水輪機(jī)活動(dòng)導(dǎo)葉三維大尺寸變形測量方法的探索與實(shí)踐

周曉進(jìn)

【摘要】本文主要介紹了水輪機(jī)活動(dòng)導(dǎo)葉三維大尺寸變形測量方法的探索與實(shí)踐，借助于工業(yè)大尺寸三坐標(biāo)測量技術(shù)，對(duì)活動(dòng)導(dǎo)葉的變形部位進(jìn)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(jià)值。

【關(guān)鍵詞】工業(yè)測量系統(tǒng)；導(dǎo)葉；變形測量

引言

混流式水輪機(jī)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(jī)型式之一?；炝魇剿啓C(jī)由引水部件、導(dǎo)水部件（如圖1所示）、泄水部件、工作部件等組成，活動(dòng)導(dǎo)葉是導(dǎo)水部件的重要組成部分，如圖2所示，由導(dǎo)葉體和

導(dǎo)葉軸兩部分組成。為減輕導(dǎo)葉重量，常做成中空導(dǎo)葉。在含沙量大的河水或因特定外力影響，活動(dòng)導(dǎo)葉容易產(chǎn)生變形。某電站一機(jī)組某導(dǎo)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(jì)改進(jìn)提供數(shù)據(jù)支持，決定采取工業(yè)大尺寸三坐標(biāo)測量系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行測量和分析。

1、測試儀器選擇及原理

導(dǎo)葉變形測量采用大尺寸三坐標(biāo)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(biāo)系統(tǒng)（瑞士），索佳高精度全站儀+SMN三坐標(biāo)測量系統(tǒng)（國內(nèi)自主研發(fā)），徠卡AT402激光跟蹤三坐標(biāo)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(jī)器人TCA2003，自由設(shè)站，默認(rèn)測量坐標(biāo)系，坐標(biāo)原點(diǎn)O為儀器中心。

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

范圍內(nèi)），點(diǎn)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(biāo)測量系統(tǒng)的原理，如圖3所示，設(shè)點(diǎn)P的坐標(biāo)為P（x，y，z）， 為AP與AP在XAY平面內(nèi)投影的夾角， 為點(diǎn)P與坐標(biāo)系原點(diǎn)即儀器中心A點(diǎn)的連線AP在XAY平面內(nèi)的投影與Y軸的夾角，點(diǎn)P的斜距為D，被測量點(diǎn)P的坐標(biāo)即為：

全站儀測點(diǎn)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(biāo)志，如圖4所示。

2 、測試方案

根據(jù)導(dǎo)葉實(shí)際變形情況，擬采取對(duì)導(dǎo)葉的以下要素進(jìn)行測量：導(dǎo)葉軸的同軸度；導(dǎo)葉軸中心線與水封面的平行度；導(dǎo)葉軸中心線與導(dǎo)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(dǎo)葉軸剪斷銷槽頂端和底端扭曲測量。

如圖5所示，分別在導(dǎo)葉上軸、下軸取截面A-A、B-B、C-C、D-D，將測量標(biāo)志點(diǎn)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(jì)算其中心坐標(biāo)A0（xA，yA，zA），B0（xB，yB，zB），C0（xC，yC，zC），D0（xD，yD，zD）。A0、B0、C0、D0四個(gè)中心點(diǎn)擬合成一條直線P，設(shè)四點(diǎn)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(diǎn)的同軸度。

根據(jù)被測實(shí)物變形情況，導(dǎo)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(diǎn)，擬合平面，然后分別計(jì)算平面和導(dǎo)葉軸中心線L1、L2的角度值，然后通過三角函數(shù)計(jì)算可以分別得到導(dǎo)葉變形前后導(dǎo)葉軸中心線和水封面的平行度。

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

導(dǎo)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(biāo)卡尺配合測量。

3、測量結(jié)果

3.1 導(dǎo)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(dǎo)葉軸中心軸線和水封面的平行度

3.4 導(dǎo)葉中心軸線與S面的垂直度

3.5 扭曲

導(dǎo)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(jì)模型，對(duì)變形導(dǎo)葉進(jìn)行打磨修整和復(fù)位處理，將處理后的導(dǎo)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(shí)際情況進(jìn)行測量建模，提出進(jìn)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(xiàng)措施是卓有成效的，達(dá)到了理想的效果。

5、結(jié)語

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

5.2 對(duì)活動(dòng)導(dǎo)葉面形變形的逆向工程建?？梢圆扇〖す飧檼呙铚y量的方式或攝影測量的方式進(jìn)行；

5.3 本案例中對(duì)活動(dòng)導(dǎo)葉的變形測量方法探索是必要的，對(duì)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(xiàn)：

[1]李東明，許建農(nóng)，張偉平等.水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的數(shù)字?jǐn)z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(yàn)變形觀測[J].大壩與安全，2008，（6）：31-33.