水輪機轉(zhuǎn)輪室圓度檢測系統(tǒng)設(shè)計

郝用興，馮梅玲，周 洋，范素香

(華北水利水電大學(xué)機械學(xué)院，河南鄭州450045)

0 引 言

水輪機是水電能源開發(fā)利用的重要設(shè)備，其磨損及空蝕問題在多泥沙工作環(huán)境中普遍存在。轉(zhuǎn)輪室是水輪機組的關(guān)鍵部件，轉(zhuǎn)輪室內(nèi)表面在磨損及空蝕的共同作用下，其金屬內(nèi)表面的破壞速度劇烈加快，這種由磨損與空蝕的相互促進形成的共同作用通常被稱為磨蝕作用[1-2]。在磨蝕作用下，金屬表面不斷形成裂縫甚至發(fā)生金屬剝落，進而產(chǎn)生大量蜂窩狀孔洞，轉(zhuǎn)輪室型面發(fā)生變化，轉(zhuǎn)輪和轉(zhuǎn)輪室配合間隙增大。

水輪機的安全運行和水力資源的充分利用是建立在對轉(zhuǎn)輪和轉(zhuǎn)輪室型面的精確構(gòu)型與相互匹配的基礎(chǔ)上的。對于全球型結(jié)構(gòu)的水輪機轉(zhuǎn)輪室來說，為保證檢修后水輪機對于水力資源的充分利用以及降低泥沙的磨蝕作用，必須保證轉(zhuǎn)輪室和轉(zhuǎn)輪體在檢修后能夠恢復(fù)建造完成初裝時的幾何形狀和間隙值，因此，轉(zhuǎn)輪室型面的修復(fù)在機組檢修過程中具有極為重要的作用。為了提高對轉(zhuǎn)輪室表面的修補精度，需要進行針對表面金屬磨損量的測量計算。

傳統(tǒng)測圓裝置與方法側(cè)重于依靠人工經(jīng)驗、裝置簡陋，為了保證檢修后轉(zhuǎn)輪與轉(zhuǎn)輪室之間不發(fā)生碰撞或磨損，通常會提高轉(zhuǎn)輪與轉(zhuǎn)輪室間隙值比設(shè)計間隙值增大[3]，這樣做的后果一方面會造成水資源的極大浪費，另一方面是會造成水流在流過間隙時會產(chǎn)生漩渦加劇磨蝕作用。

以大型水輪機轉(zhuǎn)輪室金屬表面的檢測作為研究對象，通過借鑒傳統(tǒng)檢測裝置機械結(jié)構(gòu)，并利用最新相關(guān)的機械設(shè)計技術(shù)、機械測量技術(shù)、傳感器技術(shù)以及三維幾何數(shù)據(jù)點陣形狀重構(gòu)技術(shù)等，設(shè)計一個針對轉(zhuǎn)輪室型面并具有高精度和較強實用性的檢測系統(tǒng)[4- 6]具有重要意義。

為保證間隙值在規(guī)定范圍，克服轉(zhuǎn)輪室表面修補精度低的問題，本研究通過利用SolidWorks軟件建立檢測裝置的三維實體模型，并在ANSYS Workbench有限元軟件中進行靜力分析和模態(tài)分析，獲得裝置的變形和等效應(yīng)力以及裝置的前6階固有頻率和振型，在此基礎(chǔ)上分析裝置的剛度、強度以及穩(wěn)定性[7- 8]，籍此保證測圓裝置的實際工作尺寸精度和動態(tài)穩(wěn)定性滿足要求。

1 檢測系統(tǒng)設(shè)計

1.1 檢測系統(tǒng)設(shè)計

該檢測系統(tǒng)的目的是針對水輪機組檢修前和檢修后的轉(zhuǎn)輪室內(nèi)表面的圓度測量工藝設(shè)計的。轉(zhuǎn)輪室圓度檢測過程步驟為：①按照設(shè)計安裝檢測系統(tǒng)；②利用檢測裝置的上下求心器，調(diào)整檢測裝置的水平度，并調(diào)整檢測裝置中心線與轉(zhuǎn)輪室中心線重合；③調(diào)整滑軌裝置，使兩端測量樣板到轉(zhuǎn)輪室的中心距離保持相等；④啟動上位機和各路激光傳感器，采集數(shù)據(jù)；⑤處理數(shù)據(jù)，依據(jù)設(shè)計中轉(zhuǎn)輪室型面到轉(zhuǎn)輪室中心的距離，計算出轉(zhuǎn)輪室金屬表面的損壞程度。

水輪機轉(zhuǎn)輪室型面圓度檢測裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由空心主軸、轉(zhuǎn)動支架軸、上下求心器、箱型架、轉(zhuǎn)動支架、豎向支撐架、滑軌裝置及測量樣板等組成。

圖1 水輪機轉(zhuǎn)輪室圓度檢測裝置結(jié)構(gòu)示意

1.1.1 系統(tǒng)設(shè)計要求

機組檢修要求最大程度上實現(xiàn)轉(zhuǎn)輪和轉(zhuǎn)輪室的還原，由于機組檢修是在現(xiàn)場進行的，施工條件惡劣，所以所設(shè)計的系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)轉(zhuǎn)輪室型面檢測應(yīng)滿足的條件為：在進行測量時裝置轉(zhuǎn)動平穩(wěn)；裝置的旋轉(zhuǎn)軸線與轉(zhuǎn)輪室中心線相重合；各機構(gòu)運轉(zhuǎn)穩(wěn)定，形變量小；系統(tǒng)測量精度達到0.2 mm。

1.1.2 系統(tǒng)設(shè)計中考慮的因素

由于現(xiàn)場檢修中振動強烈，所以在設(shè)計中不僅要考慮測量精確度以及系統(tǒng)自身的校核基準(zhǔn)，也要考慮振動對測量精度和校核基準(zhǔn)的影響。并由于希望該裝置能夠適應(yīng)不同型號的機組的轉(zhuǎn)輪室，因此在傳統(tǒng)檢測裝置的基礎(chǔ)上，采用能夠增強穩(wěn)定性和操作安全性的雙邊對稱結(jié)構(gòu)。

1.2 機構(gòu)設(shè)計

1.2.1 上求心器和下求心器

檢測裝置的中心調(diào)整和水平調(diào)整都需要利用求心器，求心器的精度包括水平精度和中心精度兩部分。水平精度低會導(dǎo)致傳感器的輸入?yún)?shù)誤差過大，影響最終圓度計算；中心精度低會導(dǎo)致裝置中心線與轉(zhuǎn)輪室中心線不重合以及裝置兩端的測量樣板不對稱，使測量樣板兩端分布的傳感器所測得的數(shù)據(jù)之間存在差異，導(dǎo)致測量誤差過大。因此求心器的精度對于最終檢測結(jié)果的誤差至關(guān)重要。轉(zhuǎn)輪室圓度檢測機構(gòu)采用上求心器和下求心器結(jié)合以保證轉(zhuǎn)輪室圓度檢測裝置的精度。上下求心器均采取三層可調(diào)雙燕尾導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)，為了進行水平調(diào)整，在底層采用螺紋頂絲結(jié)構(gòu)；為了進行中心調(diào)整，中間層與上層采取絲杠螺母傳動，并利用楔形條消除間隙誤差。

1.2.2 支撐部分

轉(zhuǎn)輪室圓度檢測機構(gòu)的支撐部分由空心主軸、轉(zhuǎn)動支架軸、箱型架、轉(zhuǎn)動支架和豎向支撐架組成，上下求心器分別設(shè)在空心主軸的頂部和底部，主軸穿過箱型架，并且其外表面連有中空的轉(zhuǎn)動支架軸，在轉(zhuǎn)動支架軸上連接的轉(zhuǎn)動支架兩側(cè)對稱的安裝豎向支撐架。整個裝置的支撐部分采用對稱結(jié)構(gòu)以增強裝置的抗振能力，保證測量過程的穩(wěn)定性，提高測量精度和操作安全性。

1.2.3 滑軌裝置和測量樣板

在檢測機構(gòu)的設(shè)計過程中，考慮到不同型號機組的轉(zhuǎn)輪室內(nèi)部型面不同，為了提高檢測系統(tǒng)的適應(yīng)能力，將測量樣板的調(diào)整裝置設(shè)計為線性滑軌。滑軌分為上下兩部分，可用來進行測量樣板的豎向調(diào)整，且上下滑軌上均安裝半徑調(diào)整裝置，可以實現(xiàn)測量樣板的徑向調(diào)整。線性滑軌的主要工作是調(diào)整測量樣板的徑向和豎向，同時支撐測量樣板，這就要求滑軌裝置具有足夠的剛度、定位精度和負(fù)載能力。所采用的HIWIN直線導(dǎo)軌HG系列線性滑軌能夠滿足系統(tǒng)要求。

測量樣板采用剛度大且質(zhì)量小的高強度硬鋁(LY12)材料，樣板外側(cè)形狀采用與轉(zhuǎn)輪室內(nèi)部型線一致的弧形凸口，在凸口上安裝激光距離傳感器，以檢測傳感器到轉(zhuǎn)輪室內(nèi)部型面的距離。滑軌裝置與測量樣板相連處設(shè)計成腰型槽結(jié)構(gòu)，測量時通過調(diào)整線性滑軌使測量樣板關(guān)于裝置中心線對稱，消除微小形變導(dǎo)致的系統(tǒng)誤差。

1.2.4 數(shù)據(jù)采集和處理結(jié)構(gòu)

數(shù)據(jù)采集與處理結(jié)構(gòu)由角度傳感器、激光距離傳感器、數(shù)據(jù)采集模塊和上位機等組成。傳感器包括長距傳感器和短距傳感器2種。采用長距傳感器測得測量樣板到裝置中心線的距離，作為滑軌調(diào)節(jié)測量樣板的校核基準(zhǔn)。采用短距傳感器測得轉(zhuǎn)輪室表面到傳感器的水平距離，該距離與傳感器到轉(zhuǎn)輪室標(biāo)準(zhǔn)型線的距離之差即為轉(zhuǎn)輪室表面磨損高度。該系統(tǒng)對轉(zhuǎn)輪室的圓度檢測是一種非接觸式的高精度測量技術(shù)。

由于檢測系統(tǒng)采用激光距離傳感器進行測量，為保證數(shù)據(jù)采集，轉(zhuǎn)動測量時應(yīng)保持較低轉(zhuǎn)速。檢測數(shù)據(jù)經(jīng)過計算機處理，計算出金屬表面的磨損程度，確定修補措施。

2 靜力分析

轉(zhuǎn)輪室測圓裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，利用SolidWorks軟件建立機構(gòu)的實體結(jié)構(gòu)模型，具體結(jié)構(gòu)如圖2所示，把模型在SolidWorks中轉(zhuǎn)換成x_t(.x_t)文件格式，導(dǎo)入ANSYS Workbench有限元分析軟件中。該裝置幾何拓?fù)淠Ｐ痛蠖鴱?fù)雜，采用四面體單元對裝置幾何模型進行網(wǎng)格劃分，得到裝置網(wǎng)格單元總數(shù)為62 274個，節(jié)點單元數(shù)為122 848個?？紤]到裝置的經(jīng)濟實用性以及現(xiàn)場工作環(huán)境，裝置結(jié)構(gòu)選取高強度鋼。因此，模型的單元材料選取structure steel，彈性模量為2.1×105MPa，泊松比0.3，材料密度為7.85×106。裝置有限元網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖3所示。

圖2 轉(zhuǎn)輪室圓度檢測裝置模型

圖3 轉(zhuǎn)輪室圓度檢測裝置有限元網(wǎng)格模型

該裝置在工作中受到向下的重力作用，由于轉(zhuǎn)動緩慢，沿徑向向外的離心力忽略不記。根據(jù)受力情況，進行靜力分析時在裝置模型上施加向下的重力加速度，檢驗裝置在重力作用下的反應(yīng)。在裝置的箱型架兩端施加固定約束。

在ANSYS Workbench有限元軟件中直接加載計算，模型進行計算后處理，得到如圖4所示的裝置變形示意，如圖5所示的應(yīng)力分布示意。

圖4 整體結(jié)構(gòu)變形示意(單位：m)

圖5 總體應(yīng)力分布示意(單位：m)

根據(jù)仿真結(jié)果可知，裝置在正常工作時的形變主要集中在箱型架上，其最大變形量為1.572 8 mm。等效應(yīng)力最大值為92.017 MPa。根據(jù)相關(guān)資料查得高強度鋼的許用應(yīng)力大于這個應(yīng)力值，而整個裝置其他部分的等效應(yīng)力都較低，因此裝置材料選用高強度鋼符合設(shè)計強度要求。

3 模態(tài)分析

因為裝置的靜力分析只能反應(yīng)它在靜載荷下裝置抵抗變形的能力。但是，機組檢修現(xiàn)場振動強烈，振動問題是裝置設(shè)計必須考慮的問題。當(dāng)裝置工作時產(chǎn)生的振幅超出了允許的范圍時，將導(dǎo)致測量數(shù)據(jù)不精確，影響檢修結(jié)果，嚴(yán)重時，將使裝置不能正常工作，因此，需要分析裝置的振動特性即求解裝置的固有頻率和振型。通過裝置的模態(tài)分析，得到裝置各階振型的特點，評估裝置的動態(tài)特性。模態(tài)分析一般步驟為：輸入材料特性—創(chuàng)建模型—定義接觸—劃分網(wǎng)格—施加載荷和約束—求解—查看固有頻率—振型結(jié)果。運用ANSYS Workbench有限元分析軟件進行裝置模態(tài)分析，分析結(jié)果如表1所示。

表1 裝置固有頻率及振型

通過對裝置模型的模態(tài)分析，表明：裝置的前三階模態(tài)形式相對比較簡單，主要是裝置繞Y軸轉(zhuǎn)動和上下擺動。隨著階數(shù)增高，裝置的動態(tài)特性變得復(fù)雜，振型主要為局部的翹曲、轉(zhuǎn)動和擺動等。其最大變形位置在測量樣板，但是裝置整體的變形很小，因此具有較好的動態(tài)特性。

4 結(jié) 語

設(shè)計了一個具有高強度和剛度的現(xiàn)場修復(fù)測圓裝置，通過對裝置模型的有限元分析可以看出裝置具有較好的靜態(tài)特性和動態(tài)特性。結(jié)合三門峽水電站檢修項目中的應(yīng)用結(jié)果表面：該裝置能夠滿足測量的剛度、強度和精度要求，提高了水輪機轉(zhuǎn)輪室現(xiàn)場檢修的智能化，檢測效果好，達到了0.2 mm的設(shè)計精度要求。并且該系統(tǒng)的適應(yīng)性較好，能構(gòu)滿足不同型號的轉(zhuǎn)輪室內(nèi)部型面的檢測要求。下一步要做的研究工作是在滿足裝置強度和剛度要求的前提下，對裝置進行進一步優(yōu)化以減輕重量和便于安裝運輸。

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