軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)轉(zhuǎn)矩靜平衡試驗(yàn)的改進(jìn)

靜態(tài)平衡器測(cè)試是機(jī)械工程安裝中不可或缺的一部分。它過(guò)去曾在造船廠進(jìn)行。隨著水電站投產(chǎn)運(yùn)行時(shí)間增加,水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪檢修規(guī)模擴(kuò)大,有的水輪機(jī)需要更換轉(zhuǎn)輪葉片,在水電站現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行轉(zhuǎn)輪試驗(yàn)不可避免。例如,葛洲壩水力發(fā)電廠第一臺(tái)機(jī)組于1981年投產(chǎn),1988年21臺(tái)機(jī)組全部投產(chǎn)發(fā)電,至今已運(yùn)行16～23a,部分水輪機(jī)的葉片磨蝕已相當(dāng)嚴(yán)重,影響到水輪機(jī)水力性能。該電廠決定,從1998年冬修開始,利用冬季大修的時(shí)間對(duì)部分水輪機(jī)葉片進(jìn)行更換。更換水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片,改變了轉(zhuǎn)輪的靜平衡品質(zhì)。因此,需要在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)更換葉片后的轉(zhuǎn)輪進(jìn)行靜平衡試驗(yàn)。轉(zhuǎn)輪靜平衡試驗(yàn)是一項(xiàng)細(xì)致而繁瑣的工作,工作量大。如果人工處理靜平衡試驗(yàn)數(shù)據(jù),計(jì)算量大、且在現(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜惡劣的環(huán)境下容易出錯(cuò);如果采用計(jì)算機(jī)處理試驗(yàn)數(shù)據(jù),并對(duì)靜平衡試驗(yàn)程序加以控制,不僅能最大限度地減少人工失誤,提高靜平衡試驗(yàn)的精度,縮短轉(zhuǎn)輪靜平衡試驗(yàn)周期,而且能夠處理人工方法難以解決且費(fèi)時(shí)的問題,提高水輪機(jī)檢修維護(hù)的可靠性,為水輪機(jī)安全運(yùn)行提供了條件。作者結(jié)合水電廠實(shí)際條件,為軸流轉(zhuǎn)槳式轉(zhuǎn)輪在現(xiàn)場(chǎng)靜平衡試驗(yàn)研發(fā)了靜平衡試驗(yàn)計(jì)算機(jī)輔助處理(GRB-CAP)軟件系統(tǒng)。1靜平衡試驗(yàn)的基本原則、計(jì)算方法1.1平衡體端面傾斜角度的修正試驗(yàn)原理如圖1所示,圖中,①為平衡球,②為平衡墊板,W點(diǎn)為平衡物重心,O點(diǎn)為平衡球球心,其他字母代表的物理意義見表1(以下若沒有特別說(shuō)明,則相同的字母代表相同的意義)。依據(jù)文獻(xiàn),設(shè)平衡物端面是水平的,如圖1(a)所示,由此推導(dǎo)出靜平衡方程:PR=Ga+Gμ(1)以式(1)為基礎(chǔ),可推導(dǎo)靜平衡的一系列計(jì)算公式。作出這種假設(shè)原因有三:一是靈敏度校驗(yàn)時(shí),在平衡物體上加了重物,認(rèn)為平衡物端面大致水平;二是不平衡的程度級(jí)較小;三是對(duì)靈敏度的校驗(yàn)可以在后續(xù)試驗(yàn)中隨時(shí)進(jìn)行。這樣處理,還有一問題未考慮,即輪轂組合體的重心不在回轉(zhuǎn)軸線上。一般情況下,轉(zhuǎn)輪輪轂體重心不在轉(zhuǎn)輪的回轉(zhuǎn)軸線上,見圖1(b)。因此,若考慮平衡體端面傾斜角度的影響,則有靜平衡方程:PR=Ghtan(α-β)+Gμ(2)式中,P為配重重量;R為配重處半徑;β為平衡體端面傾斜角。由于α、β較小,式(2)可整理為PR=Gh(α-β)+Gμ(3)其中,α、β可以由水平儀的讀數(shù)推導(dǎo)出來(lái)。設(shè)水平儀讀數(shù)為δx、δy,則β=0.001√δx2+δy2β=0.001δx2+δy2????????√(求α?xí)r只需將加重為0時(shí)水平儀讀數(shù)代入此式)。設(shè)按規(guī)程給定方法預(yù)配重兩次仍未獲得平衡,兩次配重分別為Pi、Pj,平衡體的傾斜角分別為βi、βj,代入式中,得聯(lián)立方程組并解之得:h=(Ρi-Ρj)R(βi-βj)Gh=(Pi?Pj)R(βi?βj)G(4)配重力矩Μ=ΡiR+βiβi-βj(Ρj-Ρi)RM=PiR+βiβi?βj(Pj?Pi)R(5)Μ=ΡjR+βjβi-βj(Ρj-Ρi)RM=PjR+βjβi?βj(Pj?Pi)R(6)Μ=12(Ρj+Ρi)R+12βi+βjβi-βj(Ρj-Ρi)R(7)式(5)～(7)都是兩項(xiàng)之和,且等價(jià)。從等式的物理意義看,第二項(xiàng)顯然是對(duì)第一項(xiàng)的修正。式(4)可以驗(yàn)證靈敏度。理論上只需試配重兩次就可得到精確的配重量,但由于種種原因,如靈敏度問題等,配重不能滿足要求。那么一方面可以按式(4)或按文獻(xiàn)的方法校驗(yàn)靈敏度;另一方面按式(5)～(7)給出的配重方式配重。若此時(shí)平衡度滿足要求,配重就可結(jié)束;否則將配重后的結(jié)果(Pk、βk)作為第三次試配重。這樣就得到三次試配重結(jié)果,兩兩聯(lián)立解方程組,得到三個(gè)配重力矩,然后求均值。1.2轉(zhuǎn)動(dòng)?xùn)|南角的葉片排序葉片選配的目的是使轉(zhuǎn)輪體、葉片、連接體整體的不平衡力矩最小,從而試驗(yàn)的配重力矩最小。設(shè)轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)為Z,轉(zhuǎn)輪在未加葉片的粗平衡時(shí),平衡體對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)中心線的力矩分別為Mx、My,各葉片重心到轉(zhuǎn)動(dòng)中心線的距離均為b。以5葉片的轉(zhuǎn)輪為例,假定葉片排序如圖2所示。此時(shí)平衡體整體對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)中心線的力矩為:Μx(i)=Μx+bΖ∑j=1Wjsin[(j-1)360°/Ζ]Μy(i)=Μx+bΖ∑j=1Wjcos[(j-1)360°/Ζ]Μi=√Μx(i)2+Μy(i)2(i=1,2,?,Ζ!)式中,{Wj|j=1,2,…,Z}分別代表在各個(gè)方向上放置葉片的重量。Z個(gè)葉片安放在不同的方位上,若Z=5,就有5!種排列,有5!個(gè)對(duì)應(yīng)的合力矩值,其中最小的合力矩Mmin=min{Mi|i=1,2,…,5!}所對(duì)應(yīng)的葉片安放順序就是所求的葉片最優(yōu)選配方案。2grb-cap試驗(yàn)算法在GRB-CAP系統(tǒng)的開發(fā)過(guò)程中嚴(yán)格遵循了有關(guān)給定的試驗(yàn)規(guī)范和原理,同時(shí)參照式(5)～(7)的改進(jìn)方法,系統(tǒng)框圖見圖3。作為一個(gè)比較完善的輔助軟件系統(tǒng),不僅要考慮靜平衡試驗(yàn)本身的特點(diǎn),還要考慮現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的特點(diǎn)。靜平衡試驗(yàn)本身的特點(diǎn)體現(xiàn)在其原理上,現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的特點(diǎn)則表現(xiàn)在:方位判斷是否準(zhǔn)確、試驗(yàn)周期的限制要求、對(duì)操作規(guī)范的嚴(yán)格要求、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)復(fù)雜環(huán)境的影響等。針對(duì)這些特點(diǎn),GRB-CAP作以下處理。①完善的錯(cuò)誤處理及安全保障措施:包括輸入錯(cuò)誤(非法字符等,比如10.23r)、數(shù)量級(jí)錯(cuò)誤、單位提醒、數(shù)據(jù)刪除確認(rèn)、保存提示、退出確認(rèn)等。②考慮到理論坐標(biāo)的建立和現(xiàn)場(chǎng)坐標(biāo)的確定可能存在差別,用戶可以選擇默認(rèn)的坐標(biāo)系和自定義坐標(biāo)系,增加人工干預(yù)的靈活性。③提供試驗(yàn)進(jìn)度顯示功能單元,并對(duì)試驗(yàn)中出現(xiàn)的幾種情況加以區(qū)別,如表2所示。同時(shí)提供數(shù)據(jù)保存和自動(dòng)恢復(fù)機(jī)制。④考慮到加重位置不準(zhǔn)和重復(fù)次數(shù)多,GRB-CAP在算法上做了處理,可由前面的配重情況提供更精確的配重方式,包括配重大小、配重方位。另外也保留了原來(lái)的計(jì)算方法,以作對(duì)比分析。⑤將規(guī)范揉合到試驗(yàn)系統(tǒng)中,每一試驗(yàn)的關(guān)鍵步驟都采取核對(duì)(如打√予以確認(rèn))的方式。如果跳過(guò)關(guān)鍵步或者忘記核對(duì),GRB-CAP系統(tǒng)就會(huì)給出提醒,并禁止進(jìn)行下一步試驗(yàn)程序。⑥考慮了葛洲壩水電廠有不同型號(hào)的轉(zhuǎn)輪,試驗(yàn)人員可針對(duì)試驗(yàn)對(duì)象選擇4葉片或5葉片的情況。⑦具備軟件在線幫助和試驗(yàn)報(bào)告自動(dòng)打印功能。系統(tǒng)采用Java語(yǔ)言編寫,人機(jī)界面友好,操作方便,其具體實(shí)現(xiàn)不再贅述。3試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析在水電廠現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行轉(zhuǎn)輪靜平衡試驗(yàn),采用水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪靜平衡計(jì)算機(jī)輔助軟件,可減少人為失誤以及由此造成的試驗(yàn)過(guò)程反復(fù)次數(shù),提供安全