基于應(yīng)變測量的水輪機(jī)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)故障診斷方法研究

劉英特，徐新民

基于應(yīng)變測量的水輪機(jī)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)故障診斷方法研究

劉英特1，徐新民2

（1.武漢理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，湖北 武漢 430070；2.湖北堵河潘口水電發(fā)展有限公司，湖北 武漢 442200）

導(dǎo)水機(jī)構(gòu)是水輪機(jī)的核心部件之一，主要用于導(dǎo)水，控制進(jìn)入水輪機(jī)組的水流方向和流量，對整個機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定性和安全性至關(guān)重要。導(dǎo)水機(jī)構(gòu)在關(guān)閉導(dǎo)葉時出現(xiàn)漏水不可避免，但嚴(yán)重漏水會影響機(jī)組運(yùn)行安全，同時導(dǎo)致水資源的浪費(fèi)，降低發(fā)電廠的經(jīng)濟(jì)效益。導(dǎo)水機(jī)構(gòu)檢修費(fèi)時費(fèi)力，目前尚沒有一個有效的方法來查找導(dǎo)水機(jī)構(gòu)漏水的原因。提出一種新的試驗方法能夠快速定位水輪機(jī)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)的漏水故障——通過有限元法分析導(dǎo)水機(jī)構(gòu)的靜力學(xué)特性，找到推拉桿、連桿、導(dǎo)葉上應(yīng)變變化較為明顯且變化梯度不大的地方作為應(yīng)變測量點，在導(dǎo)葉全部關(guān)閉時，接力器油壓從額定值降到最低然后再升高到額定值，在這個過程中測量導(dǎo)水機(jī)構(gòu)各傳力構(gòu)件的應(yīng)力應(yīng)變值，獲取系統(tǒng)的力傳遞損失，進(jìn)而找到導(dǎo)水機(jī)構(gòu)漏水的原因。

導(dǎo)水機(jī)構(gòu)；應(yīng)變測量；快速定位；力傳遞損失

水輪機(jī)導(dǎo)葉關(guān)閉后，導(dǎo)葉兩側(cè)的壓力不相等，導(dǎo)葉之間出現(xiàn)立面間隙，導(dǎo)致導(dǎo)葉漏水，所以在導(dǎo)葉全關(guān)閉后，需要施加一個力矩來壓緊導(dǎo)葉，減小導(dǎo)葉立面之間的間隙，減少漏水[1]。但是隨著時間的推移，導(dǎo)葉的漏水量會逐漸增大，造成水資源浪費(fèi)，嚴(yán)重時還會導(dǎo)致構(gòu)件空蝕、燒瓦、停機(jī)困難等事故[2]。因此水輪機(jī)組在停機(jī)維修時，查找導(dǎo)水機(jī)構(gòu)漏水原因顯得極其重要，但是又缺乏行之有效的方法。傳統(tǒng)的檢測方法是在水輪機(jī)停機(jī)無水條件下，人工檢測導(dǎo)葉的立面間隙和端面間隙[2-3]，不能準(zhǔn)確找到間隙產(chǎn)生的原因。

潘口水電站的發(fā)電機(jī)組在檢修時發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)水機(jī)構(gòu)在導(dǎo)葉全閉時出現(xiàn)漏水，此時增大接力器的壓緊行程可以減少漏水，但是接力器的壓緊行程不能無限增大，必須在國家標(biāo)準(zhǔn)范圍以內(nèi)。初步分析，導(dǎo)致漏水的可能原因主要有3種： ①接力器的推拉力在傳遞過程中存在損失，導(dǎo)致傳遞到導(dǎo)葉上的扭矩偏小，導(dǎo)葉沒有壓緊導(dǎo)致漏水；②導(dǎo)葉支承變形或者移位導(dǎo)致導(dǎo)葉關(guān)閉不嚴(yán)；③導(dǎo)葉剛度不足，發(fā)生變形。

基于上述分析，直接測量導(dǎo)水機(jī)構(gòu)各構(gòu)件在運(yùn)行時的受力是解決問題的直接而有效的技術(shù)手段。如果只針對某一穩(wěn)定工況測量各個構(gòu)件的應(yīng)力應(yīng)變，則不能定位出哪個構(gòu)件剛度不足，導(dǎo)葉是否壓緊。參考導(dǎo)水機(jī)構(gòu)在安裝時，測量接力器壓緊行程的試驗方法[4]，本文提出一種新的試驗方法來查找導(dǎo)葉漏水原因。在接力器連續(xù)降壓再升壓的過程中測量各構(gòu)件的應(yīng)變值，記錄各構(gòu)件的應(yīng)變值與接力器油壓的關(guān)系，從而間接得到系統(tǒng)的阻力，進(jìn)而找出故障原因。最理想的試驗工況是在水輪機(jī)運(yùn)行時進(jìn)行測量，但是在有水的蝸殼中布線和放置儀器幾乎不可能，所以采用在無水條件下用無線遙測應(yīng)變儀進(jìn)行試驗。

1 應(yīng)變測點布置

通過有限元仿真分析初步判斷導(dǎo)水機(jī)構(gòu)各構(gòu)件在導(dǎo)葉完全關(guān)閉時的應(yīng)力分布和變形。由于應(yīng)變測量為相對測量，在不同的接力器油壓下，測量的應(yīng)變值要有較為明顯的變化，此外測量應(yīng)變使用的是電阻應(yīng)變片，應(yīng)變片所測應(yīng)變值是其敏感柵覆蓋面積內(nèi)構(gòu)件表面的平均應(yīng)變，測點不能有過大的應(yīng)變梯度，過大的應(yīng)變梯度將會影響測量結(jié)果的準(zhǔn)確性，因此測點應(yīng)選取在應(yīng)力應(yīng)變值較大且梯度較小處。

理論設(shè)計時，潘口水電站的水輪機(jī)接力器油壓達(dá)到 3.1 MPa，接力器的壓緊行程不再變化，所以，在進(jìn)行有限元分析時取接力器油壓為3.1 MPa的工況進(jìn)行靜力學(xué)分 析[5]，將油壓轉(zhuǎn)換成作用在控制環(huán)上的轉(zhuǎn)矩，導(dǎo)水機(jī)構(gòu)整體分析結(jié)果顯示最大應(yīng)力在導(dǎo)葉葉片靠近上端面處，最大應(yīng)力值為486.18 MPa，最大變形在控制環(huán)與推拉桿的連接處，最大變形值為10.464 mm，如圖1和圖2所示。

圖1 導(dǎo)水機(jī)構(gòu)應(yīng)力分布云圖

圖2 導(dǎo)水機(jī)構(gòu)變形分布云圖

1.1 推拉桿測點布置

單獨對推拉桿做有限元分析，結(jié)果如圖3和圖4所示。選取推拉桿的中間位置作為測點，此處應(yīng)力約為15 MPa，應(yīng)變約為75 uε。

圖3 推拉桿應(yīng)力分布云圖

圖4 推拉桿應(yīng)變分布云圖

1.2 連桿測點布置

水輪機(jī)接力器油壓為3.1 MPa時，連桿最大應(yīng)力在連桿中心處，最大應(yīng)力值為40.1 MPa，最大應(yīng)變在連桿與控制環(huán)的連接處，最大位移為9.431 7 mm。選取連桿上應(yīng)變較為明顯且應(yīng)變梯度不大的地方作為測點，如圖5和圖6所示，測點附近的應(yīng)力約為16 MPa，應(yīng)變約為78 uε。

圖5 連桿應(yīng)力分布云圖

圖6 連桿應(yīng)變分布云圖

1.3 導(dǎo)葉測點布置

分析結(jié)果顯示，導(dǎo)葉最大應(yīng)力在導(dǎo)葉葉片靠近上端面處，最大應(yīng)力值為275.21 MPa，最大位移在導(dǎo)葉與連接板的連接處，最大位移值為3.065 9 mm。選取導(dǎo)葉上應(yīng)變較為明顯且變化梯度不大的地方作為測點，如圖7和圖8所示，測點附近的應(yīng)力值約為56 MPa，應(yīng)變值約為300 uε。

圖7 導(dǎo)葉應(yīng)力分布云圖

圖8 導(dǎo)葉應(yīng)變分布云圖

2 試驗

本次測量的水輪機(jī)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)共有2個推拉桿、24個連桿與導(dǎo)葉，試驗選取其中的2個推拉桿、4個連桿和4個導(dǎo)葉作為測量對象，每個構(gòu)件上布置2個測點，互為冗余，共計20個測點。

測量儀器選用HLY-4A型無線遙測動態(tài)應(yīng)變儀，儀器采用內(nèi)置電池供電，可遠(yuǎn)距離無線監(jiān)控。儀器就近放置在測點附近，避免了長導(dǎo)線及供電，試驗準(zhǔn)備工作簡單。每臺儀器有8個應(yīng)變測量通道，該儀器具有體積小、質(zhì)量輕、電池供電、100 Ksps的采樣能力及自動平衡技術(shù)，良好的噪聲控制技術(shù)及長期測量的溫度穩(wěn)定與低漂移等優(yōu)良特性。尤其適用于移動、旋轉(zhuǎn)、封閉空間等引線困難的物體的應(yīng)力應(yīng)變測量。采用半橋測量，每個電阻應(yīng)變片采用三線制接在一個橋臂 上[6]，另一橋臂接溫度補(bǔ)償片，試驗方法為導(dǎo)葉全閉，接力器油壓升至6.3 MPa，壓緊行程為10 mm，然后進(jìn)行接力器連續(xù)降壓升壓試驗，即接力器油壓從6.3 MPa開始連續(xù)降到1.0 MPa后再不間斷連續(xù)升壓至6.3 MPa。每隔0.1 MPa記錄1次所有測點應(yīng)變數(shù)據(jù)，試驗歷時13 h 45 min。

3 結(jié)果與討論

本次試驗采取高達(dá)1 kHz采樣頻率試驗記錄的原始數(shù)據(jù)，如圖9所示，采取高速采樣，采樣頻率為1 Ksps，取 1 s內(nèi)測量數(shù)據(jù)平均值作為該油壓下的應(yīng)變值，本次試驗測量的是構(gòu)件的相對應(yīng)變，以接力器油壓為6.3 MPa時的測量數(shù)據(jù)作為零應(yīng)變點。

圖9 6.3 MPa導(dǎo)葉測點應(yīng)變記錄波形

本文采用2種方式展示：應(yīng)變波動圖，直觀展示測點應(yīng)變隨油壓的波動狀態(tài)；應(yīng)變滯回線圖，即由于系統(tǒng)阻力的存在，在相同油壓下，構(gòu)件在降壓和升壓過程中受力明顯不同，形成滯回曲線，可以用來評估系統(tǒng)阻力大小及占比。

推拉桿6.3～1.0 MPa油壓循環(huán)下的靜應(yīng)變波動圖和滯回線圖如圖10所示，由圖10可以看出，經(jīng)過長達(dá)13 h 45 min后，應(yīng)變測量數(shù)據(jù)基本回零，表明本次試驗溫漂和時漂的影響基本可以忽略，也反映了本次試驗中測量系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠。

圖10 推拉桿靜應(yīng)變波動圖和滯回線圖

接力器油壓力通過推拉桿傳遞控制環(huán)上，控制環(huán)通過連桿、連接板使導(dǎo)葉關(guān)閉并壓緊，當(dāng)傳遞到導(dǎo)葉上的扭矩較小時，導(dǎo)葉就會壓不緊進(jìn)而導(dǎo)致漏水。連桿和導(dǎo)葉的試驗結(jié)果如圖11所示，由圖11可以看出，在降壓過程中，接力器油壓從1.1 MPa到1.0 MPa時，應(yīng)變明顯下降，在升壓過程中，油壓從1.4 MPa到1.5 MPa時，應(yīng)變明顯增大，可以判定降壓過程的導(dǎo)葉有效油壓（接力器達(dá)到壓緊行程時的輸出油壓）為1.1 MPa，升壓過程的導(dǎo)葉有效油壓為1.5 MPa。表明升壓時在接力器油壓達(dá)到1.5 MPa時，即達(dá)到了接力器的壓緊行程，接力器不再動作，但是在繼續(xù)加壓時，導(dǎo)葉應(yīng)變繼續(xù)緩慢增大，說明在壓力作用下系統(tǒng)仍然變形，原因可能在于接力器油壓缸被壓縮引起的變形導(dǎo)致系統(tǒng)進(jìn)一步關(guān)緊造成應(yīng)變增大；導(dǎo)葉壓緊油壓明顯低于3.1 MPa，說明系統(tǒng)剛度不足，在低油壓下產(chǎn)生過大的變形。

由于存在系統(tǒng)阻力，接力器油壓在降低和升高過程中會出現(xiàn)滯回現(xiàn)象。由于導(dǎo)葉距離接力器油缸最遠(yuǎn)，系統(tǒng)阻力最大最復(fù)雜，形成的滯回線也就最明顯，連桿和推拉桿的滯 回線相對沒那么明顯，進(jìn)一步說明系統(tǒng)阻力大部分集中于導(dǎo)葉構(gòu)件處，這與試驗結(jié)果相吻合，連桿和導(dǎo)葉的靜應(yīng)變滯回線圖如圖12所示，推拉桿的靜應(yīng)變滯回線圖如圖10（b）所示。

圖11 連桿和導(dǎo)葉靜應(yīng)變波動圖

圖12 連桿和導(dǎo)葉滯回線圖

由導(dǎo)葉靜應(yīng)變的滯回線估計系統(tǒng)阻力，接力器到導(dǎo)葉之間的構(gòu)件可以簡化為一個彈簧-質(zhì)量-阻尼系統(tǒng)，各構(gòu)件的彈性變形提供彈性力，摩擦力充當(dāng)阻尼力。試驗過程中，油壓變化緩慢，可以認(rèn)為是靜態(tài)過程。在降壓過程中，有油+阻=彈，在升壓過程中，有油=阻+彈，當(dāng)導(dǎo)葉的應(yīng)變在降壓和升壓過程相同時，有阻=（油1－油2）/2，進(jìn)而得到系統(tǒng)阻力隨導(dǎo)葉應(yīng)變的變化曲線，如圖13所示。

圖13 系統(tǒng)阻力隨導(dǎo)葉應(yīng)變的變化曲線

從圖10（a）和圖11（a）、11（b）可以看出，接力器油壓從6.3 MPa降到1.0 MPa，推拉桿和連桿的測點應(yīng)變變化比較小，導(dǎo)葉的測點應(yīng)變變化相對較大，但都比有限元分析的結(jié)果小太多，原因主要有兩個：①有限元分析時，按照設(shè)計的接力器有效油壓3.1 MPa進(jìn)行計算，而實際降壓過程的有效油壓約為1.1 MPa，升壓過程的有效油壓約為 1.5 MPa，遠(yuǎn)小于3.1 MPa，當(dāng)接力器油壓大于有效油壓時，由于接力器達(dá)到壓緊行程，導(dǎo)葉基本不會再發(fā)生彈性變形，也就不會產(chǎn)生應(yīng)變；②系統(tǒng)阻力的存在，1.1 MPa的有效油壓，有一部分用來克服系統(tǒng)阻力，剩下的作用于導(dǎo)葉處，將導(dǎo)葉壓緊。圖13表明，系統(tǒng)阻力隨著導(dǎo)葉應(yīng)變的減小而減小，即隨著接力器油壓的減小而減小，這與理論相符，整個試驗過程是一個準(zhǔn)靜態(tài)過程，系統(tǒng)阻力就是靜摩擦力，會隨著拉力的減小而減小。

4 結(jié)語

對于水輪機(jī)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)漏水現(xiàn)象，本文提出一種新的試驗方法，讓接力器連續(xù)降壓再升壓，記錄推拉桿、連桿和導(dǎo)葉的應(yīng)變值，通過各構(gòu)件的應(yīng)變波動圖和滯回線圖，得出導(dǎo)水機(jī)構(gòu)剛度不足，導(dǎo)葉有效油壓偏低。本次試驗也有不足之處，如果連續(xù)升降壓的油壓范圍能夠從6.3 MPa到0 MPa，則能夠更加清晰地反映系統(tǒng)阻力對導(dǎo)葉應(yīng)變的影響。這對于通過應(yīng)變測量查找水輪機(jī)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)漏水原因具有借鑒意義。

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TM312

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.14.009

2095－6835（2020）14－0030－04

〔編輯：張思楠〕