應力棒法在白鶴灘電站1 000 MW轉輪靜平衡試驗中的改進

鄭 璇，劉騰彬，王智民

(1.中國長江電力股份有限公司，湖北 宜昌 443000；2. 東方電氣集團東方電機有限公司，四川 德陽 618000)

白鶴灘左右岸電站共安裝16臺單機容量為1 000 MW 的巨型混流式水輪發電機組。轉輪是水輪發電機組的核心部件之一，隨著現場安裝測量技術的發展，機組水平度差、軸線不正及導軸承不同心等問題基本得到解決，轉輪質量偏心是目前引起機組機械不平衡的首要原因[1]，轉輪的制造質量直接決定機組的安全穩定運行。受運輸條件限制，白鶴灘水電站轉輪在工地現場進行制造。根據相關規程規定，轉輪出廠前或經過檢修大量補焊后，需要對轉輪進行靜平衡試驗[2-3]。靜平衡方法是一種通過在旋轉體上去除材料或增加配重的靜平衡試驗方法,目的是完成不平衡點的檢測及配重等工作,減小轉輪質量偏心,最大程度地消除水輪機轉輪質心與水輪機轉軸形狀中心之間的距離,使不平衡量引起的振動減小到容許范圍內,實現設備的可靠運行[4]。本文介紹了應力棒法在白鶴灘左岸電站東電機組轉輪靜平衡中的試驗原理、試驗方法及改進措施。

1 應力棒平衡裝置及平衡原理

應力棒靜平衡裝置如圖1所示[5]，在平衡支柱的頂端放置應力棒，應力棒上部放置托板，轉輪放在托板上采用機械把合的方式與托板連接，平衡時轉輪的重量由托板傳遞給應力棒→支柱→基礎。通過應力棒內應力的變化，將力學量轉換成電量。當應力棒受力變形時，緊貼的電阻應變片的電阻也隨之發生改變，電阻變化量由應變儀測出，進而得到所測部位的應變，以此確定轉輪的不平衡力矩與偏心角度。

圖1 應力棒式靜平衡方法裝置圖

應力棒k值由下式得出

k=ε·k1=λ·10-6·k1

式中：λ為電橋的補償系統(測桿實際承受的應變)；ε為測桿微應變值(讀數儀器單位補償系數)；k1=1/4Eπr3(E為材料彈性模量；r為應力棒半徑)。

應變儀采用半橋法測量，貼在應力棒上的4個互成90°位置的應變片分別為R1、R2和R3、R4，將R1和R2聯成一組，同理R3和R4聯成一組，將R1、R2和R3、R4接入應變儀輸入端，R2應和R1受力狀態相反，R3和R4受力狀態相反(如圖2所示)。

圖2 應變片與應變儀的接線圖

根據下面公式計算不平衡重量及不平衡重位置：

不平衡角度α=arctgB/A

式中，A、B為應變儀兩個通道讀數。

2 修正系數引入和校核試驗

白鶴灘左岸東電機組某臺轉輪粗平衡后試驗結果見表1。

表1 粗平衡試驗結果表

粗平衡過程中發現，配重產生的力矩約176 kg·m，配重前不平衡力矩約222.4 kg·m，兩者存在一定偏差。

經過分析研究發現，以往的應力棒平衡計算方式僅考慮了轉輪理論重心與實際重心偏移量產生的質量距。該計算方法適用于轉輪重心與應力棒高度差較小的轉輪平衡。對于白鶴灘轉輪，轉輪理論重心距應力棒平面高度約為應力棒自身長度的3倍，在不平衡狀態下，重心高度本身也會對應力棒產生質量距。理論計算結果與實際配重存在一定誤差，在白鶴灘左岸電站東電轉輪靜平衡前需引入修正系數k′。

應力棒撓度

W棒=FL3/3EI=ML2/3EI

式中：M為不平衡力矩；L為應力棒長度；E為材料棒彈性模量；I為截面慣性矩。

轉輪撓度(重心位置)

W心=2H(W棒-W棒1/2)/L

式中：H為轉輪重心距應力棒下平面距離；W棒為應力棒全長撓度；W棒1/2為應力棒半長撓度。

重心撓度增加的不平衡力矩

M擾=GW心

式中：G為轉輪重量。

因重心撓度增加的不平衡力矩比例

η=M擾/(M-M擾)=19.6%

平衡系統不平衡力矩修正系數

k′=1/(1+η)=0.83

白鶴灘轉輪不平衡力矩計算公式

上述計算過程將應力棒狀態理想化，考慮把合螺栓，k值修正系數應為0.8～0.83。

對此臺轉輪進行k′的校核試驗。試驗結果見表2。

表2 修正系數校核試驗表

引入修正系數后，此臺轉輪靜平衡試驗結果如表3。

表3 靜平衡試驗結果表

由表3可知，理論不平衡力矩與配重產生的力矩基本一致。說明采用修正系數后，理論不平衡重量與實際配重基本一致。

3 結 語

隨著國內水電機組單機容量邁入百萬級，轉輪的制造精度和標準也逐步提高[6]。白鶴灘左岸電站1 000 MW 轉輪重心高，通過引入修正系數后，提高了靜平衡試驗精度，進一步滿足了精品轉輪制造要求。應力棒法的改進應用對于大型轉輪的生產制造具有積極的指導意義。