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脹差、軸向位移產(chǎn)生原因及防控措施
發(fā)布時(shí)間：2025-09-23
1、軸向位移和脹差的概念
軸位移指的是軸的位移量，而脹差則指的是軸相對(duì)于汽缸的相對(duì)膨脹量，一般軸向位移變化時(shí)其數(shù)值較小。軸向位移為正值時(shí)，大軸向發(fā)電機(jī)方向移，若此時(shí)汽缸膨脹遠(yuǎn)小于軸的膨脹，脹差不一定向正值方向變化；如果機(jī)組參數(shù)不變，負(fù)荷穩(wěn)定，脹差與軸向位移不發(fā)生變化。機(jī)組啟停過(guò)程中及蒸汽參數(shù)變化時(shí)，脹差將會(huì)發(fā)生變化，由于負(fù)荷的變化而軸向位移也一定發(fā)生變化。運(yùn)行中軸向位移變化，必然引起脹差的變化。
汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)子膨脹大于汽缸膨脹的脹差值稱為正脹差，當(dāng)汽缸膨脹大于轉(zhuǎn)子膨脹時(shí)的脹差值稱為負(fù)脹差。
根據(jù)汽缸分類又可分為高差、中差、低I差、低II差。
脹差數(shù)值是很重要的運(yùn)行參數(shù)，若脹差超限，則熱工保護(hù)動(dòng)作使主機(jī)脫扣，避免動(dòng)靜部分發(fā)生碰撞，損壞設(shè)備。
啟動(dòng)時(shí)，一般應(yīng)用加熱裝置來(lái)控制汽缸的膨脹量，而轉(zhuǎn)子主要依靠汽輪機(jī)的進(jìn)汽溫度和流量以及軸封汽的汽溫和流量來(lái)控制轉(zhuǎn)子的膨脹量。啟動(dòng)時(shí)脹差一般向正方向發(fā)展。汽輪機(jī)在停用時(shí)，隨著負(fù)荷、轉(zhuǎn)速的降低，轉(zhuǎn)子冷卻比汽缸快，所以脹差一般向負(fù)方向發(fā)展，特別是滑參數(shù)停機(jī)時(shí)尤其嚴(yán)重，必須采用汽加熱裝置向汽缸夾層和法蘭通以冷卻蒸汽，以免脹差保護(hù)動(dòng)作。
汽輪發(fā)電機(jī)中，由于蒸汽在動(dòng)葉中做功，以及隔板汽封間隙中的漏汽等原因，使動(dòng)葉前后的蒸汽壓力有一個(gè)壓降。這個(gè)壓降使汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子順著蒸汽流動(dòng)方向形成一個(gè)軸向的推力，從而產(chǎn)生軸向位移。如果軸向位移大于汽輪機(jī)動(dòng)靜部分的最小間隙就會(huì)使汽輪機(jī)靜、轉(zhuǎn)子相碰而損壞。軸向位移增大，會(huì)使推力瓦溫度開高，烏金燒毀，機(jī)組還會(huì)出現(xiàn)劇烈振動(dòng)，故必須緊急停機(jī)，否則將帶來(lái)嚴(yán)重后果。
差脹保護(hù)是指汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子和汽缺之間的相對(duì)膨脹差。在機(jī)組啟、停過(guò)程中，由于轉(zhuǎn)子相對(duì)汽缸來(lái)說(shuō)很小，熱容量小，溫度變化快，膨脹速度快。若不采取措施加以控制升溫速度，將使機(jī)組轉(zhuǎn)子與汽缸摩擦造成損壞。故運(yùn)行中差脹不能超過(guò)允許值。
汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子停止轉(zhuǎn)動(dòng)后，負(fù)脹差有可能會(huì)更加發(fā)展，因此應(yīng)當(dāng)維持一定溫度的軸封蒸汽，以免造成惡果。
2、軸向位移和脹差產(chǎn)生的原因（影響機(jī)組脹差的因素）
使脹差向正值增大的主要因素簡(jiǎn)述如下：
1）啟動(dòng)時(shí)暖機(jī)時(shí)間太短，升速太快或升負(fù)荷太快。
2）汽缸夾層、法蘭加熱裝置的加熱汽溫太低或流量較低，引起汽加熱的作用較弱。
3）滑銷系統(tǒng)或軸承臺(tái)板的滑動(dòng)性能差，易卡澀，汽缸脹不出。
4）軸封汽溫度過(guò)高或軸封供汽量過(guò)大，引起軸頸過(guò)份伸長(zhǎng)。
5）機(jī)組啟動(dòng)時(shí)，進(jìn)汽壓力、溫度、流量等參數(shù)過(guò)高。
6）推力軸承工作面、非工作面受力增大并磨損，軸向位移增大。
7）汽缸保溫層的保溫效果不佳或保溫層脫落，在嚴(yán)禁季節(jié)里，汽機(jī)房室溫太低或有穿堂冷風(fēng)。
8）雙層缸的夾層中流入冷汽（或冷水）。
9）脹差指示器零點(diǎn)不準(zhǔn)或觸點(diǎn)磨損，引起數(shù)字偏差。
10）多轉(zhuǎn)子機(jī)組，相鄰轉(zhuǎn)子脹差變化帶來(lái)的互相影響。
11）真空變化的影響(真空降低，引起進(jìn)入汽輪機(jī)的蒸汽流量增大)。
12）轉(zhuǎn)速變化的影響(轉(zhuǎn)速降低)。
13）各級(jí)抽汽量變化的影響，若一級(jí)抽汽停用，則影響高差很明顯。
14）軸承油溫太高。
15）機(jī)組停機(jī)惰走過(guò)程中由于“泊桑效應(yīng)”的影響。
16）差脹指示表不準(zhǔn)，或頻率，電壓變化影響。
使脹差向負(fù)值增大的主要原因：
1）負(fù)荷迅速下降或突然甩負(fù)荷。
2）主汽溫驟減或啟動(dòng)時(shí)的進(jìn)汽溫度低于金屬溫度。
3）水沖擊。
4）軸承油溫太低。
5）軸封汽溫度太低。
6）軸向位移變化。
7)真空過(guò)高，相應(yīng)排汽室溫降低而影響。
8）啟動(dòng)進(jìn)轉(zhuǎn)速突升，由于轉(zhuǎn)子在離心力的作用下軸向尺寸縮小，尤其低差變化明顯。
9）雙層汽缸夾層中流入高溫蒸汽，可能來(lái)自汽加熱裝置，也可能來(lái)自進(jìn)汽套管的漏汽或者軸封漏汽。
10)汽缸夾層加熱裝置汽溫太高或流量較大，引起加熱過(guò)度。
11)滑銷系統(tǒng)或軸承臺(tái)板滑動(dòng)卡澀，汽缸不縮回。
12)差脹值示表不準(zhǔn)，或頻率，電壓變化影響。
正脹差 - 影響因素主要有：
（1）蒸汽溫升或溫降速度大
（2）負(fù)價(jià)苛變化速度的影響
（3）軸封供汽溫度的影響
（4）凝汽器真空的影響
（5）環(huán)境溫度的影響
（6）摩擦鼓風(fēng)的影響
（7）其他：汽缸法蘭螺栓加熱裝置的影響
1.蒸汽溫升或溫降速度大
啟動(dòng)時(shí)，一般應(yīng)用加熱裝置來(lái)控制汽缸的膨脹量，而轉(zhuǎn)子主要依靠汽輪機(jī)的進(jìn)汽溫度和流量以及軸封汽的汽溫和流量來(lái)控制轉(zhuǎn)子的膨脹量。啟動(dòng)時(shí)脹差一般向正方向發(fā)展。汽輪機(jī)在停用時(shí)，隨著負(fù)荷、轉(zhuǎn)速的降低，轉(zhuǎn)子冷卻比汽缸快，所以脹差一般向負(fù)方向發(fā)展，特別是 滑參數(shù)停機(jī)時(shí)尤其嚴(yán)重，必須采用汽加熱裝置向汽缸夾層和法蘭通以冷卻蒸汽，以免脹差保護(hù)動(dòng)作。汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子停止轉(zhuǎn)動(dòng)后，負(fù)脹差可能會(huì)更加發(fā)展，為此應(yīng)當(dāng)維持一定溫度的軸封蒸汽，以免造成惡果。
2.負(fù)荷變化速度的影響
當(dāng)負(fù)荷變化時(shí)，各級(jí)蒸汽流量發(fā)生變化，特別是在低負(fù)荷范圍內(nèi)，各級(jí)蒸汽溫度的變化較大，負(fù)荷增長(zhǎng)速度愈快，蒸汽的溫升速度也愈快．與金屬表向降負(fù)荷速度加快，汽缸和轉(zhuǎn)子溫升速度的差別愈大。負(fù)荷增加速度加快，正脹差增大；降負(fù)荷速度加快，正脹差縮小，以致出現(xiàn)負(fù)脹差。
3.軸封供氣溫度的影響
軸封供氣對(duì)轉(zhuǎn)子的軸封段和軸封體加熱，由于軸封體是嵌在汽缸兩端，其膨脹對(duì)汽缸軸同長(zhǎng)度幾乎沒(méi)有影響，但轉(zhuǎn)子軸封段的膨脹卻影響轉(zhuǎn)子的長(zhǎng)度，因而使正脹差加大。由于軸封段占轉(zhuǎn)子長(zhǎng)度的比例較小，故對(duì)總脹差影響較小，可是軸封處的局部脹差卻比較大。若軸封供氣溫度過(guò)高，則出現(xiàn)正脹差過(guò)大；反之，負(fù)脹差 過(guò)大。一般規(guī)定軸封氣溫度略高于軸封金屬溫度。
4.真空對(duì)低壓脹差的影響
真空降低，一方面排氣溫度升高，低壓缸排氣口壓力升高，缸體內(nèi)外壓差減少，兩者促進(jìn)低壓缸缸體膨脹，從而減少低壓脹差。另一方面，若軸封氣壓不變，低壓缸軸封段軸封氣量減少，轉(zhuǎn)子加熱減弱，也使低壓脹差減少。
5.環(huán)境溫度的影響
低壓脹差對(duì)環(huán)境溫度較敏感。環(huán)境溫度升高，低壓脹差變小，環(huán)境溫度降低，低壓脹差升高。主要原因一方面是環(huán)境溫度降低，低壓缸冷卻加劇（低壓缸無(wú)保溫）；另一方面是循環(huán)水溫度降低使真空升高，排氣溫度降低，缸溫下降。經(jīng)觀察，在不同負(fù)荷下，變化規(guī)律是一樣的。在同一負(fù)荷下，冬季跟夏季低壓脹差相差 15%。
6.摩擦鼓風(fēng)的影響
在機(jī)組啟動(dòng)和低負(fù)荷階段，蒸汽流量較小，而高中低壓級(jí)內(nèi)產(chǎn)生較大的鼓風(fēng)摩擦損失（與轉(zhuǎn)速三次方成正比），損失產(chǎn)生的熱量被蒸汽吸收，使其溫度升高。由于葉輪直接與蒸汽相摩擦，因此轉(zhuǎn)子溫度比汽缸溫度高，故出現(xiàn)正脹差。隨著轉(zhuǎn)速升高，轉(zhuǎn)子摩擦鼓風(fēng)損失產(chǎn)生的熱量相應(yīng)加大，但此時(shí)由于流量增加，使產(chǎn)生的 鼓風(fēng)損失的級(jí)數(shù)相應(yīng)減少，因此每千克蒸汽吸收摩擦鼓風(fēng)損失產(chǎn)生的熱量先隨轉(zhuǎn)速升高而增大，使高中低壓缸正脹差增大，后又隨轉(zhuǎn)速升高而相應(yīng)減少，對(duì)脹差的影響逐漸減少。
3、軸向位移和脹差的危害
1.泊桑效應(yīng)影響機(jī)組低壓脹差約10%，所以開機(jī)沖轉(zhuǎn)前，低壓脹差應(yīng)保證10%以上。在停機(jī)過(guò)程中盡量減少低壓脹差（最好控制在90％以下），當(dāng)?shù)蛪好洸畛^(guò)110%，必須緊急停機(jī)，這時(shí)隨著轉(zhuǎn)速下降，低壓脹差會(huì)超過(guò)120%，在低轉(zhuǎn)速區(qū)可能會(huì)有動(dòng)靜摩擦。
2.在冬季低壓脹差過(guò)高時(shí)，要注意軸封氣母管壓力，若壓力過(guò)高可適當(dāng)調(diào)低，也可用降低真空方法來(lái)減少低壓脹差。冬季減少開窗的地方，這是冬季減少低壓脹差有效措施。
3.極熱態(tài)啟動(dòng)時(shí)，軸封供氣盡量選擇高溫氣源，輔氣作為氣源時(shí)，必須保證其溫度控制在270℃左右，若溫度太低，將造成高壓軸封段大軸急劇冷卻收縮，有可能導(dǎo)致前幾級(jí)動(dòng)靜摩擦。
4.冷態(tài)啟動(dòng)時(shí)，軸封氣源高于大軸金屬溫度，大軸將局部受熱伸長(zhǎng)，出現(xiàn)較大的正脹差。因此要選擇與軸封金屬溫度相匹配的氣源，不拖延啟動(dòng)時(shí)間。低壓脹差過(guò)大，可采用降低真空來(lái)調(diào)節(jié)，盡量提前沖轉(zhuǎn)升速。機(jī)組啟動(dòng)階段低壓正脹差超過(guò)限值時(shí)，可破壞真空停軸封氣，待脹差正常后重新啟動(dòng)。
5.機(jī)組倒缸前，主蒸汽氣溫至少比高壓缸金屬溫度高50℃以上，倒缸前應(yīng)考慮軸向位移對(duì)高壓脹差影響。
機(jī)組啟停階段脹差變化幅度大，影響因素多，調(diào)整難度大，因此要嚴(yán)格按規(guī)程操作，根據(jù)汽缸金屬溫度選擇適當(dāng)?shù)臎_轉(zhuǎn)參數(shù)，適當(dāng)?shù)纳郎厣龎呵�，確定合適升溫速度，控制升速和暖機(jī)時(shí)間，帶負(fù)荷后根據(jù)具體情況，及時(shí)分析和采取有效方法，才能有效控制脹差。
4、機(jī)組啟動(dòng)時(shí)脹差變化的分析與控制
汽輪機(jī)在啟停過(guò)程中，轉(zhuǎn)子與汽缸的熱交換條件不同。因此，造成他們?cè)谳S向的膨脹也不一致，即出現(xiàn)相對(duì)膨脹。相對(duì)膨脹通常也稱為脹差。脹差的大小表明了汽輪機(jī)軸向動(dòng)靜間隙的變化情況。監(jiān)視脹差是機(jī)組啟停過(guò)程中的一項(xiàng)重要任務(wù)。為避免軸向間隙變化而使動(dòng)靜部分發(fā)生摩擦，不僅應(yīng)對(duì)脹差進(jìn)行嚴(yán)格的監(jiān)視，而且脹差對(duì)汽輪機(jī)運(yùn)行的影響應(yīng)該有足夠的認(rèn)識(shí)。
受熱后汽缸是從“死點(diǎn)”向機(jī)頭方向膨脹的，所以，脹差的信號(hào)發(fā)生器一般安裝在汽缸相對(duì)基礎(chǔ)的“死點(diǎn)”位置。脹差發(fā)信器安裝在前軸承箱座上。
機(jī)組的啟動(dòng)按啟動(dòng)前汽輪機(jī)金屬溫度水平分為：冷態(tài)啟動(dòng)（金屬溫度150-180度）；溫態(tài)啟動(dòng)（180度-350度）；熱態(tài)啟動(dòng)（350度-450度）；極熱態(tài)啟動(dòng)（450度以上）。
現(xiàn)僅就常見的冷態(tài)啟動(dòng)和熱態(tài)啟動(dòng)時(shí)機(jī)組脹差的變化與控制進(jìn)行簡(jiǎn)單分析：
在機(jī)組冷態(tài)啟動(dòng)過(guò)程中，脹差的變化和對(duì)脹差的控制大致分為以下幾個(gè)階段：
1.汽封供汽抽真空階段。
從汽封供汽抽真空到轉(zhuǎn)子沖轉(zhuǎn)前脹差值是一直向正方向變化的。因?yàn)樵诩訜峄蚶鋮s過(guò)程中，轉(zhuǎn)子溫度升高或降低的速度都要比汽缸快，相應(yīng)的膨脹或收縮的速度也要比汽缸快。在我們投入均壓箱對(duì)汽封供汽時(shí)，汽封套受熱后向兩側(cè)膨脹，對(duì)整個(gè)汽缸的膨脹影響不大。而與汽封相對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)子主軸段受熱后則使轉(zhuǎn)子伸長(zhǎng)。汽封供熱對(duì)轉(zhuǎn)子伸長(zhǎng)值的影響是由供汽溫度來(lái)決定的，但加熱時(shí)間也有影響。所以，冷態(tài)啟動(dòng)時(shí)均壓箱的壓力不宜過(guò)高，一般應(yīng)保持在0.1MPA以下，而溫度則應(yīng)在250攝氏度左右。當(dāng)抽氣系統(tǒng)投入并開始抽真空后，如果脹差向正值變化過(guò)快，可以采取降低均壓箱壓力或適當(dāng)提升凝汽器真空的方法，因?yàn)橥ㄟ^(guò)提升真空可以減少蒸汽在汽封中的滯留時(shí)間。
總體上來(lái)說(shuō)，冷態(tài)開機(jī)，汽封來(lái)汽溫度和壓力應(yīng)該低一些，真空應(yīng)該提升的快一點(diǎn)，在確保安全的前提下盡早達(dá)到?jīng)_轉(zhuǎn)的條件。
2.暖機(jī)升速階段。
從沖轉(zhuǎn)到定速，脹差基本上繼續(xù)上升。在這一階段，蒸汽流量小，蒸汽主要在調(diào)節(jié)級(jí)內(nèi)做功。中速暖機(jī)以后再升速時(shí)，脹差值才會(huì)有減小的趨勢(shì)。這主要是因?yàn)殡S著轉(zhuǎn)速的升高，離心力增大，軸向的分力也增大了，而使轉(zhuǎn)子變粗縮短。同時(shí)汽缸溫度逐漸上升，氣缸的膨脹速度也在上升，相對(duì)遲滯了轉(zhuǎn)子的膨脹值。在沖轉(zhuǎn)時(shí)，蒸汽的壓力和溫度都應(yīng)適當(dāng)?shù)鸵恍菧囟纫３忠欢ǖ倪^(guò)熱度，沖轉(zhuǎn)速率要低。在沖轉(zhuǎn)過(guò)程當(dāng)中要密切注意缸溫的變化，此時(shí)如果脹差正值過(guò)高應(yīng)穩(wěn)定轉(zhuǎn)速，或者降低真空，讓蒸汽在汽缸中的滯留時(shí)間長(zhǎng)一些，充分暖機(jī)。有時(shí)在暖機(jī)升速過(guò)程中，如果汽缸本體疏水調(diào)節(jié)不當(dāng)也會(huì)影響到脹差，所以，開機(jī)時(shí)應(yīng)當(dāng)注意控制汽缸本體疏水。為了防止脹差表數(shù)據(jù)失真，我們還應(yīng)當(dāng)密切觀察機(jī)組熱膨脹和軸向位移的變化，通過(guò)熱膨脹，軸向位移的對(duì)比來(lái)進(jìn)一步判斷脹差變化。同時(shí)嚴(yán)密監(jiān)視機(jī)組振動(dòng)情況，特別是跨越臨界轉(zhuǎn)速時(shí)更為重要。
3.定速和并列帶負(fù)荷階段。
由于從升速到定速的時(shí)間較短，蒸汽溫度和流量幾乎不變化，對(duì)脹差的影響在定速后才能反映出來(lái)。定速后，脹差增加的幅度較大，持續(xù)的時(shí)間較長(zhǎng)，特別是在發(fā)電機(jī)并網(wǎng)以后。在低負(fù)荷暖機(jī)階段，蒸汽對(duì)轉(zhuǎn)子和汽缸的加熱比較劇烈。并網(wǎng)后，隨著調(diào)節(jié)汽閥的開大，調(diào)節(jié)級(jí)的溫度上升比較快，調(diào)節(jié)汽門的開啟速度對(duì)脹差的影響比較大。也就是說(shuō)，為了防止脹差變化過(guò)快，并網(wǎng)后應(yīng)但在低負(fù)荷狀態(tài)下暖機(jī)一段時(shí)間，具體的低負(fù)荷暖機(jī)時(shí)間由汽缸上、下壁溫度，調(diào)節(jié)級(jí)溫度和脹差的變化趨勢(shì)來(lái)定。只有脹差值出現(xiàn)下降趨勢(shì)而且比并網(wǎng)時(shí)的數(shù)值下降10%以后才能開始逐步提負(fù)荷，一旦脹差又出現(xiàn)上漲并且達(dá)到并網(wǎng)時(shí)的數(shù)值時(shí)就應(yīng)當(dāng)適當(dāng)?shù)臏p緩升負(fù)荷速度甚至停止升負(fù)荷繼續(xù)暖機(jī)。這樣一直到機(jī)組負(fù)荷升至額定值。
總的來(lái)說(shuō)，影響機(jī)組脹差的因素主要有以下幾點(diǎn)：暖機(jī)時(shí)間的長(zhǎng)短，凝汽器真空的變化，軸封供汽溫度的高低和供汽時(shí)間的長(zhǎng)短，主蒸汽的溫升、溫降率，負(fù)荷變化的影響等。
而冷態(tài)啟動(dòng)機(jī)組簡(jiǎn)單的說(shuō)就是要做到：“調(diào)真空，穩(wěn)供汽，緩升速，慢暖機(jī)。低負(fù)荷，不要急，缸溫上，再去提”。
（來(lái)源：火電廠技術(shù)聯(lián)盟）
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