轴流转桨式水轮机转轮静平衡试验规程

DL/TXXX—2020II轴流转桨式水轮机转轮静平衡试验规程1范围本文件规定了轴流转桨式水轮机转轮静平衡的试验方法以及相应的检验方法。本文件适用于轴流转桨式水轮机转轮静平衡试验。2规范性引用文件下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文件，仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。GB/T6444机械振动平衡词汇GB/T9239.1机械振动恒态（刚性）转子平衡品质要求第1部分：规范与平衡允差的检验GB/T9239.2机械振动恒态（刚性）转子平衡品质要求第2部分：平衡误差JB/T6752中小型水轮机转轮静平衡试验规程3术语和定义GB/T6444中界定的术语适用于本文件。为了使用方便，以下重复列出了其中的主要相关术语和定义。3.1转子rotor机组的转动部分总称。3.2质心centreofmass与物体相关的具有如下性质的点：假设将质量等于一个给定材料系统质量的质点放在这个点上，其对任意平面的一次阶矩等于该材料系统相应的一次阶矩。3.3不平衡质量unbalancemass质量中心偏离轴线的质量。3.4不平衡量amountofunbalance不平衡质量与其质心到轴线距离（半径）的乘积。3.5剩余不平衡residualunbalance平衡后转子上剩余的任何形式的不平衡量。3.6不平衡度specificunbalance转子单位质量的静不平衡量。3.7平衡品质等级balancequalitygrade不平衡度与转子最大工作角速度的乘积作为分级的量值。4转轮静平衡方法4.1钢球镜板法4.1.1钢球镜板法静平衡，是以钢球、镜板接触点为支点，将转轮的不平衡量和偏心方位转化为系统的倾斜，并通过倾斜度和倾斜角计算出配重的质量和位置，一般适用于200t以下转轮静平衡。4.1.2平衡球、平衡垫板宜选用锻钢材质，其表面硬度、表面粗糙度等应符合JB/T6752中对应要求。4.2三支点称重法三支点称重法静平衡，是将转轮放置在由三个呈圆周均布的压力传感器组成的支撑平面上，并和压力传感器分布圆同心。根据三个压力传感器测量出的质量数据，计算出转轮的不平衡量和偏心方位。4.3应力棒法应力棒法静平衡，是根据应力棒稳定的基本原理，通过测量应力棒内应力的变化，确定转轮的不平衡量和偏心方位。5静平衡试验5.1试验一般要求5.1.1轴流转桨式水轮机转轮在制造厂内初次装配、检修更换叶片或出现其他影响转轮质量不平衡的情况时须进行静平衡试验。静平衡试验一般可分为初平衡、叶片选配、总平衡三个步骤。5.1.2初平衡是针对转轮体和连接体形成的组合体（称为初平衡组合体）进行的静平衡试验，其作用是检查初平衡组合体的不平衡量和偏心方位。5.1.3叶片选配是以总平衡时的配重质量最小为目标，根据初平衡组合体的不平衡量、偏心方位，综合考虑各叶片的质量偏差，确定各叶片的最优安装位置。5.1.4总平衡是针对转轮体、连接体及叶片形成的组合体（称为总平衡组合体）进行的静平衡试验，通过平衡配重使剩余不平衡量满足许用不平衡量的要求。许用不平衡量可按照公式（1）进行计算或遵照合同要求。 （1）式中：——许用剩余不平衡量，单位：kg·m；eper——许用剩余不平衡度，单位：kg·m；——所选用的平衡品质级别的数值，单位：mm/s，根据GB/T9239.1-2006，水轮机选用的平衡品质级别为G6.3，对应数值为6.3mm/s；——被测转轮质量的数值，单位：kg；——转轮最高工作转速（飞逸转速）时的角速度，单位：rad/s，≈,其中为飞逸转速，单位：r/min。5.2试验准备及注意事项5.2.1静平衡试验需具备条件进行静平衡试验前，应具备以下条件：转轮体处于倒置状态；叶片处于倒置状态；静平衡试验装置及辅助工具准备完毕；转轮同步顶升装置检查合格；试验相关的仪器仪表、计量器具及压力传感器检定合格。5.2.2静平衡试验注意事项静平衡试验应特别注意以下事项：静平衡试验应在专用工位进行；全试验过程中，须做好防止转轮倾覆的措施；装配静平衡工具以及试验过程中，转轮的起吊应缓慢，严禁冲击；作业区应宽敞、安静，无振动、风力等外力干扰。5.3钢球镜板法5.3.1试验装置5.3.1.1钢球镜板法静平衡试验装置主要由平衡螺杆、螺套、平衡球、平衡垫板、平衡底板、底座等组成，见图1。1.平衡螺杆2.螺套3.平衡球4.平衡垫板5.平衡底板6.平衡托架7.底座8.连接体9.叶片10.转轮体11.水平板12.同步顶升装置图1钢球镜板法静平衡试验装置示意图5.3.1.2试验平台和平衡装置底座的水平度应不大于0.02mm/m。5.3.1.3平衡垫板应无裂纹、凹坑等缺陷，在待平衡转轮的重力作用下，平衡垫板的水平度应不大于0.02mm/m。5.3.1.4在平衡托架安装过程中，应注意不要碰伤轴瓦。5.3.2初平衡5.3.2.1稳定性检查稳定性检查步骤如下：将装上平衡工具的初平衡组合体吊放在同步顶升装置上，并使平衡球与平衡垫板保持一定距离；在对称180°方向安装2个水平板。安装时组合面应清扫干净，使水平板能够真实反映初平衡组合体的水平；缓慢下旋平衡螺杆，使平衡球与平衡垫板接触。缓慢降低同步顶升装置，观察初平衡组合体在平衡球的支撑下是否处于稳定状态；若初平衡组合体有向任一方向倾倒的趋势（即处于不平衡状态）时，则需用同步顶升装置将初平衡组合体顶起，调整平衡螺杆高度或平衡垫板厚度，然后重复上述步骤，直至初平衡组合体在平衡球的支撑下处于稳定状态为止；注：稳定状态验证：在初平衡组合体外缘任意位置放置一重物，该处可以下降，当重物拆除后又能回升，此时初平衡组合体处于稳定平衡状态。5.3.2.2平衡装置灵敏度检查调整在初平衡组合体处于稳定状态后，即可以进行静平衡装置的灵敏度检查。静平衡装置的灵敏度可用初平衡组合体的质心与平衡球中心之间的距离来表示，见图2，可按照公式（2）进行计算图2灵敏度检查受力分析示意图 (2)式中：h——初平衡组合体的质心与平衡球中心距离的计算值，单位：mm；P——初平衡组合体所加试重块的质量，单位：kg；H——初平衡组合体加试重块位置的下沉量，单位：mm；R——下沉量的测点与转轮旋转轴线的距离（半径），单位：mm；μ——滚动摩擦系数，单位：mm。对钢与钢，一般为0.01～0.02mm；M——初平衡组合体的质量，单位：kg。调整初平衡组合体的质心与平衡球中心的距离h，使之符合转轮制造厂家的静平衡技术要求，具体方法如下：将质量不同的试重块、、（单位：kg），分别放置在初平衡组合体的同一位置上；用百分表分别测出放置试重块后，加试重块位置的下沉量、、（单位：mm）；将、和、分别带入公式（2），可计算出初平衡组合体的质心与平衡球中心的距离h，及平衡球与平衡垫板间的滚动摩擦系数μ。 （3） （4）用和对公式（3）（4）的计算结果进行校核。若h符合要求，则认为静平衡装置的灵敏度合格。若h不符合要求，重新调节平衡螺杆的高度，或平衡垫板的厚度，重复完成上述步骤，直至静平衡装置的灵敏度合乎要求为止。静平衡装置的灵敏度调整合格后，须对平衡螺杆采取防松措施。5.3.2.3剩余不平衡量计算在初平衡组合体处于平衡球和平衡垫板支撑的自由状态时，将水平仪架设在水平板上，测量X、Y方向的倾斜度，分别为、（单位：mm/m）。计算初平衡组合体剩余倾斜度δ和倾斜方位，计算方法如下： （5） （6）计算剩余不平衡量： （7）公式（5）（6）（7）中：——初平衡组合体的剩余不平衡量，单位：kg·m；——初平衡组合体的剩余倾斜度，单位：mm/m；M——初平衡组合体的质量，单位：kg；h——初平衡组合体的质心与平衡球中心的距离，采用公式（3）计算值，单位：mm；——倾斜方位与+X轴的夹角，单位：rad。5.3.2.4平衡配重若≤，则初平衡合格，否则应进行配重检查。平衡配重质量按以下公式计算： （8）式中：P——计算配重质量，单位：kg；M——初平衡组合体的质量，单位：kg；δ——初平衡组合体的剩余倾斜度，单位：mm/m；μ——平衡球与平衡垫板间的滚动摩擦系数，采用公式（4）计算值，单位：mm；R——所加配重的质心与转轮旋转轴线的距离，单位：mm；h——初平衡组合体的中心与平衡球中心的距离，采用公式（3）计算值，单位：mm。根据上述计算结果，在初平衡组合体轻的一侧放置配重块，用水平仪测量倾斜度δ，并根据公式（7）计算剩余不平衡量。若≤，则初平衡合格，否则需进行重新配重。测量记录合格后附加配重的质量、半径和方位。5.3.3叶片选配5.3.3.1叶片质量和质心位置应在叶片出厂前进行测定并有记录。5.3.3.2初平衡组合体不平衡量按初平衡时的合格配重量计算，为，位于合格配重的对称位置。将其分解到X、Y方向，分别记为和。5.3.3.3叶片选配计算。在不同的叶片位置组合下，分别对X轴和Y轴求矩，见图3，使得计算不平衡量最小，计算不平衡量的大小和方位。图3叶片选配计算示意图计算不平衡量的大小和方位可按以下公式进行计算： （9） （10）公式（9）（10）中：——计算不平衡量，单位：kg·m；——某一叶片质量，单位：kg；——某一叶片质心的X坐标，单位：m；——某一叶片质心的Y坐标，单位：m；——初平衡组合体不平衡量的X轴分量，单位：kg·m；——初平衡组合体不平衡量的Y轴分量，单位：kg·m；——计算不平衡量与+X轴的夹角，单位：rad。计算不平衡量最小时的叶片位置，即为叶片选配的建议位置。5.3.4总平衡5.3.4.1初平衡完成后，拆除连接体，将转轮体吊起检查平衡球和垫板是否有裂纹或凹坑，若有则须及时进行更换处理。5.3.4.2将转轮体放置在专用工位，按照选配好的叶片编号吊装叶片（叶片在倒置状态），用工具螺杆通过连接板将叶片把紧在转轮体上，叶片的安装角度应相同，一般在全关位置。5.3.4.3安装连接体后，按照初平衡的方法再次进行静平衡试验。5.3.4.4总平衡合格后,记录所加配重块的质量、半径和方位。并将此结果按力矩相等的原理折算至连接体或转轮体的配重块安装位置。5.3.4.5配重块安装完毕后,进行平衡试验复核。若，则总平衡合格，否则应再次配重，直至符合要求。最终配重质量、半径和方位分别记为、、。5.4三支点称重法5.4.1试验装置5.4.1.1三支点称重法静平衡试验装置主要由平衡盘、压力传感器、平衡底座等组成，见图4。1.连接体2.转轮体3.叶片4.平衡盘5.压力压力传感器6.平衡底座7.同步顶升装置图4三支点称重法静平衡试验装置示意图5.4.1.2用平衡盘及其专用固定工具将三个称重式压力传感器均布固定在转轮上，以确保试验过程中压力传感器与转轮的相对位置不变。5.4.1.3三个压力传感器的分布圆与转轮的同心是通过平衡盘与转轮的配合精度来保证的。5.4.1.4试验平台和平衡底座的水平度应不大于0.02mm/m。5.4.1.5压力传感器选型应满足试验精度要求。5.4.2初平衡5.4.2.1同步顶升装置、压力传感器、平衡底座等平衡工具全部安装到位后，方可开始静平衡试验。5.4.2.2在初平衡组合体上的三个压力传感器位置分别编号为A、B、C，在各编号对面180°位置分别编号为、、，见图5。图5压力传感器编号示意图5.4.2.3试验开始前，初平衡组合体完全由同步顶升装置支撑时，应将三个压力传感器的读数置零。5.4.2.4用同步顶升装置和三个压力压力传感器交替支撑初平衡组合体，当初平衡组合体完全由压力传感器承担时，三个压力传感器的质量数据之和即为初平衡组合体的质量。反复用压力传感器支撑初平衡组合体3次，记录3组质量数据，分别计算A、B、C位置压力传感器数据的平均值，记为、、（单位：kg）。压力传感器处于非受力状态时，静压零位变化不得大于基本误差限绝对值。5.4.2.5用同步顶升装置承载初平衡组合体，将3组压力传感器对调180°，即A、B、C位置的压力传感器分别安装至、、位置。5.4.2.6重复5.4.2.4过程，并记录3组质量数据，分别计算、、位置压力传感器数据的平均值，记为、、（单位：kg）。5.4.2.7剩余不平衡量计算压力传感器在A、B、C位置时： （11） （12）压力传感器在、、位置时： （13） （14）公式（11）～（14）中：——X方向不平衡质量，单位：kg；——Y方向不平衡质量，单位：kg。根据公式（11）（12）可以计算出压力传感器在A、B、C位置进行试验时X和Y方向的不平衡质量。根据公式（13）（14）可以计算出压力传感器在、、位置进行试验时X和Y方向的不平衡质量。将两次试验的X和Y方向不平衡质量分别求平均值，记录为和。计算初平衡组合体的剩余不平衡量和方位： （15） （16） 公式（15）（16）中：——剩余不平衡量，单位：kg·m；——压力传感器分布圆半径，单位：m；——剩余不平衡量方位与+X轴的夹角，单位：rad。5.4.2.8平衡配重步骤若，则初平衡合格，否则需进行配重。计算配重质量： （17）式中：——计算配重质量，单位：kg；——所加配重的质心与转轮旋转轴线的距离，单位：m。根据上述计算结果，在初平衡组合体轻的一侧放置配重块，重复上述步骤，并计算剩余不平衡量。若，则初平衡合格，否则需进行重新配重。测量记录合格后附加配重的质量、半径和方位。5.4.3叶片选配同5.3.3。5.4.4总平衡5.4.4.1初平衡完成后，按照选配好的叶片编号吊装叶片（叶片在倒置状态），用工具螺杆通过连接板将叶片把紧在转轮体上，叶片的安装角度应相同，一般在全关位置。5.4.4.2按照初平衡的方法再次进行静平衡试验。5.4.4.3总平衡合格后,记录所加配重块的质量、半径和方位。并将此结果按力矩相等的原理折算至连接体或转轮体的配重块安装位置。5.4.4.4配重块安装完毕后,进行平衡试验复核。若，则总平衡合格，否则应再次配重，直至符合要求。最终配重质量、半径和方位分别记为、、。5.5应力棒法5.5.1试验装置5.5.1.1应力棒法静平衡试验装置主要由平衡托板、应力棒、应变片、平衡底座等组成，见图6。1.连接体2.转轮体3.叶片4.平衡托板5.应变片6.应力棒7.平衡底座8.同步顶升装置图6应力棒法静平衡试验装置示意图5.5.1.2转轮的任何不平衡量将传给应力棒一弯曲应力，通过贴在应力棒上的应变片，由应变仪可以准确测量上述应力的数值和方向,从而计算出转轮的不平衡量及方位。5.5.1.3应力棒的材料一般采用锻钢40CrNiMoA或34CrNiMo，并经过调质处理。在应力棒的制造过程中，须测定其实际弹性模量E值。5.5.1.4不同质量转轮的推荐应力棒直径及应力范围，见表1。表1不同质量转轮推荐应力棒直径及应力范围转轮质量（kg）应力棒直径（mm）承受应力范围（MPa）0～3000051mm0～145.0530000～6500076mm65.78～142.5365000～130000102mm80.17～160.35130000～250000140mm84.81～163.10250000～500000178mm100.69～201.38500000～190mm175.42～5.5.1.5应力棒与转轮的同轴度是通过平衡托板与转轮的配合精度来保证的。5.5.1.6试验平台和平衡底座的水平度应不大于0.02mm/m。5.5.1.7应变仪及应变片选型应满足试验精度要求。5.5.2初平衡5.5.2.1同步顶升装置、平衡底座、应力棒等平衡工具全部安装到位后，方可开始静平衡试验。5.5.2.2在应力棒同一横截面对称方向贴4个相同的应变片，见图7。图7应变片布置示意图（俯视）5.5.2.3采用半桥接法进行测量，应变片、连成一个惠斯登电桥（见图8），应变片、连成一个惠斯登电桥，并分别接入应变仪的输入端。应变片、通过应变仪测量的应变记为，应变片、通过应变仪测量的应变记为。图8惠斯登电桥原理图5.5.2.4试验开始前，初平衡组合体完全由同步顶升装置支撑时，应将应变仪的读数置零。5.5.2.5用同步顶升装置缓慢落下初平衡组合体，直至完全由应力棒进行支撑。检查稳定状态时初平衡组合体的水平度≤0.05mm/m。记录稳定状态下的和。再次用同步顶升装置将初平衡组合体顶起，使应力棒不受力，应变仪读数应回零。5.5.2.6重复5.5.2.5过程3次，记录3组数据，并分别求得平均值为和。5.5.2.7根据公式（18）（19），计算剩余不平衡量及方位。 （18）式中：——剩余不平衡量，单位：kg·m；λ——惠斯登电桥结构补偿系数，λ=0.5；E——应力棒的弹性模量，单位：MPa；R——应力棒半径，单位：mm；g——重力加速度，单位：N/kg。剩余不平衡量方位计算： （19）式中：——剩余不平衡量方位与+X轴的夹角，单位：rad。5.5.2.8平衡配重步骤若，则初平衡合格，否则需进行配重。按照公式（17）计算配重质量，在初平衡组合体轻的一侧放置配重块，重复上述步骤，并计算剩余不平衡量。若，则初平衡合格，否则需进行重新配重。测量记录合格后附加配重的质量、半径和方位。 5.5.3叶片选配同5.3.3。5.5.4总平衡5.5.4.1初平衡完成后，按照选配好的叶片编号吊装叶片（叶片在倒置状态），用工具螺杆通过连接板将叶片把紧在转轮体上，叶片的安装角度应相同，一般在全关位置。5.5.4.2按照初平衡的方法再次进行静平衡试验。5.5.4.3总平衡合格后,记录所加配重块的质量、半径和方位。并将此结果按力矩相等的原理折算至连接体或转轮体的配重块安装位置。5.5.4.4配重块安装完毕后,进行平衡试验复核。若，则总平衡合格，否则应再次配重，直至符合要求。最终配重质量、半径和方位分别记为、、。

附录A

（资料性）

参考记录表格钢球镜板法静平衡试验表A.1.1钢球镜板法初平衡试验记录电站名称设备编码灵敏度检查调整：试重块质量加试重块位置的下沉量初平衡组合体质量：M=kg标准=kg=mm下沉量测点半径：R=mmh范围为：=kg=mm质心与球心距离：h=mm=kg=mm滚动摩擦系数：μ=mm平衡配重：实际配重的质量和方位配重合格后的倾斜度和剩余不平衡量标准实际配重质量：=kgX方向倾斜度：=mm/m倾斜度：=mm/m若≤则合格，否则需进行配重。=kg·m实际配重半径：=mmY方向倾斜度：=mm/m倾斜方位：=rad实际配重方位：=rad剩余不平衡量：=kg·m剩余不平衡量方位：=rad测量人：记录人：时间：验收结论及备注（异常情况说明及验收意见）□合格□不合格一级验收二级验收三级验收

表A.1.2叶片选配记录电站名称设备编码叶片选配最小计算不平衡量及其方位：=kg·m=rad叶片选配建议安装位置：安装位置12345叶片编号叶片质量（kg）测量人：记录人：时间：验收结论及备注（异常情况说明及验收意见）□合格□不合格一级验收二级验收三级验收

表A.1.3钢球镜板法总平衡试验记录电站名称设备编码灵敏度检查调整：试重块质量加试重块位置的下沉量总平衡组合体质量：M=kg标准=kg=mm下沉量测点半径：R=mmh范围为：=kg=mm质心与球心距离：h=mm=kg=mm滚动摩擦系数：μ=mm平衡配重：最终配重质量和方位最终配重合格后的倾斜度和剩余不平衡量标准最终配重质量：=kgX方向倾斜度：=mm/m倾斜度：=mm/m若≤则合格，否则需进行配重。=kg·m最终配重半径：=mmY方向倾斜度：=mm/m倾斜方位：=rad最终配重方位：=rad剩余不平衡量：=kg·m剩余不平衡量方位：=rad测量人：记录人：时间：验收结论及备注（异常情况说明及验收意见）□合格□不合格一级验收二级验收三级验收

三支点称重法静平衡试验表A.2.1三支点称重法初平衡试验记录电站名称设备编码第一次试验压力传感器123平均X轴（kg）Y轴（kg）A（kg）=kg=kgB（kg）C（kg）压力传感器对调180°后试验（kg）=kg=kg（kg）（kg）两次试验平均值=kg=kg剩余不平衡量U=kg·m=rad实际配重的质量和方位=kg=mm=rad标准：若≤则合格，否则需进行配重。=kg·m压力传感器布置示意图：测量人：记录人：时间：验收结论及备注（异常情况说明及验收意见）□合格□不合格一级验收二级验收三级验收表A.2.2三支点称重法总平衡试验记录电站名称设备编码第一次试验压力传感器123平均X轴（kg）Y轴（kg）A（kg）=kg=kgB（kg）C（kg）压力传感器对调180°后试验（kg）=kg=kg（kg）（kg）两次试验平均值=kg=kg剩余不平衡量U=kg·m=rad最终配重的质量和方位=kg=mm=rad标准：若≤则合格，否则需进行配重。=kg·m压力传感器布置示意图：测量人：记录人：时间：验收结论及备注（异常情况说明及验收意见）□合格□不合格一级验收二级验收三级验收应力棒法静平衡试验表A.3.1应力棒法初平衡试验记录电站名称设备编码应变123平均=；=；弹性模量E=MPa应力棒半径R=mm惠斯登电桥结构补偿系数λ=0.5重力加速度g=9.8N/kg剩余不平衡量：=kg·m剩