一种低速大功率水力测功器转子静平衡工艺试验*

宋月杰，邓鹏远

(1.哈尔滨广瀚新能动力有限公司，黑龙江 哈尔滨 150078；2.中国船舶集团有限公司第七○三研究所，黑龙江 哈尔滨 150078)

0 引 言

水力测功器是指通过介质水令旋转中的转子产生摩擦力矩来吸收和传递原动机输出功率的装置。水力测功器一般按照工作转速可分为低速、中速和高速三种，其中低速水力测功器最高吸收功率一般可达100MW级别。在工业生产中，低速大功率水力测功器作为有效负载及功率测量装置，通常为柴油机、汽轮机、燃气轮机、推进电机等不同类型动力设备的生产制造提供了有力保障。该等级水力测功器的制造技术过去一直掌握在英国Froude、日本Fuchino等少数国外企业手中，其产品价格及售后服务成本较高。近年来国内相关企业投入大量资源进行研发攻关，目前已经开始有能力生产制造该等级的测功器，但国内在该领域的相关技术标准还没有出台，考虑到其零部件的特性及工艺要求，其生产制造尚需借鉴其他行业成熟的相关技术标准。低速大功率水力测功器机械本体一般由转子、定子、壳体、底座等部件组成，这些部件中转子作为测功器吸收和传递功率的关键部件，其加工制造水平极大影响着测功器的质量和运行效果。

该类测功器转子一般通过铸造的方式获得，其直径通常在1 m以上，而作为一种大型铸造件，考虑到铸造精度、加工情况等因素，组装前有必要进行平衡试验。一般来说，平衡法的选择需要参考转子尺寸比b/D，其中b代表转子厚度、D代表转子直径，通常盘状转子厚度与直径比小于0.2，即b/D值小于0.2，则转子只需进行静平衡即可[1]。

低速大功率水力测功器其转子的尺寸比b/D值一般都要小于0.2，即只需要进行静平衡即可。但是国内目前并没有相应专业的静平衡技术标准以供参考，考虑到其结构形式、工作方式等与常用汽轮机旋转部件较为相似，所以笔者将主要介绍参照《JBT 3329-2016 汽轮机旋转零部件 静平衡》这一技术标准对测功器转子进行静平衡试验的工艺方法。

1 工艺方法

文中以哈尔滨广瀚新能动力有限公司设计生产的某型水力测功器为例，经计算其转子b/D值实际为0.15，要小于0.2，故只需对该测功器转子进行静平衡即可。

在测功器转子进入最后组装工序前，将其依次放置到静平衡设备中。这里的静平衡设备主要包括支撑基座、心轴、高精度轴承、专用转接板等。然后参照《JBT 3329-2016 汽轮机旋转零部件 静平衡》这一技术标准进行测功器转子静平衡试验。根据该标准要求，静平衡试验方法一般采用质心平衡法，即将放置在设备中的转子来回摆动，当其自然静止时，在半径为r的转子圆周最上方做好标记，并在该处试加质量。该步骤反复多次，直至转子在任意角度都能够自然静止，然后采用去除质量法，在相应标记处钻孔或者按照图纸设计位置磨削去相应质量即可。最后需要检验该转子最终状态下的实际剩余不平衡量，并与许用不平衡量进行比较。

具体检验方法为在转子校正平面中以转子半径r为半径的圆周上随机进行八等分，并做好标记，然后将这八个标记点按顺序静止在水平位置，按照专用砝码质量从小到大的顺序将砝码依次固定在标记点上，如图1所示。当测功器转子刚刚能够开始自动转动时增加的砝码总质量即为要测量的实际不平衡质量[2]。在8个标记点反复进行该步骤，最终会得到8组实际不平衡质量数据。

图1 静平衡设备示意图

将得到的这8组数据通过Origin软件进行曲线拟合，即能得到一条近似正弦曲线的平滑曲线，如图2所示。

图2 拟合曲线

从图中可以得到该转子的最大不平衡质量mmax即图中曲线的最高点处数值和最小不平衡质量mmin即图中曲线的最低点处数值，则该转子的剩余不平衡质量m即可通过计算公式(1)计算得出，计算公式如下：

(1)

式中：m表示转子剩余不平衡质量，kg；r为转子半径，m。

测功器通常采用不平衡量这一参数来衡量转子静平衡，不平衡量可通过公式(2)由不平衡质量换算得到，换算公式如下：

Ures=m×r

(2)

式中：Ures表示转子剩余不平衡量，kg·m。

通过计算结果得出该转子的实际剩余不平衡量为0.142 kg·m，要小于测功器转子许用不平衡量Uper(该测功器要求的许用不平衡量为0.144 kg·m)，说明该转子静平衡合格。许用不平衡量计算方法详见《GB/T 9239.1-2006 机械振动 恒态(刚性)转子平衡品质要求 第1部分：规范与平衡允差的检验》[3]。其余三件转子重复该工艺方法进行静平衡试验，试验结果同样显示转子静平衡均为合格。

2 总结与展望

在后期测功器状态跟踪中，该测功器分别配合柴油机、汽轮机等不同类型原动机完成了超过2000 h的运行试验，跟踪期间测功器运行稳定、功率测量准确，且振动表现良好。综上所述，参照《JB/T 3329-2016 汽轮机旋转零部件 静平衡》这一技术标准对指导低速大功率水力测功器转子静平衡工艺具有一定的适用性。

此外，在静平衡试验过程中也发现，因该类测功器转子外形尺寸及自身重量一般都比较大，这也在一定程度上加大了试验的难度。为进一步提升低速大功率水力测功器转子的运行效果，还可以通过提高转子的铸造精度、最大限度对转子外表面进行机加工处理、提高静平衡设备中使用的轴承精度，以及定期更换新轴承来保证轴承灵敏转动等处理手段来有效地提高低速大功率水力测功器转子静平衡的精度。

当前国内制造业对原动机测试设备的需求将进一步增大，尤其是船舶及航空领域，自主研制的低速大功率水力测功器市场前景广阔。