CN209296221U - 基于三支点称重法的水轮机转轮静平衡试验装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了基于三支点称重法的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盘，所述平衡盘的底部安装有多个压力传感器，所述压力传感器的底部与平衡底座的顶部相接触；所述转轮体上安装有叶片，在转轮体的顶部安装有连接体。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

基于三支点称重法的水轮机转轮静平衡试验装置

技术领域

本实用新型提出基于三支点称重法的水轮机转轮静平衡试验装置，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。

实用新型内容

本实用新型目的是提供基于三支点称重法的水轮机转轮静平衡试验装置，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，本实用新型的目的是这样实现的：基于三支点称重法的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盘，所述平衡盘的底部安装有多个压力传感器，所述压力传感器的底部与平衡底座的顶部相接触；所述转轮体上安装有叶片，在转轮体的顶部安装有连接体。

所述转轮体的底部外缘设置有多个同步顶升装置。

所述压力传感器共有三个，并均布在平衡盘的底部。

所述平衡底座的水平度小于0.02mm/m。

任意一项所述基于三支点称重法的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、平衡盘、压力传感器和平衡底座全部安装到位；

Step1.2：将初平衡组合体上的压力传感器位置分别编号为A、B、C，在各编号相位差为180°的位置分别编号为A′、B′、C′；

Step1.3：试验开始前，将初平衡组合体由同步顶升装置完全支撑时，将三个压力传感器的读数置为零；

Step1.4：用同步顶升装置和三个压力传感器交替支撑初平衡组合体，当初平衡组合体完全由压力传感器承担时，三个压力传感器的质量数据之和即为初平衡组合体的质量；

Step1.5：反复用压力传感器支撑初平衡组合体3次，记录3组质量数据，分别计算A、B、C位置传感器数据的平均值，记为P_a、P_b、P_c；

Step1.6：压力传感器处于非受力状态时，其数据应回零；

Step1.7：用同步顶升装置承载初平衡组合体，将3组传感器对调180°，即A、 B、C位置的传感器分别安装至A′、B′、C′位置；重复交替支撑过程，并记录3 组质量数据，分别计算A′、B′、C′位置传感器数据的平均值，记为P_a′、P_b′、P_c′；

Step1.8：压力传感器在A、B、C位置时剩余不平衡量计算：

P_x＝P_bcos30°-P_ccos30°

P_y＝P_a-P_bsin30°-P_csin30°

传感器在A′、B′、C′位置时剩余不平衡量计算：

P_x′＝P_c′cos30°-P_b′cos30°

P_y′＝P_b′sin30°+P_c′sin30°-P_a′

式中，P_x、P_x′为X方向不平衡质量，单位：kg；P_y、P_y′为Y方向不平衡质量，单位：kg；

将两次试验的X和Y方向不平衡质量分别求平均值分别表述为：和

计算初平衡组合体的剩余不平衡量U和方位：

式中，U为剩余不平衡量，单位：kg·m；r为传感器分布圆半径，单位：m；α为剩余不平衡量方位与+X轴的夹角，单位：rad；

若U≤U_per，则初平衡合格，否则需进行配重；

计算配重质量：

式中，P为计算配重质量，单位：kg；R为所加配重的质心与转轮旋转轴线的距离，单位：m；U_per为允许不平衡量；

根据上述计算结果，在初平衡组合体轻的一侧放置配重块，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R_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_cR_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、 R_pz、α_pz。

本实用新型有如下有益效果：

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实用新型作进一步说明。

图1为本实用新型试验装置结构图。

图2为本实用新型压力传感器编号示意图。

图3为本实用新型叶片选配计算示意图。

图中：连接体1、转轮体2、叶片3、平衡盘4、压力传感器5、平衡底座6、同步顶升装置7。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的实施方式做进一步的说明。

实施例1：

请参阅图1-3，基于三支点称重法的水轮机转轮静平衡试验装置，它包括用于支撑转轮体2的平衡盘4，所述平衡盘4的底部安装有多个压力传感器5，所述压力传感器5的底部与平衡底座6的顶部相接触；所述转轮体2上安装有叶片 3，在转轮体2的顶部安装有连接体1。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。

进一步的，所述转轮体2的底部外缘设置有多个同步顶升装置7。通过同步顶升装置7能够用于将整个转轮体2顶起，进而用于配合压力传感器5实现重量的测量。

进一步的，所述压力传感器5共有三个，并均布在平衡盘4的底部。通过采用上述的压力传感器5能够用于转轮体2重量的测量。

进一步的，所述平衡底座6的水平度小于0.02mm/m。通过采用上述的精度控制能够保证整个静平衡的精度。

实施例2：

任意一项所述基于三支点称重法的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7、平衡盘4、压力传感器5和平衡底座6全部安装到位；

Step1.2：将初平衡组合体上的压力传感器5位置分别编号为A、B、C，在各编号相位差为180°的位置分别编号为A′、B′、C′；

Step1.3：试验开始前，将初平衡组合体由同步顶升装置7完全支撑时，将三个压力传感器5的读数置为零；

Step1.4：用同步顶升装置7和三个压力传感器5交替支撑初平衡组合体，当初平衡组合体完全由压力传感器5承担时，三个压力传感器5的质量数据之和即为初平衡组合体的质量；

Step1.5：反复用压力传感器5支撑初平衡组合体3次，记录3组质量数据，分别计算A、B、C位置传感器数据的平均值，记为P_a、P_b、P_c；

Step1.6：压力传感器5处于非受力状态时，其数据应回零；

Step1.7：用同步顶升装置7承载初平衡组合体，将3组传感器对调180°，即A、B、C位置的传感器分别安装至A′、B′、C′位置；重复交替支撑过程，并记录3组质量数据，分别计算A′、B′、C′位置传感器数据的平均值，记为P_a′、 P_b′、P_c′；

Step1.8：压力传感器5在A、B、C位置时剩余不平衡量计算：

P_x＝P_bcos30°-P_ccos30°

P_y＝P_a-P_bsin30°-P_csin30°

传感器在A′、B′、C′位置时剩余不平衡量计算：

P_x′＝P_c′cos30°-P_b′cos30°

P_y′＝P_b′sin30°+P_c′sin30°-P_a′

式中，P_x、P_x′为X方向不平衡质量，单位：kg；P_y、P_y′为Y方向不平衡质量，单位：kg；

将两次试验的X和Y方向不平衡质量分别求平均值分别表述为：和

计算初平衡组合体的剩余不平衡量U和方位：

式中，U为剩余不平衡量，单位：kg·m；r为传感器分布圆半径，单位：m；α为剩余不平衡量方位与+X轴的夹角，单位：rad；

若U≤U_per，则初平衡合格，否则需进行配重；

计算配重质量：

式中，P为计算配重质量，单位：kg；R为所加配重的质心与转轮旋转轴线的距离，单位：m；U_per为允许不平衡量；

根据上述计算结果，在初平衡组合体轻的一侧放置配重块，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R_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_cR_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、 R_pz、α_pz。

上述实施例用来解释说明本实用新型，而不是对本实用新型进行限制，在本实用新型的精神和权利要求的保护范围内，对本实用新型做出的任何修改和改变，都落入本实用新型的保护范围。

Claims (4)

1.基于三支点称重法的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）的平衡盘（4），所述平衡盘（4）的底部安装有多个压力传感器（5），所述压力传感器（5）的底部与平衡底座（6）的顶部相接触；所述转轮体（2）上安装有叶片（3），在转轮体（2）的顶部安装有连接体（1）。

2.根据权利要求1所述的基于三支点称重法的水轮机转轮静平衡试验装置，其特征在于：所述转轮体（2）的底部外缘设置有多个同步顶升装置（7）。

3.根据权利要求1所述的基于三支点称重法的水轮机转轮静平衡试验装置，其特征在于：所述压力传感器（5）共有三个，并均布在平衡盘（4）的底部。

4.根据权利要求1所述的基于三支点称重法的水轮机转轮静平衡试验装置，其特征在于：所述平衡底座（6）的水平度小于0.02 mm/m。