轴向推力

1什么是轴向位移？轴向位移变化有什么危害？答：气压机与汽轮机在运转中，转子沿着主轴方向的串动称为轴向位移。

机组的轴向位移应保持在允许范围内，一般为0.8～1.0mm，超过这个数值就会引起动静部分发生摩擦碰撞，发生严重损坏事故，如轴弯曲，隔板和叶轮碎裂，汽轮机大批叶片折断等。

转子轴向位移（也被成为窜轴）这一指标主要是用以监督推力承轴的工作状况。

汽轮机运行中，汽流在其通道中流动时所产生的轴向推力是由推力承轴来承担的，并由它来保持转子和汽缸的相对轴向位置。

不同负荷下轴向推力的大小是不同的，推力承轴在受压时产生的弹性变形也相应变化，所以运行中应该将位移数值和准值作比较，借以查明机组运行是否正常。

作用在汽轮机转子的轴向推力，是由推力承轴来承受的，推力承轴承受转子的轴向推力并维持汽轮机通流部分正常的动静轴向间隙。

如果显然，轴向推力的变化将影响推力承轴工况的变化，进而会影响到汽轮机动静轴向间隙。

从汽轮机安全运行的角度看来，动静轴向间隙是不允许由过大的变化的，所以通常均在推力承轴部位装设汽轮机转子轴向位移监测装置，以保证汽轮机组的安全工作。

推力承轴，包括承轴座架、瓦架、油膜，并非绝对刚性，也就是说在轴向推力用下会产生一定程度的弹性位移。

如果汽轮机轴向推力过大，超过了推力承轴允许的负载限度，则会导致推力承轴的损坏，较常见到的就是推力瓦磨损和烧毁，此时推力承轴将不能保持机组动静之间的正常轴向间隙，从而将导致动静碰磨，严重时还会造成更大的设备损坏事故。

而在机组运行中，轴向推力增大的因素常常有：（1）负载增加，则主蒸汽流量增大，各级整齐压差随之增大，使机组轴向推力增大。

抽气供热式或背压式机组的最大轴向推力可能发生在某一中间负荷，因为机组除了电负荷增加外，还有供热负荷增加的影响因素。

（2）主蒸汽参数降低，各级的反动度都将增大，使机组轴向推力增大。

（3）隔板气封磨损，漏气量增加，使级间压差增大。

（4）机组通流部分因蒸汽品质不佳而结垢时，相应级的叶片和叶轮前后压差将增大，使机组的轴向推力增加。

（5）发生水冲击事故时，机组的轴向推力将明显增大。

由于机组在正常工况下运行时，作用在汽轮机转子上的轴向推力就很大，如果再发生以上几种异常情况，轴向推力将会更大，引起推力瓦块温度升高，严重时会使推力瓦块融化。

从上述分析可知，轴向位移可以较直观反映出运行中机组轴向推力的变化。

同时还可看到，轴向推力的大小将影响到推力承轴工况的变化，也就是说提倡者工况的变化可在一定程度反映出轴向推力的变化，这一点已为运行实践所证实，例如轴向推力增大时，推力瓦温度将升高，推力承轴回油温度也将升高。

近来一些机组还装设了推力瓦油膜压力表。

实践表明，用推力瓦油膜压力表来监视轴向推力的变化，反映很灵敏。

当然用推力瓦温、推力承轴回油温度或推力瓦油膜压力都不能直接反映出轴向推力的绝对值，但都可在一定限度内反映轴向推力变化的幅度。

应该指出：推力承轴回油温度对轴向推力变化的反映比较迟缓，已经由不少慈乌金已磨损或开始熔化，但回油温度仍无明显变化的实例，所以我们认为应选择推力瓦温和油膜压力作为轴向推力和轴向位移的主要辅助监视表计。

一些机组推力瓦片未装热电阻测温装置，这是不够安全的，应该创造条件加装。

目前大功率机组推力承轴不仅每一推力瓦片均装设热电阻，甚至非工作瓦片也装设有测温装置。

轴向位移指示通常是按推力盘仅靠推力承轴非工作面（俗称定位面）来定零点的，因此正常运行中，轴向位移的指示值中包括推力承轴非工作瓦片与工作瓦片间推力盘的游动间隙（此值一般推力承轴均在0.4~0.6mm之间），以及在轴向推力作用下承轴座架、瓦架、油膜等的弹性位移。

对大功率机组，由于轴向推力作用方向比较复杂，瞬时推力出现负值的可能性也存在，为此轴向位移的零位常采用和胀差指示相同的定位方法，即推力盘仅靠工作面时定零位，此时正向的轴向推力将仅表现为轴承座架、瓦架等在轴向推力下的弹性位移；而负推力将表现未座架、非工作面瓦架等的反相弹性位移和轴承游动间隙之和。

对单缸中小功率机组，多采用前一种定位方式，此时轴向位移的限值一般仅考虑正值，很少考虑负推力的问题。

对采用后一种定位方式的大功率机组，其轴向位移应同时考虑政府两个方向的限值。

轴向位移的限值通常应根据机组具体动静间隙给出，但实际上还应考虑推力承轴的承载能力以及机组运行中胀差的存在，所以常常给出较小的数值。

正常运行中，运行人员应注意监视轴向位移指示，当发现其逐步增大且超过正常值0.2mm 时，应特别注意检查推力瓦温、推力瓦回油温度或推力瓦油膜压力，以确证轴向位移指示无误。

此时还应进一步检查机组负荷、蒸汽流量、蒸汽参数、各监视段压力是否超限，各段抽汽量有无显著变化。

抽汽量变化时，则应根据抽汽量的变化进行调整，对供热机组这以点尤为明显。

此外还挺注意推力承轴是否断油，引起瓦块磨损。

若瓦块磨损或熔化，轴向位移指示肯定要超过限值，推力瓦温度也将达90摄氏度以上确系瓦块磨损或熔化时应立即破坏真空紧急停机，在停机过程中认真记录转子的惰走时间，一面引起机组严重损伤。

为了防止轴向推力过大引起轴向位移超限，进而造成动静碰磨事故，目前大中功率汽轮机组均在轴向位移监测基础上装置轴向位移保护装置，当轴向位移达极限值而运行人员来不及处理时，此保护装置自动动作，关闭自动主汽门和调节气阀。

轴向位移监测保护装置有多种类型，目前我国多采用电磁式，与相对膨胀指示和保护装置相同，这一类仪表受电网周波和其他因素影响，有可能发生指示不准甚至误动作，所以有的厂采用推力瓦温串联动作跳闸的保护方式。

轴向位移与相对膨胀均能反映运转中动静向间隙的变化，因此二者之间是有一定关系的，但应注意二者的出发点不同，前者主要反应轴向推力对轴向间隙的影响，而后者则主要反映汽缸转子热膨胀差值引起的轴向间隙的变化。

当轴向位移增大时，胀差正值也必增大；当由于出现负推力轴向位移朝负值方向变化时，胀差也必朝负值方向变化。

由于汽轮机转子与静子之间的间隙很小，当转子的轴向推力过大，致使推理承轴乌金熔化时，转子将产生不允许的轴向位移，造成动静部分摩擦，导致设备严重损坏事故。

因此，汽轮机都装有轴向位移保护装置，其作用是：当轴向位移达到一定数值时，发出警报当轴向位移达到危险值时，保护装置动作，切断汽源停机。

轴向位移保护装置有液压式和电磁式两种，前者常用于中小型汽轮机上，后者则多用于大功率汽轮机上。

一、液压式轴向位移保护装置。

它主要控制活塞、随动活塞和喷油嘴等组成。

控制活塞下部的油压由轴头（或挡油盘）与喷油嘴之间的间隙决定，轴向位移正常时，油压向上作用大于弹簧向下作用力，使控制活塞处于上部位置，压力油经油口进入随动活塞的上部，克服下部弹簧的作用力将随动活塞压至下部位置。

当轴向位移超过允许值时，轴头与喷油嘴的间隙增大，泄油量增加，使控制活塞下部油压降低，弹簧将控制活塞压下，切断压力油来源，与此同时将油口与排油相通，随动活塞上部油室压力降低，随动活塞在其下部弹簧的作用下，被顶到上部位置，切断压力油去主汽阀的油口，并将油口与排油相同，自动主汽阀关闭器活塞下部的油被泄掉，主汽阀迅速关闭。

试验调整时，可手动旋进或推出喷油嘴，改变喷油嘴与轴头之间的间隙，以改变控制活塞的动作油压数值。

试验结束后，必须将喷油嘴用螺帽固定。

二、电磁式轴向位移保护装置。

大功率几轮上多采用电磁式轴向位移保护装置，它由轴向位移发讯器和磁力断路油门两部分组成。

它由Ⅲ型铁芯和线圈组成。

在铁芯中心导磁柱上绕有初级线圈、通交流激磁电流。

由于两侧导磁柱上有大小相等但磁通方向相反的两个串联的线圈，因而当汽轮机轴上的凸肩处于正中位置时，两侧线圈所感应的电势大小相等，方向相反，即线圈两端的电位差为零。

当汽轮机转自发生轴向位移时，一侧间隙减小，磁通增大，所感应的电势增大；另一侧间隙增大，感应的电势相应减少。

这样次级线圈就输出一个电压，该电压的大小，反映了轴向位移的大小，因此这个电压可用作轴向位移保护动作的控制讯号，当轴向位移达到危险数值时，电压达到一定数值，可通过控制回路使磁力断路油门动作，关闭主汽阀和调节气阀。

在正常工作时，电磁铁线圈不通电，活塞被弹簧压在下限位置，安全油和二次油均与回油管路隔开；当电磁铁线圈通电时，电磁铁将活塞提起，安全油与二次油都与回油相通，使汽轮机自动主汽阀与调节气阀关闭，停止汽轮机的运行。

由于直流电磁铁的线圈受温升的限制，通电时间不能过长，因此在直流回路中，装有时间继电器，以便在磁力断路油门动作以后的一定时间内，切断只留电源。

当电源切断后，磁力断路油门的活塞在弹簧的作用下重新复位。

显然，其他保护装置所发出的电气讯号，也可以通过磁力断路油门，使汽轮机停机。

此外，还有其他保护装置：低优雅保护装置、低真空保护装置和防火油门。

最后还有关于负推力的问题，因为推理承轴非工作面承载能力弱，有许多机组负轴向位移侧无停机保护，负推力的存在对汽轮机的安全运行时一个威胁。

负轴向推力的形成，对大功率机还是可以理解的，因为气流方向在各个汽缸内是不同的，例如高压缸通常气流方向指向机头，在低参数低负荷工况下，整齐焓值主要降落在高压缸，此时常变现出负推力的存在，再如汽轮机蒸汽侧发生进水进冷汽事故（水冲击），必然是负推力增大。

对于100MW一下的中功率机轮，通常负推力的产生往往不好理解，但经分析，还是可得出产生负推力的原因：（1）有一部分汽轮机，高压转子端轴封段具有平衡活塞结构，在高负荷时调节级汽室压力较高，如此时轴封漏汽室压力维持得较低，则会使平衡活塞的反推力作用过大，形成负推力。

（2）通流部分制造上的偏差允许±2%，例如由于制造偏差引起的反动度变化±3%，就可使轴向推力由正值到负值变化相当大的幅度，从而可能使机组呈现负推力。

（3）低周波运行时，机组转速降低，叶片圆周速度随之降低，使级的速比减小，级的反动度减小，从而造成正向轴向推力的减小，甚至负轴向推力的增大。

还应指出的是，对常用的电磁式轴向位移指示仪表，当周波降低时也将长生测量指示误差，且此误差表现为负值增大，这是应与注意的。

（4）通流部分的间隙对轴向推力有不容忽视的影响，例如当为了提高机组经济性，将各级动静叶轴向间隙调得过小时，将会出现轴向推力朝负值方向的变化，这主要是因为叶根汽封的抽吸作用而造成的；再如当高压钱轴封间隙过大时，漏汽量增大，调节级叶轮前后可能产生负推力。

（5）发电机磁力中心有偏差，特别是动静轴向中心偏差，在运转中会产生电磁轴向力，次作用力的方向可能为正亦可能为负。

汽轮机组轴向推力的大小和方向与许多因素有关，特别是负推力的影响因素，目前有不少还未被充分认识，这样就不能采取有效把那予以解决。

对于负推力暂时无法消除的机组，应采取必要的安全措施，例如加大非工作面瓦片的面积，非工作面瓦片加装测温装置或油膜压力测点考虑到轴向位移负值的存在将叶片进汽侧的轴向间隙扩大，轴向位移保护加装负值动作等。