CN109540389A - 基于应力棒法的轴流转桨式水轮机转轮静平衡试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于应力棒法的轴流转桨式水轮机转轮静平衡试验装置及方法，它包括用于支撑转轮体的平衡托板，在平衡托板的底部安装有应力棒，所述应力棒支撑在平衡底座的顶部，在应力棒上粘贴有应变片组；所述转轮体的外部安装有叶片。此装置及方法取代传统的钢球镜板法，用于轴流转桨式水轮机转轮静平衡，进而提高了试验效率精度，降低试验安全风险，固化试验装置，减少试验装置成本，为电站机组转轮静平衡试验提供保障。

Description

基于应力棒法的轴流转桨式水轮机转轮静平衡试验装置及 方法

技术领域

本发明提出基于应力棒法的轴流转桨式水轮机转轮静平衡试验装置及方法，适用于大中型轴流转桨式水轮机转轮静平衡试验，使用该方法可精确计算出转轮的不平衡量和偏心方位，具有一定的实用价值。

背景技术

某水电站为了增加机组出力，对水轮机和发电机进行增容改造，水轮机转轮制造安装完成后，需进行静平衡试验，以消除转轮静不平衡对水轮机振动的影响。传统的转轮静平衡试验方法为钢球镜板法，这种方法主要有以下不足：1、对平衡球和平衡镜板的表面硬度、粗糙度以及局部凹陷等要求苛刻；2、测试周期长，计算繁琐，需经过初平衡、灵敏度检查、叶片配重、总平衡四个阶段；3、受平衡镜板材料性能限制，本方法一般用于质量不超过250吨的转轮；4、试验装置通用性差，不同类型的转轮需采用不同的试验装置；5、试验装置关键部件容易受损，增加了试验成本；6、存在较大的安全风险，转轮组合体在试验过程中有可能发生倾倒。

发明内容

本发明目的是提供基于应力棒法的轴流转桨式水轮机转轮静平衡试验装置及方法，此装置及方法取代传统的钢球镜板法，用于轴流转桨式水轮机转轮静平衡，进而提高了试验效率精度，降低试验安全风险，固化试验装置，减少试验装置成本，为电站机组转轮静平衡试验提供保障。

为了实现上述的技术特征，本发明的目的是这样实现的：基于应力棒法的轴流转桨式水轮机转轮静平衡试验装置，它包括用于支撑转轮体的平衡托板，在平衡托板的底部安装有应力棒，所述应力棒支撑在平衡底座的顶部，在应力棒上粘贴有应变片组；所述转轮体的外部安装有叶片。

所述转轮体的底部支撑有多个同步顶升装置。

所述应变片组包括对称布置在应力棒同一横截面的第一应变片、第二应变片、第三应变片和第四应变片。

所述转轮体的顶部安装有连接体。

所述第一应变片和第三应变片采用半桥接法相连，并构成一个惠斯登电桥。

所述第二应变片和第四应变片采用半桥接法相连，并构成一个惠斯登电桥。

采用任意一项所述基于应力棒法的轴流转桨式水轮机转轮静平衡试验装置的试验方法，它包括以下步骤：

Step1：初平衡；针对转轮体和连接体组成的初平衡组合体进行静平衡试验，进而检查初平衡组合体的剩余不平衡量和剩余不平衡量方位；

Step2：叶片选配；以总平衡时的配重质量最小为目的，根据初平衡组合体的不平衡量和偏心方位，综合考虑各叶片的质量偏差，确定各叶片的最优安装位置；

Step3：总平衡；针对转轮体、连接体及叶片形成的总平衡组合体进行的静平衡试验，通过平衡配重使剩余不平衡量满足许用不平衡量的要求。

所述Step1的具体操作为：

Step1.1：将同步顶升装置、平衡托板、应力棒和平衡底座全部安装到位，并将应变片组对称贴在应力棒的同一横截面；

Step1.2：采用半桥接法进行测量，进而将第一应变片和第三应变片连成一个惠斯登电桥，将第二应变片和第四应变片连成一个惠斯登电桥，并分别接入应变仪的输入端；其中第一应变片和第三应变片通过应变仪测量的应变记为通过应变仪测量的应变记为ε₁₃，第二应变片和第四应变片通过应变仪测量的应变记为通过应变仪测量的应变记为ε₂₄；

Step1.3：试验开始前，初平衡组合体完全由同步顶升装置支撑时，将应变仪的读数置零，用同步顶升装置缓慢落下初平衡组合体，直至完全由应力棒进行支撑；

Step1.4：检查稳定状态时初平衡组合体的水平度，保证其水平度≤0.05mm/m，记录稳定状态下的ε₁₃和ε₂₄；

Step1.5：再次用同步顶升装置将初平衡组合体顶起，使应力棒不受力，应变仪读数回零，重复上述过程3次，记录3组数据，并分别求得平均值为和

Step1.6：通过上述的试验数据计算剩余不平衡量和剩余不平衡量方位；

其中，剩余不平衡量：

式中，U为剩余不平衡量，单位：kg·m；λ为惠斯登电桥结构补偿系数；E为应力棒的弹性模量，单位：MPa；R为应力棒半径，单位：mm；g为重力加速度，单位：N/kg mm；

剩余不平衡量方位：

式中，α为剩余不平衡量方位与+X轴的夹角，单位：rad；

若U≤Uper，则初平衡合格，否则需进行配重；其中，Uper为允许不平衡量；

计算配重质量：

式中，P为计算配重质量，单位：kg；L为所加配重的质心与转轮体旋转轴线的距离，单位：m；

Step1.7：根据Step1.6计算结果，在初平衡组合体轻的一侧放置配重，重复上述步骤，并计算剩余不平衡量U；若U≤U_per，则初平衡合格，否则需进行重新配重；测量记录合格后附加配重的质量P_c、半径L_c和方位α_c。

所述Step2的具体操作为：

Step2.1：叶片的质量和质心位置，一般在叶片出厂前已测定并有记录，如果没有记录，则需要对叶片进行称重和质心计算；

Step2.2：初平衡组合体不平衡量按初平衡时的合格配重量计算，为P_cL_c，位于合格配重的对称位置，将其分解到X、Y方向，分别记为U_x和U_y；

Step2.3：叶片选配计算；在不同的叶片位置组合下，分别对X轴和Y轴求矩，使得计算不平衡量U₁最小，计算不平衡量的大小和方位可按以下公式进行计算：

式中，U₁为计算不平衡量，单位：kg·m；W_i为某一叶片质量，单位：kg；X_i为某一叶片质心的X坐标，单位：m；Y_i为某一叶片质心的Y坐标，单位：m；U_x初平衡组合体不平衡量的X轴分量，单位：kg·m；U_y为初平衡组合体不平衡量的Y轴分量，单位：kg·m；θ为计算不平衡量与+X轴的夹角，单位：rad；

计算不平衡量U₁最小时的叶片位置，即为叶片选配的建议位置。

所述Step3的具体操作为：

Step3.1：初平衡完成后，按照选配好的叶片编号，吊装叶片，用螺杆通过连接板将叶片固定在转轮体上，叶片的安装角度应相同，并使其处于全关位置；

Step3.2：按照初平衡的方法再次进行静平衡试验；总平衡合格后，记录所加配重块的质量、半径和方位；并将此结果按力矩相等的原理折算至连接体或转轮体的配重块安装位置；

Step3.3：配重块安装完毕后，进行平衡试验复核；若U≤Uper，则总平衡合格，否则应再次配重，直至符合要求；最终配重质量、半径和方位分别记为P_pz、L_pz、α_pz。

本发明有如下有益效果：

1、利用新提出的方法进行转轮试验不存在转轮倾倒的风险，增加了转轮静平衡试验的安全性。

2、在选用合适传感器的情况下，转轮静平衡试验的精度得到了提高，计算过程简单。

3、利用新提出的方法，避免了试验装置损坏造成的成本增加，同时试验装置的利用率得到大幅提高。

4、初平衡是针对转轮体和连接体组成的组合体，称为初平衡组合体进行的静平衡试验，其目的是检查初平衡组合体的不平衡量和偏心方位。

5、叶片选配是以总平衡时的配重质量最小为目的，根据初平衡组合体的不平衡量、偏心方位，综合考虑各叶片的质量偏差，确定各叶片的最优安装位置。

6、总平衡是针对转轮体、连接体及叶片形成的组合体，称为总平衡组合体进行的静平衡试验，通过平衡配重使剩余不平衡量满足许用不平衡量的要求。

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为本发明试验装置结构图。

图2为本发明应变片布置示意图。

图3为本发明第一应变片和第三应变片所构成的惠斯登电桥原理图。

图4为本发明第二应变片和第四应变片所构成的惠斯登电桥原理图。

图中：连接体1、转轮体2、叶片3、平衡托板4、应变片组5、应力棒6、平衡底座7、同步顶升装置8；

第一应变片501、第二应变片502、第三应变片503和第四应变片504。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式做进一步的说明。

实施例1：

请参阅图1-4，基于应力棒法的轴流转桨式水轮机转轮静平衡试验装置，它包括用于支撑转轮体2的平衡托板4，在平衡托板4的底部安装有应力棒6，所述应力棒6支撑在平衡底座7的顶部，在应力棒6上粘贴有应变片组5；所述转轮体2的外部安装有叶片3。通过采用上述的试验装置，转轮体的任何不平衡量传给应力棒，进而形成弯曲应力，通过应变仪测量应变片组上的弯曲应力的数值和方向，从而计算出转轮体的不平衡量及方位；应力棒与转轮体的同心通过平衡托板与转轮的配合精度来保证，试验平台和平衡底座的水平度不大于0.02mm/m。

进一步的，所述转轮体2的底部支撑有多个同步顶升装置8。通过采用上述的同步顶升装置8能够在试验过程中将转轮体2方便的顶起。

进一步的，所述应变片组5包括对称布置在应力棒6同一横截面的第一应变片501、第二应变片502、第三应变片503和第四应变片504。通过采用上述结构的应变片组5能够对应力棒6的变形量进行有效的测量。

进一步的，所述转轮体2的顶部安装有连接体1。

进一步的，所述第一应变片501和第三应变片503采用半桥接法相连，并构成一个惠斯登电桥。

进一步的，所述第二应变片502和第四应变片504采用半桥接法相连，并构成一个惠斯登电桥。

实施例2：

采用任意一项所述基于应力棒法的轴流转桨式水轮机转轮静平衡试验装置的试验方法，它包括以下步骤：

Step1：初平衡；针对转轮体2和连接体1组成的初平衡组合体进行静平衡试验，进而检查初平衡组合体的剩余不平衡量和剩余不平衡量方位；

Step2：叶片选配；以总平衡时的配重质量最小为目的，根据初平衡组合体的不平衡量和偏心方位，综合考虑各叶片的质量偏差，确定各叶片的最优安装位置；

Step3：总平衡；针对转轮体2、连接体1及叶片3形成的总平衡组合体进行的静平衡试验，通过平衡配重使剩余不平衡量满足许用不平衡量的要求。

所述Step1的具体操作为：

Step1.1：将同步顶升装置8、平衡托板4、应力棒6和平衡底座7全部安装到位，并将应变片组5对称贴在应力棒6的同一横截面；

Step1.2：采用半桥接法进行测量，进而将第一应变片501和第三应变片503连成一个惠斯登电桥，将第二应变片502和第四应变片504连成一个惠斯登电桥，并分别接入应变仪的输入端；其中第一应变片501和第三应变片503通过应变仪测量的应变记为通过应变仪测量的应变记为ε₁₃，第二应变片502和第四应变片504通过应变仪测量的应变记为通过应变仪测量的应变记为ε₂₄；

Step1.3：试验开始前，初平衡组合体完全由同步顶升装置8支撑时，将应变仪的读数置零，用同步顶升装置8缓慢落下初平衡组合体，直至完全由应力棒6进行支撑；

Step1.4：检查稳定状态时初平衡组合体的水平度，保证其水平度≤0.05mm/m，记录稳定状态下的ε₁₃和ε₂₄；

Step1.5：再次用同步顶升装置将初平衡组合体顶起，使应力棒6不受力，应变仪读数回零，重复上述过程3次，记录3组数据，并分别求得平均值为和

Step1.6：通过上述的试验数据计算剩余不平衡量和剩余不平衡量方位；

其中，剩余不平衡量：

式中，U为剩余不平衡量，单位：kg·m；λ为惠斯登电桥结构补偿系数；E为应力棒的弹性模量，单位：MPa；R为应力棒半径，单位：mm；g为重力加速度，单位：N/kg mm；

剩余不平衡量方位：

式中，α为剩余不平衡量方位与+X轴的夹角，单位：rad；

若U≤Uper，则初平衡合格，否则需进行配重；其中，Uper为允许不平衡量；

计算配重质量：

式中，P为计算配重质量，单位：kg；L为所加配重的质心与转轮体旋转轴线的距离，单位：m；

Step1.7：根据Step1.6计算结果，在初平衡组合体轻的一侧放置配重，重复上述步骤，并计算剩余不平衡量U；若U≤U_per，则初平衡合格，否则需进行重新配重；测量记录合格后附加配重的质量P_c、半径L_c和方位α_c。

所述Step2的具体操作为：

Step2.1：叶片3的质量和质心位置，一般在叶片出厂前已测定并有记录，如果没有记录，则需要对叶片进行称重和质心计算；

Step2.2：初平衡组合体不平衡量按初平衡时的合格配重量计算，为P_cL_c，位于合格配重的对称位置，将其分解到X、Y方向，分别记为U_x和U_y；

Step2.3：叶片选配计算；在不同的叶片位置组合下，分别对X轴和Y轴求矩，使得计算不平衡量U₁最小，计算不平衡量的大小和方位可按以下公式进行计算：

式中，U₁为计算不平衡量，单位：kg·m；W_i为某一叶片质量，单位：kg；X_i为某一叶片质心的X坐标，单位：m；Y_i为某一叶片质心的Y坐标，单位：m；U_x初平衡组合体不平衡量的X轴分量，单位：kg·m；U_y为初平衡组合体不平衡量的Y轴分量，单位：kg·m；θ为计算不平衡量与+X轴的夹角，单位：rad；

计算不平衡量U₁最小时的叶片位置，即为叶片选配的建议位置。

所述Step3的具体操作为：

Step3.1：初平衡完成后，按照选配好的叶片编号，吊装叶片，用螺杆通过连接板将叶片固定在转轮体上，叶片的安装角度应相同，并使其处于全关位置；

Step3.2：按照初平衡的方法再次进行静平衡试验；总平衡合格后，记录所加配重块的质量、半径和方位；并将此结果按力矩相等的原理折算至连接体或转轮体的配重块安装位置；

Step3.3：配重块安装完毕后，进行平衡试验复核；若U≤Uper，则总平衡合格，否则应再次配重，直至符合要求；最终配重质量、半径和方位分别记为P_pz、L_pz、α_pz。

上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明做出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.基于应力棒法的轴流转桨式水轮机转轮静平衡试验装置，其特征在于：它包括用于支撑转轮体(2)的平衡托板(4)，在平衡托板(4)的底部安装有应力棒(6)，所述应力棒(6)支撑在平衡底座(7)的顶部，在应力棒(6)上粘贴有应变片组(5)；所述转轮体(2)的外部安装有叶片(3)。

2.根据权利要求1所述的基于应力棒法的轴流转桨式水轮机转轮静平衡试验装置，其特征在于：所述转轮体(2)的底部支撑有多个同步顶升装置(8)。

3.根据权利要求1所述的基于应力棒法的轴流转桨式水轮机转轮静平衡试验装置，其特征在于：所述应变片组(5)包括对称布置在应力棒(6)同一横截面的第一应变片(501)、第二应变片(502)、第三应变片(503)和第四应变片(504)。

4.根据权利要求1所述的基于应力棒法的轴流转桨式水轮机转轮静平衡试验装置，其特征在于：所述转轮体(2)的顶部安装有连接体(1)。

5.根据权利要求3所述的基于应力棒法的轴流转桨式水轮机转轮静平衡试验装置，其特征在于：所述第一应变片(501)和第三应变片(503)采用半桥接法相连，并构成一个惠斯登电桥。

6.根据权利要求3所述的基于应力棒法的轴流转桨式水轮机转轮静平衡试验装置，其特征在于：所述第二应变片(502)和第四应变片(504)采用半桥接法相连，并构成一个惠斯登电桥。

7.采用权利要求1-7任意一项所述基于应力棒法的轴流转桨式水轮机转轮静平衡试验装置的试验方法，其特征在于，它包括以下步骤：

Step1：初平衡；针对转轮体(2)和连接体(1)组成的初平衡组合体进行静平衡试验，进而检查初平衡组合体的剩余不平衡量和剩余不平衡量方位；

Step2：叶片选配；以总平衡时的配重质量最小为目的，根据初平衡组合体的不平衡量和偏心方位，综合考虑各叶片的质量偏差，确定各叶片的最优安装位置；

Step3：总平衡；针对转轮体(2)、连接体(1)及叶片(3)形成的总平衡组合体进行的静平衡试验，通过平衡配重使剩余不平衡量满足许用不平衡量的要求。

8.根据权利要求7所述基于应力棒法的轴流转桨式水轮机转轮静平衡试验装置的试验方法，其特征在于，所述Step1的具体操作为：

Step1.1：将同步顶升装置(8)、平衡托板(4)、应力棒(6)和平衡底座(7)全部安装到位，并将应变片组(5)对称贴在应力棒(6)的同一横截面；

Step1.2：采用半桥接法进行测量，进而将第一应变片(501)和第三应变片(503)连成一个惠斯登电桥，将第二应变片(502)和第四应变片(504)连成一个惠斯登电桥，并分别接入应变仪的输入端；其中第一应变片(501)和第三应变片(503)通过应变仪测量的应变记为通过应变仪测量的应变记为ε₁₃，第二应变片(502)和第四应变片(504)通过应变仪测量的应变记为通过应变仪测量的应变记为ε₂₄；

Step1.3：试验开始前，初平衡组合体完全由同步顶升装置(8)支撑时，将应变仪的读数置零，用同步顶升装置(8)缓慢落下初平衡组合体，直至完全由应力棒(6)进行支撑；

Step1.4：检查稳定状态时初平衡组合体的水平度，保证其水平度≤0.05mm/m，记录稳定状态下的ε₁₃和ε₂₄；

Step1.5：再次用同步顶升装置将初平衡组合体顶起，使应力棒(6)不受力，应变仪读数回零，重复上述过程3次，记录3组数据，并分别求得平均值为和

Step1.6：通过上述的试验数据计算剩余不平衡量和剩余不平衡量方位；

其中，剩余不平衡量：

式中，U为剩余不平衡量，单位：kg·m；λ为惠斯登电桥结构补偿系数；E为应力棒的弹性模量，单位：MPa；R为应力棒半径，单位：mm；g为重力加速度，单位：N/kg mm；

剩余不平衡量方位：

式中，α为剩余不平衡量方位与+X轴的夹角，单位：rad；

若U≤Uper，则初平衡合格，否则需进行配重；其中，Uper为允许不平衡量；

计算配重质量：

式中，P为计算配重质量，单位：kg；L为所加配重的质心与转轮体旋转轴线的距离，单位：m；

Step1.7：根据Step1.6计算结果，在初平衡组合体轻的一侧放置配重，重复上述步骤，并计算剩余不平衡量U；若U≤U_per，则初平衡合格，否则需进行重新配重；测量记录合格后附加配重的质量P_c、半径L_c和方位α_c。

9.根据权利要求7所述基于应力棒法的轴流转桨式水轮机转轮静平衡试验装置的试验方法，其特征在于，所述Step2的具体操作为：

Step2.1：叶片(3)的质量和质心位置，一般在叶片出厂前已测定并有记录，如果没有记录，则需要对叶片进行称重和质心计算；

Step2.2：初平衡组合体不平衡量按初平衡时的合格配重量计算，为P_cL_c，位于合格配重的对称位置，将其分解到X、Y方向，分别记为U_x和U_y；

Step2.3：叶片选配计算；在不同的叶片位置组合下，分别对X轴和Y轴求矩，使得计算不平衡量U₁最小，计算不平衡量的大小和方位可按以下公式进行计算：

式中，U₁为计算不平衡量，单位：kg·m；W_i为某一叶片质量，单位：kg；X_i为某一叶片质心的X坐标，单位：m；Y_i为某一叶片质心的Y坐标，单位：m；U_x初平衡组合体不平衡量的X轴分量，单位：kg·m；U_y为初平衡组合体不平衡量的Y轴分量，单位：kg·m；θ为计算不平衡量与+X轴的夹角，单位：rad；

计算不平衡量U₁最小时的叶片位置，即为叶片选配的建议位置。

10.根据权利要求7所述基于应力棒法的轴流转桨式水轮机转轮静平衡试验装置的试验方法，其特征在于，所述Step3的具体操作为：

Step3.1：初平衡完成后，按照选配好的叶片编号，吊装叶片，用螺杆通过连接板将叶片固定在转轮体上，叶片的安装角度应相同，并使其处于全关位置；

Step3.2：按照初平衡的方法再次进行静平衡试验；总平衡合格后，记录所加配重块的质量、半径和方位；并将此结果按力矩相等的原理折算至连接体或转轮体的配重块安装位置；

Step3.3：配重块安装完毕后，进行平衡试验复核；若U≤Uper，则总平衡合格，否则应再次配重，直至符合要求；最终配重质量、半径和方位分别记为P_pz、L_pz、α_pz。