轴流转桨式水轮机转矩静平衡试验的改进

轴流转桨式水轮机转矩静平衡试验的改进

静态平衡器测试是机械工程安装中不可或缺的一部分。它过去曾在造船厂进行。随着水电站投产运行时间增加,水轮机转轮检修规模扩大,有的水轮机需要更换转轮叶片,在水电站现场进行转轮试验不可避免。例如,葛洲坝水力发电厂第一台机组于1981年投产,1988年21台机组全部投产发电,至今已运行16～23a,部分水轮机的叶片磨蚀已相当严重,影响到水轮机水力性能。该电厂决定,从1998年冬修开始,利用冬季大修的时间对部分水轮机叶片进行更换。更换水轮机转轮叶片,改变了转轮的静平衡品质。因此,需要在现场对更换叶片后的转轮进行静平衡试验。转轮静平衡试验是一项细致而繁琐的工作,工作量大。如果人工处理静平衡试验数据,计算量大、且在现场复杂恶劣的环境下容易出错;如果采用计算机处理试验数据,并对静平衡试验程序加以控制,不仅能最大限度地减少人工失误,提高静平衡试验的精度,缩短转轮静平衡试验周期,而且能够处理人工方法难以解决且费时的问题,提高水轮机检修维护的可靠性,为水轮机安全运行提供了条件。作者结合水电厂实际条件,为轴流转桨式转轮在现场静平衡试验研发了静平衡试验计算机辅助处理(GRB-CAP)软件系统。1静平衡试验的基本原则、计算方法1.1平衡体端面倾斜角度的修正试验原理如图1所示,图中,①为平衡球,②为平衡垫板,W点为平衡物重心,O点为平衡球球心,其他字母代表的物理意义见表1(以下若没有特别说明,则相同的字母代表相同的意义)。依据文献,设平衡物端面是水平的,如图1(a)所示,由此推导出静平衡方程:PR=Ga+Gμ(1)以式(1)为基础,可推导静平衡的一系列计算公式。作出这种假设原因有三:一是灵敏度校验时,在平衡物体上加了重物,认为平衡物端面大致水平;二是不平衡的程度级较小;三是对灵敏度的校验可以在后续试验中随时进行。这样处理,还有一问题未考虑,即轮毂组合体的重心不在回转轴线上。一般情况下,转轮轮毂体重心不在转轮的回转轴线上,见图1(b)。因此,若考虑平衡体端面倾斜角度的影响,则有静平衡方程:PR=Ghtan(α-β)+Gμ(2)式中,P为配重重量;R为配重处半径;β为平衡体端面倾斜角。由于α、β较小,式(2)可整理为PR=Gh(α-β)+Gμ(3)其中,α、β可以由水平仪的读数推导出来。设水平仪读数为δx、δy,则β=0.001√δx2+δy2β=0.001δx2+δy2−−−−−−−−√(求α时只需将加重为0时水平仪读数代入此式)。设按规程给定方法预配重两次仍未获得平衡,两次配重分别为Pi、Pj,平衡体的倾斜角分别为βi、βj,代入式中,得联立方程组并解之得: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)都是两项之和,且等价。从等式的物理意义看,第二项显然是对第一项的修正。式(4)可以验证灵敏度。理论上只需试配重两次就可得到精确的配重量,但由于种种原因,如灵敏度问题等,配重不能满足要求。那么一方面可以按式(4)或按文献的方法校验灵敏度;另一方面按式(5)～(7)给出的配重方式配重。若此时平衡度满足要求,配重就可结束;否则将配重后的结果(Pk、βk)作为第三次试配重。这样就得到三次试配重结果,两两联立解方程组,得到三个配重力矩,然后求均值。1.2转动东南角的叶片排序叶片选配的目的是使转轮体、叶片、连接体整体的不平衡力矩最小,从而试验的配重力矩最小。设转轮叶片数为Z,转轮在未加叶片的粗平衡时,平衡体对转动中心线的力矩分别为Mx、My,各叶片重心到转动中心线的距离均为b。以5叶片的转轮为例,假定叶片排序如图2所示。此时平衡体整体对转动中心线的力矩为: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}分别代表在各个方向上放置叶片的重量。Z个叶片安放在不同的方位上,若Z=5,就有5!种排列,有5!个对应的合力矩值,其中最小的合力矩Mmin=min{Mi|i=1,2,…,5!}所对应的叶片安放顺序就是所求的叶片最优选配方案。2grb-cap试验算法在GRB-CAP系统的开发过程中严格遵循了有关给定的试验规范和原理,同时参照式(5)～(7)的改进方法,系统框图见图3。作为一个比较完善的辅助软件系统,不仅要考虑静平衡试验本身的特点,还要考虑现场试验的特点。静平衡试验本身的特点体现在其原理上,现场试验的特点则表现在:方位判断是否准确、试验周期的限制要求、对操作规范的严格要求、现场试验复杂环境的影响等。针对这些特点,GRB-CAP作以下处理。①完善的错误处理及安全保障措施:包括输入错误(非法字符等,比如10.23r)、数量级错误、单位提醒、数据删除确认、保存提示、退出确认等。②考虑到理论坐标的建立和现场坐标的确定可能存在差别,用户可以选择默认的坐标系和自定义坐标系,增加人工干预的灵活性。③提供试验进度显示功能单元,并对试验中出现的几种情况加以区别,如表2所示。同时提供数据保存和自动恢复机制。④考虑到加重位置不准和重复次数多,GRB-CAP在算法上做了处理,可由前面的配重情况提供更精确的配重方式,包括配重大小、配重方位。另外也保留了原来的计算方法,以作对比分析。⑤将规范揉合到试验系统中,每一试验的关键步骤都采取核对(如打√予以确认)的方式。如果跳过关键步或者忘记核对,GRB-CAP系统就会给出提醒,并禁止进行下一步试验程序。⑥考虑了葛洲坝水电厂有不同型号的转轮,试验人员可针对试验对象选择4叶片或5叶片的情况。⑦具备软件在线帮助和试验报告自动打印功能。系统采用Java语言编写,人机界面友好,操作方便,其具体实现不再赘述。3试验数据分析在水电厂现场进行转轮静平衡试验,采用水轮机转轮静平衡计算机辅助软件,可减少人为失误以及由此造成的试验过程反复次数,提供安全