應(yīng)力棒法在白鶴灘電站1 000 MW轉(zhuǎn)輪靜平衡試驗(yàn)中的改進(jìn)

鄭 璇，劉騰彬，王智民

(1.中國(guó)長(zhǎng)江電力股份有限公司，湖北 宜昌 443000；2. 東方電氣集團(tuán)東方電機(jī)有限公司，四川 德陽(yáng) 618000)

白鶴灘左右岸電站共安裝16臺(tái)單機(jī)容量為1 000 MW 的巨型混流式水輪發(fā)電機(jī)組。轉(zhuǎn)輪是水輪發(fā)電機(jī)組的核心部件之一，隨著現(xiàn)場(chǎng)安裝測(cè)量技術(shù)的發(fā)展，機(jī)組水平度差、軸線不正及導(dǎo)軸承不同心等問(wèn)題基本得到解決，轉(zhuǎn)輪質(zhì)量偏心是目前引起機(jī)組機(jī)械不平衡的首要原因[1]，轉(zhuǎn)輪的制造質(zhì)量直接決定機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。受運(yùn)輸條件限制，白鶴灘水電站轉(zhuǎn)輪在工地現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行制造。根據(jù)相關(guān)規(guī)程規(guī)定，轉(zhuǎn)輪出廠前或經(jīng)過(guò)檢修大量補(bǔ)焊后，需要對(duì)轉(zhuǎn)輪進(jìn)行靜平衡試驗(yàn)[2-3]。靜平衡方法是一種通過(guò)在旋轉(zhuǎn)體上去除材料或增加配重的靜平衡試驗(yàn)方法,目的是完成不平衡點(diǎn)的檢測(cè)及配重等工作,減小轉(zhuǎn)輪質(zhì)量偏心,最大程度地消除水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪質(zhì)心與水輪機(jī)轉(zhuǎn)軸形狀中心之間的距離,使不平衡量引起的振動(dòng)減小到容許范圍內(nèi),實(shí)現(xiàn)設(shè)備的可靠運(yùn)行[4]。本文介紹了應(yīng)力棒法在白鶴灘左岸電站東電機(jī)組轉(zhuǎn)輪靜平衡中的試驗(yàn)原理、試驗(yàn)方法及改進(jìn)措施。

1 應(yīng)力棒平衡裝置及平衡原理

應(yīng)力棒靜平衡裝置如圖1所示[5]，在平衡支柱的頂端放置應(yīng)力棒，應(yīng)力棒上部放置托板，轉(zhuǎn)輪放在托板上采用機(jī)械把合的方式與托板連接，平衡時(shí)轉(zhuǎn)輪的重量由托板傳遞給應(yīng)力棒→支柱→基礎(chǔ)。通過(guò)應(yīng)力棒內(nèi)應(yīng)力的變化，將力學(xué)量轉(zhuǎn)換成電量。當(dāng)應(yīng)力棒受力變形時(shí)，緊貼的電阻應(yīng)變片的電阻也隨之發(fā)生改變，電阻變化量由應(yīng)變儀測(cè)出，進(jìn)而得到所測(cè)部位的應(yīng)變，以此確定轉(zhuǎn)輪的不平衡力矩與偏心角度。

圖1 應(yīng)力棒式靜平衡方法裝置圖

應(yīng)力棒k值由下式得出

k=ε·k1=λ·10-6·k1

式中：λ為電橋的補(bǔ)償系統(tǒng)(測(cè)桿實(shí)際承受的應(yīng)變)；ε為測(cè)桿微應(yīng)變值(讀數(shù)儀器單位補(bǔ)償系數(shù))；k1=1/4Eπr3(E為材料彈性模量；r為應(yīng)力棒半徑)。

應(yīng)變儀采用半橋法測(cè)量，貼在應(yīng)力棒上的4個(gè)互成90°位置的應(yīng)變片分別為R1、R2和R3、R4，將R1和R2聯(lián)成一組，同理R3和R4聯(lián)成一組，將R1、R2和R3、R4接入應(yīng)變儀輸入端，R2應(yīng)和R1受力狀態(tài)相反，R3和R4受力狀態(tài)相反(如圖2所示)。

圖2 應(yīng)變片與應(yīng)變儀的接線圖

根據(jù)下面公式計(jì)算不平衡重量及不平衡重位置：

不平衡角度α=arctgB/A

式中，A、B為應(yīng)變儀兩個(gè)通道讀數(shù)。

2 修正系數(shù)引入和校核試驗(yàn)

白鶴灘左岸東電機(jī)組某臺(tái)轉(zhuǎn)輪粗平衡后試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 粗平衡試驗(yàn)結(jié)果表

粗平衡過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，配重產(chǎn)生的力矩約176 kg·m，配重前不平衡力矩約222.4 kg·m，兩者存在一定偏差。

經(jīng)過(guò)分析研究發(fā)現(xiàn)，以往的應(yīng)力棒平衡計(jì)算方式僅考慮了轉(zhuǎn)輪理論重心與實(shí)際重心偏移量產(chǎn)生的質(zhì)量距。該計(jì)算方法適用于轉(zhuǎn)輪重心與應(yīng)力棒高度差較小的轉(zhuǎn)輪平衡。對(duì)于白鶴灘轉(zhuǎn)輪，轉(zhuǎn)輪理論重心距應(yīng)力棒平面高度約為應(yīng)力棒自身長(zhǎng)度的3倍，在不平衡狀態(tài)下，重心高度本身也會(huì)對(duì)應(yīng)力棒產(chǎn)生質(zhì)量距。理論計(jì)算結(jié)果與實(shí)際配重存在一定誤差，在白鶴灘左岸電站東電轉(zhuǎn)輪靜平衡前需引入修正系數(shù)k′。

應(yīng)力棒撓度

W棒=FL3/3EI=ML2/3EI

式中：M為不平衡力矩；L為應(yīng)力棒長(zhǎng)度；E為材料棒彈性模量；I為截面慣性矩。

轉(zhuǎn)輪撓度(重心位置)

W心=2H(W棒-W棒1/2)/L

式中：H為轉(zhuǎn)輪重心距應(yīng)力棒下平面距離；W棒為應(yīng)力棒全長(zhǎng)撓度；W棒1/2為應(yīng)力棒半長(zhǎng)撓度。

重心撓度增加的不平衡力矩

M擾=GW心

式中：G為轉(zhuǎn)輪重量。

因重心撓度增加的不平衡力矩比例

η=M擾/(M-M擾)=19.6%

平衡系統(tǒng)不平衡力矩修正系數(shù)

k′=1/(1+η)=0.83

白鶴灘轉(zhuǎn)輪不平衡力矩計(jì)算公式

上述計(jì)算過(guò)程將應(yīng)力棒狀態(tài)理想化，考慮把合螺栓，k值修正系數(shù)應(yīng)為0.8～0.83。

對(duì)此臺(tái)轉(zhuǎn)輪進(jìn)行k′的校核試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 修正系數(shù)校核試驗(yàn)表

引入修正系數(shù)后，此臺(tái)轉(zhuǎn)輪靜平衡試驗(yàn)結(jié)果如表3。

表3 靜平衡試驗(yàn)結(jié)果表

由表3可知，理論不平衡力矩與配重產(chǎn)生的力矩基本一致。說(shuō)明采用修正系數(shù)后，理論不平衡重量與實(shí)際配重基本一致。

3 結(jié) 語(yǔ)

隨著國(guó)內(nèi)水電機(jī)組單機(jī)容量邁入百萬(wàn)級(jí)，轉(zhuǎn)輪的制造精度和標(biāo)準(zhǔn)也逐步提高[6]。白鶴灘左岸電站1 000 MW 轉(zhuǎn)輪重心高，通過(guò)引入修正系數(shù)后，提高了靜平衡試驗(yàn)精度，進(jìn)一步滿足了精品轉(zhuǎn)輪制造要求。應(yīng)力棒法的改進(jìn)應(yīng)用對(duì)于大型轉(zhuǎn)輪的生產(chǎn)制造具有積極的指導(dǎo)意義。