石茂國，高金林

（國家電投集團(tuán)重慶江口水電有限責(zé)任公司，重慶市武隆區(qū) 408506）

江口水電站轉(zhuǎn)輪改造后的靜平衡試驗(yàn)

石茂國，高金林

（國家電投集團(tuán)重慶江口水電有限責(zé)任公司，重慶市武隆區(qū) 408506）

江口水電站1號水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪在運(yùn)行中產(chǎn)生大量裂紋，為此對轉(zhuǎn)輪進(jìn)行了改造。為降低轉(zhuǎn)輪制造過程中出現(xiàn)的不平衡量，新轉(zhuǎn)輪在制造廠采用三點(diǎn)稱重式靜平衡裝置進(jìn)行了靜平衡試驗(yàn)。本文詳細(xì)論述了三點(diǎn)稱重式靜平衡裝置靜平衡試驗(yàn)原理及江口水電站1號水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪靜平衡試驗(yàn)過程，通過試驗(yàn)及配重，使轉(zhuǎn)輪的不平衡量小于設(shè)計(jì)允許值，從而保證了水輪機(jī)安全、穩(wěn)定運(yùn)行。

水輪機(jī)；轉(zhuǎn)輪；靜平衡

1 概述

江口水電站1號水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪改造后的型號為HLS186-LJ-343.6，重25342kg，共15個(gè)葉片，額定轉(zhuǎn)速214.3r/min。為消除或降低轉(zhuǎn)輪制造過程中出現(xiàn)的不平衡量，轉(zhuǎn)輪加工完畢后在制造廠采用三點(diǎn)稱重式靜平衡裝置進(jìn)行靜平衡試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)精準(zhǔn)配重，試驗(yàn)周期短。

2 靜平衡試驗(yàn)的目的及許用剩余不平衡量

2.1 靜平衡試驗(yàn)的目的

水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪在制造加工過程中，特別是在焊接過程中，難免出現(xiàn)質(zhì)量偏心，質(zhì)量偏心的存在使機(jī)組在運(yùn)行過程中產(chǎn)生一個(gè)附加離心力，如果該力較大，很可能導(dǎo)致水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的主軸擺度增大，軸承偏磨以及不同形式、不同程度的機(jī)組振動(dòng)等不良現(xiàn)象，影響機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行。為此應(yīng)通過靜平衡試驗(yàn)檢查轉(zhuǎn)輪偏重是否超過允許值，并通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行配重或平衡車，使轉(zhuǎn)輪的不平衡量達(dá)到允許值。

2.2 許用剩余不平衡量的計(jì)算

根據(jù)《水輪機(jī)基本技術(shù)條件》（GB/T 1546—2006）中的規(guī)定，轉(zhuǎn)輪應(yīng)做靜平衡試驗(yàn)，靜平衡后應(yīng)符合GB/T 9239 中的G6.3級的要求。查閱《機(jī)械振動(dòng) 恒態(tài)（剛性）轉(zhuǎn)子平衡品質(zhì)要求 第一部分：規(guī)范與平衡允差的檢驗(yàn)》（GB/T 9239.1—2006）得許用剩余不平衡量Uper

式中Uper——許用剩余不平衡量，g·mm；

eper×Ω——所選用的平衡品質(zhì)級別的數(shù)值，mm/s；

m——轉(zhuǎn)輪的質(zhì)量，kg；

Ω——轉(zhuǎn)輪的角速度，rad/s。

將江口電站改造后的轉(zhuǎn)輪有關(guān)數(shù)據(jù)代入式（1）得

故根據(jù)上述標(biāo)準(zhǔn)及公式，江口電站改造后的轉(zhuǎn)輪許用不平衡量為7114.3kg·mm。

3 轉(zhuǎn)輪靜平衡試驗(yàn)過程及計(jì)算

江口水電站改造后轉(zhuǎn)輪加工制造完畢后，在制造廠采用三點(diǎn)稱重式靜平衡裝置進(jìn)行靜平衡試驗(yàn)。

3.1 試驗(yàn)裝置概述

混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪三支點(diǎn)稱重式靜平衡裝置，如圖1～圖6所示，包括通過拉板13和螺栓14固定在轉(zhuǎn)輪上冠11中心孔處的圓盤狀平衡板2，沿平衡板2底部圓周方向均勻設(shè)有三個(gè)壓力傳感器A、B、C，三個(gè)壓力傳感器A、B、C均通過定位銷15定位在平衡板2上，三個(gè)壓力傳感器A、B、C位于同一均布節(jié)圓上，任意相鄰兩個(gè)壓力傳感器之間的夾角為120°，三個(gè)壓力傳感器A、B、C均布節(jié)圓圓心位于轉(zhuǎn)輪1的中心線上，三個(gè)壓力傳感器A、B、C支撐于一平衡座4上，平衡座4通過調(diào)整墊鐵5支撐于地面平臺6上，地面平臺6上還設(shè)有將轉(zhuǎn)輪升起的同步頂升機(jī)構(gòu)。

如圖1所示，同步頂升機(jī)構(gòu)包括位移傳感器和液壓千斤頂8，沿平衡座4四周等間距分布的四個(gè)支撐座9上均設(shè)有位移傳感器和液壓千斤頂8，四個(gè)支撐座9均設(shè)于地面平臺6上，同步頂升機(jī)構(gòu)還包括電磁閥、控制器、電腦、控制軟件和連接線束，液壓千斤頂8用于控制轉(zhuǎn)輪的上升與下降，便于測量；位移傳感器用于反饋四個(gè)液壓千斤頂?shù)耐缴仙c下降距離，便于電腦控制；通過電磁閥的開閉來控制進(jìn)入或流出液壓千斤頂?shù)囊簤河土?，從而操縱液壓千斤頂；控制器將位移傳感器的信號傳輸給電腦，通過對比計(jì)算控制電磁閥開閉；控制軟件可控制四個(gè)液壓千斤頂?shù)纳仙?、下降；連接線束用于控制器、電腦等的電連接。

每個(gè)壓力傳感器A、B、C和平衡座4之間均設(shè)有等高墊鐵10（見圖2），平衡板2和平衡座4之間還設(shè)有多個(gè)轉(zhuǎn)輪墊高塊12（見圖3和圖4），當(dāng)不進(jìn)行檢測時(shí)，可用于對轉(zhuǎn)輪1承重。

3.2 江口電站轉(zhuǎn)輪靜平衡工藝及步驟

3.2.1 保證試驗(yàn)精度的措施

傳感器中心與轉(zhuǎn)輪中心的距離精確測量是保證靜平衡試驗(yàn)精度的關(guān)鍵，為此在轉(zhuǎn)輪泄水錐連接的平衡板至關(guān)重要。加工平衡板時(shí)，在數(shù)控機(jī)床上與轉(zhuǎn)輪同時(shí)找中心，傳感器和平衡板之間通過銷塊固定，因此傳感器的安放位置由平衡板上的孔來定位，該孔要求位置度φ0.05mm，以保證直徑和角度。另外傳感器的精度為萬分之五，為民用級別最高。

3.2.2 安裝調(diào)整試驗(yàn)裝置

（1）安放平衡座4于地面平臺6上，并通過調(diào)整墊鐵5調(diào)水平，安裝同步頂升機(jī)構(gòu)于地面平臺6上，使得轉(zhuǎn)輪1重量能均勻分布在同步頂升機(jī)構(gòu)上，同步頂升機(jī)構(gòu)包括液壓千斤頂8和位移傳感器，在地面平臺6上安裝四個(gè)支撐座9，四個(gè)支撐座9等間距分布在平衡座4四周，每個(gè)支撐座9上均設(shè)有上述液壓千斤頂8和位移傳感器。

圖1 混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪三支點(diǎn)稱重式靜平衡裝置Fig. 1 Three-points supporting weighing static balance device of Francis Turbine Runner

圖2 圖1中D處局部放大圖Fig. 2 Local enlarged drawing at D in Figure 1

圖3 圖1中E處局部放大圖Fig. 3 Local enlarged drawing at E in Figure 1

圖4 混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪三支點(diǎn)稱重式靜平衡裝置立體結(jié)構(gòu)Fig. 4 Three dimensional structure of weighing static balance device of three-points supporting of Francis Turbine Runner

（2）安裝平衡板2于轉(zhuǎn)輪上冠11中心孔處，并固定牢靠。

（3）在圖1中吊板3處吊裝轉(zhuǎn)輪1于平衡座4上，并用同步頂升機(jī)構(gòu)將轉(zhuǎn)輪升起，使得轉(zhuǎn)輪完全承重在同步頂升機(jī)構(gòu)上。

（4）安裝壓力傳感器A、壓力傳感器B、壓力傳感器C于平衡板2底部圓周上，位于同一均布節(jié)圓上（江口轉(zhuǎn)輪為φ460），并且均布節(jié)圓圓心位于轉(zhuǎn)輪1的中心線上，壓力傳感器A裝在Y軸方向上，壓力傳感器A、壓力傳感器B、壓力傳感器C之間兩兩夾角為120°；各壓力傳感器與數(shù)據(jù)顯示儀表連接到位。

（5）分別在壓力傳感器A和平衡座、壓力傳感器B和平衡座、壓力傳感器C和平衡座之間設(shè)置等高墊鐵10，以及在平衡板和平衡座之間設(shè)置多個(gè)轉(zhuǎn)輪墊高塊12。

安裝結(jié)束后，確保所有機(jī)電儀器安裝到位，所有功能均調(diào)試正常。

3.2.3 進(jìn)行轉(zhuǎn)輪粗平衡

（1）控制軟件下達(dá)指令，控制同步頂升機(jī)構(gòu)使整個(gè)轉(zhuǎn)輪下降承重于壓力傳感器A、壓力傳感器B、壓力傳感器C上。

圖5 圖4中F處局部放大圖Fig. 5 Local enlarged drawing at F in Figure4

（2）檢查并調(diào)整轉(zhuǎn)輪水平，然后轉(zhuǎn)輪升起，使壓力傳感器A、壓力傳感器B、壓力傳感器C歸零位。

（3）轉(zhuǎn)輪再次下降承重于壓力傳感器A、壓力傳感器B、壓力傳感器C上，記錄壓力傳感器A、壓力傳感器B、壓力傳感器C讀數(shù)分別為FA、FB、FC，作為第一組數(shù)據(jù)。

（4）分別依次重復(fù)步驟（2）、（3）二次，再記錄兩組數(shù)據(jù)，總共記錄三組數(shù)據(jù)。

（5）將三個(gè)壓力傳感器A、B、C位置繞平衡板中心旋轉(zhuǎn)180°，重復(fù)步驟（2）、（3）和（4），再記錄三組數(shù)據(jù)

轉(zhuǎn)輪粗平衡試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1。

表1 江口轉(zhuǎn)輪第一次靜平衡試驗(yàn)數(shù)據(jù) kgTab. 1 The first static balance test data of Jiangkou runner

3.2.4 計(jì)算轉(zhuǎn)輪配重力F的大小和轉(zhuǎn)輪配重的位置與X軸的夾角a

計(jì)算方法如下：如圖6所示。

圖6 壓力傳感器位置分布圖Fig. 6 Distributing condition of weighing sensors

假設(shè)偏重點(diǎn)在位置E處，則配重設(shè)在與轉(zhuǎn)輪中心O處中心對稱點(diǎn)D處，則加了配重后，則D處的配重力F與壓力傳感器A、B、C處承受的力相對于X軸、Y軸的力矩平衡，于是由力矩平衡得到以下公式：

由A、B、C、D各點(diǎn)相對于X軸的力矩平衡，可得

由A、B、C、D各點(diǎn)相對于Y軸的力矩平衡，可得

由（2）2+（3）2可得

由（2）/（3）可得

以上式中FA——壓力傳感器A的讀數(shù)，kg；

FB——壓力傳感器B的讀數(shù)，kg；

FC——壓力傳感器C的讀數(shù)，kg；

R——三個(gè)壓力傳感器所確定的均布節(jié)圓的半徑，mm；

L——轉(zhuǎn)輪配重的位置距離轉(zhuǎn)輪中心線的距離，mm；

F——轉(zhuǎn)輪配重力，kg；

α——轉(zhuǎn)輪配重的位置與X軸的夾角，（°）。一般的，L與R有以下關(guān)系

將式（6）代入式（4）中，可得

當(dāng)α=1時(shí)，轉(zhuǎn)輪配重正好加在均布節(jié)圓的圓周上。

試驗(yàn)取得數(shù)據(jù)后，利用計(jì)算機(jī)的計(jì)算功能，只需輸入六組試驗(yàn)數(shù)據(jù)及有關(guān)參數(shù)，即可計(jì)算出轉(zhuǎn)輪的不平衡力和方位，并進(jìn)行配重。

江口水電站轉(zhuǎn)輪粗平衡試驗(yàn)結(jié)果見圖7。

江口水電站轉(zhuǎn)輪粗平衡結(jié)果

圖7 江口轉(zhuǎn)輪第一次靜平衡結(jié)果Fig. 7 The first static balance result of Jiangkou runner

從粗平衡數(shù)據(jù)看不平衡量為70774.714kg·mm遠(yuǎn)大于許用剩余不平衡量7114.3kg·mm，根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙要求需在轉(zhuǎn)輪上冠L650mm處以試驗(yàn)前確定的0點(diǎn)順時(shí)針67.137°配重約109kg。

配重后，再次重復(fù)上述步驟，取得試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表2。

表2 江口轉(zhuǎn)輪第二次靜平衡試驗(yàn)數(shù)據(jù) kgTab. 2 The second static balance test data of Jiangkou runner

將試驗(yàn)數(shù)據(jù)輸入程序，得出轉(zhuǎn)輪精平衡試驗(yàn)結(jié)果，見圖8。

江口電站轉(zhuǎn)輪精平衡結(jié)果

圖8 江口轉(zhuǎn)輪第二次靜平衡結(jié)果Fig. 8 The second static balance result of Jiangkou runner

從圖8可看出，轉(zhuǎn)輪的不平衡量為3080.085kg·mm，小于許用剩余不平衡量7114.3kg·mm。轉(zhuǎn)輪靜平衡試驗(yàn)通過。

4 結(jié)論

江口水電站1號水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪改造運(yùn)行后，未進(jìn)行動(dòng)平衡試驗(yàn)再次配重，機(jī)組各處振動(dòng)、擺幅小于《水輪發(fā)電機(jī)組安裝技術(shù)規(guī)范》（GB8564—2003）中的允許值，且運(yùn)行穩(wěn)定，達(dá)到了靜平衡試驗(yàn)的目的，為機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行打下了良好基礎(chǔ)。

[1] 于蘭階.水輪發(fā)電機(jī)組的安裝與檢修[M].北京：中國水利電力出版社，1995.YU Lanjie. Installation and Maintenance of Hydroturbine Generator set [M]. Beijing :China Water Conservancy and electric power press，1995.

[2] 劉大凱.水輪機(jī)[M].北京：中國水利水電出版社，1997.LIU Dakai. Hydroturbine[M]. Beijing: China Water Conservancy and Hydropower Publishing House，1997.

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[4] 李友平，李建斌.三支點(diǎn)壓力傳感器稱重靜平衡法試驗(yàn)誤差分析實(shí)例[J].西北水電，2012.增刊1：6-7.LI Youping，LI Jianbin. Practice On Error Analysis of Test by Static Balance Method of Weighing with Three-point Pressure Sensor[J]. Northwest Hydropower，Suppl.1: 6-7.

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2016-11-30

2017-05-11

石茂國（1969—），男，工程師，主要研究方向：水電站運(yùn)行管理、水輪發(fā)電機(jī)組及輔助設(shè)備、金屬結(jié)構(gòu)的安裝、調(diào)試與檢修管理。E-mail：shi690707@163.com

高金林（1977—），男，高級工程師，主要研究方向：水輪發(fā)電機(jī)組及輔助設(shè)備、金屬結(jié)構(gòu)的安裝、調(diào)試與檢修技術(shù)管理。E-mail：13983399771@163.com

On Static Balancing Test for New Runner of Jiang Kou Hydro Power Plant

SHI Maoguo，GAO Jinlin
（State Power Investment Corporation Chong Qing Jiang Kou Hydro Power Co. LTD， Wulong Chongqing 408506，China）

Cracks were found on the runner of Jiang Kou HPP unit 1 under operation; to solve this problem，modification of the runner was applied to the unit. To minimize the residual unbalance，“3 pivots weighting”balancing method was applied to the runner during manufacturing at the manufacturer. It was detailed described in this paper for the basic principle of “3 pivots weighting” balancing method as well as the routines of the balancing for Jiang Kou U1 new runner. The balancing test reduced the unbalance to meet the allowable design value by means of balancing weight to ensure the turbine unit operating safely and smoothly.

hydro turbine；runner；static Balancing

TV74

A學(xué)科代碼：410.25

10.3969/j.issn.2096-093X.2017.03.020