水輪機活動導葉三維大尺寸變形測量方法的探索與實踐

周曉進

【摘要】本文主要介紹了水輪機活動導葉三維大尺寸變形測量方法的探索與實踐，借助于工業(yè)大尺寸三坐標測量技術(shù)，對活動導葉的變形部位進行測量，為后續(xù)的處理提供了有力依據(jù)，具有良好的推廣價值。

【關(guān)鍵詞】工業(yè)測量系統(tǒng)；導葉；變形測量

引言

混流式水輪機主要應(yīng)用于20～450米的中水頭電廠，其結(jié)構(gòu)緊湊，效率較高，能適應(yīng)很寬的水頭范圍，是目前世界各國廣泛采用的水輪機型式之一。混流式水輪機由引水部件、導水部件（如圖1所示）、泄水部件、工作部件等組成，活動導葉是導水部件的重要組成部分，如圖2所示，由導葉體和

導葉軸兩部分組成。為減輕導葉重量，常做成中空導葉。在含沙量大的河水或因特定外力影響，活動導葉容易產(chǎn)生變形。某電站一機組某導葉因受水質(zhì)和外力影響產(chǎn)生了變形，為分析變形原因，并為后續(xù)改造和設(shè)計改進提供數(shù)據(jù)支持，決定采取工業(yè)大尺寸三坐標測量系統(tǒng)對其進行測量和分析。

1、測試儀器選擇及原理

導葉變形測量采用大尺寸三坐標工業(yè)測量系統(tǒng)，可供選擇的測試儀器有：徠卡高精度全站儀+MetroIn工業(yè)測量系統(tǒng)（國內(nèi)研發(fā)），徠卡全站儀+A-xyz三坐標系統(tǒng)（瑞士），索佳高精度全站儀+SMN三坐標測量系統(tǒng)（國內(nèi)自主研發(fā)），徠卡AT402激光跟蹤三坐標測量系統(tǒng)，工業(yè)近景攝影測量系統(tǒng)和關(guān)節(jié)臂測量系統(tǒng)等，本次測試采用瑞士Leica測量機器人TCA2003，自由設(shè)站，默認測量坐標系，坐標原點O為儀器中心。

TCA2003全站儀經(jīng)過B類不確定度評定，測角U=±0.5〞，測距U=±0.5mm（20m

范圍內(nèi)），點位不確定度U=±0.3mm（20m范圍內(nèi)），滿足測量要求。

全站儀工業(yè)大尺寸三坐標測量系統(tǒng)的原理，如圖3所示，設(shè)點P的坐標為P（x，y，z）， 為AP與AP在XAY平面內(nèi)投影的夾角， 為點P與坐標系原點即儀器中心A點的連線AP在XAY平面內(nèi)的投影與Y軸的夾角，點P的斜距為D，被測量點P的坐標即為：

全站儀測點為用特殊反光材料制作的反

射片，本測試方案采用Leica公司制作的Tape5000反射標志，如圖4所示。

2 、測試方案

根據(jù)導葉實際變形情況，擬采取對導葉的以下要素進行測量：導葉軸的同軸度；導葉軸中心線與水封面的平行度；導葉軸中心線與導葉上下端面（Si面）的垂直度測量；A截面中心徑向變形；扭曲測量——導葉軸剪斷銷槽頂端和底端扭曲測量。

如圖5所示，分別在導葉上軸、下軸取截面A-A、B-B、C-C、D-D，將測量標志點沿圓周方向布置，用全站儀測量截面A-A、B-B、C-C、D-D并擬合計算其中心坐標A0（xA，yA，zA），B0（xB，yB，zB），C0（xC，yC，zC），D0（xD，yD，zD）。A0、B0、C0、D0四個中心點擬合成一條直線P，設(shè)四點到直線P的距離為δi，取δi的最大值δimax，那么2δimax即是要測量的四點的同軸度。

根據(jù)被測實物變形情況，導葉上軸端A截面是最大變形部位，B、C、D截面擬合軸線作為未變形軸線，定義為L1，A、B、C、D截面擬合軸線作為變形后軸線，定義為L2。在水封面上布點，擬合平面，然后分別計算平面和導葉軸中心線L1、L2的角度值，然后通過三角函數(shù)計算可以分別得到導葉變形前后導葉軸中心線和水封面的平行度。

由上可知，L1為導葉軸未變形軸線，L2為導葉軸變形軸線，在導葉上下端面（Si面）上放置標志點，用全站儀進行測量，將測量結(jié)果進行平面擬合，然后計算導葉軸線L1、L2和導葉上下端面（Si面）的垂直度。

導葉軸剪斷銷槽上端扭曲和剪斷銷槽底端扭曲可通過角尺和游標卡尺配合測量。

3、測量結(jié)果

3.1 導葉軸同軸度

測得B、C、D三截面圓心到L1軸線的距離a1 =0.36mm，a2 =0.28mm，a3 =0.4mm，取最大偏離值a3，即軸線L1的同軸度為2a3 =0.8mm；

測得A、B、C、D四截面圓心到L2軸線的距離a1 =0.76mm，a2 =1.2mm，a3 =0.88mm，取最大偏離值a2，即軸線L2的同軸度為2a2 =2.4mm。

3.2 A截面中心徑向變形

3.3 導葉軸中心軸線和水封面的平行度

3.4 導葉中心軸線與S面的垂直度

3.5 扭曲

導葉軸剪斷銷槽扭曲變形示意圖如圖7所示。

變形后鍵槽長度為：132.41mm。扭曲測量值：δ1=9.32mm；δ2=7.51mm。

4、處理方案及成效

根據(jù)測量結(jié)果和設(shè)計模型，對變形導葉進行打磨修整和復(fù)位處理，將處理后的導葉繼續(xù)安裝使用，并注意觀察后續(xù)的受損狀態(tài)和變化趨勢，根據(jù)實際情況進行測量建模，提出進一步的修正加固方案和處理措施；通過后續(xù)的使用情況來看，該項措施是卓有成效的，達到了理想的效果。

5、結(jié)語

5.1 工業(yè)大尺寸三坐標測量系統(tǒng)在水電站水輪機組導葉變形測量中的應(yīng)用是成功的，在水輪機組導葉變形觀測中值得推廣；

5.2 對活動導葉面形變形的逆向工程建模可以采取激光跟蹤掃描測量的方式或攝影測量的方式進行；

5.3 本案例中對活動導葉的變形測量方法探索是必要的，對于后續(xù)的修正和處理方案起到了關(guān)鍵的作用。

參考文獻：

[1]李東明，許建農(nóng)，張偉平等.水輪機轉(zhuǎn)輪的數(shù)字攝影測量逆向工程建模技術(shù)[J].大壩與安全，2013，（2）：23-26.

[2]李東明，王和平.全站儀用于鋼岔管水壓試驗變形觀測[J].大壩與安全，2008，（6）：31-33.