大型水輪機轉輪靜平衡實驗裝置

馬超 柏長友 李瀟冉

摘?要：我國當前的大型水輪機轉輪靜平衡采用的工藝主要有靜油壓式、鋼球式和測桿式。為了提高大型水輪機工藝水平，需要通過靜平衡實驗對工藝進行精益求精的研究與提升。大型水輪機轉輪靜平衡實驗需要利用實驗裝置來完成實驗，獲得更加符合實際的設備運行環境的準確的實驗數據。下文將探討大型水輪機轉輪靜平衡實驗裝置設備，求得更好的靜平衡實驗方法。

關鍵詞：大型水輪機;轉輪靜平衡;實驗裝

經過加工的大型水輪機轉輪容易出現質量不均勻問題，使得轉輪的軸心和重心之間出現偏心距。當轉輪一主軸為中心旋轉時，就會失去平衡，受離心力影響，引發主軸形變。主軸形變越大，整體振動問題越嚴重。在大型水輪機指導過程中，要通過轉輪靜平衡實驗對設備進行監測，確保系統不平衡影響盡量減小，消除轉輪偏心不平衡帶來的振動問題。

一、大型水輪機靜平衡實驗測試方法

（一）測試方法

轉輪是大型水輪機的重要部件，當前大型水輪機靜平衡實驗測試方法中最為先進的測試技術就是應力棒法。這種測量方法里采用應力棒穩定原理，應力棒內的應力發生變化的過程中，可以將能量轉化為電量。如果應力棒受力發生了形變，緊貼在應力棒上的電阻傳感片的參數會發生變化，參數變化可以由儀器測量出來，從而獲取被測位置的應變情況，以此數據來確定轉輪是否存在不平衡問題，如果存在，測定不平衡力矩和位置。這一測試方法平衡精度較高，且裝置設備的操作比較簡便，可以應對各種復雜環境下的測量工作，對設備和部件不進行破壞即可完成測量。

大型水輪機轉輪靜平衡裝置的結構設計要求可操作性強，結構簡單，原理清晰，可以準確進行定位裝夾等。設計靜平衡實驗裝置時，除了結構設計，還要確保絲杠在進行測試過程中可以靈活轉動，可以計算出轉輪的中心和靜平衡實驗裝置中主要結構部件的剛度和強度等參數，利用這些參數可以優化測試設計，實現有限元分析。轉輪中心一般在部件的幾何形心位置。可以利用計算方式得到轉輪的重心點位置，也可以使用作圖法，在二維圖上分別做出葉片等部件的形心，獲取轉輪中心。但是這兩種方法得到的重心都不夠精確并且操作煩瑣。當前會采用計算機軟件對轉輪進行三維建模，根據轉輪截面的幾何圖形尺寸進行幾何特征的分析，從而得到轉輪中心位置。

采用應力棒法進行測量，在應力棒上方放置好托盤，轉輪可以放在托盤之上，運用機械把合方式將轉輪和托盤連接在一起。平衡實驗過程中轉輪的重量是經過托盤傳遞給應力棒的，應力棒將力傳遞給支柱，支柱再將力傳遞給底座。

轉輪在任何不平衡狀態下，可以將重力傳給應力棒，應力棒受到彎曲應力影響，應力棒上貼了應變片，應變片的數據可以由應變儀讀取。應變儀反應的測量數據能夠顯示彎曲應力的大小和方向，根據測量數據，就能夠計算出消除系統不平衡所要用到的配重量和放置位置。

應力棒的k值計算方法如下：

式中，λ為電橋補償系數，也就是被測桿實際承受的應變;ξ是測量桿的應邊值，k1=1/4Eπr2，其中，E是被測材料的彈性模量，r是應力棒的半徑長度。

應變儀可以采用半橋法進行測量，在應力棒上貼四個呈90度角的應變片，應力棒呈180°的應變片可以互為一組，兩組的應變片的受力狀態是相反的。

計算出不平衡重量和不平衡位置。不平衡重量是M=R×k=A2+B2×k，不平衡位置的角度位置計算如下：

如果彈性模量為E，應力棒半徑為r：

如果應變儀多數是A=14，B=90，那么不平衡數值R=91.082，不平衡重量M為612kg·m，不平衡角度為81°。

（二）測試設備基本結構

當前使用的大型水輪機轉輪靜平衡裝置的基本組成部件如下：過渡法蘭、墊片、螺栓、軸心、把合螺母、把合螺桿、固定螺栓、支座等部件。平衡軸心的外緣和過渡法蘭的內緣可以采用小間隙定位方式，通過把合螺母與把合螺桿，各個部件連接成一個整體，平衡裝置運用固定螺母和轉輪固定完成。平衡裝置與轉輪都完成后，落在平衡支座上方，開展水輪機轉輪靜平衡實驗?？梢詫押下菽?、把合螺桿都松開，頂起螺栓就可以將平衡軸心頂起來，改變調整墊片的厚度，可以改變整個平衡裝置中心的位置。這樣的方式操作較為簡便，制造的難度也比較低。整體結構簡潔，原理科學合理，平衡實驗的精度較高，通用性較強，可以用在多種場合。

二、大型水輪機轉輪靜平衡實驗裝置部件設計

轉輪的中心一般比球面支撐球心位置低40mm左右，可計算出轉輪定位斷面到平面的高度差約為400mm～410mm之間。經過實際測量可得數值在此范圍之內。轉輪的定位止口以及上端面的定位，在平衡實驗裝置運轉時，忽略摩擦力作用，受力主要來自靜平衡裝置和轉輪自身的重力。

（一）法蘭部件

法蘭部件定位在轉輪的定位止口和端面位置，以螺栓和轉輪部件連接起來，材料多為45號鋼，厚度計算公式如下所示：

其中修正系數k（k值可查），R是法蘭的外徑（cm），r是法蘭的內徑（cm），P是法蘭受到的軸向方向的在和（N），[б]是法蘭材料承受的彎曲應力（N/cm2）。

法蘭是圓環形的部件，內圓周固定在其他裝備上，外圓周和轉輪連接，因轉輪的重力而承受軸向載荷，如果在厚度t≤1/3（Rr）的情況下，可以運用以下公式來計算法蘭承受的應力：

σ1為法蘭內圓周徑向應力，σ2為法蘭外圓周徑向應力。如果內外圓周徑向應力的差距非常小，則可以忽略應力部分的影響。對法蘭內外應力進行校核后，使用計算機軟件對法蘭進行三維建模，完成草稿，將法蘭的材料、載荷、自由度等參數進行仿真，通過計算機軟件完成有限元分析和耐久性、強度分析，進行設計優化工作。

（二）連接件

連接件一般為螺栓和絲杠，由于連接件與轉輪擰緊后受到軸向載荷，螺栓的螺紋小徑d可以使用以下公式進行計算：

其中P是每個螺栓受到的軸向載荷，對于絲杠，P是其連接的轉輪和靜平衡裝置共同產生的重力（N）;[б]是螺栓或者絲杠承受的彎曲應力（N/cm2）;k是螺栓或者絲杠所附加的載荷的系數，可以查得，一般為1.5左右。完成度螺紋小徑的計算之后，圓整尺寸后大于d，查詢國家標準，根據螺紋小徑尺寸查出可選用的標準螺栓。對連接件進行強度校核。使用計算機軟件對絲杠進行三維建模，將絲杠的材料、載荷、自由度等參數進行仿真，通過計算機軟件完成有限元分析和耐久性、強度分析，進行設計優化工作[1]。

（三）支撐部件

球面支撐部件的半徑R，可以根據國家標準和標準件資料進行參數查詢，要測試的轉輪的重量不大于五萬千克時，采用以下公式計算：

在式中，m是轉輪的重量（kg）。

球面支撐與平面接觸的應力設為σH，則σH=200P1/3R2/3。在式中，P指的是作用在球面支撐上的載荷（N）;R指的是球面半徑，此處采用的是圓整之后的尺寸（cm）;對球面支撐和平面接觸的應力進行校核，σH<[σH]。球面支撐部件的其他尺寸和參數，可以根據國家標準和標準件資料查詢得知。

（四）平面支撐部件

平面支撐部件要和底座過盈配合，確保緊密配合，在進行靜平衡實驗時，則支撐部件和底座不會因為配合原因產生振動位移。平面支撐的外緣直徑D根據經驗取小于定位筒內徑30mm的尺寸，厚度t可以通過以下公式進行計算：

其中k是修正系數，P是平面支撐承受的軸向載荷（N）;[б]是平面支撐材料所承受的彎曲應力（N/cm2）。得到平面支撐的厚度t，對尺寸進行圓整，圓整尺寸要大于t。平面支撐部件是圓板形狀的理念，球面支撐等零部件的載荷大多作用在圓板中央，支撐座對外圓周進行固定支撐，采用以下公式可以計算出圓板的中心應力數值：

平面支撐部件的中心位置須進行應力校核：σt<[σ]。平面支撐的中心應力比圓周周邊的應力大。使用計算機軟件對平面支撐部件進行三維建模，完成草稿，對部件的材料、載荷、自由度等參數進行仿真，通過計算機軟件完成有限元分析和耐久性、強度分析，進行設計優化工作。

（五）定位筒

定位筒和法蘭使用螺栓進行連接，采用過盈配合，確保實驗過程中不會出現振動和位移。定位筒與螺栓也要做到過盈配合，避免連接件打轉。將導向塊安裝到球面支撐上，和定位筒進行配合，在定位筒內可以移動，用以調整轉輪的重心位置。將螺栓固定，螺母鎖緊，布置好定位筒的位置和尺寸。通過計算機軟件進行有限元分析，并進行設計優化。

將平面支撐部件插入支撐底座內，校正平面支撐部件的上表面，通過地腳螺栓固定在地面上并且壓緊。將轉輪靜平衡裝置裝進轉輪，開始實驗，對于重量不平衡的轉輪，在不同位置做好標記，增減材料，讓轉輪獲得平衡。

三、結語

大型水輪機轉輪靜平衡實驗裝置的設計和選擇，要求結構簡單，容易操作。將靜平衡實驗裝置與計算機軟件結合起來，可以對轉輪進行精確的時延，能夠讓轉輪生產實用獲得更多的參考和借鑒。隨著大型水輪機轉輪靜平衡實驗技術的不斷改進和測試工藝不斷成熟，該項技術能夠為當前大型水輪機的生產提供強大助力。

參考文獻：

[1]李佳書，疏其朋，李進龍.減壓汽液相平衡實驗裝置研制[J].實驗室研究與探索，2019，38（09）：104107.

作者簡介：馬超（1987—?），男，漢族，寧夏石嘴山人，本科，中級工程師，研究方向：水輪機相關大型零部件的加工制造。