郝用興，郭華毅，張 勇，楊松偉

（華北水利水電學(xué)院，河南鄭州 450045）

水輪機(jī)在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，長(zhǎng)期受到泥沙的磨蝕和空化空蝕，轉(zhuǎn)輪金屬表面會(huì)發(fā)生塑性變形及硬化，接著會(huì)產(chǎn)生裂縫、剝落，金屬表面成蜂窩狀孔洞［1］，導(dǎo)致水流漏損不斷增大，水輪機(jī)使用效率和使用壽命不斷降低，無法充分利用水能，嚴(yán)重威脅電網(wǎng)安全運(yùn)行［2］．因此，需要定期對(duì)轉(zhuǎn)輪進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)修復(fù)．國(guó)內(nèi)外對(duì)轉(zhuǎn)輪的檢測(cè)使用了很多方法，如梳齒法［3］、激光干涉儀法、三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)法、機(jī)械臂法［4］、光切法［5－6］以及水下攝影法等．

筆者針對(duì)國(guó)內(nèi)某發(fā)電站的具體要求，同時(shí)為彌補(bǔ)現(xiàn)有水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪圓度檢測(cè)系統(tǒng)存在的不足，設(shè)計(jì)出一套實(shí)用性強(qiáng)、性價(jià)比高的圓度檢測(cè)系統(tǒng)，解決了轉(zhuǎn)輪型面形狀復(fù)雜、檢測(cè)技術(shù)難度高等問題．

1 檢測(cè)系統(tǒng)工藝

該系統(tǒng)是針對(duì)水輪機(jī)檢修圓度檢測(cè)工藝設(shè)計(jì)的，主要完成水輪機(jī)表面修復(fù)前、后的檢測(cè)．過程如下：系統(tǒng)安裝→系統(tǒng)水平與中心調(diào)整→樣板調(diào)整→回轉(zhuǎn)測(cè)量→數(shù)據(jù)采集與處理．

2 檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪圓度檢測(cè)系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖1所示．作業(yè)時(shí)，首先調(diào)整求心器使圓度檢測(cè)裝置的測(cè)量中心線與轉(zhuǎn)輪的中心線重合;其次調(diào)整滑軌裝置，使兩端測(cè)量樣板到轉(zhuǎn)輪的中心距離相等;再次啟動(dòng)上位機(jī)與各路激光傳感器，并回傳采集數(shù)據(jù);最后處理數(shù)據(jù)．

水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪圓度檢測(cè)系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)主要由回轉(zhuǎn)體、水平支撐臂、豎直支撐臂、滑軌裝置、工作臺(tái)、求心器、測(cè)量樣板等組成．該系統(tǒng)是在現(xiàn)有轉(zhuǎn)輪圓度檢測(cè)機(jī)械化技術(shù)基礎(chǔ)上開發(fā)的，可以滿足不同型面的轉(zhuǎn)輪圓度檢測(cè)要求．

圖1 系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)圖

2．1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求

轉(zhuǎn)輪圓度檢測(cè)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)輪型面的復(fù)原再現(xiàn)，應(yīng)滿足如下要求：①系統(tǒng)在測(cè)量時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定，不產(chǎn)生晃動(dòng);②系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)其旋轉(zhuǎn)軸線與轉(zhuǎn)輪中心線的重合;③各機(jī)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定，形變量小;④系統(tǒng)測(cè)量精度達(dá)到0．2 mm．

2．2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)中考慮的因素

在設(shè)計(jì)過程中主要考慮以下因素：①轉(zhuǎn)輪活塞桿上端法蘭面與內(nèi)圓面平整無損傷，可做設(shè)計(jì)基準(zhǔn)面;②系統(tǒng)測(cè)量精度高，系統(tǒng)需具有自身的校核基準(zhǔn);③現(xiàn)場(chǎng)工作環(huán)境較惡劣，振感明顯，系統(tǒng)需具有一定的抗振能力．

由于該圓度檢測(cè)裝置可以適用于不同型面尺寸的轉(zhuǎn)輪圓度檢測(cè)，因此在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上與傳統(tǒng)圓度檢測(cè)裝置有很大的差別．相比普通的樣板測(cè)量裝置，采用了兩端對(duì)稱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，增強(qiáng)了作業(yè)中的穩(wěn)定性，同時(shí)也為現(xiàn)場(chǎng)操作人員提供了較大的工作空間，提高了操作的安全性．

2．3 系統(tǒng)構(gòu)成的設(shè)計(jì)

2．3．1 求心器與回轉(zhuǎn)體

求心器與回轉(zhuǎn)體采用一體式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如圖2所示．求心器的調(diào)整精度是影響測(cè)量精度的重要原因之一．求心器的調(diào)整包括水平調(diào)整與中心調(diào)整．水平調(diào)整誤差過大，會(huì)影響激光傳感器所測(cè)量的圓度;中心調(diào)整不對(duì)齊，會(huì)影響滑軌裝置和測(cè)量樣板的調(diào)整，進(jìn)而導(dǎo)致激光傳感器所測(cè)量的數(shù)據(jù)不一致．為了保證轉(zhuǎn)輪圓度檢測(cè)裝置的精度，求心器采用可調(diào)3層雙燕尾導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)：底層安裝螺紋頂絲結(jié)構(gòu)，用于水平調(diào)整;中間層與上層安裝螺紋絲桿結(jié)構(gòu)，用于中心調(diào)整，并且通過鑲條來消除間隙誤差．

求心器上層結(jié)構(gòu)不僅可以滿足中心調(diào)整，同時(shí)設(shè)計(jì)成軸系結(jié)構(gòu)，回轉(zhuǎn)體安裝在求心器上部，包括：圓錐滾子軸承、軸承外套、深溝球軸承、壓緊螺母以及軸承端蓋．

圖2 求心器與回轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)圖

2．3．2 滑軌裝置與測(cè)量樣板

由于機(jī)組型號(hào)的不同，轉(zhuǎn)輪外部型面也不同，在水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪圓度檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，為了提高該裝置的實(shí)用性，使測(cè)量樣板可調(diào)整，采用線性滑軌裝置．滑軌裝置和測(cè)量樣板安裝在裝置的內(nèi)側(cè)，通過水平與豎直支撐臂連接到回轉(zhuǎn)體上，滑軌裝置可以實(shí)現(xiàn)測(cè)量樣板豎直與徑向調(diào)整．豎直調(diào)整與徑向調(diào)整分別采用HGH 45HA，HGH 25HA型號(hào)的線性滑軌．線性滑軌有如下優(yōu)點(diǎn)：高精度、高負(fù)載能力、高剛性、高可靠度、運(yùn)動(dòng)平順、安裝容易等，這些特性都符合了該裝置的要求．

測(cè)量樣板采用的高強(qiáng)度硬鋁（LY12）材料，重量輕且剛度大，它的內(nèi)側(cè)形狀與水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪外部型線一致，測(cè)量樣板與滑軌裝置相連處設(shè)計(jì)成腰型槽結(jié)構(gòu)，通過調(diào)整保證測(cè)量時(shí)樣板的測(cè)量中心線與轉(zhuǎn)輪的中心線重合，可以消除裝置微小變形量帶來的系統(tǒng)誤差．

2．3．3 數(shù)據(jù)采集與處理結(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(jī)等構(gòu)成組成，如圖3所示．

圖3 數(shù)據(jù)采集與處理結(jié)構(gòu)圖

圖4 激光距離傳感器安裝與原理圖

距離傳感器分為長(zhǎng)距和短距2種．短距激光傳感器檢測(cè)范圍為45～125 mm，響應(yīng)時(shí)間采用中速10 ms，測(cè)量精度為0．05 mm;長(zhǎng)距激光傳感器用來測(cè)量樣板到轉(zhuǎn)輪中心的水平距離，該距離可作為系統(tǒng)的一個(gè)校核基準(zhǔn)．該系統(tǒng)對(duì)轉(zhuǎn)輪的圓度檢測(cè)是一種非接觸式［7］的高精度測(cè)量技術(shù)．激光距離傳感器安裝與原理如圖4所示．

短距激光傳感器的坐標(biāo)位置到轉(zhuǎn)輪標(biāo)準(zhǔn)型線的水平距離為L(zhǎng)，設(shè)短距激光傳感器坐標(biāo)為（x1，y1），（x2，y2），…，（x9，y9）;長(zhǎng)距激光傳感器坐標(biāo)為（m，n）;而實(shí)際各路短距傳感器所采集的數(shù)據(jù)為li（i為短距激光傳感器編號(hào)），則轉(zhuǎn)輪表面的誤差h=li－L;轉(zhuǎn)輪表面位置坐標(biāo)Xi（xi－li，yi）．

通過測(cè)量不同斷面的圓度，得到轉(zhuǎn)輪表面的尺寸，進(jìn)而確定轉(zhuǎn)輪體葉片外圓的磨損情況，采取相應(yīng)措施進(jìn)行修復(fù)．為了防止激光距離傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)丟失，轉(zhuǎn)速不宜過大．

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

2011年12月，在三門峽水電站1#機(jī)組檢修項(xiàng)目中，使用該系統(tǒng)進(jìn)行轉(zhuǎn)輪圓度檢測(cè)試驗(yàn)．系統(tǒng)在試驗(yàn)過程中，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，測(cè)量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，滿足精度要求，能夠有效地提供轉(zhuǎn)輪修復(fù)的準(zhǔn)確坐標(biāo)位置與修復(fù)量．水輪機(jī)修復(fù)后，其發(fā)電效率提高了20%以上，水能得到了充分的利用．

同時(shí)，經(jīng)實(shí)例應(yīng)用表明，該系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：

1）測(cè)量精度高，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)用性好，穩(wěn)定性與經(jīng)濟(jì)性好，能測(cè)量不同直徑的轉(zhuǎn)輪圓度．

2）工作臺(tái)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，解決了現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)空間與上位機(jī)放置等問題．

3）激光距離傳感器測(cè)量精度高、質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)小巧、安裝調(diào)整方便，同時(shí)與機(jī)械結(jié)構(gòu)的集合，提高了檢測(cè)的自動(dòng)化程度．

4）線性滑軌的運(yùn)用，簡(jiǎn)化了機(jī)械設(shè)計(jì)部件，提高了測(cè)量的精確性與方便性．

5）裝置的重量適中，能減小現(xiàn)場(chǎng)其他機(jī)組工作時(shí)所產(chǎn)生的震動(dòng)對(duì)裝置測(cè)量的影響．

4 結(jié)語(yǔ)

該系統(tǒng)解決了轉(zhuǎn)輪型面形狀復(fù)雜、檢測(cè)難度高的問題，具有操作方便、性價(jià)比高、測(cè)量精度高等優(yōu)勢(shì)．該系統(tǒng)在三門峽水電站機(jī)組檢修工程項(xiàng)目中得到了應(yīng)用，測(cè)量效果好，滿足精度要求．該系統(tǒng)也可應(yīng)用于其他大型復(fù)雜型面工件的檢測(cè)．

［1］何清華，黃志雄，吳萬榮，等．水輪機(jī)檢修裝備的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)［J］．大機(jī)電技術(shù)，2003（2）：35－39．

［2］涂陽(yáng)文，陳鋼，鄧鍵，等．水輪機(jī)自動(dòng)化檢修設(shè)備研究現(xiàn)狀［J］．焊接技術(shù)，2006，35（4）：9 －12．

［3］段生孝，李建成．劉家峽水電廠大型混流式轉(zhuǎn)輪實(shí)測(cè)［J］．大電機(jī)技術(shù)，1988（2）：27 －32．

［4］李覓．水輪機(jī)葉片葉型的幾種常規(guī)測(cè)量方法［J］．黑龍江科技信息，2011（13）：13－14．

［5］米蘭斌，周欣榮，宋立新，等．水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片表面缺陷的檢測(cè)方法［J］．哈爾濱理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2001，6（3）：30－33．

［6］蔣劍峰，何永輝．利用CCD進(jìn)行光切法測(cè)量的研究［J］．計(jì)量技術(shù)，1999（8）：7－9．

［7］鄭毅，李炤．三峽葉片測(cè)量研究［J］．黑龍江水利科技，2005，33（2）：1 －4．