摘要：汽轮机转子锻件及主轴的热稳定性实验室转子锻件验收的一个重要环节，实验结果的准确性不但关系到转子锻件的验收结果，而且会影响到转子的动平衡实验以及汽轮机投产后的长期安全稳定运行。汽轮机转子的锻件的热稳定结果，主要有转子锻件加热到运行温度条件下，并使其以较低的转速旋转，通过测定转子锻件因受热膨胀和应力释放而发生变形所产生的径向中心的偏差大小，来判定转子的热稳定性是否合格。
1、试验的目的
汽轮机转子热稳定性实验，又叫热跑实验。实验的目的是通过测定转子在工作温度或稍高于工作温度（一般比汽轮机工作温度高30~50°C）条件下的变形大小，以检验其工作温度时的稳定性。因为汽轮机转子和缸体部分之间只有微小的间隙，要求转子平稳运转，因此转子在今后的运行条件下不允许出现可能引起擦着缸体或者不平衡重量的挠曲现象。因此，为了提高汽轮机的整机重量以及运行时的安全性、可靠性和稳定性，必须重视和加强汽轮机转子的热稳定实验
2、试验方法
根据ASTM A472和JB9021标准规定：汽轮机转子毛坯的热稳定性实验是使转子锻件以2r/min~4r/min的转速旋转，通过测定转子锻件因热胀冷缩蠕变和应力释放而发生变形所产生的偏差大小，来判断其热稳定下是否能保持轴的对称性，热稳定性是否合格的一种实验方法。并且热稳定实验一般在最终热处理之后才能进行。下面描述的实验程序基本和ASTM472大致类同。
2.1测试带选取和位置
2.1.1制造厂应在转子锻件毛坯发电机侧联轴器的圆周上距端面25mm的范围内，按照逆时针方向相距90°分别打上A、B、C、D字母标记，并且保持标记在测试的全过程中保持不变。
2.1.2 当转子锻件两端轴承的中心间距长度大于2500mm时，至少应该有5条测试带。当锻件图样上未明确规定热稳定性实验的测试位置时，按照以下规定确定测试带:
主轴或转子锻件加工到订货图样规定的余量后，在外圆面上，按锻件图样的规定位置从锻件的左侧（汽轮机侧）起分别按照序号1#、2#、3#、4#、5#共五个测试带。1#、5#测试带应位于锻件两端的轴颈部，3#测试带应尽量靠近锻件长度方向中部位置；2#、4#测试带应分别位于1#与3#测试带以及3#与5#测试带的中间。测试带的宽度一般应为100mm，表面粗糙度Ra不大于1.6um。
2.2表面清理
锻件在进行热稳定实验之前，应进行表面清理，以除去锻件表面的油脂、污垢和其他异物。
2.3 加热与冷却
2.3.1 锻件放在加热室中，将至少三支监视热电偶插入加热室中，热电偶位置应在锻件的各个测试带附近，并尽可能靠近锻件毛坯表面。热电偶与毛坯本体之间的距离应在50mm以内。另外，应遮护热电偶，使之不收热源的影响。有中心孔的转子和主轴应在内孔另放一支热电偶，以测量内孔的温度，其热电偶插入深度为转子和主轴长度的1/2，再用绝热材料堵塞内孔两端。所有热电偶均应与记录仪连接。
2.3.2 锻件应以2r/min~4r/min的速度旋转，并应控制温度均匀加热，以免锻件局部过热。在锻件以不超过110°C/h的速度加热到需方规定的热稳定性实验温度后保温，直到锻件加热均匀为止。
2.3.3 锻件均匀加热后，在实验温度下每小时测定一次锻件的跳动，如连续三次侧得的跳动值只差都在0.015mm内，则可以认为锻件已到达均匀的实验温度状态。在此实验温度小每小时测一次，连续三次侧得的轴向热膨胀读书都应在0.255mm以内。
2.3.4 当达到3.4所属的均温实验状态后，将锻件边旋转边冷却到38°C以下。在锻件温度降到低于260°C之前不得将盖子取走。锻件已冷却到接近室温后，至少应旋转2h，才能记录第二次冷测读书。
2.4测定项目和频次
2.4.1 锻件的热稳定是按包括两次冷态测试和一次热态测试。第一次冷态测试为在实验前准备完成锻件加热之前的室温下进行，第二次冷态测试应在锻件完成加热并冷却到38°C 以下后进行。
2.4.2 整个热稳定性实验期间，应每小时测定一次锻件各测试位置的温度和跳动。对于每个测试位置的每次测试至少应测取三次读数，取其平均值。读数以0.005mm为单位；计算平均值二舍三入，以0.005mm为单位。每次测试结果均应做好记录。
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2.4.3 测定方法
用位于加热室外的千分表或其他测量仪器（或装置）测量锻件的跳动，测量仪器或装置的测试头应与锻件上的测试带接触，测量应一直进行到其偏差值最接近0.015mm为止。每条测试带上应测A\B\C\D四点；可以将千分表在每一条测试带的A\B\C\D四点中跳动最小一点调到零，也可用相减的方法将测得的数减到最小。
第一次冷测
完成实验前的各项准备工作后，启动转动装置。在加热测试之前，让转子或者主轴锻件在室温下以2r/min~4r/min的速度转动。
首先确认转子或主轴锻件在转动过程中，轴颈部的跳动值应不超过0.01mm。接着，测试其余各测试带的A\B\C\D各点的径向跳动，如果任何一个测试带的跳动超过0.050mm，转子或主轴锻件则应继续旋转一小时。如果径向跳动仍然超过0.050mm，则应对锻件重新找中心或重新加工测试带进行重新测试，直至任何一条测试带的径向跳动都不超过0.050mm为止，其最后一次测定值应作为各点正式的第一次测值。
热态测试
让转子在试验炉内以2r/min~4r/min的速度旋转，同时以规定的速度均匀加热，以避免造成转子或主轴局部过热，导致异常弯曲。
当炉温达到转子或株洲锻件订货图样上规定的实验温度后，进行保温。
在保温期间，每小时测定一次，连续三次侧得的跳动读数之差稳定在0.015mm以内时，则被视为以满足实验条件，可开始降温。以此三次测定的平均值为正式的热测值
第二次冷测
在满足以上要求的实验结果后，应立即停止保温，并以不大于75°C/h的速度一边冷却，一边以2r/min~4r/min的速度旋转。在炉温达到260°C之前，炉盖不能移去。在炉温达到260°C之后，可打开炉盖冷却，直到锻件冷却到接近38°C。
当转子的温度达到38°C以下后，每小时测定一次，当连续三次测得跳动读数之差稳定在0.015mm以内时，则认为实验可以结束。此三次测定的平均值则为正式的第二次冷测值。
记录数据报告如下：
2.5 验收评定
2.5.1 锻件每条测试带上的测试点的正式热测值和正式的第二次冷测值的差值不应超过0.025mm，相加后的最大跳动值不能超过0.050mm
2.5.2 每条测试带的偏心值应按下述方法确定：
A点正式的热测值减去A点正式的第二次冷测值；
B、C、D个点按照A）同样的方法相减；
如果在测量1#和5#测试带读数时有变化，则可根据234 测试带所得的结果进行适当修正。修正值应在5.1要求范围内。
2.5.3 将每条测试带测试的偏心值，分别按最大正值和最大负值相加而不考虑符号。
2.5.4 第一次冷测值和第二次冷测值只差不应超过0.05mm。
3、实验的必要性
对于热稳定实验的必要性，业内早就存在不同意见，转子锻件的热稳定性取决于锻件化学成分的一致性、内部组织的均匀性以及残余应力分布的轴对称性。随着锻造和热处理技术水平的提高，钢锭与锻件轴线的一致性以及锻件微观组织、残余应力分布的轴对称性都能得到保证，在400°C 以下工作时，在保证锻件制造过程不出现异常的情况下，一般不必担心热挠曲问题，按目前技术条件生产的低压转子，因此不需要必须做热稳定实验：对于高中压转子，由于工作温度较高，转速又快，转子工作时振动相对较大，一般要求做热稳定性实验。现在对要求做热稳定实验转子做以下要求：合同明确规定要求做稳定性实验或合同明确做热稳定性实验的转子本体锻件，转子工作温度高于400°C的转子本体锻件都应该做热稳定性实验。
参考文献：
[1] 《汽轮机主轴和转子锻件的热稳定试验方法》JBT 9021-2010
[2] 《Standard Test Method for Heat Stability of Steam Turbine Shafts and Rotor Forgings》ASTM A472-98
[3] 《电力设备监造技术导则》DL586-2008
论文作者:张军,吕清和
论文发表刊物:《电力设备》2018年第19期
论文发表时间:2018/10/18
标签：转子论文; 测试论文; 热稳定性论文; 汽轮机论文; 主轴论文; 稳定论文; 热电偶论文; 《电力设备》2018年第19期论文;