CN109596247A - 一种半伞式水泵水轮机斜切式转子支架不平衡力测试分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种半伞式水泵水轮机斜切式转子支架不平衡力测试分析方法，在半伞式水泵水轮机斜切式转子支架斜筋上布置无线应变传感器，且各传感器所在斜筋上的位置相同，通过无线应变传感器实时监测各斜筋的应力状态。当出现不平衡时，无线应变传感器所在位置处的监测点应力状态发生改变，通过建立该点应力计算的理论公式，进而识别不平衡力的大小与位置。该方法可用于机组运行状态的实时监测，为机组动平衡及提高机组的安全与稳定运行提供理论支撑。

Description

一种半伞式水泵水轮机斜切式转子支架不平衡力测试分析 方法

技术领域

本发明属于水轮发电机组技术领域，尤其涉及一种半伞式水泵水轮机斜切式转子支架不平衡力测试分析方法。

背景技术

转子支架及其附属设备是水轮发电机组核心部件，在机械能转化为电能的过程中发挥重要作用，其性能直接影响机组的安全与稳定运行。

随机组容量的不断增大，水轮发电机组及转子支架运行工况愈加恶劣，承受多种载荷作用，如自重、推力、水力不平衡、电磁不平衡、质量不平衡、电磁扭矩等。其中不平衡力在机组自加工制造、调试及后期运行过程中一直存在，且是影响机组安全稳定运行的最常见因素。不平衡力导致的机械振动频率多为转频或其倍数，机械振动因素多为制造和安装误差，如转动和固定部件的不同心等。此外，运行过程中发生的转轮水封止水片脱落、导轴承螺丝松动、转子磁轭不牢以及转动和固定部件的摩擦等机械故障也会引起主轴的振动。机械不平衡在水轮发电机组中普遍存在，尤其在高水头和高转速的蓄能机组中更为突出。轻则导致机组振动超标，需停机检修，重则导致振动过大、轴瓦磨损，甚至断轴等恶性事故。因此，对于机组不平衡力的及时、准确识别显的尤为重要，目前针对机组不平衡的监测通常基于测试动静部件振动大小，然而，机械振动大小往往受多重因素影响，不平衡力因素不能直观地监测与分析。

在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术至少存在以下问题：

国内外针对水轮机转子支架进行理论建模研究较多，对其进行应力现场实测研究较少，且针对不平衡力实时监测理论与识别方法还较为缺乏。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种可用于机组运行状态的实时监测，为机组动平衡及提高机组的安全与稳定运行提供理论支撑的半伞式水泵水轮机斜切式转子支架不平衡力测试分析方法。

为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种半伞式水泵水轮机斜切式转子支架不平衡力测试分析方法，包括如下步骤：

(1)在转子支架各个斜筋上安装无线应变传感器；保证各个传感器安装位置周

向完全对称，记斜筋倾斜角度为β，斜筋长度为L₁，传感器位置距斜筋一

端即靠近转子中心体端的距离为L₂，转子中心体所在半径为R₁，磁极/轭

内径为R₂、外径为R₃；具有以下关系：

(2)实际运行状态下，转子支架以角速度Ω旋转，通过无线应变传感器，可测得斜筋上各测点应力值，斜筋共有N个，记为σ₁、σ₂、σ₃直至σ_N。

(3)无线应变传感器所在位置理论应力值分析：转子中心体的几何中心点记为O，无线应变传感器所在位置记为A，斜筋内端记为D、外端连接磁极/轭位置记为B，无线应变传感器质量记为G，单个斜筋质量记为G₀、斜筋横截面积记为F、斜筋截面系数记为W，AC垂直于斜筋BD，C点在OB上；DB与OB的夹角为α；则有以下关系：

无线应变传感器所在位置处的离心拉应力σ_t：

无线应变传感器所在位置处的离心力引起的弯曲应力σ_b：

总应力σ为：σ＝σ_t+σ_b，得出：测点所在位置的总应力值为质量G的线性函数；(4)不平衡力的分析与识别：各测点应力值记为σ₁、σ₂、σ₃直至σ_N。

1)当σ₁、σ₂、σ₃直至σ_N相等时，说明各测点受力均衡，没有不平衡力；

2)当σ₁>σ₂，σ₂、σ₃直至σ_N相等时，说明测点σ₁处具有不平衡力，不平衡质量G_res：

3)当σ₁>σ₂>σ₃，σ₃、σ₄直至σ_N相等时，说明测点σ₁、σ₂处具有不平衡力，不平衡质量分别为：

在半伞式水泵水轮机斜切式转子支架上安装无线应变测试系统，测试实际运行状态下斜切式转子支架应力变化情况。

根据周向对称分布的无线应变传感器及所测试的转子支架斜筋应力状态，并建立斜筋应力理论计算模型，进而识别不平衡力的大小与位置。

上述技术方案中的一个技术方案具有如下优点或有益效果，可用于机组运行状态的实时监测，为机组动平衡及提高机组的安全与稳定运行提供理论支撑。

附图说明

图1为本发明实施例中提供的一种半伞式水泵水轮机斜切式转子支架不平衡力测试分析方法的转子支架结构及测点布置示意图；

图2是不平衡力监测分析模型示意图；

上述图中的标记均为：1、转子中心体，2、磁极/轭，3、斜筋，4、无线应变传感器。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

参见图1，一种半伞式水泵水轮机斜切式转子支架不平衡力测试分析方法，包括：转子支架具有N个斜筋、中心体、磁极/轭，在N个斜筋上布置无线应变传感器，且位置(传感器所在圆周直径及沿轴向高度)相同。

实际运行过程中，通过无线应变传感器实时监测各个斜筋的应力状态。正常运行状态下，由于转子支架结构、传感器位置在周向完全对称，因此各监测点应力状态一致；当出现不平衡时，不平衡力所在位置附近处的监测点应力状态发生改变，通过建立该点应力计算的理论公式，进而可以识别不平衡力的大小与位置。

1)本发明在半伞式水泵水轮机斜切式转子支架上安装无线应变测试系统，可测试正常运行状态下转子支架不平衡力的大小和位置。

2)本发明提出根据周向对称分布的转子支架应力状态，通过建立不平衡理论识别模型，进而识别不平衡力的大小与位置。

具体实施步骤如下：

1.在半伞式水泵水轮机斜切式转子支架各个斜筋上安装无线应变传感器。保证各个传感器安装位置周向完全对称，记斜筋倾斜角度为β，长度为L₁，传感器位置距斜筋一端(靠近转子中心体端)的距离为L₂，转子中心体所在半径为R₁，磁极/轭内径为R₂、外径为R₃。具有以下关系：

2.实际运行状态下，转子支架以角速度Ω旋转，通过无线应变传感器，可测得斜筋(N个)上各测点应力值，记为σ₁、σ₂、σ₃、……、σ_N。

3.无线应变传感器所在位置理论应力值分析。如附图2所示，转子中心体的中心点记为O，无线应变传感器所在位置记为A，斜筋内端记为D、外端连接磁极/轭位置记为B，其质量记为G，单个斜筋质量记为G₀、横截面积记为F、截面系数记为W，AC垂直于斜筋BD，C点在OB上。则有如下关系：

无线应变传感器所在位置处的离心拉应力σ_t：

无线应变传感器所在位置处的离心力引起的弯曲应力σ_b：

总应力σ为：σ＝σ_t+σ_b，可以看出：在一定转速下，测点所在位置的总应力值为质量G的线性函数。

4.不平衡力的分析识别。各测点应力值记为σ₁、σ₂、σ₃、……、σ_N，

1)当σ₁＝σ₂＝σ₃＝……＝σ_N时，说明各测点受力均衡，没有不平衡力；

2)当σ₁>σ₂＝σ₃＝……＝σ_N时，说明测点σ₁处具有不平衡力，不平衡质量G_res：

3)当σ₁>σ₂>σ₃＝……＝σ_N时，说明测点σ₁、σ₂处具有不平衡力，不平衡质量分别为：

其它以此类推。

在半伞式水泵水轮机斜切式转子支架斜筋上布置无线应变传感器，且各传感器所在斜筋上的位置相同，通过无线应变传感器实时监测各斜筋的应力状态。当出现不平衡时，无线应变传感器所在位置处的监测点应力状态发生改变，通过建立该点应力计算的理论公式，进而识别不平衡力的大小与位置。该方法可用于机组运行状态的实时监测，为机组动平衡及提高机组的安全与稳定运行提供理论支撑。

上面结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种半伞式水泵水轮机斜切式转子支架不平衡力测试分析方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)在转子支架各个斜筋上安装无线应变传感器；保证各个传感器安装位置周向完全对称，记斜筋倾斜角度为β，斜筋长度为L₁，传感器位置距斜筋一端即靠近转子中心体端的距离为L₂，转子中心体所在半径为R₁，磁极/轭内径为R₂、外径为R₃；具有以下关系：

(2)实际运行状态下，转子支架以角速度Ω旋转，通过无线应变传感器，可测得斜筋上各测点应力值，斜筋共有N个，记为σ₁、σ₂、σ₃直至σ_N。

(3)无线应变传感器所在位置理论应力值分析：转子中心体的几何中心点记为O，无线应变传感器所在位置记为A，斜筋内端记为D、外端连接磁极/轭位置记为B，无线应变传感器质量记为G，单个斜筋质量记为G₀、斜筋横截面积记为F、斜筋截面系数记为W，AC垂直于斜筋BD，C点在OB上；DB与OB的夹角为α；则有以下关系：

无线应变传感器所在位置处的离心拉应力σ_t：

无线应变传感器所在位置处的离心力引起的弯曲应力σ_b：

总应力σ为：σ＝σ_t+σ_b，得出：测点所在位置的总应力值为质量G的线性函数；

(4)不平衡力的分析与识别：各测点应力值记为σ₁、σ₂、σ₃直至σ_N。

1)当σ₁、σ₂、σ₃直至σ_N相等时，说明各测点受力均衡，没有不平衡力；

2)当σ₁>σ₂，σ₂、σ₃直至σ_N相等时，说明测点σ₁处具有不平衡力，不平衡质量G_res：

3)当σ₁>σ₂>σ₃，σ₃、σ₄直至σ_N相等时，说明测点σ₁、σ₂处具有不平衡力，不平衡质量分别为：

2.如权利要求1所述的半伞式水泵水轮机斜切式转子支架不平衡力测试分析方法，其特征在于，在半伞式水泵水轮机斜切式转子支架上安装无线应变测试系统，测试实际运行状态下斜切式转子支架应力变化情况。

3.如权利要求2所述的半伞式水泵水轮机斜切式转子支架不平衡力测试分析方法，其特征在于，根据周向对称分布的无线应变传感器及所测试的转子支架斜筋应力状态，并建立斜筋应力理论计算模型，进而识别不平衡力的大小与位置。