浅谈水轮机转轮的立式静平衡试验分析论文.doc

浅谈水轮机转轮的立式静平衡试验分析摘要：水轮机是一种将水能转换为转轮旋转能量的机构,利用这种机器带动发电机,使转轮的旋转能量变为电能。水轮机在我国的应用较广泛，它要通过优化设计使结构紧凑，确保运行可靠。它的本体主要由埋入部分，导水机构，转动部分，轴承部分等到组成。其中转动部分是水轮机的“心脏”，导水机构采用转动式的，性能良好的多导叶控制，保证了水流以很小的能量损失，在不同的流量下沿着圆周均匀进入转轮，提高了水力效率，最终通过发电机提高了机组成的出力及机组效率。关键词：水轮机 转轮 平衡重物 静平衡 上冠 下环 叶片前言：水轮机转轮由上冠，叶片和下环组成。上冠通常装有减少漏水损失的止漏环，减少轴向水推力的减压装置，它的上法兰面与主轴连接，下部接泄水锥。过去，混流式转轮大多用铸钢铸造，现在焊接结构有了很大发展。为了提高强度抗汽蚀和泥沙磨损，有的转轮采用了不锈钢材料，也有采用不锈钢叶片与碳素钢上冠和下环焊接的结构。采用普通碳素钢的转轮，在其容易汽蚀和磨损的过流部位，堆焊抗汽蚀、抗泥沙磨损的材料。现在上冠、下环、叶片一般都采用不锈钢材料。一、存在问题检修工作中，常常要解决水轮机转轮的静平衡问题。尤其是新安装的机组更要把转轮的静平衡问题解决好。否则，因转轮静平衡不良会使大轴在水导处摆度与振动超过允许值。时间长了，还会使机组的零件破坏和地脚螺栓松动，从而造成大事故。 由于大量的汽蚀补焊，使得叶片的型线和重量都发生了变化，其中轴流式转轮更为明显，由于重量不均衡，引起了转轮重心偏离中心线，当转轮旋转时会产生离心力，此离心力与偏心力成正比，与转速的平方成正比。如公式： （1-1）式中 离心力； 转轮的重量； 偏心值； 旋转角速度； 显然，在有偏心值的情况下，离心力会使机组产生机械振动，使水轮机的导轴承遭受脉动冲击力。严重时，影响安全运行。当对转轮叶片进行过大量的补焊之后，应进行静平衡试验工作。二、现场处理（一）、静平衡试验的工地与工具试验工地的地面要求，应干净平整，最好有一个平台。在图1-1（a）中平衡支座4与转轮7的上冠内孔的配合为D/dc，它们两者的同心度要求甚高。因为，如果不同心，即使很小（如0.002mm），这就使得平衡球心与平衡重物几何中心不在同一垂直线上，产生了附加力矩，这是不许可的。平衡球螺杆1与镶在平衡支座4上的螺母配合，可以调整平衡球心的位置上下运动。安装时，先将转轮吊至预先放在平台上的已操平的4个箱子上，在4个箱子中央放好平衡支座4，然后通过平衡支座上的螺孔将支座吊起来，慢慢地从转轮上冠内孔中提起来，把压板3用螺钉拧在支座4上法兰面上，再把顶丝2顶紧在上环面上，这样，平衡支座4便牢固地装在转轮上了。把4个千斤顶放在平台上使之对应与转轮下环的4等份处，把平衡支架6放在4个千斤顶的中心，再把平衡重物（转轮和平衡支座的总称）吊至千斤顶上，并预先调整螺杆1，使得平衡球面与平衡盘之间有5mm左右的间隙。此时，如图1-1（a）所示，当进行平衡试验时，整个平衡重物的重量靠平衡球面顶在下平衡盘上，它的半径按接触应力公式进行计算： (a)混流式水轮机转轮静平衡试验前的位置 1-平衡球螺杆 2-顶丝 3-压板 4-平衡支座 5-平衡盘 6-平衡支架7-转轮 8-千斤顶 (b)轴流式水轮机转轮静平衡试验1-百分表 2-平衡底板 3-定心板 4-方型水平仪 5-配重块位置6-精平衡时所加配重块 7-下端盖 8-组合螺钉 9-转轮 10-垫环11-平衡球 12-基础平台 13-千斤顶 14-平衡托架15-支墩 16-排气孔图1-1 静平衡试验的工具与工地d= (1-2)式中 d平衡球直径（）； G平衡物体重量（）；E材料的弹性模数（/）；材料允许的接触应力，一般采用滚球轴承刚如GCr15，表面淬火处理，Rc,我国取（/）。 例如：某公司生产的转轮加平衡支座总重3000kg,求平衡直径d。 d=即球半径.平衡球半径r按表1选取表1转轮重量kg平衡球半径mm5以下10以下50以下对于下平衡盘的硬度和允许接触应力要求与平衡球相同,表面粗糙度参数的最大允许值为0.4m，硬度不得低于HRC56-60，表面局部凹陷不得超过0.03mm，同时，要求它与平衡支架紧密配合，保持同心。工作中，应检查平衡球面与下平衡盘顶压后，下平衡盘表面上是否出现坑痕。如果有坑痕出现将会大大影响试验精度，这是不允许的。这时，要重新对下平衡盘进行热处理，直至合格为止。需要带表架的百分表两套；0.02mm方型水平仪两只及与其等重量的平衡块两块；焊条，平衡重块，粉笔等物品。（二）、静平衡原理 首先,我们把平衡球看成一个圆球,把转轮看成挂在球上的物体并集中以下环代表。如图2所式。平衡重物的重心g与平衡球的球心O相距Og=h，下平衡盘处于水平位置。 图 1-2 平衡球原理1.当平衡重物的重心g在平衡球的轴线OE上，g点在O点的下方时，此时处于平衡状态。相当于转轮下环处于水平位置。2.当平衡重物的重心g不在平衡球的轴线OE上，而在与OE夹角为的OK线上时如图1-2（b）所示，这时，平衡重物对于平衡球心O有一个旋转力矩 （1-3）并使平衡重物绕O点旋转，直至K点移至E点原来所在位置为止，即OgK线与下平衡盘相垂直如图1-2（c）所示，此时，旋转力矩M=0，处于平衡状态，而下环却是倾斜的。左侧比原来位置升高H。3.当平衡重物的重心g位于平衡球心O的上方时，那将出现翻车现象，引起平衡破坏。从以上叙述看来，在平衡重物的重心g位于平衡球心O之下的情况下，可以得到平衡位置。当平衡重物出现了图1-2（c）所示的情况时，我们知道，这是由于重心与球心不在同一轴线上，即平衡重物的重心不在对称轴上的结果。显然这是由于转轮对称轴线左右两边的作用力矩不相等而造成的。即左边小，右边大。我们在距轴线为R处的下环上面加平衡重P，使得转轮对称轴左右的作用力矩相等，于是平衡重物又回到图1-2（a）的位置上，列出平衡方程式 (1-4)当角很小时， tg=sin=，所以 h=式中 h平衡球心至平衡重物重心的距离（mm）； P转轮下环所加平衡块重量（kg）； R转轮下环测量点至转轮旋转轴线的距离（mm）； G平衡系统重量（转轮和平衡支座总重）（kg）； H转轮下环或转轮体端面的下沉量（mm）滚动摩擦系数mm，一般取0.02mm。 公式中G、R、都是常数，P值与h成正比，H值与h成反比。H值应取得合理，这样即提高静平衡的精度，同时节省了时间。当用于不同平衡重物时，h值的许可值如下表：表2 不同平衡重物的h许可值平衡物重量（kg）h值（mm）最大值最小值5以下402010以下503050以下6040转轮重心的位置在设计图纸中可以查到，而平衡球心的位置是可以通过螺杆调整的。（三）、静平衡步骤1.测灵敏度吊车把平衡重物放在4个千斤顶上，使平衡球面距下平衡盘约5毫米，松开吊绳及吊攀，平衡底盘以用0.02mm水平仪校平，底盘上四周涂一圈黄油，中间抹一层机油。在转轮下环上平面上划出四等份线，以便放水平仪。落下千斤顶，使平衡球面与下平衡盘接触，观察平衡重物是否处于稳定平衡。特别注意防止转轮倾倒。如果不能出现稳定平衡，就要努力找出原因：是平衡球心位置太低还是平衡支座与转轮同心度的问题，或是下平衡盘与下支座的同心度问题，经调整至平衡状态后，沿下环底面用划针盘找最高点（见图1-3），将平衡块加在最高点上，使下环大致成水平状态。此时，在称1公斤重物加于下环上面，用百分表测出此点下降数值H，每隔90重复一次，算出平均下降值，将这个数值代入公式 h=由它可以求，看是否符合表2的范围，如果值超过规定值，可调平衡球螺杆，改变球心的位置，使值合格。例如：某公司生产的转轮加平衡支座重45000，代入上式此值符合表2的要求，值合格。2.初平衡当算得的值符合表2规定后，下环已由划针盘初步大致找得水平，在互成90的下环上平放两个水平仪，对面再放上与水平仪等重量的重块，如图1-4所示。由两个水平仪找出平衡重物合成配重方向，于a点加上平衡块，以使下环水平。图1-3 混流式转轮立式静平衡试验 图1-4 水平仪位置 1-水平仪 2-与水平仪等重的重块3.精平衡在进行粗平衡和测灵敏度时，已经把平衡重块分别加在下环上。现在，要根据转轮的具体结构把平衡重块加上去。混流式转轮平衡重块大都加在上冠的顶部。由于上冠与下环两处半径不同，于是，加在上冠的重量等于 （1-5）式中 精平衡时加在上冠处的重量（kg）；上冠处距离距轴线的半径（cm）；粗平衡时加在下环处的重量（kg）；下环处距轴线的半径（cm）。在同一方向上的上冠顶部，先在四周焊上铁盒子（在下环顶部电焊时，应用千斤顶将转轮顶起来，否则电火花会打坏平衡球和下平衡盘）。然后把换成铅块重量，烧化在盒子里（应把铁盒子和焊条重量都计入内）。最后再检查下环水平值，如还需加配重量，可将厚度小于10毫米的钢板焊上去。由于制造工艺和静平衡工作的误差，对各种转轮都规定了残余不平衡量。如无明确规定，可按下式计算： （1-6）式中 在名义直径上的残余不平衡重量（）；飞逸转速（）；平衡系统重量（）；直径（）。这个公式的含义是：当机组发生非逸时，残余不平衡重量不超过转轮净重的2%。由于中水头混流式水轮机下环直径与差不多，假设前例机组，所以它的允许残余不平衡重量实际上存在的残余不平衡重量可以通过下环的水平仪的移动值算出来，如图1-4所示，每个水平仪均如箭头方向偏2格，则在合成方向上偏格，级水平仪，每格代表，所以偏移值为，当下环直径为4.3时，此值换算为该点升高值为。也就是在相隔180方向处，下环下降。由公式