山图迪斯水电站转轮的测杆应变法静平衡试验研究

2011-05-03吕以建高建刚

上海大中型电机 2011年2期

吕以建，高建刚

(哈尔滨电机厂有限责任公司，黑龙江哈尔滨 150040)

0 引言

通常水轮机转轮的平衡采用“钢球、镜板式”的传统办法。当转轮的重量超过200 t时，钢球与镜板的接触点将会产生极高的应力，而钢球和镜板的强度及硬度难以满足这么高的应力要求。这时，就会产生“凹坑”现象，导致摩擦力大增，以至严重影响平衡系统的灵敏度和精度。本文阐述的测杆应变法从结构上排除点接触高应力、排除摩擦力等影响平衡的不利因素，通过贴在测杆上的应变片，可以精确地测量出由不平衡力矩产生的微应变及方向的平衡方法，从而通过计算得出消除不平衡所需的重量及方位。这种方法是由加拿大GE公司最先采用的。以前曾与钢球平衡试验做了比较，证明测杆应变法的平衡精度高于钢球平衡精度。但山图迪斯水电站轴流式转轮(D1=10.4 m，G=250 t)尺寸大，重量超大，因此有必要进行研究。

1 基本参数

山图迪斯水电站转轮的静平衡参数如下:

2 主要研究方法及内容

2.1 水轮机转轮静平衡测杆设计

测杆是完成平衡试验最关键的硬件(见图1)。如何设计好测杆是保证平衡成功的关键。测杆的材质应选择高强度合金钢并经调质处理，其毛坯件应作化学分析和机械性能试验。当达到该材质的技术性能标准才可选用。测杆的尺寸公差及形位需严格控制，轴颈的粗糙度 Ra≤1.6 μm，并作无损探伤。测杆承受的应力应低于弹性极限。

测杆设计如下:

(3)应变最小值

确定测杆直径d=120 mm

允许残余不平衡力矩T=175.62 N·m

应变最小值ε =5.03 με

允许残余不平衡应力T'=2359.74 N·m

应变最小值ε =67.5 με

(4)应力计算

转轮自重引起的应力 σ1=216.8 MPa

配重位置外直径 D外=3.52 m

配重位置内直径 D内=3.51 m

配重的名义半径 R=1.752 m

不平衡质量估计值 M估计=200 kg

偏心应力 σ2=20.3 MPa

总应力 σ=237.0 MPa

(5)选择测杆材料

40Cr σs=784 MPa n=3.31

45号钢 σs=353 MPa n=1.49

35CrMo σs=834 MPa n=3.52

20Cr σs=539 MPa n=2.27

30Cr σs=686 MPa n=2.89

65Mn σs=431 MPa n=1.82

(6)小结

最后确定测杆材料为 35Cr或40Cr

测杆直径为 D=120 mm

加配重的名义半径为 R=1.752 m

1 kg力引起的应变为 ε=0.49 με

计算弯矩时的系数为 N=62.5 r/min

弹性模量系数 3.5638 kg·m

2.2 平衡系统装配工艺

(1)测杆贴应变片。将测杆按图纸要求进行加工后，划十字中心线，然后按线每隔90°贴一个应变片，共4片，高低保持一致，贴好后固定并加以防护。

图1 测杆结构尺寸图(mm)

(2)将支座装到平台上调平，精度不大于0.02 mm/m，压紧支墩后复查精度。将支承装到支座上，检测A、B面的平行度，精度不大于0.02 mm。将水平仪互成90°放置检查B面的平度，其精度不大于0.02 mm/m。如果合格再将支承旋转90°后再检测B面与A面的平行度不大于0.02 mm/m。结合面处0.02 mm塞尺不得通过。见图2。

图2 平衡系统支承部分

(3)将测杆装到支承上，检查装配精度。将定位套筒装到测杆上，用M120螺母把紧，再与D面互成90°放置水平仪检测D面的水平精度，0.03 mm/m为合格。如图3。

图3 测杆装配(mm)

(4)转轮装配。将4个应变片的导线引出，固定在支承上，并标出1、2、3、4四个等分点，根据应变片接线法标出X－Y线。将转轮、叶片装配吊起，对正支承、测杆、定位套筒中心，慢慢落下，落在已放好的方箱和千斤顶上。将支承、测杆、定位套筒装配一起吊起，装到转轮体内，用8－M24 mm螺钉把紧。以已调平的支座中心为圆心，以R=2000 mm为半径划一圆，在此圆的内切圆放4个等高的方箱，并在方箱上放置4个200 t油压千斤顶，这4个油压千斤顶是三峡转轮平衡时用的，可以同步升降，若4个千斤顶不能同步升降，必须调成同步，4个千斤顶同步误差为0.5 mm/1000 mm。将转轮慢慢下落，支承的止口对准支座的止口慢慢落实后用千斤顶和垫铁将转轮体支牢。如图4。

图4 转轮平衡系统装配图(mm)

2.3 平衡原理及电路设计

(1)平衡原理

本试验采用测杆应变法平衡转轮，将转轮安放在一块装有测杆的座板上，测杆固定在支墩顶端。转轮的任何不平衡力矩将传给测杆一弯曲力，通过贴在测杆上的应变片，可以准确地测量上述弯曲力产生的微应变及方向，通过计算就可以找出不平衡所需的重量及位置。

(2)电路设计

试验采用的是电阻丝应变片的测量方法，贴在测杆上的应变片如图5，共有4个应变片J1、J2、J3、J4互成90°，经防护处理后连接到转换箱组成惠斯敏半桥电路如图6，J1和J3组成电路通道1，J2和J4组成电路通道2。通道1为x向，通道2为y向。对于通道1，当在应变仪上显示数字为“+”时，表示J1为拉伸状态，当显示数字为“－”时，表示J3为拉伸状态;对于通道2，当在应变仪上显示数字为“+”时，表示J2为拉伸状态，当显示数字为“－”时，表示J4为拉伸状态。连接好桥路后将转换箱与YJD－27应变仪连接，整个测量系统如图7，利用手动计数的方法在测量中读数。

图5 应变片位置图

图6 惠斯敏半桥电路通道

图7 测量系统

测试所用仪器是YJD－27型应变仪;YZ－22型转换箱;应变片型号是 R=120 Ω，K=2.14;其它辅助材料502胶、凡士林、导线等。

2.4 测杆法平衡试验

按平衡工艺要求，将同步升降系统、测杆、转轮及其他配件装配好后，利用可同步升降的油压千斤顶首先把转轮缓慢升起，使测试系统调零。然后再缓慢下降转轮，在升降过程中必须使升降系统保持同步，以避免由于转轮倾斜撞击测杆。直到千斤顶完全脱离转轮下环平面为止。此时转轮的重量完全作用在测杆上。根据应变仪x、y的读数(x为通道1的读数，y为通道2的读数，计量单位均为微应变με)，计算实际应变值ε'，与+x方向夹角θ，不平衡力矩M及配重P。加配重，逐渐逼近直至达到设计要求的残留不平衡力矩为止。完成配重后，使转轮与测杆脱离，检查测杆的回零性是否正常。

具体配重过程如下，见图7及表1。

(1)第1次试配:落下转轮体，实测得到叶片外缘R2处需配重177 kg，方位角与X轴夹角为－10.95°;升起转轮，测杆回零良好。

(2)第2次配重:重新落下转轮体，实测得到叶片外缘R2处需配重183 kg，方位角与X轴夹角为－7.67°。

(3)在外缘R2方位角－7.67°的叶片外缘加重180 kg，测得 X 轴应变由 520 με 变为－ 140 με，表明配重过大，后减至140 kg，此时应变为 10.3 με，已小于22.45 με 要求。

(4)按叶片外缘R2=5.2 m、140 kg的配重，换算到转轮锥R1=1.72 m上，换算后的配重为420 kg。按此要求实际灌铅。

(5)再次落下转轮体，经测得 ε'=15.6 με，转轮残留不平衡力矩为55.6 kg·m，已达到平衡精度要求。

(6)试验结束后，把转轮顶起使测杆不受力，复测测杆恢复零位证明测杆正常。