

（1）在機(jī)組運(yùn)行過程中要密切監(jiān)測(cè)機(jī)組振動(dòng)與負(fù)荷、溫

度、壓力、油溫等參數(shù)間的變化關(guān)系。

（2）在汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速增加時(shí)，機(jī)組振動(dòng)值是否會(huì)隨著轉(zhuǎn)速的增加而增大，在增大的同時(shí)振動(dòng)值是否會(huì)在某一個(gè)轉(zhuǎn)速時(shí)出現(xiàn)凹谷。

（3）汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子的時(shí)域波形是否為正弦波。

（4）轉(zhuǎn)子軸心軌跡是否為橢圓，是否為正進(jìn)動(dòng)方向。

5 處理方法

轉(zhuǎn)子熱彎曲可能發(fā)生在機(jī)組啟停機(jī)和運(yùn)行的各個(gè)階段，并且有多種原因引起，因此對(duì)不同狀況下的熱彎曲就有不同的處理方法。

（1）轉(zhuǎn)子在制造階段由于材質(zhì)或應(yīng)力問題引起的熱彎曲，需先進(jìn)行轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡試驗(yàn)，如果多次試驗(yàn)結(jié)果不符合要求，必須更換或者返廠。

（2）轉(zhuǎn)子因熱不平衡問題導(dǎo)致的熱彎曲，應(yīng)查明原因處理完畢后再進(jìn)行動(dòng)平衡試驗(yàn)，直至轉(zhuǎn)子恢復(fù)正常。在汽輪機(jī)啟動(dòng)階段容易發(fā)生因?yàn)榕瘷C(jī)時(shí)間不足、上缸下缸溫度差值很大等原因?qū)е碌霓D(zhuǎn)子熱彎曲，這時(shí)就需要保證足夠的暖機(jī)時(shí)間。如果由于中心孔進(jìn)油而發(fā)生的轉(zhuǎn)子熱彎曲，處理時(shí)需要打開中心孔放油，再將中心孔堵死保證沒有縫隙。如果由于轉(zhuǎn)軸部分存在不均勻分布的漏氣而形成的不均勻溫差導(dǎo)致的熱彎曲，要先確定故障部位，然后對(duì)故障處進(jìn)行處理，并對(duì)損壞處修復(fù)。

（3）轉(zhuǎn)子受到的大阻力主要是膨脹和摩擦引起的。如果是膨脹受阻引起的，需要檢查發(fā)生膨脹的部位如葉輪和輪轂或軸上套裝部分和周凸起間隙之間是否有結(jié)垢或者銹蝕等問題發(fā)生，檢查完畢后打磨處理。如果是動(dòng)靜摩擦引起的，首先要判斷摩擦發(fā)生的部位，然后調(diào)整動(dòng)靜摩擦部位的間隙，再對(duì)摩擦部件進(jìn)行修復(fù)。

6 結(jié)束語

轉(zhuǎn)子熱彎曲是非常常見的汽輪機(jī)事故，對(duì)汽輪機(jī)的影響也很大，如果不能及時(shí)處理往往還會(huì)引起其他的故障。我們需要在工作實(shí)踐中不斷的發(fā)現(xiàn)總結(jié)問題、分析處理問題，具體問題具體分析，確?？梢远虝r(shí)有效的解決問題，保證汽輪機(jī)的正常運(yùn)行。

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