【TSI的位移检测(下)】

三、汽缸和转子膨胀差的检测

和汽缸热膨胀一样，转子也有热膨胀。在汽轮机启动，停机和工况变化时，转子和汽缸各自以自己的固定死点为起始点膨胀和收缩。汽缸膨胀和收缩的固定死点是纵向滑销和横向滑销的交点，其位置由汽轮机滑销系统设计决定。该死点相对于基座是固定的，称为绝对死点。转子膨胀和收缩的固定死点是推力轴承，但推力轴承跟随汽缸膨胀和收缩移动，因此转子的死点相对于基座是移动的，称为相对死点。汽缸膨胀带动推力轴承，而转子又以推力轴承作为死点膨胀，由此产生汽缸和转子的膨胀差。

由于转子和汽缸的质量，表面积以及结构各有不同，转子的质量比汽缸小，而被加热的表面积却比汽缸大，因此在加热和冷却的过程中，转子的温度升高和降低都比汽缸来得快，也就是说加热时转子的膨胀量大于汽缸，冷却时转子的收缩量同样大于汽缸。这种转子与汽缸相对膨胀的差值，称为差胀。差胀的变化可直接反映动静部件之间的轴向间隙大小。

当转子的膨胀大于汽缸时，定义为正差胀；当转子的膨胀小于汽缸时，定义为负差胀。

在汽轮机带负荷正常运行后，转子和汽缸的温度以及膨胀量逐渐趋于稳定，它们之间的膨胀差也会逐渐减小，最后达到某个稳定值。运行中正常的负荷变化速度，一般不会对差胀造成影响。只有在负荷急剧变化或主蒸汽温度不稳定时，才会产生额外的差胀的变化。

实际上，汽机的启动和停机正是转子和汽缸的加热和冷却的过程，升降转速或升降负荷过快，或低负荷停留时间过长，轴封蒸汽温度与转子温度不匹配都会对差胀造成影响。

过大的正差胀或过大的负差胀，会对使汽轮机的轴封和动静叶片间的轴向间隙发生变化，严重时会使它们的动静间隙消失，发生碰撞和摩擦，导致振动加剧，转子局部发热产生弯曲的严重后果。因此在机组启停和工况发生突化时应密切监视和控制差胀的变化，让其不超过差胀应有的限制值。

差胀的限制值与差胀的检测点有密切的关系，应通过转子和汽缸的温度场计算以及膨胀量计算来推算动静间隙出现“报警”或“危险”状态时，差胀检测点的限制值。

西屋机型300MW机组是双缸单死点的滑销系统，在双流低压缸的中点设置一个汽缸膨胀的绝对死点，低压缸推动推力高中压缸以及前轴承座向前膨胀。推力轴承位于高中压缸前端的前轴承座内，是转子膨胀的死点，它随着汽缸的膨胀而移动。在低压缸的发动机端的后轴承座设置一个差胀检测点，如图3所示：

图3 300MW机组的轴向膨胀

根据温度场以及膨胀的计算，确定正差胀报警限制值是15.7mm，危险限制值是16.5mm；负差胀报警限制值是-0.8mm，危险限制值是-1.5mm。差胀的全量程范围为-2.5~+17.5mm；

对量程在12mm以下的差胀检测可使用25mm的涡流探头来检测。在量程超过12mm的差胀检测，有采用螺管式差动变压器作为传感器来检测，但衔铁位移与高速旋转的被测面之间的传递必须通过耐磨的接头连接。更多的则仍然使用涡流探头的无接触检测。问题是如何扩大涡流探头的有效的检测量程。

目前经常采用的有双涡流探头互补方式测量和斜面方式测量两种扩大涡流探头有效检测量程的方法：

采用双涡流探头互补安装方式，可使其测量范围扩大为单个探头检测范围的一倍。

二个涡流探头以互补方式安装，即A探头与被测面间隙增大时，B探头与被测面间隙减小；当一个探头的间隙超出其工作范围时，另一个探头进入工作范围。二个探头的安装位置以及它门的特性曲线如图4所示：

图4 双探头的安装位置和特性曲线

随着差胀的增大，A探头的输出电压逐步增加，到达交叉电压时，由B探头接着工作。这种交叉互补的方式，将使检测的范围扩大。

将被测面改为斜面的做法也是扩大测量范围的有效方法，如图5所示：

图5 差胀的斜面测量法

探头的工作范围为d，能检测差胀的范围为S，S与d的关系为：

S＝d/sinα （5-5）

如果α＝15°，那么检测差胀的范围S将是探头工作范围的4倍。

虽然改被测面为斜面的做法能增加差胀检测的范围，但却加长了转子的轴向长度。

四、转子弯曲后偏心的检测以及键相的检测

汽轮机在启动，运行以及停机过程中，转子很可能出现弯曲。转子弯曲时，其重心将偏离运转中心，会引起转子旋转时激烈的振动。

运行中，转子弯曲的主要原因是由于汽缸变形，引起径向间隙变化，甚至消失，造成动静部件摩擦，发生振动-摩擦-加剧振动-加剧摩擦的恶性循环，致使局部受热造成转子的弯曲。

在机组启动或停机时，由于转子得不到均匀的加热或冷却，使转子上下产生过高的温差造成转子的弓弯。启动时过热或过冷的轴封蒸汽也常常是造成转子局部加热或冷却的主要原因；停机时没能及时投用盘车则是造成转子上下温差过大的重要因素。转子的弹性弯曲可以用加长盘车时间，减小上下温差，使其弯曲逐渐得到恢复，转子的永久性弯曲则是一件重大的设备事故。

为此，必须设置转子偏心的检测来鉴定转子的弯曲程度，尤其是在机组启动前，应了解转子偏心是否合格来确定是否能开始启动的操作。

转子偏心峰-峰值可用二个8mm涡流探头来检测，其中一个涡流探头用于检测转子的偏心信号，另一个涡流探头用于检测键相信号。键相信号的产生可用图6来说明：

图6 键相信号的检测

当转轴上有缺口或凸台时，每转一周，键相探头即能在探头对准缺口或凸台时，发出一突变的脉冲信号。此脉冲信号发生在键相探头安装位置，是监控模件处理转轴旋转一周要测量偏心峰-峰值所必需的时间限定范围，它也可作为测量振动相位角和振动频谱分析的主要辅助信号。

偏心涡流探头实际上是测量的是转轴与探头之间的间隙。间隙在转轴旋转一周时的变化，反映了转轴旋转时的偏心峰-峰值。

偏心监控模件接受偏心探头和键相探头信号后能输出转速小于600转/分时的偏心峰-峰值。偏心的峰-峰值满量程为500μm，对应的模拟量输出为4~20mA。

根据偏心涡流探头的安装位置以及转轴的安装扬度来决定合格的偏心值。西屋300MW，600MW机型设计时就确定了偏心检测的位置，并明确规定偏心峰-峰值的合格数值为76μm。因此偏心监控模件在检测到偏心峰-峰值大于76μm时，将输出一个开关量的报警信号，发出偏心过大，盘车不能停止，汽机暂停冲转的提示。