一种大型轴流转桨式水轮机转轮体静平衡试验装置和试验方法与流程

本发明涉及水轮发电机组的安装与检修领域，特别是轴流转桨式水轮机转轮进行静平衡试验的一种方法。

背景技术：

一般大型水电站水轮机发电机组尤其是轴流转桨式水轮机在大修过程中，可能会涉及更换转轮叶片的情况，在此情况下，为保证新的叶片安装在转轮上以后，保证整个转轮的静态以及动态平衡性能，转轮须进行静平衡试验，原来静平衡试验是首先对试验设备进行灵敏度校验,确保灵敏度满足试验要求；再对转轮体单独进行试验,找出转轮不平衡重的大小和方位，最后对连接体称重，用称重重量减去其设计重量，求出连接体内原配重大小，再用手锤敲击连接体，通过敲击声判断配重方位，综合考虑转轮体和连接体不平衡重量，通过计算合理配置叶片位置，进行转轮体、叶片、连接体组合的试验，使总配重量最小；原静平衡试验方案存在问题在于：对连接体内原配重大小和方位判断很不科学，容易造成判断错误。连接体经过十多年运行，磨损是必然的，连接体空腔因江水渗入沉淀积满淤泥，其实际重量与设计重量有很大差别，而用锤击判断其原配重的方位更是因人而异，况且积满淤泥与灌满铅的连接体空腔，靠听敲击声是很难区别的，在试验过程中常发生转轮偏移现象，使平衡托架内壁与平衡底座外圆接触导致试验无法正常进行。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种大型轴流转桨式水轮机转轮体静平衡试验装置和试验方法，可以寻找转动部件的重心与旋转中心的最大偏差，并将其调整至技术规范以内，以保证水轮机组能够稳定运转。

本发明的技术方案为：

一种大型轴流转桨式水轮机转轮体静平衡试验装置，包括底座和平衡托架，平衡托架外套在底座外，在底座上端面上固定有垫板，在平衡托架内设有平衡球和与驱动平衡球上下移动的驱动部，所述驱动部包括可转动连接在平衡托架上端的螺套、安装在螺套内的螺杆、固定连接在螺杆下端的定位板和平衡板，平衡球固定在平衡板上。

一种大型轴流转桨式水轮机转轮体静平衡试验装置进行试验的方法，包括如下步骤：

1)将平衡托架安装到转轮体内，将原配重铅块已全部取出的连接体安装到转轮体上，让连接体和转轮体形成一个组合体；

2)将组合体移动到底座上，并保证组合体自身重量通过平衡球承载在底座上；

3)在组合体上安装水平仪和加装重物，将组合体调整至平衡，并计算平衡装置灵敏度标模值hr、残留不平衡倾斜度δ和许用残留倾斜度δr，通过调整配重，以将残留不平衡倾斜度调整至合格，并记录配重的重量、方位和半径，以及组合体重心的偏心距和重心所在方位；

4)根据记录配重的重量、方位和半径，以及组合体重心的偏心距和重心所在方位来选配叶片；

5)拆除连接体，将选配的叶片安装到转轮体上，在组合体上安装水平仪和加装重物，将组合体调整至平衡，并计算平衡装置灵敏度标模值hr、残留不平衡倾斜度δ和许用残留倾斜度δr，记录配重的重量、方位和半径，计算组合体重心的偏心距和重心所在方位；

6)通过上述第5步记录所加配重的重量、所在半径和所在方位，将此结果按力矩相等的原理折算至连接体上灌铅重量和方位。

7)在对连接体灌铅配重施焊熔固完毕后,再次对组合进行静平衡复查，要求转轮体残留不平衡倾斜度δ小于许用残留倾斜度δr。

在进行第3步前需要调整效验平衡试验装置灵敏度，调整方法为：在组合体四周布置千斤顶，如果组合体能向任意方向倾倒，又不能自行复位，则说明组合体重心至平衡球球心的距离h太小，此时应用四周的千斤顶将组合体顶起，旋转调整螺杆，使球心向上移动，以加大球心与重心的距离；如果在组合体较高的一侧加重物依然无法使组合体与千斤顶全部脱离，则说明组合体重心至平衡球球心距离h太大，此时用千斤顶将组合体重新顶起一定高度，将调整螺杆缓慢下旋使平衡球与垫板接触，从而使组合体重心向上移动，减小球心与重心的距离，提高装置灵敏度后重新试验；最终验证：在组合体外缘任意位置放置重物后，该处可以下降，当重物拆除后又能回升，此时组合体处于稳定平衡状态。

本发明具有以下有益效果：本方法通过科学的测量和计算，可以准确的得出连接体内原配重大小和方位，寻找转动部件的重心与旋转中心的最大偏差，并将其调整至技术规范以内，以保证水轮机组能够稳定运转。

附图说明

下面结合附图对本发明做进一步的说明：

图1为本发明关于轮机转轮静平衡试验装置的剖面示意图，

图2为本发明关于叶片选配时的计算示意图，

图3为本发明在计算平衡装置灵敏度标模值时的计算示意图，

图4为本发明中在计算残留不平衡倾斜度时的计算示意图，

图5为本发明中初平衡组合体灵敏度测量时的主视示意图。

具体实施方式

下面对结合附图对本发明的具体实施过程做进一步的详细说明：

在做轮机转轮静平衡进行试验前，要求将转轮体11叶片已拆除，连接体10、活塞、操作架、枢轴、转臂已拆卸完毕，连接体10检修完毕，连接体10内原配重铅块已清除，平衡试验工具准备完毕，垫板3和平衡球8检查合格，其中平衡试验工具包括：试验平台承载能力300t1个、平衡试验装置、m36压紧螺杆48根、压板和垫片各8个、高1000mm支墩8个、100t油压千斤顶124个、100t螺旋千斤顶12各4个、水平仪2个(0.02mm/m)、百分表及表座1套、水平板2块、6kg和2.1kg重铁块各1个、紫铜垫片和铝排若干、叶片垫片5套(厚3mm)、叶片挂装工具5套。

如图1所示，其中平衡试验装置包括底座1和平衡托架2，平衡托架2外套在底座1外，在底座1上端面上固定有垫板3，在平衡托架2内设有可上下移动的平衡球8和驱动平衡球8上下移动的驱动部，所述驱动部包括可转动连接在平衡托架2上端的螺套5、安装在螺套5内的螺杆4、固定连接在螺杆4下端的定位板6和平衡板7，平衡球8固定在平衡板7上。

一种大型轴流转桨式水轮机转轮静平衡的试验方法，包括如下步骤：

一、静平衡试验工具装配

1)将转轮体11起吊工装安装到转轮体11上，然后使用a桥机将转轮体11吊出检修坑，悬在指定地点上空，再用b桥机将检修坑内的活塞吊至指定地点，b桥机与活塞分离后，用b桥机将平衡托架2吊起，并检查平衡球8是否完好，如有缺陷则立即更换平衡球8；然后将平衡托架2吊入转轮检修坑内正中间位置；a桥机将转轮体11吊至检修机坑上方，a桥机副钩与b桥机一起配合着将平衡托架2固定安装到转轮体11上，b桥机与平衡托架2脱钩；并旋转驱动部中的螺杆4，将螺杆4露出平衡托架2一端的长度l调整为1120mm；在使用a桥机将转动体吊至一旁，使用b桥机将试验平台吊放在检修坑上。

2)使用b桥机将底座1放置在试验平台上，通过在底座1四周加垫片，将底座1上的垫板3的水平度调整到小于0.02mm/m，底座1四周与试验平台固定连接。

3)在试验平台φ3850/φ3000环面上均匀布置8只高1000mm的支墩，每个支墩上分别放置100t液压千斤顶12和100t的螺旋千斤顶12各1个，要求液压千斤顶12和螺旋千斤顶12均匀错开放置，千斤顶12在中间行程,支墩、千斤顶12和铝板总高h1调整为1541mm，此时，球面与垫板3之间的计算安全距离约为33mm(h1和安全距离仅供参考，应根据试验实际情况进行调整)。

二、初平衡试验

1)将转轮体11吊至试验平台中央,对准平衡底座1缓缓落下,放在千斤顶12上,让平衡托架2套在底座1外，下降时尽量使底座1四周与平衡托架2之间间隙均匀，摘掉钢丝绳,拆除吊具，让平衡球8与底座1垫板3之间留有一定的距离；

2)将原配重铅块已全部取出的连接体10安装到转轮体11上，让连接体10和转轮体11形成一个组合体，随后测量平衡球8球面与垫板3平面的距离，此距离应在33mm左右，而后在转轮体11下端面的两端分别安装上两块用来放置水平仪的水平板；

3)旋转螺杆4，使平衡球8向下移动到与垫板3接触，这时螺杆4露出平衡托架2一端的长度lc应为1087mm左右；

4)将4只螺旋千斤顶12下降至与转轮体11发兰面距离为10mm左右，再将4只液压千斤顶12同时或者依次缓缓下降，观察组合体是否处于稳定平衡状态，下降过程中动作不宜过大，防止组合体倾覆，如果组合体倾斜较大，可在较高的一侧加重物，直到组合体与所有千斤顶12有间隙为止。

5)调整效验平衡试验装置灵敏度，调整方法为：如果组合体能向任意方向倾倒，又不能自行复位，则说明组合体重心至平衡球8球心的距离h太小。此时应用四周的千斤顶12将组合体重新顶起，旋转调整螺杆4，使球心向上移动，以加大球心与重心的距离；如果在组合体较高的一侧加重物依然无法使组合体与千斤顶12全部脱离，则说明组合体重心至平衡球8球心距离h太大，此时用千斤顶12将组合体重新顶起一定高度，将调整螺杆4缓慢下旋使平衡球8与垫板3接触，从而使组合体重心向上移动，减小球心与重心的距离，提高装置灵敏度后重新试验；最终验证：在组合体外缘任意位置放置重物后，该处可以下降，当重物拆除后又能回升，此时组合体处于稳定平衡状态。

计算平衡装置灵敏度标模值hr＝0.28～0.47mm，其计算方法为：

如图3所示：平衡球8和垫板3均用轴承钢0cr15锻造，表面粗糙花0.4，硬度rc62-65，如果在r处加重物p；

则因

tgα＝a/h＝hr/r

hr＝ar/h

又因

pr＝gμ+ga

a＝(pr-gμ)/g

故：

hr＝(pr-gμ)r/gh(公式一)

式中：

hr：平衡装置灵敏度标模值(mm)

r:计算半径(mm)(重物与球心的水平方向的距离)

p:与计算半径r对应的许用残留不平衡重量(kg)

g:被平衡物重(kg)(应把平衡工具上部重加上)

μ：滚动摩擦系数＝0.01--0.02(mm)

h:球心重心距(mm)

a:重心到球心方向与垂直方向之间的夹角。

如转轮体11的残留不平衡力矩不大于3.5kgm,或残留不平衡重量在半径r1900mm处不大于1.84kg：转轮体11、叶片和连接体组合的残留不平衡力矩不大于10.8kgm,或残留不平衡重量在半径r1800mm处不大于6kg,那么hr为：

初平衡时，hr＝(pr-gμ)r/gh＝(2.1×1900-115000×0.01～0.02)×1900/(115000×100)＝0.28～0.47(mm)

总平衡时，hr＝(pr-gμ)r/gh＝(6.0×1800-232000×0.01～0.02)×1800/(232000×100)＝0.48～0.66(mm)

球心重心距h的取值：

h值的大小与平衡装置灵敏度有关，h值越大平衡装置灵敏度越差，使平衡达不到应有的精度，过小的h值又会使平衡装置过于灵敏，使系统不能稳定。对本发明，所有重心距h＝100mm(在平衡转轮体、叶片、连接体10组合时，如有异常情况，可以考虑取h＝120mm)。

关于残留不平衡力矩，残留不平衡重量：

被平衡物经过平衡处置后，不必要要求它的重心完全位于物体旋转中心上。重心到旋转中心线的距离a叫偏心距。偏心距a和被平衡物重量g(包括平衡时所加重物)的乘积m(＝ag)叫残留不平衡力矩。此力矩可折算至任意半径r(称计算半径)上的某一重量p(称残留不平衡重量)。按力矩等效原理，残留不平衡重量p＝m/r。残留不平衡力矩，残留不平衡重量的最大值或许用值叫许用残留不平衡力矩，许用残留不平衡重量。

对于本发明，转轮体11的残留不平衡力矩不大于3.5kgm,或残留不平衡重量在计算半径r1900mm处不大于1.84kg。(原单独对转轮体11进行静平衡试验时的标准)

转轮体、叶片和连接体组合的残留不平衡力矩不大于10.8kgm，或残留不平衡重量在半径r1800mm处不大于6kg；

6)用2.1kg重试块加装到转轮体11一侧，并且该重试块与球心在水平方向的距离为1900mm，在试验平台上安装上百分表，并将百分表测量头压在组合体的下端面上，用百分表实测重试块处组合体的下沉值h，并记录；若h大于hr，则灵敏度合格；反之，则需提高灵敏度，直到合格为止。

7)组合体平衡调整及相关参数计算

计算许用残留倾斜度：将两个水平仪放置到两块水平板上，利用两个水平仪的读数计算转轮体11的残留倾斜度δ和倾斜方向与+x轴的夹角θ，并测量和记录附加配重的重量pc和计算半径r(重试块与球心的水平方向的距离1800mm～1900mm)。

残留倾斜度δ和倾斜方向角θ的计算方法为：如图4所示，

由于残留不平衡重量的作用，转轮会向一个方向倾斜。在许用残留不平衡重量作用下，转轮的倾斜度按下式计算：

δr＝hr/r(mm/m)

δr为许用残留倾斜度

hr—在许用残留不平衡重量的作用下，转轮在计算半径r处的下沉值，按公式一计算，单位化为mm；

r—计算半径(m)。

对于初平衡，δr＝hr/r＝0.28～0.47/1.9＝0.15～0.25(mm/m)

对于下述总平衡，δr＝hr/r＝0.48～0.66/1.8＝0.27～0.37(mm/m)。

δ的计算方法如下：

在转轮下端面直径方向对称布置的两块水平板上，同一直径处各放一水平仪，一个顺周向(水平仪1)，另一个顺径向(水平仪2)，他们彼此成丁字形。放置水平仪的直径方向定义为x方向，与之垂直的方向定义为y方向，如图4所示。

如果水平仪1测得转轮朝+y侧倾斜，读数为δy(mm/m)，水平仪2测得转轮朝+x侧倾斜，读数为δx(mm/m)，利用矢量合成法则，转轮朝第一象限倾斜：

δ＝(δx2+δy2)1/2

倾斜方向角：

θ＝arctgδy/δx

转轮体残留倾斜度δ和倾斜方向与+x轴的夹角θ测量计算方法如下：

δ＝(δx2+δy2)1/2

θ＝arctgδy/δx

若δ小于δr，残留不平衡倾斜度合格，记录所加重物的重量、方位和半径。

转轮的残留不平衡残留倾斜度δ大于δr,否则表示还需在转轮较轻的一侧继续配重,直至合格。

质量要求：对于初平衡，δr＝hr/r＝0.28～0.47/1.9＝0.15～0.25(mm/m)

11)计算组合体重心的偏心距和重心所在方位。

计算方法为：设所加重物重p(kg)，所在半径r(cm)，组合体重g(kg)，则组合体重心的偏心距a近似用以下公式计算：

a＝pr/g(cm)

如果所加重物的方位和转轮体的倾斜方向线一致,则可认为组合体重心所在方位和转轮体倾斜方向线一致。

初平衡试验结束后，用千斤顶将组合体顶起一定高度，使平衡球与垫板完全脱离。

三、叶片选配

叶片重量和重心位置,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重心计算，此外组合体重心位置已在初平衡试验中求得。

叶片配置采用试算法计算；

试算法的计算方法为：如图2所示，wi—某一叶片重量；

xi，yi—某一叶片重心坐标；

g—组合体重；

ax，ay—组合体重心坐标。

对x轴求矩，使得σwiyi+gay最小。

对y轴求矩，使得σwixi+gax最小。经计算认为结果满意后，即可按此配置叶片。

如下，合理安排叶片顺序，分别对x、y轴求矩使得σwiyi+gay和σwixi+gax之值最小。

计算配重量的大小和方位：

按上述位置配置叶片后，将其不平衡力矩按矢量合成m＝[(σwiyi+gay)2+(wixi+gax)2]1/2

方位角β＝arctg[(σwiyi+gay)/(wixi+gax)]

为平衡此力矩，需在对称某部位配重，所加重量即为计算配重量pj＝m/rp，式中rp为配重半径，在连接体10空腔配重取rp＝190cm。实际配重方位为180°+β。

四、总平衡试验

1)安装连接体10吊具，拆除连接体10螺栓，用a桥机将连接体10吊走。

2)安装转轮体11弧形起吊环，用a桥机将转轮体11吊至指定地点上空，不摘钩，并检查平衡球8有无裂纹或凹点，若有，则需更换平衡球8，检查垫板3平板是否有裂纹或凹坑，若有，则需更换垫板3；清除试验平台上的千斤顶12及支敦，用b桥机将试验平台吊走。

3)将转轮检修支墩放在检修坑上,将a桥机所吊转轮体11落在支墩上，拆除起吊环，按选配好的叶片编号吊装叶片，用m90螺丝通过连接板将叶片固定在转轮体11上，叶片应挨个对称安装,叶片安放角ψ＝-12°，在叶片法兰端面与铜瓦端面之间垫3mm厚的钢板。

4)旋转螺杆4，使螺杆4露出平衡托架2一端的长度lc应为1200mm左右，再将连接体10吊装在转轮体11上，固定各螺栓，安装翻身盖并打紧，用a桥机吊开转轮装配，用b桥机将试验平台吊放在检修坑上，调整平衡底板水平度使其在0.02mm/m以内。

5)按照上述初平衡的方法在试验平台上放置支敦和千斤顶12,千斤顶12在中间行程，此时支墩、千斤顶12和铝板的总高度可调整为h2，由于组合体挂装叶片后整体重心向上移动了约83mm，为保证被平衡物的重心与球心之间的距离不变，保证平衡装置的灵敏度，则必须满足当托架平衡球8与垫板3接触时其调整螺杆4外部长度应增加约83mm，即时lz应该调整为约lz＝lc+83,即lz取1170mm，根据几何换算，h2取值约为1458mm，此时，球面与垫板3之间的计算安全距离约为30mm。

6)将a桥机所吊转轮装配吊至试验平台中央，对准平衡工具底座1，缓缓落下,放在千斤顶12上，尽量使平衡底座1与平衡托架2之间的间隙均匀；拆除翻身盖并用a桥机吊开放妥；将托架的调整螺杆4缓慢下旋，使平衡球8与垫板3接触，此时测量螺杆4露出平衡托架2一端的长度lz应为1170mm左右。

7)按照上述初平衡试验中调整效验平衡试验装置灵敏度的调整方法确定组合体是否稳定平衡和对组合体的灵敏度进行校订。

8)计算平衡装置灵敏度标模值hr＝0.48～0.66mm。

9)用6kg重试块，加在计算半径1800mm处，用百分表实测计算半径处的下沉值h，并记录；若h大于hr，则灵敏度合格；反之，则需提高灵敏度，直到合格为止。

10)组合体平衡调整及相关参数计算，计算许用残留倾斜度δr＝hr/r(mm/m)＝0.27～0.37mm/m，计算转轮体的残留倾斜度δ和倾斜方向与+x轴的夹角θ，并测量和记录附加配重的重量pz和半径。

在转轮装配一侧加铅块使转轮装配水平,如果所加铅块偏离所算的倾斜方向甚远，则需移动铅块，尽量使其靠近转轮体的倾斜方向线，这样所加铅块最有效。待转轮装配水平度合格后,通过上述初步平衡试验中的δ和θ的计算方法算出转轮装配(此时应包括所加重物)的倾斜度δ和倾斜方向角θ：

转轮装配残留倾斜度δ和倾斜方向与+x轴的夹角θ测量计算方法如下：

δ＝(δx2+δy2)1/2

θ＝arctgδy/δx

若δ小于δr，残留不平衡倾斜度合格。

总平衡合格后,记录所加铅块的重量和所在半径,所在方位.并将此结果按力矩相等的原理折算至连接体10灌铅处；如果所加铅块在连接体10放不下,可放在下盖腔,但此时下盖应参与平衡。

11)对连接体10灌铅配重施焊熔固完毕后,再精平衡复查.如果转轮残留不平衡倾斜度小于许用残留倾斜度，则平衡工作结束,否则反复进行配重,至符合要求。实际配重量计为ppz。

五、收尾工作

总平衡试验结束后，用千斤顶12将转轮装配顶起一定高度，使平衡球8与垫板3完全脱离，拆卸平衡试验工具，将翻身盖把合在连接体10上；用a桥机将转轮装配吊走，用b桥机吊开支墩、千斤顶12、平衡工具底座1和试验平台等；将转轮放于转轮坑内，拆卸翻身盖和连接体10，拆卸叶片；用a桥机吊住t240螺杆4，拆下平衡托架2螺栓，将平衡托架2放至检修坑内，用b桥机吊走平衡托架2，再用b桥机将检修完毕的活塞吊入转轮检修坑；将转轮体11吊至转轮检修坑的支墩上，至此静平衡试验结束。