轉子熱穩定性測試方法分析

于秀平 王 群 孫煜偉 張國利

(天津重型裝備工程研究有限公司，天津300457)

隨著轉子鍛件制造技術的不斷進步，用戶對轉子的性能要求也不斷提高，越來越多的廠家把轉子的熱穩定性測試作為產品驗收的一個非常重要的環節。在這種情況下，熱穩定性測試技術的科學性、合理性顯得尤為重要，測試結果的準確性直接關系到轉子的運行安全和使用壽命。

熱穩定性試驗俗稱熱跑，是汽輪機整鍛轉子特有的試驗項目。一般是在轉子加工完成后(進入總裝之前)將其加熱到工作溫度以上30～50℃，在測試設備上以(2～4)r/min的速度旋轉，測量其在一個旋轉周期中靜撓度的變化情況，并與冷態下的結果相比較。若相差較大，則說明轉子在高溫狀態下的同心度不好，高速運轉時可能發生轉子與定子的運動干涉及不良振動，需要重新找正加工或采取熱處理措施消除應力。熱穩定性測試是確保轉子在正常工作條件下能夠穩定安全運行的必要步驟。

1 試驗原理

國內外不同廠家的熱穩定測試設備可能在規格大小、測試精度方面有所不同，但測試原理基本一致。圖1、圖2分別給出了轉子檢測帶和檢測原理的示意圖。

熱穩定性測試國家標準規定，長度≥2.5m的轉子至少要有五條測試帶。從圖1可看出，1、5號位置位于轉子的兩端，3號盡量取在轉子長度的中點，2、4號位置分別位于1、3號之間和3、5號之間。如果檢測需求方有特殊要求，也可視設備情況增加測試帶的數量。

圖1中Z-Z區為轉子的加熱區域，Y-Y為托輥的支撐位置，爐體與轉子軸頸的間隙一般用耐火纖維氈密封。

圖2是撓度檢測示意簡圖。轉子在設備帶動下旋轉，十字撥叉和轉子同軸旋轉。采樣時，系統通過撓度檢測桿把轉子表面的撓度變化通過傳感器轉換為電信號傳輸到控制系統的測試軟件上，各個檢測帶的撓度數值可以直接讀出并記錄。十字撥叉和轉子一般約每30 s或20 s旋轉一周。采樣時，十字撥叉每旋轉90°取一個撓度值(十字撥叉的每個葉片經過一接近開關時取值)，每旋轉一周取四次樣，系統自動顯示、存儲數據。

圖1 轉子檢測帶Figure 1 Rotor test zone

圖2 撓度檢測Figure 2 Deflection test

2 檢測方法

2.1 測試過程

不同廠家的熱穩定性測試方法有所不同，主流的檢測方法源于美國西屋標準，并被歐洲廠家采用。中國制定的國家試驗標準也源自西屋標準。

通常，檢測過程分為三步，即第一次冷測(室溫)、熱態測試(試驗溫度下)和第二次冷測(室溫)。轉子通用的加熱曲線如圖3所示。圖3中T表示試驗溫度，t表示在試驗溫度下、讀3次熱態數值之前的保溫時間(一般每隔1 h讀1次數值)。

圖3 轉子加熱曲線Figure 3 Heating curve of rotor

轉子加熱前進行第一次冷態測試，目的是檢測轉子的機械加工精度是否達到了熱穩定試驗的要求，否則會影響測試結果。加熱到測試溫度之后進行熱態測試，這是測試的重點。轉子在測試溫度下保溫一定時間，應力得到釋放，撓度變化則趨于穩定，穩定的標志就是轉子每個測試帶上的各個測試點的撓度波動都在一定范圍內，繼而在保溫的最后3 h記錄正式數據。然后冷卻到室溫之下進行第二次冷測，記錄各個測試點的數值。

值得注意的是，熱態測試和第二次冷態測試的數據非常重要。熱態和冷態讀數通常各取3組，3組讀數必須在相應標準規定的范圍內，第3組數據作為最終正式的計算數據。因此一定要獲得客觀、準確的數值，最終轉子熱穩定性的好壞就是通過處理這兩次正式測試結果的數據來評定。

國內外絕大多數廠家都是采取上述測試方法，但可能針對不同產品，在具體的數值標準上有所差別。也有一些廠家，如印度的BHEL公司，會把轉子的去應力退火與熱穩定性測試結合進行。

2.2 數據處理

不同廠家對于試驗數據的處理方式有所不同。本文重點介紹歐洲及國內廠家通常采用的兩種計算方法。

選取轉子的一個測試帶為例，假設讀取數值的位置為時鐘0、3、6、9位置，在一個采樣周期內讀取的撓度數值相應記錄為A、B、C、D，熱態的正式讀數為A1、B1、C1、D1，第二次冷測正式讀數為A2、B2、C2、D2。歐洲廠家一般采用的數據處理示意圖見圖4。

圖4 數據處理示意圖Figure 4 Schematic drawing of data treatment

數據處理過程如下：

x1=B1-D1，y1=A1-C1

x2=B2-D2，y2=A2-C2

△X=x1-x2，△Y=y1-y2

計算：

結論：

λ≤規定數值，合格。

國內廠家一般采用的計算方法如下:

差值:

S1=A1-A2

S2=B1-B2

S3=C1-C2

S4=D1-D2

絕對值：

λ1=|S1|

λ2=|S2|

λ3=|S3|

λ4=|S4|

結論:

λ1、λ2、λ3、λ4≤25 μm，S1、S2、S3、S4的最大差值≤50 μm。

比較上述兩種數據處理方法，第一種計算方式比較復雜但物理意義清晰，它表征了轉子熱態和冷態圓心位置的偏移量；第二種計算方法簡單，便于操作。具體采用哪種方式應視檢測需求方的要求而定。

3 發展趨勢

現今，國內外具備轉子熱穩定性測試能力的廠家很多，而同樣具備檢測能力的轉子制造廠家則具有獨特的優勢。轉子制造廠家擁有強大、完備的技術條件和設備條件，對產品整個生產過程執行質量控制，若轉子的熱穩定性測試不合格，則可迅速查明原因，采取處理措施(如去應力退火或重新熱處理)，這對縮短生產周期、及時滿足市場需求十分有利。轉子制造廠家應在以下幾方面提高自身的檢測能力：

(1)隨著轉子鍛件向大質量、大尺寸方向發展，需要配備更大尺寸規格、更大載重量的熱跑爐以滿足檢測需求。

(2)轉子的熱穩定性測試是一個高精度、高靈敏度的測試技術，要求設備具有較高的測試精度和穩定的測試環境以保證測試結果的準確。因此提高設備的測試精度和精確自動化操作程度對提高測試結果的準確性非常重要。

(3)隨著計算機技術的進步，熱穩定性測試設備需要配備強大的測試軟件來對數據進行實時記錄和處理。為提高測試的自動化程度和生產效率，降低人工測試、計算可能帶來的誤差，對相應的軟件開發提出了更高的要求。

4 結語

熱穩定性測試是轉子鍛件性能檢測中的一個重要環節，檢測結果直接關系到轉子的運行安全和使用壽命，應引起足夠重視。轉子制造廠家應提高自身檢測能力，根據需求方的技術要求制定出合理、科學的檢測規程，保證產品質量。

[1] JB/T 9021—2010汽輪機主軸和轉子鍛件的熱穩定性試驗方法[S].

[2] 汪洪濱，劉劍飛，劉大禮.汽輪機主軸和轉子鍛件熱穩定性分析方法研[J].汽輪機技術，2009，51(4): 304-306.