CN101576425B - 一种汽轮机叶轮静平衡的测量方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于精密加工及测量技术领域，涉及一种汽轮机叶轮静平衡测量技术，包括叶轮、驱动电机、力矩传感器、数据处理系统、气体轴承、气体轴承支撑机构、气浮导轨、气浮导轨支撑机构、液体轴承、恒力发生机构和液体轴承支撑机构；驱动电机驱动气体轴承并带动叶轮匀速旋转，测量叶轮转动一周的过程中驱动电机的输出力矩并计算叶轮不平衡量，定量去除。本发明使叶轮单独旋转，消除了由其他部件的不平衡量引起的系统误差，在测量系统的主要运动机构中采用流体润滑，大幅减小了运动摩擦力，降低了可测得叶轮最小不平衡量，提高了测量的精度和灵敏度，并通过力矩传递和测量实现测量结果量值化，提高了工作效率，可广泛用于汽轮机叶轮静平衡检测装置中。

Description

一种汽轮机叶轮静平衡的测量方法与装置

技术领域

本发明专利涉及一种汽轮机叶轮静平衡的测量技术，属于精密测量技术领域，可广泛应用于盘类回转体零件的静平衡检测，测量装置中。

技术背景

汽轮机叶轮通常工作在高温(600℃)、高压(25MPa)和高转速(3000r/min)的工作状态下，汽轮机叶轮的静平衡性能不仅对主机的运行质量和精度具有重要的影响，而且对汽轮机机组的工作效率、安全状况、振动特性及使用寿命也都有直接的影响。静平衡性能不佳的叶轮会增大运动部分的噪声和振动，在高转速的工作状态下会产生很大的不平衡力矩，会影响汽轮机发电机组的主轴的直线度，严重时会使主轴弯曲，甚至打坏机组外壳，发生重大安全事故。因此，精密测量叶轮不平衡量具有重要的意义。

目前国内企业对汽轮机叶轮静平衡性能测量采用的是卧式静平衡法，仍属于手工测量的方案，其工作原理如图1所示，该方法将叶轮14套在芯轴5上并固定，然后将芯轴5放在两条等高平行导轨21上任其自由滚动至停止，叶轮14偏重部分将处于最下方，工人凭经验去除余量，反复试验直至满足要求。这种测量方法要求导轨要有一定的长度，对两条导轨各自的水平、互相的平行和等高精度都有很高的要求，装调的实现难度很大；最重要的是，由于叶轮自重很大，叶轮与导轨之间的滚动摩擦自身也存在一定的摩擦率，在摩擦力的影响下，叶轮停止时并未处在理想状态，而且无法判断其真正位置；从该方法的原理可以看出，只有在偏心力矩大于滚动摩擦力矩的时候叶轮才会在导轨上滚动，所以滚动摩擦力的存在还使该方法可以测量到的叶轮最小不平衡量一定在一个可观值以上，测量精度和灵敏度都不高；该方法仅由人工凭经验去处余量，没有量值化的加工指导，很容易去除不到位甚至去除过量引起新的误差，工作效率很低。总的说来，现在的测量方法存在误差环节多、安全性能差、效率低下、精度低、灵敏度差的缺点。

我国对叶轮、螺旋桨等回转体类零件静平衡检验的研究开展了已有50余年，其间出现了一些成功应用的技术，比较有代表性的技术有顶尖支撑法和液压支撑法。

顶尖支撑法的测量原理如图2所示，测量时先把叶轮工装23调整到稳定平衡的状态，然后套上叶轮14，用紧固螺母22将叶轮14固定在叶轮工装23上，叶轮静不平衡量的存在打破了叶轮14及叶轮工装23的平衡，叶轮14叶轮工装23在支座24上会出现倾斜现象，不断地在叶轮14升高的一侧的放上一定质量的配重物直至叶轮14及叶轮工装23重新达到稳定平衡的状态，与配重物的位置相对的叶轮14圆周上的点即为需去除质量的调整点，根据相对应的配重物的质量去除叶轮14多余重量即可。这种方法结构简单，易于理解，在待测零件质量不大的情况下可有较高精度。但这种方法也有不可忽视的缺点，首先，由于必须要事先调整叶轮工装，其静不平衡量的调整误差也会带到叶轮的测量值中，这是原理性的系统误差，无法消除；其次，需要不断的调整叶轮的平衡之后才可以进行去除工作，工作周期长，效率低；第三，由于顶尖和支座的接触面积很小，当待测零件质量很大时，顶尖与支座的接触面会因作用力过大而被挤压变形，从而破坏了顶尖与支座的规则接触，不规则的接触表面和受力情况将使测量装置的可靠性和精度都无法保证，长期累积下来装置的使用寿命会受到影响。总的说来，顶尖支撑法有存在着不可消除的原理性系统误差，工作效率低下，使用寿命无法保证的缺点。

液压支撑法的测量原理如图3所示，与顶尖支撑法相比，液压支撑法把叶轮工装23和底座26改造成了液压轴承结构，高压润滑油通过油路27进入底座26并进入底座26与叶轮工装23之间的间隙形成油膜28，分离、润滑二者，达到减小摩擦的目的。测量时，传感器25测量由叶轮工装23的倾斜引起的位移或者压力变化，然后根据测得的数据计算出叶轮14的偏心力矩，换算为叶轮14的不平衡量并去除。液压支撑法极大的减小了支撑面的摩擦力，可以大幅提高测量的精度和灵敏度，还可以实现自动测量，也通过相对测量消除了顶尖支撑法中的原理性系统误差，但是，在液压支撑法中，叶轮工装偏摆的运动方向与传感器的探测方向不在同一直线上，传感器的测量值其实是压力或位移这些矢量信号在传感器探测方向上的分量，偏摆的过程中还会引起叶轮中心与传感器距离的变化，这时测量结果的计算中就包含了两种原理性的误差，无法消除，这两种误差制约了这种方法的测量精度和准确度的进一步提高，也是其最大的缺点。

流体润滑技术是一项成熟的技术，在实际中也已广泛应用。它的原理是工作时流动的高压气体或液体进入两个产生相对运动的表面的间隙将它们分离，并作为润滑剂润滑二者的运动。采用流体润滑的导轨和轴承的摩擦力可以降至极低，这是现有的机械轴承所无法比拟的，其中液压轴承在刚度和承载能力方面要明显优于气体轴承，因此更多地用于高刚度和大载荷的环境下。

发明内容

本发明为了解决上述已有技术存在的缺陷，提出一种汽轮机叶轮静平衡的测量方法和装置，其目的是通过流体润滑支撑使叶轮单独运动，消除叶轮以外的因素对测量结果的影响，减小系统误差，减少误差环节；在其他运动机构中采用流体润滑减小摩擦力，提高测量精度和灵敏度；通过直接测量输出力矩提供量化的测量结果指导去除加工操作，提高效率。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

本发明的一种汽轮机叶轮静平衡测量方法，具体测量步骤如下：

步骤一、测量准备工作

①把叶轮套在主轴上，叶轮自身与主轴构成液体轴承，让叶轮单独自由摆动至静止；

②通过支撑机构把气体轴承固定在气浮导轨移动部上，使气体轴承能沿叶轮的半径方向做直线运动；

③通过恒力发生机构沿叶轮径向将气体轴承拉向叶轮外圆表面，保持气体轴承的轴承套与叶轮始终紧密接触且中心线等高、平行；

步骤二、开始测量

①采集驱动电机的输出力矩

通过驱动电机驱动气体轴承的轴承套匀速旋转，并带动叶轮一起旋转时，采集驱动电机的输出力矩；

②计算叶轮最大不平衡量

定义：在叶轮转动一周的过程中采集到的驱动电机的最大输出力矩为Mmax；由Mmax和叶轮半径r计算得到此时叶轮最大不平衡量M＝Mmax/r。

经过上述两个步骤，单次测量结束；

步骤三、去除此时叶轮最大不平衡量，去除方法由加工单位根据技术条件确定；

步骤四、在精度不满足要求时，重复步骤二、三直至满足精度要求。

一种汽轮机叶轮静平衡测量装置，包括叶轮，还包括驱动电机、力矩传感器、数据处理系统、轴承套、芯轴和气体轴承支撑机构、移动部、固定部、气浮导轨支撑机构、液体轴承主轴、恒力发生机构和液体轴承支撑机构；其中；轴承套与芯轴组成气体轴承，移动部与固定部组成气浮导轨，液体轴承主轴与叶轮组成液体轴承，驱动电机与力矩传感器连接，并通过力矩传感器驱动轴承套旋转，轴承套与叶轮直接接触并带动叶轮旋转，数据处理系统与力矩传感器连接并从力矩传感器读取测量数据、处理，气体轴承通过气体轴承支撑机构固定在移动部上，固定部固定在气浮导轨支撑机构上，恒力发生机构与移动部连接将气体轴承拉向叶轮，液体轴承主轴固定在液体轴承支撑机构上。

恒力发生机构与气体轴承支撑机构连接将气体轴承拉向叶轮。

所述叶轮是带有中心孔的回转类轴零件

使叶轮自身与液体轴承主轴构成液体轴承。

通过恒力发生机构沿叶轮径向将气体轴承拉向叶轮外圆表面，保持气体轴承的轴承套与叶轮始终紧密接触且中心线等高、平行，通过驱动电机驱动气体轴承的轴承套旋转，并带动叶轮一起旋转。

有益效果：

1.测量时叶轮与支撑固定部分分离，单独旋转，消除了由叶轮支撑固定部分带来的系统误差；

2.利用无摩擦的气体轴承传递力矩，可以精确地得到不平衡力矩的大小，减少了误差环节，进一步减小了系统误差；

3.利用流体润滑的超低摩擦把由叶轮自重带来的摩擦力降至最低，也就把可分辨叶轮不平衡量降至最小，大幅提高了测量精度和灵敏度；

4.利用无摩擦的气浮导轨作为气体轴承的运动导向机构和恒力产生机构，可以使气体轴承精确地追踪到叶轮表面的形状改变，保持正压力的恒定，避免打滑现象；

5.提供量化的测量结果指导去除操作，避免了去除不到位甚至过量的现象，提高了工作效率。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1为卧式静平衡法的测量原理示意图；

图2为顶尖支撑法的测量原理示意图；

图3为液压支撑法的测量原理示意图；

图4为本发明的结构示意图；

图5为本发明实施例的示意图；

具体实施方式

其中：1-驱动电机、2-力矩传感器、3-数据处理系统、4-轴承套、5-芯轴、6-气体轴承、7-气体轴承支撑机构、8-移动部、9-气浮导轨、10-固定部、11-气浮导轨支撑机构、12-液体轴承、13-液体轴承主轴、14-叶轮、15-恒力发生机构、16-液体轴承支撑机构、17-绳索、18-滑轮架、19-滑轮、20-重锤、21-导轨、22-紧固螺母、23-叶轮工装、24-支座、25-传感器、26-底座、27-油路、28-油膜。

本发明的基本思想是使叶轮单独运动，消除了其支撑固定部分带来的系统误差，在测量系统中除发生力矩传递之外的主要运动机构中均采用流体润滑，大幅减小运动摩擦力，使可测得叶轮最小不平衡量降低，提高测量的精度和灵敏度，通过力矩传递和测量实现直接测量并使结果量值化，指导去除操作，提高效率。

实施例

本发明的实施例的结构如图5所示，一种汽轮机叶轮静平衡测量装置，包括叶轮14、驱动电机1、力矩传感器2、数据处理系统3、轴承套4、芯轴5和气体轴承支撑机构7、移动部8、固定部10、气浮导轨支撑机构11、液体轴承主轴13、液体轴承支撑机构16、绳索17、滑轮架18、滑轮19和重锤20；其中；轴承套4与芯轴5组成气体轴承6，移动部8与固定部10组成气浮导轨9，主轴13与叶轮14组成液体轴承12，驱动电机1与力矩传感器2连接，并通过力矩传感器2驱动轴承套4旋转，轴承套4与叶轮14的中心线等高、平行，二者直接接触，并由轴承套4带动叶轮14旋转，数据处理系统3与力矩传感器2连接并从力矩传感器2读取、处理测量数据，气体轴承6通过气体轴承支撑机构7固定在移动部8上，固定部10固定在气浮导轨支撑机构11上，重锤20通过固定在固定部10上的滑轮架18、滑轮19和固定在移动部8上的绳索17将气体轴承6拉向叶轮14，绳索17、滑轮架18、滑轮19和重锤20组成恒力发生机构15，液体轴承主轴13固定在液体轴承支撑机构16上。

使用时，把叶轮14套在液体轴承主轴13上，让叶轮14单独自由摆动至静止，把气体轴承6通过气体轴承支撑机构7固定在气浮导轨9的移动部8上，保证气体轴承6的轴承套4与叶轮14中心线等高、平行，通过恒力发生机构15沿径向将气体轴承6拉向叶轮14的外圆表面，保持二者始终紧密接触，驱动电机1通过力矩传感器2驱动气体轴承6的轴承套4匀速旋转并带动叶轮14一起旋转，数据处理系统3从力矩传感器2采集数据、测量叶轮14转动一周的过程中驱动电机1的最大输出力矩Mmax，由Mmax和叶轮半径r计算得到此时叶轮最大不平衡量M＝Mmax/r，一次测量结束后，脱开气体轴承6与叶轮14的接触，叶轮14静止后即可实施定量去除操作，然后恢复二者的接触，再次测量此时的最大不平衡量、去处，循环测量、去除直至满足精度要求。

以上结合附图对本发明的具体实施方式作了说明，但这些说明不能被理解为限制了本发明的范围，本发明的保护范围由随附的权利要求书限定，任何在本发明权利要求基础上的改动都是本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种汽轮机叶轮静平衡测量方法，其特征在于具体测量步骤如下：

步骤一、测量准备工作

①把叶轮套在主轴上，叶轮自身与主轴构成液体轴承，让叶轮单独自由摆动至静止；

②通过支撑机构把气体轴承固定在气浮导轨移动部上，使气体轴承能沿叶轮的半径方向做直线运动；

③通过恒力发生机构沿叶轮径向将气体轴承拉向叶轮外圆表面，保持气体轴承的轴承套与叶轮始终紧密接触且中心线等高、平行；

步骤二、开始测量

①采集驱动电机的输出力矩

通过驱动电机驱动气体轴承的轴承套匀速旋转，并带动叶轮一起旋转时，采集驱动电机的输出力矩；

②计算叶轮最大不平衡量

定义：在叶轮转动一周的过程中采集到的驱动电机的最大输出力矩为Mmax；由Mmax和叶轮半径r计算得到此时叶轮最大不平衡量M＝Mmax/r；

经过上述两个步骤，单次测量结束；

步骤三、去除此时叶轮最大不平衡量，去除方法由加工单位根据技术条件确定；

步骤四、在精度不满足要求时，重复步骤二、三直至满足精度要求。

2.根据权利1所述的一种汽轮机叶轮静平衡测量方法，其特征在于：通过恒力发生机构沿叶轮径向将气体轴承拉向叶轮外圆表面，保持气体轴承的轴承套与叶轮始终紧密接触且中心线等高、平行，通过驱动电机驱动气体轴承的轴承套旋转，并带动叶轮一起旋转。

3.一种汽轮机叶轮静平衡测量装置，包括叶轮(14)，其特征在于：还包括驱动电机(1)、力矩传感器(2)、数据处理系统(3)、轴承套(4)、芯轴(5)和气体轴承支撑机构(7)、移动部(8)、固定部(10)、气浮导轨支撑机构(11)、液体轴承主轴(13)、恒力发生机构(15)和液体轴承支撑机构(16)；其中，轴承套(4)与芯轴(5)组成气体轴承(6)，移动部(8)与固定部(10)组成气浮导轨(9)，液体轴承主轴(13)与叶轮(14)组成液体轴承(12)，驱动电机(1)与力矩传感器(2)连接，并通过力矩传感器(2)驱动轴承套(4)旋转，轴承套(4)与叶轮(14)直接接触，数据处理系统(3)与力矩传感器(2)连接并从力矩传感器(2)读取测量数据、处理，气体轴承(6)通过气体轴承支撑机构(7)固定在移动部(8)上，固定部(10)固定在气浮导轨支撑机构(11)上，恒力发生机构(15)与移动部(8)连接将气体轴承(6)拉向叶轮(14)，液体轴承主轴(13)固定在液体轴承支撑机构(16)上。

4.根据权利3所述的一种汽轮机叶轮静平衡测量装置，其特征在于：恒力发生机构(15)与移动部(8)与气体轴承支撑机构(7)连接将气体轴承(6)拉向叶轮(14)。

5.根据权利3所述的一种汽轮机叶轮静平衡测量装置，其特征在于：叶轮是带有中心孔的回转类轴零件。

6.根据权利3所述的一种汽轮机叶轮静平衡测量装置，其特征在于：使叶轮与液体轴承主轴构成液体轴承。

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