馬 強

（東芝水電設(shè)備有限公司制造技術(shù)部，杭州 311504）

轉(zhuǎn)輪作為水輪機的核心轉(zhuǎn)動部件，其靜平衡質(zhì)量是影響水輪機運行平穩(wěn)性的重要因素之一。因此，在轉(zhuǎn)輪制造完成后，進行靜平衡試驗并消除有害的不平衡重量就顯的尤為重要。

隨著轉(zhuǎn)輪外形尺寸的增大，重量的增加，傳統(tǒng)的剛性球頭點接觸式平衡技術(shù)受其結(jié)構(gòu)的限制，已不能滿足當(dāng)今大型以及巨型轉(zhuǎn)輪的靜平衡要求。為滿足大型以及巨型轉(zhuǎn)輪的靜平衡要求，本文介紹一種采用球面靜壓軸承方式進行轉(zhuǎn)輪靜平衡試驗的原理及方法。

1 試驗原理

混流機轉(zhuǎn)輪是采用高壓油頂起球面靜壓軸承的方式進行靜平衡試驗，再加配重塊的方式達到轉(zhuǎn)輪的靜平衡。測量裝置如圖1所示，主要由靜平衡底座、平衡支架板、平衡球、平衡支座、油路轉(zhuǎn)換裝置及供油裝置組成。

圖1 功過橋轉(zhuǎn)輪靜平衡試驗裝置

圖1 中的主要工作部件是P局部視圖的平衡球與平衡支座，油壓裝置通過油路轉(zhuǎn)換器，在平衡球與平衡支座之間形成一層高壓油膜，使轉(zhuǎn)輪處于完全懸浮狀態(tài)，轉(zhuǎn)輪在未配重之前因重力分布不平衡，在不平衡重力的作用下轉(zhuǎn)輪會發(fā)生一個微小的傾斜，達到新的平衡。將轉(zhuǎn)輪下環(huán)4等分進行0～270°標(biāo)記，在轉(zhuǎn)輪下環(huán)下平面0°和90°位置各放置一只百分表，待轉(zhuǎn)輪靜止后將百分表置零（保證百分表在試驗過程中處于壓縮狀態(tài)），記錄百分表度數(shù)X0、Y0；在轉(zhuǎn)輪下環(huán)外圓位置放置一個標(biāo)準(zhǔn)重量為W的砝碼，然后記錄兩只百分表的讀數(shù)X1、Y1，計算出傾斜量絕對值Xc，再計算出系統(tǒng)靈敏度S（S= Xc/W，mm/kg）；去掉標(biāo)準(zhǔn)砝碼，待轉(zhuǎn)輪靜止后記錄兩只百分表讀數(shù)X0、Y0（理論上百分表重新回零），緩慢旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)輪180°待轉(zhuǎn)輪靜止后記錄百分表讀數(shù)、并計算出絕對傾斜量、不平重量W'（測量靈敏度位置的不平衡重量）及不平衡角度Zu，最終換算到實際的配重位置，焊接配重塊使轉(zhuǎn)輪靜平衡達到設(shè)計要求。

2 試驗方法

2.1 底座水平的調(diào)整

將底座、油路轉(zhuǎn)換器及平衡座連接為一體。為消除底座放置不平衡對轉(zhuǎn)輪靜平衡產(chǎn)生影響，須對底座的放置嚴格控制水平。底座就位后通過墊片調(diào)整水平，并用框式水平儀側(cè)量其水平度，控制水平在0.02mm以內(nèi)。

2.2 平衡支架板及平衡球的安裝

平衡支架板在靜平衡試驗中起到吊裝轉(zhuǎn)輪及支撐轉(zhuǎn)輪的作用，也參與到轉(zhuǎn)輪的靜平衡試驗中，因此要盡可能地消除支架板對轉(zhuǎn)輪靜平衡試驗的影響。首先要對平衡支架板做靜平衡配重，使平衡支架板在外圓處的不平衡重量小于0.5kg，再將平衡球與平衡支架板連接起來。

平衡支架板最終與轉(zhuǎn)輪連接時要注意支架板的定位凸臺與轉(zhuǎn)輪定位孔之間的間隙均勻，確保支架板軸線與轉(zhuǎn)輪軸線同軸.

2.3 系統(tǒng)油壓的確定

為保證試驗的順利進行，必須選定合理的油壓，油壓太低，轉(zhuǎn)輪不能完全浮起；油壓太高，壓力油溫升太快，壓力油膜會不穩(wěn)定。因此必須在試驗前選定合理的油壓：

式中：P為系統(tǒng)油壓（Pa）；S為平衡球工作截面積（mm2）；η為系統(tǒng)效率；G為轉(zhuǎn)輪及工裝總重量（N）。

2.4 系統(tǒng)靈敏度試驗

將轉(zhuǎn)輪等分標(biāo)示后，在下環(huán)下平面0°、90°位置各放一只百分表，待轉(zhuǎn)輪靜止后置零，記錄數(shù)據(jù)X0、Y0。然后在下環(huán)某一位置放置一標(biāo)準(zhǔn)重量為W的砝碼，待轉(zhuǎn)輪靜止后記錄百分表讀書X1、Y1及砝碼放置半徑R0。

計算轉(zhuǎn)輪絕對傾斜量Xc：

計算系統(tǒng)靈敏度S：

為確保試驗的可靠性，以上試驗重復(fù)1～2次取S平均值，確定為系統(tǒng)的靈敏度。

2.5 轉(zhuǎn)輪第一次靜平衡試驗

去除標(biāo)準(zhǔn)砝碼，使兩只百分表重新回零（理論百分表指示在加砝碼前的初始位置），待轉(zhuǎn)輪完全靜止后記錄0°、90°位置兩只百分表讀數(shù)X0、Y0；然后緩慢旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)輪180°，使原0°百分表指示轉(zhuǎn)輪180°位置，使原90°位置百分表指示轉(zhuǎn)輪270°位置，記錄兩只百分表讀數(shù)X'、Y'，并初步計算出轉(zhuǎn)輪因不平衡引起的絕對傾斜量Xc'、不平衡重量W'、不平衡角度Zu。

計算轉(zhuǎn)輪的不平衡重量W'：

式中：S為系統(tǒng)靈敏度。

計算不平衡角度Zu：

式中： X0為0°位置的下沉值； X'為旋轉(zhuǎn)后180°位置的下沉值； Y0為90°位置的下沉值； Y'為旋轉(zhuǎn)后270°位置的下沉值； Zu為Y方向的下沉量差值與X方向的下沉量差值比值的反正切值，其單位為度。

再依據(jù)圖示法標(biāo)示出不平衡重量的準(zhǔn)確相位,如圖2所示。

實際配重塊的位置Z=Zu-180°。將最終計算出來的不平衡重量換算到圖紙要求的配重分布半徑R。

圖2 不平衡重量準(zhǔn)確相位示意圖

圖紙要求配重位置的配重重量為Wu：

式中：R0為測量靈敏度時標(biāo)準(zhǔn)砝碼擺放的分度圓半徑(mm)；W'為計算R0位置的不平衡重量(kg)；R為圖紙要求的配重位置(mm)。

2.6 轉(zhuǎn)輪第二次靜平衡試驗

為確保以上試驗計算過程的準(zhǔn)確性，在轉(zhuǎn)輪圖紙要求配重半徑處，放置一塊重量為W1（配重塊W1與最終焊接后焊材質(zhì)量總和近似于Wu）、角度為Zu的配重塊，重復(fù)以上靈敏度試驗及第一次靜平衡試驗過程，再通過計算驗證整個試驗計算過程的準(zhǔn)確性。

2.7 轉(zhuǎn)輪第三次靜平衡試驗

通過第二次靜平衡試驗，驗證整個試驗過程準(zhǔn)確無誤后，最終將配重塊W1焊接在配重位置，鏟磨后進行最終的靜平衡試驗，重復(fù)以上靈敏度試驗及第一次靜平衡試驗過程，通過計算得出最終的殘余不平衡重量。

2.8 泄水錐與轉(zhuǎn)輪的同軸度

由于靜平衡工裝結(jié)構(gòu)原因，泄水錐未參與到轉(zhuǎn)輪的整個靜平衡試驗過程中，為確保泄水錐安裝對轉(zhuǎn)輪的靜平衡產(chǎn)生較小的影響，需嚴格控制泄水錐與轉(zhuǎn)輪軸線的同軸度。在焊接泄水錐時，分別在泄水錐外圓X、Y方向固定兩只百分表，監(jiān)控整個焊接過程中的變形情況，最終測量出泄水錐與轉(zhuǎn)輪軸線的同軸度Φt。

泄水錐焊接與轉(zhuǎn)輪中心軸線不同心對轉(zhuǎn)輪靜平衡產(chǎn)生的影響可按下式計算：

式中：t為轉(zhuǎn)輪與泄水錐實測同軸度（mm）；R為配重位置分度圓半徑（mm）；M為泄水錐質(zhì)量（kg）；Wt為泄水錐與轉(zhuǎn)輪不同軸所引起的殘余不平衡重量（kg）。

實驗表明，嚴格控制泄水錐組焊時與轉(zhuǎn)輪軸線的同軸度，泄水錐對整個轉(zhuǎn)輪靜平衡的影響很小，一般在1kg以下.

3 結(jié)語

球面靜壓軸承在轉(zhuǎn)輪靜平衡試驗中的成功應(yīng)用，拓展了靜平衡試驗的思路和方法。該方法可以直觀地反應(yīng)出轉(zhuǎn)輪不平衡方位，通過簡單的計算可以準(zhǔn)確地計算出整個轉(zhuǎn)輪的不平衡角度以及不平衡重量，可以通過配重的方式再對整個試驗過程進行驗證，其方便的操作提高了靜平衡試驗的效率。在轉(zhuǎn)輪浮起的情況下一人就可輕松地旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)輪180°，說明其摩擦系數(shù)很小，可確保靜平衡試驗的高精度。因此，該方法具有方便操作、直觀、摩擦系數(shù)小、試驗精度高、重復(fù)性好等優(yōu)點，值得推廣。該方法不僅適用于大、巨型轉(zhuǎn)輪，也適用于中型轉(zhuǎn)輪的靜平衡試驗。

[1]張傳軍. 二灘水電站水輪機轉(zhuǎn)輪靜平衡試驗[R]. 四川攀枝花: 中國水利水電第一工程局, 2000.

[2]趙波, 王宏元. 液壓與氣動技術(shù)[M]. 北京: 機械工業(yè)出版社出版, 2008.

[3]嚴普強, 黃長藝. 機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)[M]. 北京: 機械工業(yè)出版社, 1999.