1000MW水輪機模型轉(zhuǎn)輪葉片應力場測試技術(shù)研究

徐用良，劉文杰，趙景芬，王洪杰（1. 水力發(fā)電設備國家重點實驗室，哈爾濱 150040；2. 哈爾濱電機廠有限責任公司，哈爾濱 150040；. 哈爾濱工業(yè)大學，哈爾濱 150001）

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1000MW水輪機模型轉(zhuǎn)輪葉片應力場測試技術(shù)研究

徐用良1,2,3，劉文杰1,2，趙景芬1,2，王洪杰3
（1. 水力發(fā)電設備國家重點實驗室，哈爾濱 150040；2. 哈爾濱電機廠有限責任公司，哈爾濱 150040；3. 哈爾濱工業(yè)大學，哈爾濱 150001）

[摘要]本文研究的主要內(nèi)容是使用最佳的信號處理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、遙感數(shù)據(jù)發(fā)射和接收系統(tǒng)、感應供電系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，監(jiān)測水輪機模型轉(zhuǎn)輪葉片表面應力場變化。模型試驗在不同單位轉(zhuǎn)速、導葉開口、試驗水頭等工況條件下進行，得到了模型轉(zhuǎn)輪葉片應力隨著測點位置、導葉開度、試驗水頭的變化規(guī)律。一方面可以在數(shù)據(jù)趨勢上驗證理論分析正確性；另一方面可以對葉片表面應力有定量的認識。基于水輪機模型轉(zhuǎn)輪葉片應力場的試驗結(jié)果，可以建立研究葉片裂紋產(chǎn)生原理和邊界條件的理論模型，進而對葉片裂紋產(chǎn)生的理論模型和計算機仿真結(jié)果進行修正和驗證，為1000MW水輪機穩(wěn)定性設計提供理論依據(jù)和試驗依據(jù)。

[關(guān)鍵詞]水輪發(fā)電機；遙感技術(shù)；模型轉(zhuǎn)輪葉片；應力場；測試技術(shù)

0　引言

隨著水電機組單機容量的提高，水輪機轉(zhuǎn)輪葉片頻繁出現(xiàn)裂紋，給水電站安全穩(wěn)定運行帶來極大的威脅。水輪機設計不僅要注重性能參數(shù)的研究，更要注重水力穩(wěn)定性的研究。目前，普遍認為水輪機運行過程中葉片的應力變化和壓力脈動是造成葉片裂紋的重要原因，但始終缺乏直接的測量方法對葉片應力場進行測量，只能通過計算和定性分析的方式對現(xiàn)有的葉片裂紋問題進行分析和解決[1]。在葉片設計過程中，盡管可以通過數(shù)學建模和CFD仿真的方式進行葉片的優(yōu)化設計，使其在使用過程中盡量避免產(chǎn)生裂紋[2]。由于這種理論分析和仿真的方法受初始條件的影響較大，加之分析和仿真過程中各種狀態(tài)變量的設置不完全與實際工況相同，最終可能導致分析和仿真得到的結(jié)果與實際工況相差較大，仍然會導致葉片在使用過程中產(chǎn)生裂紋或工作在不穩(wěn)定工況下[3]。

本文研究的主要內(nèi)容是使用遙測技術(shù)和感應供電技術(shù)，監(jiān)測水輪機模型轉(zhuǎn)輪葉片表面應力場變化。一方面可以在數(shù)據(jù)趨勢上驗證理論分析正確性；另一方面可以對葉片表面應力有定量的認識?；谒啓C模型轉(zhuǎn)輪葉片應力場的試驗數(shù)據(jù)，可以建立研究葉片裂紋產(chǎn)生原理和邊界條件的理論模型，進而對葉片裂紋產(chǎn)生的理論模型和計算機仿真結(jié)果進行修正和驗證，為1000MW水輪機穩(wěn)定性設計提供理論依據(jù)和試驗依據(jù)。

1　系統(tǒng)構(gòu)架

本項目的試驗系統(tǒng)從物理結(jié)構(gòu)上共分為發(fā)射機系統(tǒng)、接收機系統(tǒng)和感應供電系統(tǒng)三個部分。其中，發(fā)射機包含信號處理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、遙測數(shù)據(jù)發(fā)射系統(tǒng)3個主要部分；接受機包含遙測數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)、數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊、信號處理系統(tǒng)3個主要部分；感應供電系統(tǒng)包含激勵器、初級補償電路、感應供電變壓器、次級補償電路、次級變換器和直流穩(wěn)壓電源6個主要部分。

16個應力測量通道分別測量水輪機模型轉(zhuǎn)輪葉片的表面應力場。通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將信號數(shù)字化后，采用無線通信的方式將數(shù)據(jù)發(fā)送給接收機系統(tǒng)，再由接收機系統(tǒng)的數(shù)模轉(zhuǎn)換系統(tǒng)和信號處理系統(tǒng)將信號還原為模擬信號。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將接收機系統(tǒng)輸出的模擬信號再次數(shù)字化，由計算機軟件完成數(shù)據(jù)處理和分析。發(fā)射機系統(tǒng)和接收機系統(tǒng)中使用了FPGA作為控制器，實現(xiàn)了多通道測量的并行控制和數(shù)據(jù)處理，并且實現(xiàn)了高速率的基帶編碼和解碼器，使用了2FSK的信道調(diào)制方式，信噪比高，通信穩(wěn)定可靠。圖1為試驗系統(tǒng)示意圖。

2　各系統(tǒng)的主要技術(shù)指標及要求

2.1葉片動態(tài)應力測試系統(tǒng)

（1）完成16通道應力信號的調(diào)理、采集和量化；（2）感應式供電；（3）獨立完成應力信號的實時顯示和實時分析；（4）實現(xiàn)100～200m寬帶傳輸。

2.2數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

（1）采樣率：250KHz；（2）模擬通道：32路；（3）輸入電壓范圍：+10V～10V；（4）分辨率：16bit；（5）輸入量程：4檔；（6）開關(guān)量IO：48通道；（7）模擬輸出：2路。

圖1　試驗系統(tǒng)示意圖

2.3遙測數(shù)據(jù)收發(fā)系統(tǒng)

（1）數(shù)據(jù)通道：16路；（2）帶寬：8MHz；（3）遙測距離：0.1～0.5m；（4）數(shù)據(jù)格式：PCM；（5）發(fā)射功率：5dbm；（6）接收靈敏度：-80dbm。

2.4感應供電系統(tǒng)

（1）激勵器功率：80W；（2）傳輸功率：不小于2W；（3）連續(xù)工作時間：5000h以上；（4）工作溫度：0℃～70℃；（5）供電電壓：交流220VAC。

2.5數(shù)據(jù)的采集和顯示

本遙測系統(tǒng)既可以與水輪機模型試驗臺測試系統(tǒng)進行實時數(shù)據(jù)交換，又可以離線獨立完成對所測量信號進行實時采集和顯示。

3　應變片的布置

從現(xiàn)有的統(tǒng)計資料來看，除去明顯因材料原因引起的轉(zhuǎn)輪葉片裂紋外，水輪機轉(zhuǎn)輪葉片裂紋絕大多數(shù)都是在葉片背（負壓）面靠近上冠或下環(huán)處的出水邊處發(fā)生的。因此，模型轉(zhuǎn)輪葉片背（負壓）面靠近上冠或下環(huán)處的出水邊被選作動態(tài)應力的主要測量點。

應變片的布置情況如圖2所示。在被試葉片正（壓力）、背（負壓）面上對稱布置了8對，共16只應變片。所有16只應變片都布置在靠近出水邊側(cè)，在靠近上冠處布置了3對應變片，在靠近下環(huán)處布置了3對應變片，在靠近上冠處沿出水邊方向布置了2對應變片。

4　應力場模型試驗

葉片應力場模型試驗在水力發(fā)電設備國家重點實驗室水力試驗四臺進行。模型裝置以及試驗的主要參數(shù)如下：模型轉(zhuǎn)輪直徑D1=0.420m，轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)15個，最優(yōu)開口A0=19mm，最優(yōu)單位轉(zhuǎn)速n11=66r/min，單通道采樣2K/s，信號傳輸方式采用無線傳輸。

首先，給定試驗水頭Hm=8m，在導葉開口為A0=8mm，14mm，18mm和22mm時，分別在n11=58.8r/min，63.5r/min，75r/min和85r/min四個不同單位轉(zhuǎn)速下進行試驗，試驗范圍能涵蓋整個電站正常運行范圍。從而可以得到：在不同導葉開口和不同單位轉(zhuǎn)速下，葉片表面應力隨測點的分布規(guī)律；以及在不同測點和不同單位轉(zhuǎn)速下，葉片表面動態(tài)應力隨導葉開口的分布規(guī)律。

5　試驗結(jié)果分析

水輪機轉(zhuǎn)輪葉片靜態(tài)應力反應了水輪機所受靜態(tài)平均應力水平，由單位應力S11表示靜態(tài)應力。葉片在應力作用下，會產(chǎn)生應變，用ε表示應變，通過應變儀測量得到；E表示材料的彈性模型，通過查相關(guān)手冊得到，葉片所受應力σ=εE（MPa），靜態(tài)單位應力定義為：S11=σ/H。同樣，轉(zhuǎn)輪葉片動態(tài)應力Δσ=ΔεE （MPa），動態(tài)單位應力定義為：S11=Δσ/H。

5.1葉片表面應力隨測點位置的分布規(guī)律

圖3為模型轉(zhuǎn)輪葉片在不同導葉開口和不同單位轉(zhuǎn)速下，正（背）面靜態(tài)應力隨測點的分布情況。試驗結(jié)果表明：

（1）葉片正面靜態(tài)應力一般比葉片背面的靜態(tài)應力大，正面靜態(tài)應力隨測點變化較大，而背面靜態(tài)應力隨測點變化很??；

（2）對于同一個導葉開度的不同單位轉(zhuǎn)速，葉片正、背面靜態(tài)應力隨測點變化規(guī)律基本上是一致的；

（3）最大靜態(tài)應力一般發(fā)生在葉片正面靠近上冠(測點1-1)和下環(huán)出水邊(測點1-5)處；

（4）對于大流量或出力工況，最大應力發(fā)生在上冠出水邊處和下環(huán)中部(測點1-7)。

在基層獸醫(yī)實驗室建設中，相關(guān)人員要做好實驗室的管理工作，在人員配備上要對上崗人員進行專業(yè)知識的培訓。保證工作人員具備一定科學性的實驗操作。另外，實驗中要時刻注意實驗操作的規(guī)范性和科學性，提升實驗人員的安全意識，發(fā)揮好基層獸醫(yī)實驗室檢驗水平，確?；鶎荧F醫(yī)實驗室在保證肉食安全方面的作用。

圖3　葉片正（背）面靜態(tài)應力隨測點位置分布規(guī)律

圖4為模型轉(zhuǎn)輪葉片在不同導葉開口和不同單位轉(zhuǎn)速下，正（背）面動態(tài)應力隨測點的分布情況。試驗結(jié)果表明：

（1）大多數(shù)情況下，葉片正面和背面所受單位動態(tài)應力大小相差不大；

（2）葉片正面最大動態(tài)應力一般發(fā)生在葉片靠近上冠出水邊處（測點1-2和1-3）；

（3）葉片背面最大動態(tài)應力一般發(fā)生在葉片靠近下環(huán)出水邊處（測點2-6和2-7）。

圖4　葉片正（背）面動態(tài)應力隨測點位置分布規(guī)律

5.2葉片表面應力隨導葉開口的變化規(guī)律

圖5為葉片上冠和下環(huán)的兩對不同測點位置，在不同單位轉(zhuǎn)速下，靜態(tài)應力隨導葉開口的變化規(guī)律。圖5（a）和圖5（b）分別對應葉片出水邊靠近上冠處的正、背面靜態(tài)應力試驗結(jié)果；圖5（c）和圖5（d）分別對應葉片出水邊靠近下環(huán)處的正、背面靜態(tài)應力試驗結(jié)果。

圖5　葉片正（背）面靜態(tài)應力隨導葉開口的分布規(guī)律

從試驗結(jié)果，可以看出：

（1）對于同一測點位置，在不同的單位轉(zhuǎn)速下，葉片表面靜態(tài)應力隨導葉開度的變化規(guī)律基本上是一致的，而且量級上也是相當?shù)模?/p>

（3）在葉片出口靠近下環(huán)處，葉片正面所受靜態(tài)應力隨導葉開口增大而增大，葉片背面所受靜態(tài)應力隨導葉開口的增加先減小后增大。

圖6　葉片正（背）面靜態(tài)應力隨導葉開口的分布規(guī)律

試驗結(jié)果表明:

（1）葉片上冠靠出水邊的正、背面處（測點1-1和測點2-1）動態(tài)應力相當，且隨著導葉開度的增加，動態(tài)應力基本上不變，很高在高水頭小開度工況。

（2）葉片下環(huán)靠出水邊的背面（測點2-6）比正面（測點1-6）處的動態(tài)應力偏高，且隨著導葉開度的增加，正面動態(tài)應力變化不大。

（3）葉片上冠靠出水邊的正面（測點1-1）、背面（測點2-1）以及葉片下環(huán)靠近出水邊的正面（測點1-6）處，在不同單位轉(zhuǎn)速下，動態(tài)應力隨導葉開口的變化是一致的；而葉片下環(huán)靠出水邊的背面（測點2-6）動態(tài)應力在不同單位轉(zhuǎn)速下動態(tài)應力不同，且在高單位轉(zhuǎn)速（對應低水頭）時動態(tài)應力會先增加后減小。

6　結(jié)論

本文采用發(fā)射機系統(tǒng)、接收機系統(tǒng)和感應供電系統(tǒng)等先進技術(shù)，根據(jù)轉(zhuǎn)輪葉片工作時的特性，選取最佳遙測數(shù)據(jù)發(fā)射與接收器、信號處理和數(shù)據(jù)采集設備等，實現(xiàn)了對1000MW模型轉(zhuǎn)輪葉片應力場測試工作，并得到了如下結(jié)果：

（1）對于轉(zhuǎn)輪葉片應力場測量，本文研究的技術(shù)路線以及測量方法是可行的，測試數(shù)據(jù)能反映出各測點應力的分布規(guī)律和變化趨勢。

（2）靜態(tài)應力測試結(jié)果顯示：

①葉片正面靜態(tài)應力一般比葉片背面的靜態(tài)應力大；

②最大靜態(tài)應力一般發(fā)生在葉片正面靠近上冠(測點1-1)和下環(huán)出水邊處(測點1-5)；

③大出力工況，最大應力發(fā)生在上冠出水邊處和下環(huán)中部處(測點1-7) ；

（3）動態(tài)應力測試結(jié)果顯示：

①動態(tài)應力基本上不隨導葉開度的變化而變化；

②葉片正面最大動態(tài)應力發(fā)生在靠近上冠出水邊處(測點1-2和1-3)；

③葉片背面最大動態(tài)應力發(fā)生在靠近下環(huán)出水邊處(測點2-6和2-7)。

[參 考 文 獻]

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徐用良（1983-），2006年畢業(yè)華中科技大學能源與動力工程學院，現(xiàn)從事水力機械測試工作，工程師。

審稿人：趙越

Testing Technique Research of Blade Stress Field Research Based on 1000MW Model Turbine Runner

XU Yongliang1,2,3, LIU Wenjie1,2, ZHAO Jingfen1,2, WANG Hongjie3
(1. State Key Laboratory of Hydro-power Equipment, Harbin 150040, China; 2. Harbin Electric Machinery Company Limited, Harbin 150040, China; 3. Harbin Institute of Technology, Harbin 150040, China)

Abstract:In this paper, according to the most optimal signal process system, data acquisition system, data launch and receive of remote sensing system, induction powered system and data processing system, the stress field of model turbine blades are monitored. Model tests are performed at different unit speed, guide vane opening and test head. And the stress varieties on the blades along with measuring points, guide vane opening and test head are obtained. On one hand, the theoretical analysis can be verified from the test results tendency; on the other hand, the stress on the blades can be understood quantitatively. Based on the model test data of stress field on runner blade, the theoretical model can be established to study the principle and boundary condition to form blade crack. Furthermore, the theoretical model and computer simulation results of blade crack can be corrected and verified. Thus, it can provide the theoretical and testing foundation for 1000MW turbine steady design.

Key words:turbine generator; remote sensing technique; model runner blade; stress field; testing technique

[作者簡介]

[收稿日期]2014-11-11

[中圖分類號]TK730.3+23

[文獻標識碼]A

[文章編號]1000-3983(2016)01-0044-06