CN103245283A - 水轮机组轴线摆度精确连续测量处理的方法 - Google Patents

Abstract

一种水轮机组轴线摆度精确连续测量处理的方法，包括以下步骤：一、根据机组的轴系组成，在每根组成轴设置用于测量外壁位移的位移传感器作为测量点；二、根据旋转角θ_i获取对应的位移值e_i；三、根据多个位移值e_i，获得拟合的轴线摆度正弦曲线，由轴线摆度正弦函数，获取最大摆度值在X轴、Y轴的分量；四、计算得到各个测量断面的最大摆度偏心距和偏心角：五、以导轴承测量断面为基准，根据最大摆度偏心距的座标点计算得到各段轴的校正值。本发明更加真实的模拟了机组实际运行情况，测量数据更精确，使机组调整更准确快速，加快了机组安装速度，确保机组安装质量，为机组安全运行提供了条件。

Description

水轮机组轴线摆度精确连续测量处理的方法

技术领域

本发明涉及水轮机发电机组轴线摆度测量领域，尤其是针对现代巨型水轮机组安装调整高精度要求提出的一种水轮机组轴线摆度精确连续测量处理的方法。

背景技术

水轮发电机组安装时，由于镜板摩擦面与机组轴线不垂直，或机组轴线本身曲折，机组都会产生摆度。机组轴线摆度的大小是衡量水轮发电机机组制造和安装质量的主要技术指标之一，使机组轴线摆度值在允许的范围内，是保证机组稳定可靠运行的重点。机组盘车是测量机组轴线摆度的重要工序。一般情况下，机组采用传统等角盘车方法进行摆度值测量，即在主轴不同断面要测量的部位，将圆周断面统一等分为八点，盘车时依次在每个测点处停留，读取主轴不同断面测量部位百分表摆度数值，例如《大电机技术》2009年第6期发表的《三峡特大型水轮发电机组总装调整技术》即记载了相关的方案。由于机组转动部件质量大、惯性大，在操作时随机性较大，要准确停留在某个特定的轴号上非常困难，不是转过头就是转不到位，使盘车数据与特定轴号对应不准，增加盘车摆度计算的误差，降低了盘车质量，使得对盘车摆度大小及方位的判断带有一定的盲目性，直接影响下一步轴线处理量的大小和方向，多数情况是增加了轴线处理的重复次数，延误直线工期。另外，由于八个测量点测值较少，大轴直径圆度误差就会影响轴线摆度测量误差。在这种情况下，巨型水轮机组采用传统八点等角盘车方法难以达到机组轴线摆度测量精度要求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种水轮机组轴线摆度精确连续测量处理的方法，可以解决现有测量方法的技术问题，精确度高、操作速度快、占用工期短。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种水轮机组轴线摆度精确连续测量处理的方法，其特征是包括以下步骤：

一、根据机组的轴系组成，在每根组成轴设置用于测量外壁位移的位移传感器作为测量点；

二、根据旋转角θ_i获取对应的位移值e_i；

三、根据多个位移值e_i，获得拟合的轴线摆度正弦曲线，由轴线摆度正弦函数，获取最大摆度值在X轴、Y轴的分量：

y=f(θ)=esin(θ+α)+c；

式中：

e为位移值；

θ为旋转角；

α为初始角；

c为波形在Y轴的偏移位置；

$\left\{\begin{array}{c}{x}_{\max }=\frac{2}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{e}_i\cos {\mathrm{\θ}}_i\\ y_{\max }=\frac{2}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{e}_i\sin {\mathrm{\θ}}_i\end{array}\right.,i=\mathrm{1,2,3},\·\·\·n$

四、计算得到各个测量断面的最大摆度偏心距和偏心角：

$e_{\max }=\sqrt{{x^2}_{\max }+{y^2}_{\max }};$

${\mathrm{\θ}}_{\max }={\mathrm{tg}}^{-1}\frac{y_{\max }}{x_{\max }};$

五、以导轴承测量断面为基准，根据最大摆度偏心距的座标点计算得到各段轴的校正值。

步骤三中，根据多个位移值e_i，获得拟合的轴线摆度正弦曲线时，选择经过的测量点最多的那条轴线摆度正弦曲线。

步骤三中，超出拟合的轴线摆度正弦函数曲线的个别离散点在取值时不予考虑。

在集电环测量断面、上端轴测量断面、转子中心体测量断面、下端轴测量断面、水轮机轴测量断面和导轴承测量断面处设置用于测量外壁位移的位移传感器作为测量点，其中导轴承测量断面作为测量的基准。

所述的位移传感器在每个测量断面设置两个，每个位移传感器在圆周上相距90°

。

根据每个测量断面每个测量点测出的数据，分别计算出每个测量断面上最大摆度值即最大偏心距和夹角，再根据轴线摆度正弦函数曲线确定最终的取值。

旋转角θ_i由以下公式得到；

其中：n的取值越大，则轴直径圆度误差越小。

所述的位移传感器为接触式位移传感器。

本发明提供的一种水轮机组轴线摆度精确连续测量处理的方法，通过用数学模型将一系列机组轴线摆度实测离散数据拟合成一条理论正弦摆度线，推导出机组轴线上摆度值计算公式，为机组轴线摆度连续测量提供了理论基础。由此数学模型，降低了各个轴的圆度误差对最大摆度偏心距和偏心角取值的影响，确保精确地获取各段轴的校正值。由此数学模型，在计算机中可以方便地建立偏移量的三维结构，便于操作人员直观的了解机组的总体偏移状态，以便于后期的校正施工。采用了数字化的位移传感器替代了传统的千分表，进一步提高了测量精度，且便于与计算机软件进行结合。

本发明的优点还在于机组盘车时实现了连续旋转盘车，减少间断启动和停止时造成的读数误差；机组轴线旋转一周中每一个断面上可测量出上百组的数据，减小了大轴直径圆度误差对摆度测量的影响，确保了轴线摆度测量精度；机组轴线测量数据处理及分析的计算机化和可视化，使机组盘车轴线测量和调整更加准确、迅速，为水轮发电机组快速安装调试提供了可靠技术保障。

本发明更加真实的模拟了机组实际运行情况，测量数据更精确，使机组调整更准确快速，加快了机组安装速度，确保机组安装质量，为机组安全运行提供了条件。本发明通用性高，实用性强，也可以用于环形部件组装时圆度及同心度的测量和计算。

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为本发明中机组测量断面的示意图，图中采用了省略画法，省略了机组中对称的另一侧图形。

图2为本发明中测量点设置位置的示意图。

图3为本发明中偏心距连线与基准线对比的示意图。

图中：集电环测量断面1，上端轴测量断面2，转子中心体测量断面3，下端轴测量断面4，水轮机轴测量断面5，导轴承测量断面6，第一测量点7，第二测量点8，偏心距连线9，基准线10。

具体实施方式

一种水轮机组轴线摆度精确连续测量处理的方法，包括以下步骤：

一、结合工程实际情况和机组轴线结构，以机组轴线摆度正弦曲线方程和最大摆度值偏心距和偏心角及校正值计算公式为编写基础，结合摆度值测量数据采集方法编写本系统程序。

根据机组的轴系组成，在每根组成轴设置用于测量外壁位移的位移传感器作为测量点。本例中如图1中所示，在集电环测量断面1、上端轴测量断面2、转子中心体测量断面3、下端轴测量断面4、水轮机轴测量断面5和导轴承测量断面6处设置用于测量外壁位移的位移传感器作为测量点。

本例中的伞型水轮机大轴一般由集电环、上端轴、转子中心体、发电机下端轴、水轮机轴五段联接组成了机组整体轴线。要准确测得轴线的摆度，理论上要在每一段轴的适当地方设置测量断面，这样就需要设5个断面，再加上推力轴承附近的导轴承作为旋转的约束点必须设1个断面，总共需要6个测量断面。具体设置几个断面需要根据工程实际情况确定。

所述的位移传感器可以选择电阻式、电容式、激光式或光栅式位移传感器，本例中优选差动电容式接触位移传感器，以获得较高精度的测量数据。该传感器灵敏，测量精度较高，稳定性较好。优选的方案中，所述的位移传感器为接触式位移传感器，在现有技术中接触式位移传感器与非接触式位移传感器相比，具有更高的测量精度，且抗干扰能力更强。

优化的方案中，所述的位移传感器在每个测量断面设置两个，如图2中所示，每个位移传感器在圆周上相距90°。由此方案，两个位移传感器测量点的数据可以互相验证，从而可以进一步减少测量的误差。

二、根据旋转角θ_i获取对应的位移值e_i；

在水轮发电机组连续盘车中，假设在某个测量断面上每盘车一圈中，等角度的取n个均布点。起点选择在0摆度，或者绝对值为最小并且摆度呈上升趋势的测点，起点相对应角设为0°，后面几个测点中的某一测点i对应的旋转角为θ_i，测量值为e_i，测量值e_i在X轴上的分量为x_i，在Y轴的分量为y_i。化的方案中，旋转角θ_i由以下公式得到；

其中：n的取值越大，则轴直径圆度误差影响越小。

三、根据多个位移值e_i，获得拟合的轴线摆度正弦曲线，由轴线摆度正弦函数，获取最大摆度值在X轴、Y轴的分量：

轴线摆度正弦函数：

y=f(θ)=esin(θ+α)+c；

式中：

e为位移值；

θ为旋转角；

α为初始角；

c为波形在Y轴的偏移位置；

机组轴线摆度圆展开为一条正弦曲线，各大轴断面上各点的摆度值理论上应该完全落在这条正弦曲线上，但因盘车中摆度测量的误差以及轴本身的圆度误差，使得这些盘车点的测量值个别的偏移于这条摆度正弦曲线，因为无法知道各点实际的测量误差，应用数学模型对全部误差做整体考虑，即将一系列实测的离散数据点拟合成一条理论的正弦曲线，即摆度线。

步骤三中，根据多个位移值e_i，获得拟合的轴线摆度正弦曲线时，选择经过的测量点最多的那条轴线摆度正弦曲线。此处所述的经过的测量点最多的那条轴线摆度正弦曲线，是指该条轴线摆度正弦曲线在其误差范围内的测量点最多，例如在±0.5mm的误差范围内，一条轴线摆度正弦曲线的误差范围内有85%的测量点，而另一条拟合出的曲线的误差范围内有90%的测量点，则选择在后的这条作为最终的轴线摆度正弦曲线。

通常采取的做法是对超出拟合的轴线摆度正弦函数曲线的个别离散点在拟合取值时不予考虑。例如对数量10%以下的偏离离散点不予考虑。以克服圆度误差及测量误差对取值的影响。

最大摆度值在X轴、Y轴的分量：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_{\max }=\frac{2}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{e}_i\cos {\mathrm{\θ}}_i\\ y_{\max }=\frac{2}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{e}_i\sin {\mathrm{\θ}}_i\end{array}\right.,i=\mathrm{1,2,3},\·\·\·n$

最大摆度偏心距：

$e_{\max }=\sqrt{{x^2}_{\max }+{y^2}_{\max }};$

偏心角：

所述的偏心角即为与最大摆度偏心距相对应的角度。

在上述计算公式中，n的实际意义是取值越大计算越精确，可以完全消除大轴直径圆度误差而影响摆度测量的误差，这是连续旋转盘车与传统的8点盘车技术的本质区别，也是提高测量精度的关键。

五、以导轴承测量断面6为基准，即以推力轴承附近的导轴承为连续旋转盘车的约束点，根据最大摆度偏心距的座标点计算得到各段轴的校正值。

根据每个测量断面每个测量点测出的数据，分别计算出每个测量断面上最大摆度值即最大偏心距和夹角，再根据轴线摆度正弦函数曲线确定最终的取值。由此进一步减少测量误差和大轴圆度误差的影响。

将获取的数据导入到前述的系统程序中，在轴线盘车后，即可以方便地从计算机查询各测量断面的最大摆度值即偏心距、夹角以及轴线校正值。并可以进行三维图演示，如图3中所示，系统中可以显示的水轮机轴主要测量断面最大摆度偏心距连线，可以直观的看到各测量断面的最大摆度值。进行三维演示的好处还在于，使施工人员更为直观的了解并模拟校正的步骤。例如，校正的顺序，当互相关联的轴系，在先的即靠近基准的轴先校正后，该误差值或者称为偏心距即累加到下个轴。因此，通过三维图演示全面了解偏心距的整体结构，大幅加快了整体的施工进度。

Claims (8)

1.一种水轮机组轴线摆度精确连续测量处理的方法，其特征是包括以下步骤：

一、根据机组的轴系组成，在每根组成轴设置用于测量外壁位移的位移传感器作为测量点；

二、根据旋转角θ_i获取对应的位移值e_i；

三、根据多个位移值e_i，获得拟合的轴线摆度正弦曲线，由轴线摆度正弦函数，获取最大摆度值在X轴、Y轴的分量：

y=f(θ)=esin(θ+α)+c；

式中：

e为位移值；

θ为旋转角；

α为初始角；

c为波形在Y轴的偏移位置；

$\left\{\begin{array}{c}{x}_{\max }=\frac{2}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{e}_i\cos {\mathrm{\θ}}_i\\ y_{\max }=\frac{2}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{e}_i\sin {\mathrm{\θ}}_i\end{array}\right.,i=\mathrm{1,2,3},\·\·\·n;$

四、计算得到各个测量断面的最大摆度偏心距和偏心角：

$e_{\max }=\sqrt{{x^2}_{\max }+{y^2}_{\max }};$

${\mathrm{\θ}}_{\max }={\mathrm{tg}}^{-1}\frac{y_{\max }}{x_{\max }};$

五、以导轴承测量断面（6）为基准，根据最大摆度偏心距的座标点计算得到各段轴的校正值。

2.根据权利要求1所述的一种水轮机组轴线摆度精确连续测量处理的方法，其特征是：步骤三中，根据多个位移值e_i，获得拟合的轴线摆度正弦曲线时，选择经过的测量点最多的那条轴线摆度正弦曲线。

3.根据权利要求2所述的一种水轮机组轴线摆度精确连续测量处理的方法，其特征是：步骤三中，超出拟合的轴线摆度正弦函数曲线的个别离散点在取值时不予考虑。

4.根据权利要求1所述的一种水轮机组轴线摆度精确连续测量处理的方法，其特征是：在集电环测量断面（1）、上端轴测量断面（2）、转子中心体测量断面（3）、下端轴测量断面（4）、水轮机轴测量断面（5）和导轴承测量断面（6）处设置用于测量外壁位移的位移传感器作为测量点，其中导轴承测量断面（6）作为测量的基准。

5.根据权利要求1所述的一种水轮机组轴线摆度精确连续测量处理的方法，其特征是：所述的位移传感器在每个测量断面设置两个，每个位移传感器在圆周上相距90°。

6.根据权利要求5所述的一种水轮机组轴线摆度精确连续测量处理的方法，其特征是：根据每个测量断面每个测量点测出的数据，分别计算出每个测量断面上最大摆度值即最大偏心距和夹角，再根据轴线摆度正弦函数曲线确定最终的取值。

7.根据权利要求1所述的一种水轮机组轴线摆度精确连续测量处理的方法，其特征是：旋转角θ_i由以下公式得到；

其中：n的取值越大，则轴直径圆度误差越小。

8.根据权利要求1所述的一种水轮机组轴线摆度精确连续测量处理的方法，其特征是：所述的位移传感器为接触式位移传感器。

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