一种水电机组转子测圆装置及其测圆调整计算方法与流程

本发明涉及动力工程领域，具体是一种水电机组转子测圆装置及其测圆调整计算方法。

背景技术：

水轮发电机转子测圆是水电机组安装、检修必须工序，主要是利用在发电机上端轴上安装转子测圆架，在转子测圆架垂直臂对应位置安装测量仪器，进而缓慢推动测圆架旋转，逐个测量转子磁极的相对位置，最终完成转子测圆和磁极倾斜等方面的测量，为各个磁极的圆度调整提供数据支持。发电机转子测圆过程中，工作人员主要焦点在于调整测圆架，对测圆架垂直臂和测圆架水平梁之间的垂直度比较关心，调整测圆架较多。但就整个测量流程及后续调整方法存在以下问题：

(1)由于发电机转子比较大也比较重，发电机放置之后对发电机是否调整至水平状态关心度不够，主要原因在于即便测量了发电机水平度，但是对又重又大的发电机的微小倾斜也无法有效调整；

(2)测圆架调整较多，但多集中在测圆架垂直臂和测圆架水平梁之间的垂直度，对测圆架与发电机上端轴是否垂直测量较少，在转动中测量两者之间的偏差几乎没有；

(3)实测数据是针对倾斜的发电机转子磁极表面测量的，但处理结果确是以发电机不存在倾斜的理想态进行处理。

由于存在上述问题，不仅使得测圆不准确，其调整方法也不准确，往往造成操作效果较低，反复返工，极大的浪费了人力物力，延长了水电机组安装检修时间。为此，需要进行改进。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种水电机组转子测圆装置及其测圆调整计算方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种水电机组转子测圆装置，包括测圆架水平梁，测圆架水平梁下端中部及尾部分别安装测圆架倾斜测量臂和测圆架垂直臂，所述测圆架倾斜测量臂上设置倾斜上端测量仪和倾斜下端测量仪，所述测圆架垂直臂上设置转子测圆上端测量仪、转子测圆中段测量仪和转子测圆下端测量仪，所述测圆架水平梁下端左侧安装测圆架轴扣。

作为本发明进一步的方案：所述测圆架轴扣包括测圆架松紧件、测圆架底环和测圆架旋转部件。

作为本发明进一步的方案：所述测圆架轴扣下端连接发电机上端轴，发电机上端轴下端设有发电机转子，发电机转子的上表面布置有若干个水平仪。

一种水电机组转子测圆装置及其测圆调整计算方法，包括如下步骤：

s1、利用水平仪测量发电机放置体系下x2y2平面上+x、+y、-x、-y方向四个端点处测量水平度，其中：+x2方向水平度，分别记为e1x、e2x、e3x、e4x，单位mm/m；+y2方向的水平度分别记为：e1y、e2y、e3y、e4y，单位mm/m；

则发电机放置体系坐标系(x1、y1、z1)中的+z1方向与实际操作坐标系的(x2、y2、z2)中的+z2方向夹角α的公式如下：

α＝arcsin(e/1000/r)

其中，单位mm；单位mm；单位mm；r为发电机转子，单位m；则发电机转子表面在x2y2平面，最大倾斜值的方位角β可按下式计算：

s2、测量磁极圆度，将绕着转子中心逐步测量各个磁极表面中心线的偏差，以i表示测圆架在第i个磁极中心线处进行测量；倾斜上端测量仪读数记为s1i(单位：m)、测圆架倾斜下端测量仪读数记为s2i(单位：m)，倾斜上端测量仪和倾斜下端测量仪之间的距离记为l(单位：m)，则测圆架坐标体系(x3、y3、z3)中每个i点所对应的+z3方向与发电机放置体系坐标系(x1、y1、z1)中的+z1方向夹角θi(单位：rad)可按下式计算：

测圆架x3y3平面的最大倾斜值在x1y1平面上投影的方位角ω(单位：rad)可按下式计算：

其中，单位m；单位m；n代表发电机磁极共有n个；令s1i-s2i＝si，则其最大值记为simax，单位m，对应的点i记为imax，其后一点imax+1的倾斜值为simax+1，单位m。

s3、建立发电机放置体系(x1、y1、z1)和发电机磁极实际操作体系(x2、y2、z2)之间的转换关系：

其中，点(xx1，yy1，zz1)为发电机转子放置体系中的数据，(xx2，yy2，zz2)为该点在发电机磁极实际操作体系中的数据；

考虑到α、β非常小，可简化为：

s4、建立测圆架测量体系(x3、y3、z3)与发电机转子放置体系(x1、y1、z1)之间的转换关系：

其中，点(xx1，yy1，zz1)为发电机转子放置体系中的数据，(xx3，yy3，zz3)为该点在测圆架测量体系中的数据；

考虑到θi和ω非常小，可简化为：

s5、建立发电机转子圆度调整公式，记转子测圆上端测量仪读数为l1i，单位mm；转子测圆中段测量仪读数为l2i，单位mm；转子测圆下端测量仪读数为l3i，单位mm；转子测圆上端测量仪与转子测圆中段测量仪读数之间的距离和转子测圆中段测量仪与转子测圆下端测量仪读数之间的距离相等，记为l，单位mm；每个i点对应的角度单位rad；圆度允许误差记为δ，单位mm，由于水轮机发电机转子直径d一般较大，磁极表面弧度相对较小，且测圆架测量体系坐标系倾斜也较小，可近似认为转子测圆上端测量仪、转子测圆中段测量仪和转子测圆下端测量仪所测的3点处于磁极表面上，且该表面为平面，即近似认为转子测圆上端测量仪读数l1i(单位：mm)，转子测圆中段测量仪读数l2i(单位：mm)，转子测圆下端测量仪读数l3i(单位：mm)即为磁极表面中心线上、中、下三个测点的数据考虑到α、β、θi和ω非常小，可建立发电机转子圆度调整公式：

当l2i＞δ时，δ前取“-”号，反之则取“+”号；建立发电机磁极倾斜调整公式：

当l'i±ε时，ε前取“-”号，反之则取“+”号，其中，l'i＝(l1i-l3i)/2，单位mm；ε为磁极倾斜度允许误差，单位mm。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：通过测试发电机转子表面倾斜度、转子测圆架与发电机转子上端轴的倾斜度，分别建立了发电机转子放置体系与发电机转子调整操作体系(即理想态)之间的转换矩阵a、测圆架测量体系与发电机转子放置体系之间的转换矩阵b，进而建立了新的发电机转子磁极圆度调整方法和发电机转子磁极倾斜度调整方法。该方法通过对测圆数据的分析，可精确计算发电机转子倾斜状态和测圆架倾斜状态，进而有效的克服发电机转子放置倾斜、测圆架安装倾斜等问题对转子测圆精度的影响，在发电机转子、测圆架放置安装存在误差的情况下，有效矫正该误差，极大的提高了转子测圆精度和调整方法，节省了大量人力物力。

附图说明

图1为本发明中转子测圆示意图。

图2为本发明中转子测圆主要误差示意图。

图3为本发明中转子上表面测量水平度示意图。

图4为本发明中坐标系转换示意图。

图5为本发明中测圆装置结构示意图。

图6为本发明中测圆架倾斜误差测量示意图。

图中：1-发电机转子；2-水平仪；3-发电机上端轴；4-测圆架轴扣；5-测圆架水平梁；6-测圆架倾斜测量臂；7-倾斜上端测量仪；8-倾斜下端测量仪；9-测圆架垂直臂；10-转子测圆上端测量仪；11-转子测圆中段测量仪；12-转子测圆下端测量仪；13-理想态发电机转子；14-理想态发电机上端轴；15-理想态测圆架水平梁；16-磁极；17-测圆架松紧件；18-测圆架底环；19-测圆架旋转部件。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

水轮发电机转子测圆是水电机组安装、检修必须工序，主要是利用在发电机上端轴上安装转子测圆架，在转子测圆架垂直臂对应位置安装测量仪器，进而缓慢推动测圆架旋转，逐个测量转子磁极的相对位置，最终完成转子测圆和磁极倾斜等方面的测量，为磁极圆度调整提供数据支持。一般而言，转子测圆的测量仪器一般为百分表或位移型传感器，其质量极小，对测圆架的影响几乎可以忽略。但是由于发电机转子重量较大，放置时对正调整比较困难，难免存在一定倾斜；另外，测圆架与转子连接安装时也易存在倾斜误差，且难以调整矫正。这些都会导致测圆不准确，为此，本发明提出一种新的水电机组转子测圆装置及其测圆调整计算方法。

本发明实施例中，图1为转子测圆示意图，在转子测圆过程中，从硬件布置上看主要存在转子布置倾斜、转子上端轴与测圆架连接倾斜等两种误差。为此，发明的一种新的水电机组转子测圆及其调整方法中，必须测量这两种误差。图1中，通过布置水平仪2分别在转子1上表面，+x、+y、-x、-y方向四个端点处测量水平度，并在测圆架倾斜测量臂6上设置倾斜上端测量仪7和倾斜下端测量仪8，综合测量测圆架和转子之间的倾斜值；针对转子圆柱面上各个磁极，分别在测圆架垂直臂9上设置转子测圆上端测量仪10、转子测圆中段测量仪11和转子测圆下端测量仪12测量磁极相对位置。

图2显示了转子测圆中，由于转子实际放置时总存在一定倾斜，所以转子实际放置与理想中放置存在差异；由于测圆架与发电机上端轴总存在倾斜关系，所以测圆架实际放置位置与理想位置也存在差异；但是，技术人员在实际调整磁极位置时，是以理想态为标准，即认为上述误差不存在。因此，存在多次调整返工的问题。本发明的主要内容之一，即提供发电机转子放置体系坐标和发电机转子操作体系坐标之间的调整系数a的计算方法。

假定以转子中心线为+z1坐标轴，记转子沿+z1坐标方向的高程的一半为坐标原点0，过坐标原点0，并与+z1坐标轴垂直的平面记为x1y1平面，在该平面上选择过原点0，且互相垂直的直线记为x1坐标轴和y1坐标轴。

图3显示了测量转子上表面水平度的示意图，以水平仪分别在+x1、+y1、-x1、-y1方向四个各取一个部位测量水平度，具体为先测+x方向水平度，分别记为e1x、e2x、e3x、e4x，单位mm/m；再测+y方向水平度，分别记为：e1y、e2y、e3y、e4y，单位mm/m。

则转子上表面+x1方向水平度(单位：mm/m)为：

转子上表面+y1方向水平度(单位：mm/m)为：

假定发电机转子半径为r，则转子+x1方向倾斜高度(单位：mm)为：

ex＝r×ex(3)

转子+y1方向倾斜高度(单位：mm)为：

ey＝r×ey(4)

由公式(3)和(4)可求出最大转子倾斜值(单位：mm)为：

在x1y1表面，最大倾斜方位角β的值(单位：rad)为：

图4显示了发电机转子放置体系坐标系(坐标轴x1、y1和z1)和发电机转子操作体系坐标(坐标轴x2、y2和z2)之间的空间关系。由公式(3)、(4)、(5)及转子半径r，可建立发电机转子放置体系坐标系(坐标轴x1、y1和z1)和发电机转子操作体系坐标(坐标轴x2、y2和z2)之间的关系，即首先以x1坐标轴为旋转中心旋转角度-α(单位：rad)，α计算公式如下：

α＝arcsin(e/1000/r)(7)

在该步旋转操作下，发电机转子放置体系坐标系与发电机转子操作体系坐标系之间的调整系数ax为：

此时坐标轴z1和坐标轴z2重合，然后再以坐标轴z1为旋转中心旋转角度-β，β值可按公式(6)计算，此时+x1方向和+x2方向重合。在该步旋转操作下，发电机转子放置体系坐标系与发电机转子操作体系坐标系之间的调整系数az为：

在公式(8)和公式(9)的基础上可计算发电机转子放置体系坐标系与发电机转子操作体系坐标系之间的调整系数a为：

考虑到α、β非常小，可简化为：

则发电机转子放置体系坐标系中坐标(xx1、yy1、zz1)与该点在发电机转子操作体系的坐标(xx2、yy2、zz2)的转换关系为：

由于转子上表面的理想外圆侧是一个规则的圆形，则外圆圆周上不同位置处的倾斜高度符合正弦曲线波动规律，假定外圆圆周上某点和圆心的连线与+x1方向夹角为(单位，rad)，则该点的倾斜高度(单位，mm)可按下式计算：

假定转子外圆面上布置了n个磁极，假定第一个磁极的中心正好在+x1方向，则每个磁极的倾斜高度ei(单位，mm)为：

图5中的测圆装置，包括测圆架水平梁5，测圆架水平梁5下端中部分别安装测圆架倾斜测量臂6和测圆架垂直臂9，所述测圆架倾斜测量臂5上设置倾斜上端测量仪7和倾斜下端测量仪8，所述测圆架垂直臂9上设置转子测圆上端测量仪10、转子测圆中段测量仪11和转子测圆下端测量仪12，所述测圆架水平梁5下端左侧安装测圆架轴扣4，所述测圆架轴扣4下端固定有发电机上端轴3，发电机上端轴3下端设有发电机转子1，发电机转子1的磁极16上表面布置有若干个水平仪2，显示了测圆架轴扣4主要由测圆架松紧件17、测圆架底环18和测圆架旋转部件19组成。此部分的误差主要是由于测圆架轴扣较难准确固定和调整造成，误差主要有两部分组成，一是由于测圆架松紧件17与测圆架底环18与发电机上端轴3连接时造成的倾斜，该部分倾斜角度将随着测圆架旋转而改变，并呈现出正弦状态；二是由于测圆架旋转部件安装或加工时存在倾斜，该部分倾斜值随着测圆架旋转不发生变化。两种倾斜误差可综合在一起分析，如图6所示。

假定测圆架倾斜上端测量仪7读数为s1i(单位：m)、测圆架倾斜下端测量仪8读数为s2i(单位：m)，测圆架倾斜上端测量仪7和测圆架倾斜下端测量仪8之间的距离记为(单位：m)，i表示测圆架工作中在每一块磁极中心线均会停下测量。则测圆架在测量过程中，由测圆架倾斜上端测量仪7和测圆架倾斜下端测量仪8读数差异所反映出来的测圆架倾斜角度θi(发电机转子坐标系+z1方向与测圆架测量体系坐标+z3之间的夹角，单位：rad)可有按下式计算：

由于测圆架子在工作过程中的倾斜值符合正弦规律，即数据s1i-s2i符合正弦规律(i＝1,2,…,n)，最大正弦波值假定为smax(单位：m)，则最大倾斜值在x1y1平面的投影的方位角ω可经以下步骤计算：

记数据s1i-s2i为si，其最大值为simax(单位：m)，对应的点i记为imax，其后一点imax+1的倾斜值为simax+1，则由正弦特性公式(14)和公式(15)成立：

令则公式(17)两端分别除以公式(16)的两端，可得下式：

由于n为磁极数，为已知量，则公式(18)可进一步化简为：

则角度c(单位：rad)可由下式计算：

最大倾斜值在x1y1平面的投影的方位角ω(单位：rad)可按下式计算：

由公式(15)和公式(21)可知，在测圆架工作过程中，在每一个磁极中心线处开始测量时，由于误差的存在，先以x3坐标为中心，旋转-θi角，使+z3方向和+z1方向重合，再以z3坐标为中心，旋转-ω角，使+x3和+x1方向重合，进而将测圆架测量体系坐标(x3、y3和z3)与发电机转子放置体系坐标系(x1、y1和z1)重合，调整计算系数bi与公式(10)类似，只不过针对每个磁极所测数据，θi角(单位：rad)是变换的。

考虑到θi和ω非常小，可简化为：

则测圆架测量体系坐标系的某点坐标(xx3、yy3、zz3)与该点在发电机转子放置体系坐标系中坐标(xx1、yy1、zz1)的转换关系为：

由于测圆架测量体系坐标系与发电机转子放置体系坐标系有偏差，所以每次测量磁极中心线上、中、下三点偏移值时，该三点与测圆架测量体系坐标系对应的转子测圆上端测量仪、中段测量仪、下端测量仪对应位置不仅不重合，甚至都不在一条直线上。为此，假定每次移动测圆架进行转子测圆时，中段测量仪与磁极中心线重合。

记转子测圆上端测量仪10读数为l1i(单位：mm)，转子测圆中段测量仪11读数为l2i(单位：mm)，转子测圆下端测量仪12读数为l3i(单位：mm)，转子测圆上端测量仪(10)与转子测圆中段测量仪11读数之间的距离和转子测圆中段测量仪11与转子测圆下端测量仪12读数之间的距离相等，记为l(单位：mm)。实际中，由于测圆架垂直臂的倾斜，会造成测量仪测量数据比实际数据略大(如图6所示)，但是考虑到测量仪距离被侧面特别近，倾斜夹角又特别小，该极小的误差可忽略。

假定发电机转子放置体系坐标系、发电机转子操作体系坐标系和测圆架测量体系坐标系原点重合，均为(0,0,0)。则在已知l1i、l2i、l3i以及每个i点对应的角度由于水轮机发电机转子直径d一般较大，磁极表面弧度相对较小，且测圆架测量体系坐标系倾斜也较小，可近似认为转子测圆上端测量仪10、转子测圆中段测量仪11和转子测圆下端测量仪所测的3点处于磁极表面上，且该表面为平面，即近似认为转子测圆上端测量仪10读数l1i(单位：mm)，转子测圆中段测量仪11读数l2i(单位：mm)，转子测圆下端测量仪12读数l3i(单位：mm)即为磁极表面中心线上、中、下三个测点的数据。

假定发电机转子半径为r，则每个磁极中段测点处所对应的转子实测半径ri(单位：mm)可按下式计算：

ri＝r+l2i(25)

假定圆度误差在±δ之内符合转子测圆要求，当|l2i|＞δ时，针对第i个应进行调整，调整计算方法如下：

当l2i＞δ时，

当l2i＜-δ时，

进而可根据公式(23)计算在发电机转子放置体系坐标系下的调整值：

公式(28)中，当l2i＞δ时，δ前取“-”号，反之则取“+”号。进而可根据公式(11)和公式(28)，计算在理想状态下，发电机转子圆度调整值：

公式(29)实际计算方法如下：

则针对理想状态下的发电机转子各磁极，可按照公式(30)和(31)分别在原有基础上调整其x、y方向大小。考虑到α、β、θi和ω非常小，则对公式(30)和(31)可做如下简化：

针对发电机转子磁极倾斜问题，仍假设转子测圆上端测量仪10、转子测圆中段测量仪11和转子测圆下端测量仪所测的3点处于磁极表面上，且该表面为平面，即近似认为转子测圆上端测量仪10读数l1i，转子测圆中段测量仪11读数l2i，转子测圆下端测量仪12读数l3i即为磁极表面中心线上、中、下三个测点的数据。则可对转子测圆架测量体系坐标系下，磁极倾斜问题做如下分析：当l1i＝l3i时，测圆架上端测量仪读数与下端测量仪读数相等，则第i个磁极没有倾斜，不需要作调整。在实际调整中，由于难以确定l1i和l3i绝对相等，故设置一个误差范围±ε,单位：mm；当|l1i-l3i|/2＜ε时，磁极不需要做调整。

令l'i＝(l1i-l3i)/2，单位：mm；当|l1i-l3i|/2＞ε时，发电机转子上端测量处应调整量的计算方法与公式(30)和(31)类似，

则针对理想状态下的发电机转子各磁极，可按照公式(35)和(36)分别在上端测量点处调整其+x、+y方向偏差大小。考虑到α、β、θi和ω非常小，则对公式(35)和(36)可做如下简化：

公式(35)～(39)中，当l'i±ε时，ε前取“-”号，反之则取“+”号,单位：mm。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。