一種汽輪機葉輪靜平衡的測量方法與裝置的製作方法

2023-04-29 16:19:16 1

專利名稱：一種汽輪機葉輪靜平衡的測量方法與裝置的製作方法
技術領域：
本發明專利涉及一種汽輪機葉輪靜平衡的測量技術，屬於精密測 量技術領域，可廣泛應用於盤類迴轉體零件的靜平衡檢測，測量裝置 中。
背景技術：
汽輪機葉輪通常工作在高溫(600°C)、高壓(25MPa)和高轉速 (3000r/min)的工作狀態下，汽輪機葉輪的靜平衡性能不僅對主機的 運行質量和精度具有重要的影響，而且對汽輪機機組的工作效率、安 全狀況、振動特性及使用壽命也都有直接的影響。靜平衡性能不佳的 葉輪會增大運動部分的噪聲和振動，在高轉速的工作狀態下會產生很 大的不平衡力矩，會影響汽輪機發電機組的主軸的直線度，嚴重時會 使主軸彎曲，甚至打壞機組外殼，發生重大安全事故。因此，精密測 量葉輪不平衡量具有重要的意義。
目前國內企業對汽輪機葉輪靜平衡性能測量採用的是臥式靜平衡 法，仍屬於手工測量的方案，其工作原理如圖1所示，該方法將葉輪 14套在芯軸5上並固定，然後將芯軸5放在兩條等高平行導軌21上 任其自由滾動至停止，葉輪14偏重部分將處於最下方，工人憑經驗去 除餘量，反覆試驗直至滿足要求。這種測量方法要求導軌要有一定的 長度，對兩條導軌各自的水平、互相的平行和等高精度都有很高的要 求，裝調的實現難度很大；最重要的是，由於葉輪自重很大，葉輪與 導軌之間的滾動摩擦自身也存在一定的摩擦率，在摩擦力的影響下， 葉輪停止時並未處在理想狀態，而且無法判斷其真正位置；從該方法 的原理可以看出，只有在偏心力矩大於滾動摩擦力矩的時候葉輪才會 在導軌上滾動，所以滾動摩擦力的存在還使該方法可以測量到的葉輪 最小不平衡量一定在一個可觀值以上，測量精度和靈敏度都不高；該 方法僅由人工憑經驗去處餘量，沒有量值化的加工指導，很容易去除 不到位甚至去除過量引起新的誤差，工作效率很低。總的說來，現在 的測量方法存在誤差環節多、安全性能差、效率低下、精度低、靈敏 度差的缺點。我國對葉輪、螺旋槳等迴轉體類零件靜平衡檢驗的研究開展了己
有50餘年，其間出現了一些成功應用的技術，比較有代表性的技術有
頂尖支撐法和液壓支撐法。
頂尖支撐法的測量原理如圖2所示，測量時先把葉輪工裝23調整 到穩定平衡的狀態，然後套上葉輪14,用緊固螺母22將葉輪14固定 在葉輪工裝23上，葉輪靜不平衡量的存在打破了葉輪14及葉輪工裝 23的平衡，葉輪14葉輪工裝23在支座24上會出現傾斜現象，不斷 地在葉輪14升高的一側的放上一定質量的配重物直至葉輪14及葉輪 工裝23重新達到穩定平衡的狀態，與配重物的位置相對的葉輪14圓 周上的點即為需去除質量的調整點，根據相對應的配重物的質量去除 葉輪14多餘重量即可。這種方法結構簡單，易於理解，在待測零件質 量不大的情況下可有較高精度。但這種方法也有不可忽視的缺點，首 先，由於必須要事先調整葉輪工裝，其靜不平衡量的調整誤差也會帶 到葉輪的測量值中，這是原理性的系統誤差，無法消除；其次，需要 不斷的調整葉輪的平衡之後才可以進行去除工作，工作周期長，效率 低；第三，由於頂尖和支座的接觸面積很小，當待測零件質量很大時， 頂尖與支座的接觸面會因作用力過大而被擠壓變形，從而破壞了頂尖 與支座的規則接觸，不規則的接觸表面和受力情況將使測量裝置的可 靠性和精度都無法保證，長期累積下來裝置的使用壽命會受到影響。 總的說來，頂尖支撐法有存在著不可消除的原理性系統誤差，工作效 率低下，使用壽命無法保證的缺點。
液壓支撐法的測量原理如圖3所示，與頂尖支撐法相比，液壓支 撐法把葉輪工裝23和底座26改造成了液壓軸承結構，高壓潤滑油通 過油路27進入底座26並進入底座26與葉輪工裝23之間的間隙形成 油膜28，分離、潤滑二者，達到減小摩擦的目的。測量時，傳感器25 測量由葉輪工裝23的傾斜引起的位移或者壓力變化，然後根據測得的 數據計算出葉輪14的偏心力矩，換算為葉輪14的不平衡量並去除。 液壓支撐法極大的減小了支撐面的摩擦力，可以大幅提高測量的精度 和靈敏度，還可以實現自動測量，也通過相對測量消除了頂尖支撐法 中的原理性系統誤差，但是，在液壓支撐法中，葉輪工裝偏擺的運動 方向與傳感器的探測方向不在同一直線上，傳感器的測量值其實是壓力或位移這些矢量信號在傳感器探測方向上的分量，偏擺的過程中還 會引起葉輪中心與傳感器距離的變化，這時測量結果的計算中就包含 了兩種原理性的誤差，無法消除，這兩種誤差制約了這種方法的測量 精度和準確度的進一步提高，也是其最大的缺點。
流體潤滑技術是一項成熟的技術，在實際中也已廣泛應用。它的 原理是工作時流動的高壓氣體或液體進入兩個產生相對運動的表面的 間隙將它們分離，並作為潤滑劑潤滑二者的運動。採用流體潤滑的導 軌和軸承的摩擦力可以降至極低，這是現有的機械軸承所無法比擬的， 其中液壓軸承在剛度和承載能力方面要明顯優於氣體軸承，因此更多 地用於高剛度和大載荷的環境下。

發明內容
本發明為了解決上述已有技術存在的缺陷，提出一種汽輪機葉輪 靜平衡的測量方法和裝置，其目的是通過流體潤滑支撐使葉輪單獨運 動，消除葉輪以外的因素對測量結果的影響，減小系統誤差，減少誤
差環節；在其他運動機構中採用流體潤滑減小摩擦力，提高測量精度 和靈敏度；通過直接測量輸出力矩提供量化的測量結果指導去除加工 操作，提高效率。
本發明的目的是通過下述技術方案實現的。
本發明的一種汽輪機葉輪靜平衡測量方法，具體測量步驟如下-步驟一、測量準備工作
① 把葉輪套在主軸上，葉輪自身與主軸構成液體軸承，讓葉輪單 獨自由擺動至靜止；
② 通過支撐機構把氣體軸承固定在氣浮導軌移動部上，使氣體軸 承能沿葉輪的半徑方向做直線運動；
③ 通過恆力發生機構沿葉輪軸向將氣體軸承拉向葉輪外圓表面， 保持氣體軸承的軸承套與葉輪始終緊密接觸且中心線等高、平行；
步驟二、開始測量
①採集驅動電機的輸出力矩
通過電機驅動氣體軸承的軸承套勻速旋轉，並帶動葉輪一起旋轉 時，採集驅動電機的輸出力矩；②計算葉輪最大不平衡量
定義在葉輪轉動一周的過程中採集到的驅動電機的最大輸出力 矩為Mmax;由Mmax和葉輪半徑r計算得到此時葉輪最大不平衡量 M=Mmax/r。
經過上述兩個步驟，單次測量結束；
步驟三、去除此時葉輪最大不平衡量，去除方法由加工單位根據 技術條件確定；
步驟四、在精度不滿足要求時，重複步驟二直至滿足精度要求。 一種汽輪機葉輪靜平衡測量裝置，包括葉輪，還包括驅動電機、 力矩傳感器、數據處理系統、軸承套、芯軸和氣體軸承支撐機構、移 動部、固定部、氣浮導軌支撐機構、液體軸承主軸、恆力發生機構和 液體軸承支撐機構；其中；軸承套與芯軸組成氣體軸承，移動部與固 定部組成氣浮導軌，主軸與葉輪組成液體軸承，驅動電機與力矩傳感 器連接，並通過力矩傳感器驅動軸承套旋轉，軸承套與葉輪直接接觸 並帶動葉輪旋轉，數據處理系統與力矩傳感器連接並從力矩傳感器讀 取測量數據、處理，氣體軸承通過氣體軸承支撐機構固定在移動部上， 固定部固定在氣浮導軌支撐機構上，恆力發生機構與移動部連接將氣 體軸承拉向葉輪，液體軸承主軸固定在液體軸承支撐機構上。
恆力發生機構還可以與氣體軸承支撐機構連接將氣體軸承拉向葉輪。
所述葉輪還可以是帶有中心孔的迴轉類軸零件 還可以使葉輪自身與主軸構成氣體軸承。
還可以通過恆力發生機構沿葉輪軸向將氣體軸承拉向葉輪外圓表 面，保持氣體軸承芯軸與葉輪始終緊密接觸且中心線等高、平行，通 過電機驅動氣體軸承芯軸旋轉，並帶動葉輪一起旋轉。
有益效果
1. 測量時葉輪與支撐固定部分分離，單獨旋轉，消除了由葉輪支 撐固定部分帶來的系統誤差；
2. 利用無摩擦的氣體軸承傳遞力矩，可以精確地得到不平衡力矩 的大小，減少了誤差環節，進一步減小了系統誤差；3 .利用流體潤滑的超低摩擦把由葉輪自重帶來的摩擦力降至最 低，也就把可分辨葉輪不平衡量降至最小，大幅提高了測量精度和靈
敏度；
4. 利用無摩擦的氣浮導軌作為氣體軸承的運動導向機構和恆力產 生機構，可以使氣體軸承精確地追蹤到葉輪表面的形狀改變，保持正 壓力的恆定，避免打滑現象；
5. 提供量化的測量結果指導去除操作，避免了去除不到位甚至過 量的現象，提高了工作效率。


圖1為臥式靜平衡法的測量原理示意圖； 圖2為頂尖支撐法的測量原理示意圖； 圖3為液壓支撐法的測量原理示意圖； 圖4為本發明的結構示意圖； 圖5為本發明實施例的示意其中l-驅動電機、2-力矩傳感器、3-數據處理系統、4-軸承套、
5-芯軸、6-氣體軸承、7-氣體軸承支撐機構、8-移動部、9-氣浮導軌、 10-固定部、11-氣浮導軌支撐機構、12-液體軸承、13-液體軸承主軸、 14-葉輪、15-恆力發生機構、16-液體軸承支撐機構、17-繩索、18-滑輪 架、19-滑輪、20-重錘、21-導軌、22-緊固螺母、23-葉輪工裝、24-支 座、25-傳感器、26-底座、27-油路、28-油膜。
具體實施例方式
下面結合附圖和實施例對本發明作進一步說明。
本發明的基本思想是使葉輪單獨運動，消除了其支撐固定部分帶 來的系統誤差，在測量系統中除發生力矩傳遞之外的主要運動機構中 均採用流體潤滑，大幅減小運動摩擦力，使可測得葉輪最小不平衡量 降低，提高測量的精度和靈敏度，通過力矩傳遞和測量實現直接測量 並使結果量值化，指導去除操作，提高效率。
實施例
本發明的實施例的結構如圖5所示， 一種汽輪機葉輪靜平衡測量裝置，包括葉輪14、驅動電機l、力矩傳感器2、數據處理系統3、軸 承套4、芯軸5和氣體軸承支撐機構7、移動部8、固定部IO、氣浮導 軌支撐機構11、液體軸承主軸13、液體軸承支撐機構16、繩索17、 滑輪架18、滑輪19和重錘20;其中；軸承套4與芯軸5組成氣體軸 承6，移動部8與固定部10組成氣浮導軌9，主軸13與葉輪14組成 液體軸承12，驅動電機1與力矩傳感器2連接，並通過力矩傳感器2 驅動軸承套4旋轉，軸承套4與葉輪14的中心線等高、平行，二者直 接接觸，並由軸承套4帶動葉輪14旋轉，數據處理系統3與力矩傳感 器2連接並從力矩傳感器2讀取、處理測量數據和顯示結果，氣體軸 承6通過氣體軸承支撐機構7固定在移動部8上，固定部10固定在氣 浮導軌支撐機構11上，重錘20通過固定在固定部10上的滑輪架18、 滑輪19和固定在移動部8上的繩索17將氣體軸承6拉向葉輪14，繩 索17、滑輪架18、滑輪19和重錘20組成恆力發生機構15，液體軸 承主軸13固定在液體軸承支撐機構16上。
使用時，把葉輪14套在液體軸承主軸13上，讓葉輪14單獨自由 擺動至靜止，把氣體軸承6通過氣體軸承支撐機構7固定在氣浮導軌 9的移動部8上，保證氣體軸承6的軸承套4與葉輪14中心線等高、 平行，通過恆力發生機構15沿徑向將氣體軸承6拉向葉輪14的外圓 表面，保持二者始終緊密接觸，驅動電機1通過力矩傳感器2驅動氣 體軸承6的軸承套4勻速旋轉並帶動葉輪14 一起旋轉，數據處理系統 3從力矩傳感器2採集數據、測量葉輪14轉動一周的過程中驅動電機 1的最大輸出力矩Mmax，由Mmax和葉輪半徑r計算得到此時葉輪最大 不平衡量M=Mmax/r， 一次測量結束後，脫開氣體軸承6與葉輪14的 接觸，葉輪14靜止後即可實施定量去除操作，然後恢復二者的接觸， 再次測量此時的最大不平衡量、去處，循環測量、去除直至滿足精度 要求。
以上結合附圖對本發明的具體實施方式
作了說明，但這些說明不 能被理解為限制了本發明的範圍，本發明的保護範圍由隨附的權利要 求書限定，任何在本發明權利要求基礎上的改動都是本發明的保護範 圍。
權利要求
1.一種汽輪機葉輪靜平衡測量方法，其特徵在於具體測量步驟如下步驟一、測量準備工作①把葉輪套在主軸上，葉輪自身與主軸構成液體軸承，讓葉輪單獨自由擺動至靜止；②通過支撐機構把氣體軸承固定在氣浮導軌移動部上，使氣體軸承能沿葉輪的半徑方向做直線運動；③通過恆力發生機構沿葉輪軸向將氣體軸承拉向葉輪外圓表面，保持氣體軸承的軸承套與葉輪始終緊密接觸且中心線等高、平行；步驟二、開始測量①採集驅動電機的輸出力矩通過電機驅動氣體軸承的軸承套勻速旋轉，並帶動葉輪一起旋轉時，採集驅動電機的輸出力矩；②計算葉輪最大不平衡量定義在葉輪轉動一周的過程中採集到的驅動電機的最大輸出力矩為Mmax；由Mmax和葉輪半徑r計算得到此時葉輪最大不平衡量M＝Mmax/r。經過上述兩個步驟，單次測量結束；步驟三、去除此時葉輪最大不平衡量，去除方法由加工單位根據技術條件確定；步驟四、在精度不滿足要求時，重複步驟二直至滿足精度要求。
2. 根據權利1所述的一種汽輪機葉輪靜平衡測量方法，其特徵 在於通過恆力發生機構沿葉輪軸向將氣體軸承拉向葉輪外圓表面， 還可以保持氣體軸承芯軸與葉輪始終緊密接觸且中心線等高、平行， 通過電機驅動氣體軸承芯軸旋轉，並帶動葉輪一起旋轉。
3. —種汽輪機葉輪靜平衡測量裝置，包括葉輪(14)，其特徵在 於還包括驅動電機(l)、力矩傳感器(2)、數據處理系統(3)、軸承套 (4)、芯軸(5)和氣體軸承支撐機構(7)、移動部(8)、固定部(IO)、氣浮 導軌支撐機構(ll)、液體軸承主軸(13)、恆力發生機構(15)和液體軸承 支撐機構(16);其中，軸承套(4)與芯軸(5)組成氣體軸承(6)，移動部(8)與固定部(10)組成氣浮導軌(9)，主軸(13)與葉輪(14)組成液體軸承 (12)，驅動電機(1)與力矩傳感器(2)連接，並通過力矩傳感器(2)驅動軸 承套(4)旋轉，軸承套(4)與葉輪(14)直接接觸，數據處理系統(3)與力矩 傳感器(2)連接並從力矩傳感器(2)讀取測量數據、處理，氣體軸承(6) 通過氣體軸承支撐機構(7)固定在移動部(8)上，固定部(10)固定在氣浮 導軌支撐機構(ll)上，恆力發生機構(15)與移動部(8)連接將氣體軸承 (6)拉向葉輪(14)，液體軸承主軸(13)固定在液體軸承支撐機構(16)上。
4. 根據權利3所述的一種汽輪機葉輪靜平衡測量裝置，其特徵 在於恆力發生機構(15)與移動部(8)還可以與氣體軸承支撐機構(7) 連接將氣體軸承(6)拉向葉輪(14)。
5. 根據權利3所述的一種汽輪機葉輪靜平衡測量裝置，其特徵 在於葉輪還可以是帶有中心孔的迴轉類軸零件。
6. 根據權利3所述的一種汽輪機葉輪靜平衡測量裝置，其特徵 在於還可以使葉輪與主軸構成氣體軸承。
全文摘要
本發明屬於精密加工及測量技術領域，涉及一種汽輪機葉輪靜平衡測量技術，包括葉輪、驅動電機、力矩傳感器、數據處理系統、氣體軸承、氣體軸承支撐機構、氣浮導軌、氣浮導軌支撐機構、液體軸承、恆力發生機構和液體軸承支撐機構；驅動電機驅動氣體軸承並帶動葉輪勻速旋轉，測量葉輪轉動一周的過程中驅動電機的輸出力矩並計算葉輪不平衡量，定量去除。本發明使葉輪單獨旋轉，消除了由其他部件的不平衡量引起的系統誤差，在測量系統的主要運動機構中採用流體潤滑，大幅減小了運動摩擦力，降低了可測得葉輪最小不平衡量，提高了測量的精度和靈敏度，並通過力矩傳遞和測量實現測量結果量值化，提高了工作效率，可廣泛用於汽輪機葉輪靜平衡檢測裝置中。
文檔編號G01M1/12GK101576425SQ20091008692
公開日2009年11月11日 申請日期2009年6月18日 優先權日2009年6月18日
發明者超 劉, 沙定國, 趙維謙, 邱麗榮 申請人:北京理工大學