水輪機轉輪室圓度檢測系統設計

郝用興，馮梅玲，周 洋，范素香

(華北水利水電大學機械學院，河南鄭州450045)

0 引 言

水輪機是水電能源開發利用的重要設備，其磨損及空蝕問題在多泥沙工作環境中普遍存在。轉輪室是水輪機組的關鍵部件，轉輪室內表面在磨損及空蝕的共同作用下，其金屬內表面的破壞速度劇烈加快，這種由磨損與空蝕的相互促進形成的共同作用通常被稱為磨蝕作用[1-2]。在磨蝕作用下，金屬表面不斷形成裂縫甚至發生金屬剝落，進而產生大量蜂窩狀孔洞，轉輪室型面發生變化，轉輪和轉輪室配合間隙增大。

水輪機的安全運行和水力資源的充分利用是建立在對轉輪和轉輪室型面的精確構型與相互匹配的基礎上的。對于全球型結構的水輪機轉輪室來說，為保證檢修后水輪機對于水力資源的充分利用以及降低泥沙的磨蝕作用，必須保證轉輪室和轉輪體在檢修后能夠恢復建造完成初裝時的幾何形狀和間隙值，因此，轉輪室型面的修復在機組檢修過程中具有極為重要的作用。為了提高對轉輪室表面的修補精度，需要進行針對表面金屬磨損量的測量計算。

傳統測圓裝置與方法側重于依靠人工經驗、裝置簡陋，為了保證檢修后轉輪與轉輪室之間不發生碰撞或磨損，通常會提高轉輪與轉輪室間隙值比設計間隙值增大[3]，這樣做的后果一方面會造成水資源的極大浪費，另一方面是會造成水流在流過間隙時會產生漩渦加劇磨蝕作用。

以大型水輪機轉輪室金屬表面的檢測作為研究對象，通過借鑒傳統檢測裝置機械結構，并利用最新相關的機械設計技術、機械測量技術、傳感器技術以及三維幾何數據點陣形狀重構技術等，設計一個針對轉輪室型面并具有高精度和較強實用性的檢測系統[4- 6]具有重要意義。

為保證間隙值在規定范圍，克服轉輪室表面修補精度低的問題，本研究通過利用SolidWorks軟件建立檢測裝置的三維實體模型，并在ANSYS Workbench有限元軟件中進行靜力分析和模態分析，獲得裝置的變形和等效應力以及裝置的前6階固有頻率和振型，在此基礎上分析裝置的剛度、強度以及穩定性[7- 8]，籍此保證測圓裝置的實際工作尺寸精度和動態穩定性滿足要求。

1 檢測系統設計

1.1 檢測系統設計

該檢測系統的目的是針對水輪機組檢修前和檢修后的轉輪室內表面的圓度測量工藝設計的。轉輪室圓度檢測過程步驟為：①按照設計安裝檢測系統；②利用檢測裝置的上下求心器，調整檢測裝置的水平度，并調整檢測裝置中心線與轉輪室中心線重合；③調整滑軌裝置，使兩端測量樣板到轉輪室的中心距離保持相等；④啟動上位機和各路激光傳感器，采集數據；⑤處理數據，依據設計中轉輪室型面到轉輪室中心的距離，計算出轉輪室金屬表面的損壞程度。

水輪機轉輪室型面圓度檢測裝置結構如圖1所示，主要由空心主軸、轉動支架軸、上下求心器、箱型架、轉動支架、豎向支撐架、滑軌裝置及測量樣板等組成。

圖1 水輪機轉輪室圓度檢測裝置結構示意

1.1.1 系統設計要求

機組檢修要求最大程度上實現轉輪和轉輪室的還原，由于機組檢修是在現場進行的，施工條件惡劣，所以所設計的系統能夠實現轉輪室型面檢測應滿足的條件為：在進行測量時裝置轉動平穩；裝置的旋轉軸線與轉輪室中心線相重合；各機構運轉穩定，形變量小；系統測量精度達到0.2 mm。

1.1.2 系統設計中考慮的因素

由于現場檢修中振動強烈，所以在設計中不僅要考慮測量精確度以及系統自身的校核基準，也要考慮振動對測量精度和校核基準的影響。并由于希望該裝置能夠適應不同型號的機組的轉輪室，因此在傳統檢測裝置的基礎上，采用能夠增強穩定性和操作安全性的雙邊對稱結構。

1.2 機構設計

1.2.1 上求心器和下求心器

檢測裝置的中心調整和水平調整都需要利用求心器，求心器的精度包括水平精度和中心精度兩部分。水平精度低會導致傳感器的輸入參數誤差過大，影響最終圓度計算；中心精度低會導致裝置中心線與轉輪室中心線不重合以及裝置兩端的測量樣板不對稱，使測量樣板兩端分布的傳感器所測得的數據之間存在差異，導致測量誤差過大。因此求心器的精度對于最終檢測結果的誤差至關重要。轉輪室圓度檢測機構采用上求心器和下求心器結合以保證轉輪室圓度檢測裝置的精度。上下求心器均采取三層可調雙燕尾導軌結構，為了進行水平調整，在底層采用螺紋頂絲結構；為了進行中心調整，中間層與上層采取絲杠螺母傳動，并利用楔形條消除間隙誤差。

1.2.2 支撐部分

轉輪室圓度檢測機構的支撐部分由空心主軸、轉動支架軸、箱型架、轉動支架和豎向支撐架組成，上下求心器分別設在空心主軸的頂部和底部，主軸穿過箱型架，并且其外表面連有中空的轉動支架軸，在轉動支架軸上連接的轉動支架兩側對稱的安裝豎向支撐架。整個裝置的支撐部分采用對稱結構以增強裝置的抗振能力，保證測量過程的穩定性，提高測量精度和操作安全性。

1.2.3 滑軌裝置和測量樣板

在檢測機構的設計過程中，考慮到不同型號機組的轉輪室內部型面不同，為了提高檢測系統的適應能力，將測量樣板的調整裝置設計為線性滑軌。滑軌分為上下兩部分，可用來進行測量樣板的豎向調整，且上下滑軌上均安裝半徑調整裝置，可以實現測量樣板的徑向調整。線性滑軌的主要工作是調整測量樣板的徑向和豎向，同時支撐測量樣板，這就要求滑軌裝置具有足夠的剛度、定位精度和負載能力。所采用的HIWIN直線導軌HG系列線性滑軌能夠滿足系統要求。

測量樣板采用剛度大且質量小的高強度硬鋁(LY12)材料，樣板外側形狀采用與轉輪室內部型線一致的弧形凸口，在凸口上安裝激光距離傳感器，以檢測傳感器到轉輪室內部型面的距離。滑軌裝置與測量樣板相連處設計成腰型槽結構，測量時通過調整線性滑軌使測量樣板關于裝置中心線對稱，消除微小形變導致的系統誤差。

1.2.4 數據采集和處理結構

數據采集與處理結構由角度傳感器、激光距離傳感器、數據采集模塊和上位機等組成。傳感器包括長距傳感器和短距傳感器2種。采用長距傳感器測得測量樣板到裝置中心線的距離，作為滑軌調節測量樣板的校核基準。采用短距傳感器測得轉輪室表面到傳感器的水平距離，該距離與傳感器到轉輪室標準型線的距離之差即為轉輪室表面磨損高度。該系統對轉輪室的圓度檢測是一種非接觸式的高精度測量技術。

由于檢測系統采用激光距離傳感器進行測量，為保證數據采集，轉動測量時應保持較低轉速。檢測數據經過計算機處理，計算出金屬表面的磨損程度，確定修補措施。

2 靜力分析

轉輪室測圓裝置結構復雜，利用SolidWorks軟件建立機構的實體結構模型，具體結構如圖2所示，把模型在SolidWorks中轉換成x_t(.x_t)文件格式，導入ANSYS Workbench有限元分析軟件中。該裝置幾何拓撲模型大而復雜，采用四面體單元對裝置幾何模型進行網格劃分，得到裝置網格單元總數為62 274個，節點單元數為122 848個。考慮到裝置的經濟實用性以及現場工作環境，裝置結構選取高強度鋼。因此，模型的單元材料選取structure steel，彈性模量為2.1×105MPa，泊松比0.3，材料密度為7.85×106。裝置有限元網格劃分結果如圖3所示。

圖2 轉輪室圓度檢測裝置模型

圖3 轉輪室圓度檢測裝置有限元網格模型

該裝置在工作中受到向下的重力作用，由于轉動緩慢，沿徑向向外的離心力忽略不記。根據受力情況，進行靜力分析時在裝置模型上施加向下的重力加速度，檢驗裝置在重力作用下的反應。在裝置的箱型架兩端施加固定約束。

在ANSYS Workbench有限元軟件中直接加載計算，模型進行計算后處理，得到如圖4所示的裝置變形示意，如圖5所示的應力分布示意。

圖4 整體結構變形示意(單位：m)

圖5 總體應力分布示意(單位：m)

根據仿真結果可知，裝置在正常工作時的形變主要集中在箱型架上，其最大變形量為1.572 8 mm。等效應力最大值為92.017 MPa。根據相關資料查得高強度鋼的許用應力大于這個應力值，而整個裝置其他部分的等效應力都較低，因此裝置材料選用高強度鋼符合設計強度要求。

3 模態分析

因為裝置的靜力分析只能反應它在靜載荷下裝置抵抗變形的能力。但是，機組檢修現場振動強烈，振動問題是裝置設計必須考慮的問題。當裝置工作時產生的振幅超出了允許的范圍時，將導致測量數據不精確，影響檢修結果，嚴重時，將使裝置不能正常工作，因此，需要分析裝置的振動特性即求解裝置的固有頻率和振型。通過裝置的模態分析，得到裝置各階振型的特點，評估裝置的動態特性。模態分析一般步驟為：輸入材料特性—創建模型—定義接觸—劃分網格—施加載荷和約束—求解—查看固有頻率—振型結果。運用ANSYS Workbench有限元分析軟件進行裝置模態分析，分析結果如表1所示。

表1 裝置固有頻率及振型

通過對裝置模型的模態分析，表明：裝置的前三階模態形式相對比較簡單，主要是裝置繞Y軸轉動和上下擺動。隨著階數增高，裝置的動態特性變得復雜，振型主要為局部的翹曲、轉動和擺動等。其最大變形位置在測量樣板，但是裝置整體的變形很小，因此具有較好的動態特性。

4 結 語

設計了一個具有高強度和剛度的現場修復測圓裝置，通過對裝置模型的有限元分析可以看出裝置具有較好的靜態特性和動態特性。結合三門峽水電站檢修項目中的應用結果表面：該裝置能夠滿足測量的剛度、強度和精度要求，提高了水輪機轉輪室現場檢修的智能化，檢測效果好，達到了0.2 mm的設計精度要求。并且該系統的適應性較好，能構滿足不同型號的轉輪室內部型面的檢測要求。下一步要做的研究工作是在滿足裝置強度和剛度要求的前提下，對裝置進行進一步優化以減輕重量和便于安裝運輸。

[1] TANG Hua. Rebirth of Russia Sayano-Shushenskaya hydroelectric power station[J]. Energy, 2014(12): 20- 23．

[2] 詹然成, 陳英旭, 符鵬軍. 長河壩水電站泄洪洞群混凝土襯砌施工技術[J]. 水力發電, 2016, 42(10): 80- 82．

[3] 郝用興, 賈建濤, 白書杰, 等. 水輪機轉輪室檢修用圓度測量裝置: CN, CN103353271A[P]. 2013．

[4] 廖偉麗, 許聯峰, 劉勝柱. 基于雷諾應力微分模型模擬軸流式水輪機輪緣間隙流動[J]. 機械工程學報, 2005, 41(5): 38- 43．

[5] 牟介剛, 甘建軍, 鄭水華, 等. 沖壓泵葉輪葉片與蓋板間間隙對泵性能的影響[J]. 機械設計與制造, 2012(11): 64- 66．

[6] 郝用興, 郭華毅, 張勇, 等. 水輪機轉輪圓度檢測系統的設計[J]. 華北水利水電大學學報：自然科學版, 2013, 34(2): 111- 113．

[7] 向光輝, 薛建彬, 封尚. 水輪機現場修復專用機床的有限元分析與結構改進[J]. 組合機床與自動化加工技術, 2014(8): 108- 111．

[8] 何偉, 朱亞飛, 陳橋陽, 等. 薄壁式渡槽運營期三維有限元分析[J]. 水力發電, 2016, 42(1): 49- 52．