油浸式變壓器內(nèi)檢機(jī)器人噴射推進(jìn)器設(shè)計及葉輪修型*

梁 晨，王亞彪，鄧 軍，孫先帥，3，周海濱，何 震

(1.中國南方電網(wǎng)超高壓輸電公司 檢修試驗中心，廣東 廣州 510663;2.中國科學(xué)院 沈陽自動化研究所，遼寧 沈陽 110016;3.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

0 引言

在電力系統(tǒng)運維中，變壓器承擔(dān)著電壓變換、電能分配和傳輸?shù)墓δ埽诰S護(hù)電網(wǎng)穩(wěn)定性和可靠性上起著至關(guān)重要的作用[1]。同時，變壓器故障也是影響整個電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的重要安全事故[2]。

我國大型電力變壓器主要采用油浸式結(jié)構(gòu)[3]。傳統(tǒng)油浸式變壓器內(nèi)部檢測手段主要依賴人工，存在著自動化程度低、風(fēng)險高、易造成二次污染等問題。采用機(jī)器人代替人工進(jìn)入變壓器完成檢測任務(wù)可有效提高檢修效率，提升變壓器運維自動化水平，具有較高的經(jīng)濟(jì)效益與社會效益。

推進(jìn)器是浮游機(jī)器人的核心部件之一，決定了機(jī)器人的運動能力。油浸式變壓器內(nèi)部為密閉充油環(huán)境，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工況特殊，油浸式變壓器內(nèi)檢機(jī)器人推進(jìn)器的設(shè)計合理性直接影響機(jī)器人的檢測性能和作業(yè)安全性，因此進(jìn)行推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計是完成變壓器內(nèi)檢機(jī)器人研發(fā)的必要前提。

1 機(jī)器人推進(jìn)方案分析

油浸式變壓器內(nèi)部環(huán)境復(fù)雜，如圖1所示，以某型220 kV主變?yōu)槔儔浩鲀?nèi)部除鐵芯、繞組、線圈等核心部件外，還安裝有壓板、筋板、線纜等附件設(shè)備。機(jī)器人需在充油復(fù)雜密閉空間內(nèi)進(jìn)行作業(yè)。

圖1 220 kV變壓器內(nèi)部結(jié)構(gòu)

油浸式變壓器內(nèi)部狹小的作業(yè)環(huán)境要求機(jī)器人結(jié)構(gòu)小巧，運動靈活，作業(yè)安全可靠，變壓器內(nèi)部復(fù)雜空間使得機(jī)器人外形應(yīng)盡量平滑，以降低作業(yè)過程中的卡滯風(fēng)險。依據(jù)上述設(shè)計需求，結(jié)合具體作業(yè)工況，機(jī)器人整體采用球形結(jié)構(gòu)浮游行進(jìn)方式，其外形結(jié)構(gòu)如圖2所示。機(jī)器人外徑150 mm，具備水平前進(jìn)、后退、左移、右移及轉(zhuǎn)向、垂直上浮、下潛運動功能。

圖2 機(jī)器人外形結(jié)構(gòu)

變壓器內(nèi)檢機(jī)器人微小球形結(jié)構(gòu)及多自由度運動需求對推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計提出較高要求，綜合考慮機(jī)器人作業(yè)安全性、靈活性等因素，推進(jìn)器設(shè)計應(yīng)滿足以下條件：

(1) 結(jié)構(gòu)緊湊。機(jī)器人整體尺寸較小但運動自由度要求較高，使得機(jī)器人推進(jìn)器設(shè)計及布置應(yīng)小巧、緊湊。

(2) 運動安全。變壓器內(nèi)部空間狹窄，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，為避免機(jī)器人與變壓器內(nèi)部結(jié)構(gòu)件發(fā)生碰撞導(dǎo)致卡滯或元件損壞、脫落，保證機(jī)器人完整球形外形結(jié)構(gòu)，所有推進(jìn)器均應(yīng)布置于機(jī)器人內(nèi)部，保證機(jī)器人外表光滑無突出物。

(3) 動力清潔。變壓器油品潔凈程度直接影響其安全可靠運行。浮游狀態(tài)機(jī)器人推進(jìn)將在局部產(chǎn)生負(fù)壓[4]，負(fù)壓過大會導(dǎo)致變壓器油中溶解氣體析出，給變壓器安全運行帶來隱患，因此機(jī)器人推進(jìn)器設(shè)計應(yīng)盡量減小局部負(fù)壓。

目前發(fā)展較為成熟的機(jī)器人浮游推進(jìn)方式主要有螺旋槳推進(jìn)與噴射推進(jìn)兩大類[5]。本文綜合變壓器內(nèi)檢機(jī)器人的作業(yè)需求、工作環(huán)境，分析兩類推進(jìn)方案的可行性。

1.1 螺旋槳推進(jìn)

螺旋槳推進(jìn)是傳統(tǒng)浮游機(jī)器人最常用的推進(jìn)方式[6]，其推力產(chǎn)生可描述為流體從螺旋槳前方一點到槳葉后方一點的動能變化結(jié)果,可用公式表示為：

Tt=ρAv1(vb-va).

(1)

其中：Tt為螺旋槳推力，N；ρ為液體介質(zhì)質(zhì)量密度，kg/m3；A為螺旋槳投影盤面面積，m2；v1為通過螺旋槳的液體流速，m/s；va為螺旋槳面前端速度，m/s；vb為螺旋槳面后端速度，m/s。

由公式(1)可以看出，影響槳推力的結(jié)構(gòu)因素主要為螺旋槳槳葉盤面直徑、轉(zhuǎn)速以及槳葉形狀。考慮作業(yè)安全性，保證機(jī)器人球形結(jié)構(gòu)，螺旋槳需采用槽道槳；由于機(jī)器人整體尺寸受限，初步估算槽道螺旋槳槳葉直徑不得超過25 mm，此時為獲得足夠推力，需提高槳葉轉(zhuǎn)速，增大槳葉導(dǎo)程，這將會導(dǎo)致槳葉前后壓差較大，產(chǎn)生空泡效應(yīng)，析出氣體為變壓器運行帶來安全隱患。

1.2 噴射推進(jìn)

噴射推進(jìn)器是一種反作用力推進(jìn)器[7]。流體介質(zhì)由推進(jìn)器入口到達(dá)能量轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)(泵體)，當(dāng)能量增加后再經(jīng)過壓力管道和噴口，以一定速度噴出，這股連續(xù)的射流所產(chǎn)生的反作用力即為推進(jìn)機(jī)器人載體前進(jìn)的推力。

理想噴射推進(jìn)基本方程分別為推力方程、能量方程和連續(xù)性方程[8],表達(dá)式如下：

T0=ρQ(vj-v0).

(2)

(3)

v0A0=vjAj=Q.

(4)

其中：T0為噴射推力，N；Q為流量，m3/s；vj為噴射速度，m/s；v0為來流速度，m/s；H為揚程，m；A0為入口面積，m2；Aj為出口面積，m2；g為重量加速度，m/s2。

在噴射推進(jìn)系統(tǒng)中，由于存在管路、吸嘴、噴嘴等能量損失元件，使得在基本方程中需要將各類損失考慮在內(nèi)，得到修正后的推力方程、能量方程、連續(xù)性方程如下[9]：

Te=ηT0=ηρQ(vj-v0).

(5)

(6)

v0A0=vjAj=Q.

(7)

其中：Te為考慮能量損失后的噴射推力；η為推進(jìn)效率；K1為按K1法計算沿程損失系數(shù)。

如式(5)所示，進(jìn)行實際噴射推進(jìn)推力計算時，需考慮推進(jìn)效率η。η的值按照不同能量損失比例對應(yīng)理論進(jìn)行求解；在能量方程中，考慮了噴嘴損失和管路的沿程損失；連續(xù)性方程與前述相同。依據(jù)上述基本方程組，結(jié)合具體設(shè)計指標(biāo)，便可進(jìn)行噴射裝置的設(shè)計及選型。

噴射推進(jìn)器結(jié)構(gòu)主要由驅(qū)動電機(jī)、噴射泵體、流體入口、噴口等組成。由于噴射推進(jìn)方式只需保證噴口方向滿足機(jī)器人載體推力布置需求，故其他部件可根據(jù)載體結(jié)構(gòu)靈活設(shè)計；此外噴射推進(jìn)器無外部附加結(jié)構(gòu)，推力直接由噴口處產(chǎn)生，非常適用于外部光滑載體結(jié)構(gòu)。綜合考慮機(jī)器人結(jié)構(gòu)緊湊性、作業(yè)安全性，選擇采用噴射推進(jìn)方案作為油浸式變壓器內(nèi)檢機(jī)器人推進(jìn)方式。

2 噴射推進(jìn)器設(shè)計

結(jié)合油浸式變壓器內(nèi)檢機(jī)器人結(jié)構(gòu)及推進(jìn)系統(tǒng)布置方案設(shè)計噴射推進(jìn)器，如圖3所示。推進(jìn)器主要由驅(qū)動電機(jī)、油液腔體、流體入口、流體出口組成，采用法蘭式安裝結(jié)構(gòu)。推進(jìn)器內(nèi)部采用十字葉輪結(jié)構(gòu)，基于離心泵設(shè)計原理產(chǎn)生射流進(jìn)而產(chǎn)生推力。

圖3 噴射推進(jìn)器結(jié)構(gòu)

依據(jù)流體動力學(xué)理論，通過Fluent有限元仿真軟件分析機(jī)器人作業(yè)工況油液流態(tài)，仿真結(jié)果如圖4所示，進(jìn)一步提取機(jī)器人運行阻力，計算結(jié)果見表1。

圖4 機(jī)器人作業(yè)工況油液流態(tài)

表1 機(jī)器人運行阻力

結(jié)合噴射系統(tǒng)布置方案，計算單推進(jìn)器額定推力，基于離心泵設(shè)計原理，進(jìn)行噴射推進(jìn)器內(nèi)部參數(shù)確定。所設(shè)計噴射推進(jìn)器主要指標(biāo)參數(shù)見表2，推進(jìn)器壓強—流量特性曲線如圖5所示。

圖5 噴射推進(jìn)器壓強—流量曲線

表2 噴射推進(jìn)器主要參數(shù)

3 葉輪修型設(shè)計

考慮變壓器內(nèi)檢作業(yè)安全性，為避免機(jī)器人作業(yè)過程變壓器油中溶解氣體析出，重點分析噴射泵內(nèi)部流體氣化特性。根據(jù)離心泵設(shè)計原理，油液腔體內(nèi)部氣化特性由汽蝕余量NPSHr表征[10]，汽蝕余量越小，推進(jìn)器內(nèi)部負(fù)壓越大，越容易析出氣泡。汽蝕余量計算公式如下[11]：

(8)

其中：v1為葉片進(jìn)口稍前的絕對速度，m/s；w1為葉片進(jìn)口稍前的相對速度；λ為葉片進(jìn)口壓降系數(shù)。

由公式(8)看出，影響噴射推進(jìn)器汽蝕余量的因素可以分為工作狀態(tài)參數(shù)與泵體結(jié)構(gòu)參數(shù)兩部分。其中工作狀態(tài)參數(shù)主要取決于機(jī)器人作業(yè)工況等外部因素，因此，為進(jìn)一步提升噴射推進(jìn)器汽蝕余量，保證機(jī)器人運行安全可靠，需從泵體本身結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。

為定量分析機(jī)器人工作狀態(tài)下噴射推進(jìn)器內(nèi)部流場狀態(tài)，對噴射推進(jìn)器內(nèi)部流場進(jìn)行有限元仿真分析，結(jié)果如圖6所示。

圖6 十字直式葉輪噴射泵內(nèi)部流態(tài)及壓力分布

從圖6可以直觀看出，在噴射泵葉輪背部產(chǎn)生較為明顯的負(fù)壓區(qū)，最大負(fù)壓值為-48 180 Pa；若在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步增大機(jī)器人運動速度，增加噴射泵轉(zhuǎn)速(以1.5倍額定轉(zhuǎn)速進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖7所示)，此負(fù)壓區(qū)范圍會繼續(xù)增加，負(fù)壓值也會隨之增大，這對噴射推進(jìn)器推進(jìn)效率、變壓器安全性均會產(chǎn)生不利影響。

圖7 1.5倍額定轉(zhuǎn)速十字直式葉輪噴射泵內(nèi)部流態(tài)及壓力分布

為降低噴射泵負(fù)壓區(qū)壓差，增大汽蝕余量，結(jié)合上述理論及仿真分析結(jié)果，考慮對噴射推進(jìn)器葉輪進(jìn)行修型設(shè)計。初始葉輪方案為十字直式葉輪，結(jié)構(gòu)簡單但流體動力學(xué)性能較差，能量損失較大。根據(jù)葉輪泵設(shè)計原理[12]，渦狀葉輪水力性能較好，在保證泵體效率的同時能夠獲得更好的內(nèi)部流態(tài)，有利于降低汽蝕風(fēng)險。因此，變壓器內(nèi)檢機(jī)器人噴射推進(jìn)器擬采用渦狀葉輪代替直式葉輪，以降低油液析出氣體風(fēng)險，提升機(jī)器人作業(yè)安全可靠性。建立的渦狀葉輪模型如圖8所示。

圖8 渦狀葉輪模型

為定量對比噴射泵葉輪修型前后泵體內(nèi)部流體狀態(tài)，以相同額定工況噴射泵葉輪轉(zhuǎn)速進(jìn)行渦狀葉輪泵內(nèi)部流場狀態(tài)仿真分析，結(jié)果如圖9所示。

圖9 渦狀葉輪噴射泵仿真結(jié)果

由圖9可以看出，在葉輪背面仍會產(chǎn)生局部負(fù)壓區(qū)，最大負(fù)壓值為-44 040 Pa。但與相同工況十字直式葉輪相比，負(fù)壓區(qū)域壓力最大值減小8.6%，負(fù)壓區(qū)范圍也有所減小，改進(jìn)效果明顯。

4 結(jié)論與展望

基于油浸式變壓器內(nèi)部充油復(fù)雜環(huán)境，綜合機(jī)器人結(jié)構(gòu)方案、運動能力及推進(jìn)系統(tǒng)布置方式，確定了機(jī)器人推進(jìn)器總體方案，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了機(jī)器人噴射推進(jìn)器設(shè)計。考慮變壓器內(nèi)部安全性，分析了噴射推進(jìn)器抗汽蝕能力，對噴射泵葉輪進(jìn)行修型。仿真結(jié)果表明，采用渦狀線葉輪可有效降低變壓器檢測機(jī)器人噴射推進(jìn)器內(nèi)部負(fù)壓，增大汽蝕余量，進(jìn)一步保證機(jī)器人安全可靠運行。結(jié)合本文最后對比分析結(jié)果，下一步可針對不同參數(shù)渦狀線對推進(jìn)器效率、汽蝕余量影響開展研究，進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計噴射泵葉輪及內(nèi)部腔體結(jié)構(gòu)形式，提升噴射泵推進(jìn)效率，提升變壓器內(nèi)檢安全性。