水輪機轉輪靜平衡技術研究現狀

摘 要：隨著水輪機技術迅速發展，百萬機組（如：烏東德、白鶴灘）的設計、制造指日可待，對現有大型水輪機轉輪靜平衡技術研究現狀進行分析、總結是十分有必要的。文章主要對鋼球鏡板式、液壓頂升式、起吊式、三支點稱重式四種立式轉輪靜平衡技術進行綜述。

關鍵詞：水輪機轉輪；靜平衡技術；研究

1 概述

水輪機轉輪是水輪發電機組的核心部件，轉輪制造代表著機組的綜合開發研制水平和能力。轉輪在運行時高速運轉，對轉輪的不平衡量有嚴格的要求。因此，水輪機轉輪出廠前都必須進行靜平衡實驗，檢查并消除不平衡量，確保機組安全、穩定地運行。

目前，國內外水電制造廠家對大型水輪機轉輪靜平衡實驗方式有多種，比如：鋼球鏡板式平衡技術、液壓頂升式平衡技術、三支點稱重式平衡技術......但現有資料中，更多的是介紹平衡工具使用方法或針對個別機組平衡方法進行論述，鮮見對各種技術特點、應用范圍、工裝特點進行分析和歸納，僅見陳烈元對三種立式靜平衡工藝進行了簡單介紹。

2 各靜平衡技術的技術特點及比較

2.1 鋼球鏡板式靜平衡技術

鋼球鏡板式靜平衡技術是一種經典的水輪機轉輪靜平衡方式，也是目前國內最常用的一種平衡技術。該方法實驗狀態和工裝組合見圖1，圖中項1為平衡工具，項2為實驗轉輪，項3為平衡支，項4為千斤頂，項5為方箱，項6為螺釘、壓板、墊塊，項7為裝配平臺。

平衡過程主要分為以下幾個步驟：1.平衡支座調水平；2.將平衡工具裝到轉輪上；3.在平衡支座的同心圓上四等分位置放置四個方箱，在方箱上各放一個千斤頂；4.將轉輪吊放在平衡支座周圍的千斤頂上，使平衡工具的球面對準鏡板；5.四個千斤頂同時下降并注意觀察在轉輪輕的方向上加配重塊，使轉輪保持大致呈水平狀態；6.測量并校正平衡系統的靈敏度。系統的靈敏度由球心和重心的距離決定，根據經驗h值如表1。

該技術原理較為直觀，以鋼球、鏡板接觸點為支點，將轉輪不穩定性平衡轉化為系統高度變化，就可以發現實驗轉輪本身質量上的輕、重點，并通過轉輪平衡方程：H=（PR-uG）R/Gh，計算出需要配重的重量。式中：G為被平衡物的總重，P為所加重物的重量，R為所加重物所在的半徑，u為動摩擦系數，H為因加重物而產生的下降值，h為平衡工具的球心到轉輪重心的距離。

2.2 靜壓球軸承式靜平衡技術

靜壓球軸承式靜平衡技術可以說是鋼球鏡板式技術的延伸，兩種技術的平衡思想、基本工裝、操作方式、配重方式幾乎是一致的。圖2是靜壓球軸承式靜平衡實驗的示意圖。其中，項1為電子水平儀，項2為過渡法蘭，項3為球頭，項4為支墩，項5為球座，項6為錐形座，項7為底座，項8為液壓缸，項9為調整螺栓，項10為托軸，項11為實驗轉輪。

靜壓球軸承式靜平衡技術主要特點在于改變了鋼球鏡板的剛性接觸，而使用高壓油膜將轉輪浮起，使得該技術的靈敏度更高。同時，該技術通常配有計算機電控裝置，可以使用計算機進行操作、計算，實現了平衡過程的半自動化。

2.3 起吊式靜平衡技術

起吊式靜平衡技術是比較少見的一種靜平衡技術，但該方法工裝少、裝配簡單、不需同步起升，特別的適用于工地轉輪靜平衡的需要。

起吊式靜平衡工裝（圖3）包括：起吊工具（項1）、定位套筒（項2）、高強度把合螺栓（項3）、高強度把合螺母（項4）。

平衡時，將起吊工具與轉輪裝配組合，采用汽吊或跨棟車等大型起吊設備將平衡工具及實驗轉輪吊起，找出不平衡力矩的大概方位，根據不平衡力矩的方位及葉片重量，裝配葉片，最大偏心要求不大于50mm，共做3次配平實驗，每次轉動2次，實際做6次配平，旋轉起吊工具至6個方向，第一次配平：（1）在0°位置配平。（2）轉180°配平；第二次配平：（1）在90°位置配平。（2）轉180°配平；第三次配平：（1）在45°位置配平。（2）轉180°配平；每次旋轉180°配平，根據結果，即可通過矢量合成計算公式：不平衡力矩I=不平衡重量m×距中心半徑r，算出不平衡力矩的方位和大小，鉆配重孔或在轉輪平衡槽中注鉛，重新平衡，直至轉輪合格。

值得注意的是，為了保證平衡工具的精度和安全，該方法所采用的工裝不可以當做起吊工具使用。

2.4 三支點靜平衡技術

目前，常見的水輪機轉輪靜平衡實驗手段有鋼球-鏡板式靜平衡裝置，液壓靜平衡裝置，測桿應變式靜平衡裝置等幾種裝置和對應方法。但這些裝置和方法均有其局限性。比如：鋼球-鏡板式靜平衡裝置鋼球和鏡板易產生變形，影響實驗精度和裝置壽命。液壓靜平衡裝置實際應用中，易出現漏油甚至管路破裂等問題。三支點靜平衡技術應運而生。

該裝置包括承重平臺（7）外圈圓周上均勻擺放三個壓力傳感器（2）和三個支墩（6），將平衡座（5）與轉輪（1）用把合螺栓（3）和把合螺釘（4）進行把合固定，落于壓力傳感器（2）和支墩（6）上端。三支點靜平衡技術利用同步起升系統和電算系統，實現了平衡的自動化。