[发明专利]一种汽轮机叶轮静平衡的测量方法与装置

说明书

技术领域

本发明专利涉及一种汽轮机叶轮静平衡的测量技术，属于精密测量技术领域，可广泛应用于盘类回转体零件的静平衡检测，测量装置中。

技术背景

汽轮机叶轮通常工作在高温(600℃)、高压(25MPa)和高转速(3000r/min)的工作状态下，汽轮机叶轮的静平衡性能不仅对主机的运行质量和精度具有重要的影响，而且对汽轮机机组的工作效率、安全状况、振动特性及使用寿命也都有直接的影响。静平衡性能不佳的叶轮会增大运动部分的噪声和振动，在高转速的工作状态下会产生很大的不平衡力矩，会影响汽轮机发电机组的主轴的直线度，严重时会使主轴弯曲，甚至打坏机组外壳，发生重大安全事故。因此，精密测量叶轮不平衡量具有重要的意义。

目前国内企业对汽轮机叶轮静平衡性能测量采用的是卧式静平衡法，仍属于手工测量的方案，其工作原理如图1所示，该方法将叶轮14套在芯轴5上并固定，然后将芯轴5放在两条等高平行导轨21上任其自由滚动至停止，叶轮14偏重部分将处于最下方，工人凭经验去除余量，反复试验直至满足要求。这种测量方法要求导轨要有一定的长度，对两条导轨各自的水平、互相的平行和等高精度都有很高的要求，装调的实现难度很大；最重要的是，由于叶轮自重很大，叶轮与导轨之间的滚动摩擦自身也存在一定的摩擦率，在摩擦力的影响下，叶轮停止时并未处在理想状态，而且无法判断其真正位置；从该方法的原理可以看出，只有在偏心力矩大于滚动摩擦力矩的时候叶轮才会在导轨上滚动，所以滚动摩擦力的存在还使该方法可以测量到的叶轮最小不平衡量一定在一个可观值以上，测量精度和灵敏度都不高；该方法仅由人工凭经验去处余量，没有量值化的加工指导，很容易去除不到位甚至去除过量引起新的误差，工作效率很低。总的说来，现在的测量方法存在误差环节多、安全性能差、效率低下、精度低、灵敏度差的缺点。

我国对叶轮、螺旋桨等回转体类零件静平衡检验的研究开展了已有50余年，其间出现了一些成功应用的技术，比较有代表性的技术有顶尖支撑法和液压支撑法。

顶尖支撑法的测量原理如图2所示，测量时先把叶轮工装23调整到稳定平衡的状态，然后套上叶轮14，用紧固螺母22将叶轮14固定在叶轮工装23上，叶轮静不平衡量的存在打破了叶轮14及叶轮工装23的平衡，叶轮14叶轮工装23在支座24上会出现倾斜现象，不断地在叶轮14升高的一侧的放上一定质量的配重物直至叶轮14及叶轮工装23重新达到稳定平衡的状态，与配重物的位置相对的叶轮14圆周上的点即为需去除质量的调整点，根据相对应的配重物的质量去除叶轮14多余重量即可。这种方法结构简单，易于理解，在待测零件质量不大的情况下可有较高精度。但这种方法也有不可忽视的缺点，首先，由于必须要事先调整叶轮工装，其静不平衡量的调整误差也会带到叶轮的测量值中，这是原理性的系统误差，无法消除；其次，需要不断的调整叶轮的平衡之后才可以进行去除工作，工作周期长，效率低；第三，由于顶尖和支座的接触面积很小，当待测零件质量很大时，顶尖与支座的接触面会因作用力过大而被挤压变形，从而破坏了顶尖与支座的规则接触，不规则的接触表面和受力情况将使测量装置的可靠性和精度都无法保证，长期累积下来装置的使用寿命会受到影响。总的说来，顶尖支撑法有存在着不可消除的原理性系统误差，工作效率低下，使用寿命无法保证的缺点。

液压支撑法的测量原理如图3所示，与顶尖支撑法相比，液压支撑法把叶轮工装23和底座26改造成了液压轴承结构，高压润滑油通过油路27进入底座26并进入底座26与叶轮工装23之间的间隙形成油膜28，分离、润滑二者，达到减小摩擦的目的。测量时，传感器25测量由叶轮工装23的倾斜引起的位移或者压力变化，然后根据测得的数据计算出叶轮14的偏心力矩，换算为叶轮14的不平衡量并去除。液压支撑法极大的减小了支撑面的摩擦力，可以大幅提高测量的精度和灵敏度，还可以实现自动测量，也通过相对测量消除了顶尖支撑法中的原理性系统误差，但是，在液压支撑法中，叶轮工装偏摆的运动方向与传感器的探测方向不在同一直线上，传感器的测量值其实是压力或位移这些矢量信号在传感器探测方向上的分量，偏摆的过程中还会引起叶轮中心与传感器距离的变化，这时测量结果的计算中就包含了两种原理性的误差，无法消除，这两种误差制约了这种方法的测量精度和准确度的进一步提高，也是其最大的缺点。