油浸式變壓器內檢機器人噴射推進器設計及葉輪修型*

梁 晨，王亞彪，鄧 軍，孫先帥，3，周海濱，何 震

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

0 引言

在電力系統運維中，變壓器承擔著電壓變換、電能分配和傳輸的功能，在維護電網穩定性和可靠性上起著至關重要的作用[1]。同時，變壓器故障也是影響整個電力系統穩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構[3]。傳統油浸式變壓器內部檢測手段主要依賴人工，存在著自動化程度低、風險高、易造成二次污染等問題。采用機器人代替人工進入變壓器完成檢測任務可有效提高檢修效率，提升變壓器運維自動化水平，具有較高的經濟效益與社會效益。

推進器是浮游機器人的核心部件之一，決定了機器人的運動能力。油浸式變壓器內部為密閉充油環境，其結構復雜，工況特殊，油浸式變壓器內檢機器人推進器的設計合理性直接影響機器人的檢測性能和作業安全性，因此進行推進系統設計是完成變壓器內檢機器人研發的必要前提。

1 機器人推進方案分析

油浸式變壓器內部環境復雜，如圖1所示，以某型220 kV主變為例，變壓器內部除鐵芯、繞組、線圈等核心部件外，還安裝有壓板、筋板、線纜等附件設備。機器人需在充油復雜密閉空間內進行作業。

圖1 220 kV變壓器內部結構

油浸式變壓器內部狹小的作業環境要求機器人結構小巧，運動靈活，作業安全可靠，變壓器內部復雜空間使得機器人外形應盡量平滑，以降低作業過程中的卡滯風險。依據上述設計需求，結合具體作業工況，機器人整體采用球形結構浮游行進方式，其外形結構如圖2所示。機器人外徑150 mm，具備水平前進、后退、左移、右移及轉向、垂直上浮、下潛運動功能。

圖2 機器人外形結構

變壓器內檢機器人微小球形結構及多自由度運動需求對推進系統設計提出較高要求，綜合考慮機器人作業安全性、靈活性等因素，推進器設計應滿足以下條件：

(1) 結構緊湊。機器人整體尺寸較小但運動自由度要求較高，使得機器人推進器設計及布置應小巧、緊湊。

(2) 運動安全。變壓器內部空間狹窄，結構復雜，為避免機器人與變壓器內部結構件發生碰撞導致卡滯或元件損壞、脫落，保證機器人完整球形外形結構，所有推進器均應布置于機器人內部，保證機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。浮游狀態機器人推進將在局部產生負壓[4]，負壓過大會導致變壓器油中溶解氣體析出，給變壓器安全運行帶來隱患，因此機器人推進器設計應盡量減小局部負壓。

目前發展較為成熟的機器人浮游推進方式主要有螺旋槳推進與噴射推進兩大類[5]。本文綜合變壓器內檢機器人的作業需求、工作環境，分析兩類推進方案的可行性。

1.1 螺旋槳推進

螺旋槳推進是傳統浮游機器人最常用的推進方式[6]，其推力產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為液體介質質量密度，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，影響槳推力的結構因素主要為螺旋槳槳葉盤面直徑、轉速以及槳葉形狀。考慮作業安全性，保證機器人球形結構，螺旋槳需采用槽道槳；由于機器人整體尺寸受限，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，需提高槳葉轉速，增大槳葉導程，這將會導致槳葉前后壓差較大，產生空泡效應，析出氣體為變壓器運行帶來安全隱患。

1.2 噴射推進

噴射推進器是一種反作用力推進器[7]。流體介質由推進器入口到達能量轉換機構(泵體)，當能量增加后再經過壓力管道和噴口，以一定速度噴出，這股連續的射流所產生的反作用力即為推進機器人載體前進的推力。

理想噴射推進基本方程分別為推力方程、能量方程和連續性方程[8],表達式如下：

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。

在噴射推進系統中，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，得到修正后的推力方程、能量方程、連續性方程如下[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為推進效率；K1為按K1法計算沿程損失系數。

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

噴射推進器結構主要由驅動電機、噴射泵體、流體入口、噴口等組成。由于噴射推進方式只需保證噴口方向滿足機器人載體推力布置需求，故其他部件可根據載體結構靈活設計；此外噴射推進器無外部附加結構，推力直接由噴口處產生，非常適用于外部光滑載體結構。綜合考慮機器人結構緊湊性、作業安全性，選擇采用噴射推進方案作為油浸式變壓器內檢機器人推進方式。

2 噴射推進器設計

結合油浸式變壓器內檢機器人結構及推進系統布置方案設計噴射推進器，如圖3所示。推進器主要由驅動電機、油液腔體、流體入口、流體出口組成，采用法蘭式安裝結構。推進器內部采用十字葉輪結構，基于離心泵設計原理產生射流進而產生推力。

圖3 噴射推進器結構

依據流體動力學理論，通過Fluent有限元仿真軟件分析機器人作業工況油液流態，仿真結果如圖4所示，進一步提取機器人運行阻力，計算結果見表1。

圖4 機器人作業工況油液流態

表1 機器人運行阻力

結合噴射系統布置方案，計算單推進器額定推力，基于離心泵設計原理，進行噴射推進器內部參數確定。所設計噴射推進器主要指標參數見表2，推進器壓強—流量特性曲線如圖5所示。

圖5 噴射推進器壓強—流量曲線

表2 噴射推進器主要參數

3 葉輪修型設計

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

(8)

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

由公式(8)看出，影響噴射推進器汽蝕余量的因素可以分為工作狀態參數與泵體結構參數兩部分。其中工作狀態參數主要取決于機器人作業工況等外部因素，因此，為進一步提升噴射推進器汽蝕余量，保證機器人運行安全可靠，需從泵體本身結構進行改進。

為定量分析機器人工作狀態下噴射推進器內部流場狀態，對噴射推進器內部流場進行有限元仿真分析，結果如圖6所示。

圖6 十字直式葉輪噴射泵內部流態及壓力分布

從圖6可以直觀看出，在噴射泵葉輪背部產生較為明顯的負壓區，最大負壓值為-48 180 Pa；若在此基礎上進一步增大機器人運動速度，增加噴射泵轉速(以1.5倍額定轉速進行仿真，結果如圖7所示)，此負壓區范圍會繼續增加，負壓值也會隨之增大，這對噴射推進器推進效率、變壓器安全性均會產生不利影響。

圖7 1.5倍額定轉速十字直式葉輪噴射泵內部流態及壓力分布

為降低噴射泵負壓區壓差，增大汽蝕余量，結合上述理論及仿真分析結果，考慮對噴射推進器葉輪進行修型設計。初始葉輪方案為十字直式葉輪，結構簡單但流體動力學性能較差，能量損失較大。根據葉輪泵設計原理[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部流態，有利于降低汽蝕風險。因此，變壓器內檢機器人噴射推進器擬采用渦狀葉輪代替直式葉輪，以降低油液析出氣體風險，提升機器人作業安全可靠性。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部流體狀態，以相同額定工況噴射泵葉輪轉速進行渦狀葉輪泵內部流場狀態仿真分析，結果如圖9所示。

圖9 渦狀葉輪噴射泵仿真結果

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

4 結論與展望

基于油浸式變壓器內部充油復雜環境，綜合機器人結構方案、運動能力及推進系統布置方式，確定了機器人推進器總體方案，在此基礎上進行了機器人噴射推進器設計?？紤]變壓器內部安全性，分析了噴射推進器抗汽蝕能力，對噴射泵葉輪進行修型。仿真結果表明，采用渦狀線葉輪可有效降低變壓器檢測機器人噴射推進器內部負壓，增大汽蝕余量，進一步保證機器人安全可靠運行。結合本文最后對比分析結果，下一步可針對不同參數渦狀線對推進器效率、汽蝕余量影響開展研究，進一步優化設計噴射泵葉輪及內部腔體結構形式，提升噴射泵推進效率，提升變壓器內檢安全性。