水力機(jī)械現(xiàn)場測試技術(shù)及其進(jìn)展

賈瑞旗 閆 宇 張弋揚(yáng) 張 馳

1 水力機(jī)械現(xiàn)場測試概述

水力機(jī)械是一門以試驗(yàn)科學(xué)為主的學(xué)科，高精度的水力機(jī)械試驗(yàn)設(shè)備及測試技術(shù)是設(shè)計(jì)開發(fā)和驗(yàn)證新型水力機(jī)械產(chǎn)品的必要條件，也是研究解決現(xiàn)場運(yùn)行中出現(xiàn)異常故障的重要手段。對(duì)于水力機(jī)械的研究有模型試驗(yàn)、仿真計(jì)算和現(xiàn)場測試3種手段，3種手段側(cè)重方向不同，目的也有差別，現(xiàn)場測試能對(duì)模型試驗(yàn)和仿真計(jì)算進(jìn)行驗(yàn)證和校核，真實(shí)反映真機(jī)的運(yùn)行特性，為機(jī)組安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行提供技術(shù)數(shù)據(jù)，也能校驗(yàn)設(shè)計(jì)、制造和安裝質(zhì)量水平。

1.1 水力機(jī)械現(xiàn)場測試作用和內(nèi)容

水力機(jī)械現(xiàn)場測試具有模型試驗(yàn)和仿真計(jì)算不可替代的作用，現(xiàn)場試驗(yàn)具備以下的特點(diǎn)和作用，服務(wù)方向是生產(chǎn)運(yùn)行、工程驗(yàn)收、改造設(shè)計(jì)、解決實(shí)際問題和促進(jìn)專業(yè)技術(shù)進(jìn)步等，具體作用如下[1]：

（1）可以做模型試驗(yàn)不能模擬的試驗(yàn)，比模型試驗(yàn)更能發(fā)現(xiàn)和解決生產(chǎn)和科研中提出的問題；

（2）可以正確了解機(jī)組在電氣、機(jī)械、水力等方面的運(yùn)行特性，鑒定水力機(jī)組的各種工作參數(shù)；

（3）檢驗(yàn)機(jī)組的理論、計(jì)算方法，根據(jù)現(xiàn)場試驗(yàn)的資料積累，能為發(fā)展新型結(jié)構(gòu)和新型機(jī)組提供資料；

（4）是鑒定機(jī)組的設(shè)計(jì)是否合理、制造和安裝質(zhì)量優(yōu)劣的有效手段和可靠依據(jù)；

（5）為系統(tǒng)安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行提供可靠地運(yùn)行資料，正確指導(dǎo)到電站、泵站的運(yùn)行。

根據(jù)機(jī)組的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行和可靠性要求，水力機(jī)械現(xiàn)場測試的內(nèi)容主要有以下幾個(gè)方面：

（1）反映能量特性和水電廠、泵站優(yōu)化方面的試驗(yàn)；

（2）反映調(diào)速系統(tǒng)和調(diào)速器性能，以及因調(diào)速器和性能引起的機(jī)組過渡過程方面的試驗(yàn)；

（3）反映機(jī)組安全運(yùn)行的穩(wěn)定性方面的試驗(yàn)；

（4）反映機(jī)組主要設(shè)備部件的結(jié)構(gòu)、運(yùn)行性能和力學(xué)特性方面的試驗(yàn)；

（5）反映機(jī)組軸承結(jié)構(gòu)運(yùn)行特性及潤滑特性方面的試驗(yàn)；

（6）反映機(jī)組過流部件的空蝕磨損特性方面的試驗(yàn)等。

1.2 水力機(jī)械現(xiàn)場測試技術(shù)進(jìn)展

我國水力機(jī)械現(xiàn)場測試技術(shù)的發(fā)展基本在20世紀(jì)80年代之后，隨著現(xiàn)代電子技術(shù)、傳感器技術(shù)，尤其是信息技術(shù)的發(fā)展，包括自動(dòng)控制技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，推動(dòng)水力機(jī)械測試技術(shù)的迅猛發(fā)展，同時(shí)，測試技術(shù)的發(fā)展又促進(jìn)科技的發(fā)明和創(chuàng)新，也給水力機(jī)械的智能測試技術(shù)帶來了新的發(fā)展動(dòng)力。流量、壓力、轉(zhuǎn)速、扭矩等參數(shù)的新的電子測量設(shè)備替代原來的老舊設(shè)備。智能電磁流量計(jì)、超聲波流量計(jì)、智能壓力變送器、轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器、微機(jī)扭矩儀、單片機(jī)、PLC等先進(jìn)的電子裝置迅速地被應(yīng)用于智能的自動(dòng)測試系統(tǒng)中，極大地提高了測試體系的自動(dòng)化程度、測試精度、響應(yīng)速度和人工效率[2]。

近些年來，國內(nèi)水力機(jī)械現(xiàn)場測試技術(shù)得到很大提高，對(duì)機(jī)組性能常規(guī)測試和專項(xiàng)參數(shù)測試方面的技術(shù)已進(jìn)入國際先進(jìn)水平，逐步參與國際上相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制定和討論，參加和召開專業(yè)國際會(huì)議，越來越多地發(fā)出自己的聲音，同時(shí)國內(nèi)水力機(jī)械現(xiàn)場測試技術(shù)方面，制定和完善了與IEC、ISO等接軌的國家標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)場試驗(yàn)技術(shù)更加規(guī)范化，重要參數(shù)的測試儀器需經(jīng)過國家認(rèn)可、授權(quán)的計(jì)量機(jī)構(gòu)的鑒定并保證在有效檢定周期內(nèi)。

試驗(yàn)內(nèi)容從常規(guī)的性能試驗(yàn)、運(yùn)行穩(wěn)定性試驗(yàn)逐漸擴(kuò)展到專項(xiàng)參數(shù)試驗(yàn)研究、關(guān)鍵部件的應(yīng)力測試、轉(zhuǎn)輪葉片動(dòng)應(yīng)力測試等方面，中國水利水電學(xué)研究院在2002年開展了“大型水泵、水輪機(jī)動(dòng)應(yīng)力測試技術(shù)研究及裝置研發(fā)”等課題研究[3]，并進(jìn)行了國內(nèi)。外的若干電站機(jī)組的轉(zhuǎn)輪動(dòng)應(yīng)力測試，東方電機(jī)廠、中國水科院、華中科技大學(xué)等也合作開展過大朝山電站6#機(jī)組。李家峽電站1#機(jī)組轉(zhuǎn)輪動(dòng)應(yīng)力的現(xiàn)場測試，均取得不錯(cuò)的效果。

部分測試機(jī)構(gòu)已根據(jù)機(jī)組內(nèi)部壓力脈動(dòng)測試和過流部件應(yīng)力變化測試情況，結(jié)合模型試驗(yàn)和仿真計(jì)算開展了內(nèi)部流場和渦帶研究工作，對(duì)尾水管渦帶振動(dòng)、高水頭機(jī)組梳齒自激振動(dòng)、引水系統(tǒng)共振等振動(dòng)穩(wěn)定性問題開展較為系統(tǒng)的試驗(yàn)研究[2]，提出了一些新穎的理論并逐步通過現(xiàn)場測試得到了驗(yàn)證。

2 現(xiàn)場測試主要參數(shù)及方法

水力機(jī)械現(xiàn)場測試中，較為重要的參數(shù)一類為表征機(jī)組性能指標(biāo)的參數(shù)，如：水頭（揚(yáng)程）、功率、流量等；另一類為表征運(yùn)行穩(wěn)定性能方面的參數(shù)，如：轉(zhuǎn)速、振動(dòng)、擺度、壓力脈動(dòng)、噪聲、葉片動(dòng)應(yīng)力等。按照性質(zhì)和測試對(duì)象可分：機(jī)械參數(shù)、水力參數(shù)、電氣參數(shù)、力學(xué)參數(shù)、調(diào)節(jié)參數(shù)和熱量參數(shù)等[1]，不同參數(shù)的測試方法有多種，但現(xiàn)在主要的、使用較多的是非電量（包括一些電參數(shù)）的電測法。

同一參數(shù)在不同的運(yùn)行工況測試時(shí)，根據(jù)信號(hào)變化情況會(huì)選用不同采集方式和傳感器，穩(wěn)定運(yùn)行工況，各參數(shù)變化較為穩(wěn)定。對(duì)于過渡過程測試工況，由于信號(hào)變化較為迅速，歷時(shí)較短，變化不容易捕捉的特點(diǎn)，需要測試儀器具備高精度、高分辨率和較好的采集同步性。

進(jìn)、出口壓力測量（水頭），一般采用高精度的壓力（壓差）傳感器，安裝在機(jī)組水力測量斷面引出管路（水輪機(jī)）上或者直接安裝在測量斷面（水泵）上，通過測得的壓力差值并計(jì)入位能和速度能，可較為準(zhǔn)確獲得工作水頭或揚(yáng)程參數(shù)，對(duì)于不滿足條件的機(jī)組，也可采用測量上、下游液位或者吸入式水頭測量裝置獲得毛水頭。

現(xiàn)場流量測量方法很多，流量的測量直接決定了試驗(yàn)的規(guī)模和性質(zhì)，適用于現(xiàn)場測試的方法有：流速儀法、水錘法（壓力時(shí)間法）、示蹤法、超聲波法、蝸殼壓差法等，在水力發(fā)電機(jī)組上，應(yīng)用較多的是蝸殼壓差法測量相對(duì)流量，或者根據(jù)模型試驗(yàn)所得的流量系數(shù)換算到原型機(jī)組上，得到過機(jī)絕對(duì)流量，小型水泵機(jī)組有時(shí)采用電磁流量計(jì)或超聲波流量計(jì)測量流量。

機(jī)組轉(zhuǎn)速測量一般采用齒盤測試方式，在甩負(fù)荷、水泵掉電等過渡過程工況中轉(zhuǎn)速測量尤為重要，采用電渦流傳感器直接將模擬信號(hào)引出至計(jì)算機(jī)采集系統(tǒng)，利用時(shí)差法對(duì)變化的轉(zhuǎn)速信號(hào)進(jìn)行后續(xù)處理，得到變化的轉(zhuǎn)速曲線（如圖1所示），電渦流傳感器測量轉(zhuǎn)速較其他傳感器有很大優(yōu)勢，頻率響應(yīng)為0～10 kHz，轉(zhuǎn)速測量的頻率響應(yīng)范圍廣，對(duì)轉(zhuǎn)速變化響應(yīng)迅速，傳感器輸出信號(hào)的幅值較大，同時(shí)抗干擾能力強(qiáng)，安裝方便。過渡過程轉(zhuǎn)速測量時(shí)，應(yīng)注意動(dòng)態(tài)采集系統(tǒng)設(shè)置合適的采樣頻率和測試精度問題，保證測量到的離散轉(zhuǎn)速變化盡量接近于轉(zhuǎn)速變化真值。

圖1 過渡過程轉(zhuǎn)速變化示意圖

水力機(jī)械振動(dòng)參數(shù)測量方面，由于機(jī)組主頻多為低頻，多采用電磁式低頻速度振動(dòng)傳感器進(jìn)行測量，業(yè)內(nèi)研究人員越來越多地呼吁采用振動(dòng)速度指標(biāo)來評(píng)判機(jī)組振動(dòng)情況。

軸擺度采用非接觸式的電渦流位移傳感器測量，獲取大軸相對(duì)擺度和軸心運(yùn)動(dòng)軌跡，并可獲得整體軸線在空間的運(yùn)行姿態(tài)，絕對(duì)擺度測量值通過合成也可得到大軸運(yùn)行偏移值。

甩負(fù)荷、水泵掉電工況閥門動(dòng)作規(guī)律測試，可采用角位移傳感器或者拉線位移傳感器測量閥門開度變化和規(guī)律，獲取動(dòng)作規(guī)律曲線并和轉(zhuǎn)速、出口壓力、流量的過度指標(biāo)比較，驗(yàn)證調(diào)保計(jì)算的合理性和改進(jìn)操作流程，在甩負(fù)荷和水泵掉電測試中，故障信號(hào)到動(dòng)作信號(hào)的滯后時(shí)間也是應(yīng)該重點(diǎn)關(guān)注的問題，準(zhǔn)確獲得從故障信號(hào)開始到設(shè)備動(dòng)作信號(hào)的時(shí)間差，可以對(duì)調(diào)保計(jì)算改進(jìn)的邊界條件選取提供依據(jù)（如圖2所示）。

水力機(jī)械的力特性試驗(yàn)是現(xiàn)場測定零部件受力狀態(tài)的試驗(yàn)，可分為非旋轉(zhuǎn)部件、旋轉(zhuǎn)部件和進(jìn)水閥門的力特性試驗(yàn)，例如蝸殼的應(yīng)力測量、部件剛度測量、推力軸承（導(dǎo)軸承）的力特性、主軸力特性（軸向力和扭矩測量）以及轉(zhuǎn)輪葉片動(dòng)應(yīng)力和閥門的動(dòng)水啟閉試驗(yàn)等，多采用應(yīng)變片法測量，采用金屬鉑基應(yīng)變片（應(yīng)變花）粘貼在測點(diǎn)部位，根據(jù)不同構(gòu)件的形狀、尺寸、受力方向合理布置一組或者多組應(yīng)變片（應(yīng)變花），將被測構(gòu)件表面指定點(diǎn)的應(yīng)變變化值轉(zhuǎn)換為應(yīng)變片電阻的變化值，再通過電阻應(yīng)變儀轉(zhuǎn)換為電壓（電流）的變化值，調(diào)理后進(jìn)行記錄并根據(jù)不同材料的彈性模量最終得出該部件測點(diǎn)的表面應(yīng)力值和方向。

圖2 水泵事故斷電試驗(yàn)關(guān)機(jī)過程系統(tǒng)動(dòng)作時(shí)間曲線

靜態(tài)應(yīng)力和動(dòng)態(tài)應(yīng)力測量接線方法相同，根據(jù)測點(diǎn)部位不同可以采用直接連線和無線測量方式，旋轉(zhuǎn)部件和水下測點(diǎn)一般采用無線遙測方式，同時(shí)要注意測點(diǎn)的防水、防沖擊保護(hù)，應(yīng)變片到應(yīng)變儀的連接線走線和保護(hù)方法。

其中，隨著大型、巨型機(jī)組的投產(chǎn)，葉片裂紋和斷裂問題也越來越多的發(fā)生，對(duì)關(guān)鍵部件的交變應(yīng)力研究和轉(zhuǎn)輪葉片的動(dòng)應(yīng)力變化研究也引起極大重視，轉(zhuǎn)輪葉片動(dòng)應(yīng)力測試由于其測點(diǎn)布置位置和信號(hào)傳輸方式，國內(nèi)外測試機(jī)構(gòu)采用無線遙感方式進(jìn)行測量，應(yīng)變測點(diǎn)位于水下，采用高性能的金屬防護(hù)膠劑進(jìn)行封裝，并確保表面光滑以減少對(duì)水流的阻力，并將無線應(yīng)變測量系統(tǒng)封裝、固定在泄水錐內(nèi)部或者轉(zhuǎn)輪的操作機(jī)構(gòu)內(nèi)，采用無線傳輸協(xié)議獲得數(shù)據(jù)。

3 現(xiàn)場測試技術(shù)發(fā)展趨勢

水力機(jī)械現(xiàn)場測試技術(shù)經(jīng)過多年的發(fā)展進(jìn)步，自動(dòng)采集和傳輸數(shù)據(jù)，隨著傳感器的高分辨，數(shù)據(jù)采集硬件系統(tǒng)A/D轉(zhuǎn)換位數(shù)的提高，減少了隨機(jī)誤差和過失誤差，極大提高測試精度；現(xiàn)場測試系統(tǒng)應(yīng)綜合現(xiàn)代的檢測技術(shù)、智能控制技術(shù)、云傳輸網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和電子計(jì)算機(jī)技術(shù)等進(jìn)行自動(dòng)數(shù)據(jù)測試，可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，實(shí)時(shí)測試，能夠快速采樣和處理，提高測試系統(tǒng)的自動(dòng)化程度。

測試內(nèi)容從外特性逐步延伸到內(nèi)特性的測試上，從常規(guī)性能試驗(yàn)到單個(gè)特性參數(shù)的深入研究發(fā)展，對(duì)流道內(nèi)和葉片上的流速分布、壓力分布進(jìn)行測試，葉片空化等內(nèi)特性的測試，這些內(nèi)容研究成果會(huì)對(duì)水力機(jī)械基礎(chǔ)理論的發(fā)展、設(shè)計(jì)的創(chuàng)新和性能的改進(jìn)產(chǎn)生重要的影響。

基于當(dāng)前逐步完善的水力機(jī)械在線監(jiān)測系統(tǒng)并結(jié)合離線測試手段，進(jìn)一步提高在線診斷、分析能力，建立數(shù)據(jù)庫，開展故障預(yù)防和關(guān)鍵部件的壽命預(yù)測，合理規(guī)劃檢修間隔并防范危害進(jìn)一步發(fā)展，通過現(xiàn)場關(guān)鍵部件的應(yīng)力測試，轉(zhuǎn)輪葉片及其它關(guān)鍵部件的疲勞損傷累積及疲勞壽命估算是未來評(píng)價(jià)水力機(jī)械安全可靠運(yùn)行的一個(gè)方向[4]。