郝用興，馮梅玲，周 洋，范素香

(華北水利水電大學(xué)機(jī)械學(xué)院，河南鄭州450045)

0 引 言

水輪機(jī)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(jī)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(jìn)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(jìn)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(jī)的安全運(yùn)行和水力資源的充分利用是建立在對(duì)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(duì)于全球型結(jié)構(gòu)的水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪室來說，為保證檢修后水輪機(jī)對(duì)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(shí)的幾何形狀和間隙值，因此，轉(zhuǎn)輪室型面的修復(fù)在機(jī)組檢修過程中具有極為重要的作用。為了提高對(duì)轉(zhuǎn)輪室表面的修補(bǔ)精度，需要進(jìn)行針對(duì)表面金屬磨損量的測(cè)量計(jì)算。

傳統(tǒng)測(cè)圓裝置與方法側(cè)重于依靠人工經(jīng)驗(yàn)、裝置簡(jiǎn)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(huì)提高轉(zhuǎn)輪與轉(zhuǎn)輪室間隙值比設(shè)計(jì)間隙值增大[3]，這樣做的后果一方面會(huì)造成水資源的極大浪費(fèi)，另一方面是會(huì)造成水流在流過間隙時(shí)會(huì)產(chǎn)生漩渦加劇磨蝕作用。

以大型水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪室金屬表面的檢測(cè)作為研究對(duì)象，通過借鑒傳統(tǒng)檢測(cè)裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)，并利用最新相關(guān)的機(jī)械設(shè)計(jì)技術(shù)、機(jī)械測(cè)量技術(shù)、傳感器技術(shù)以及三維幾何數(shù)據(jù)點(diǎn)陣形狀重構(gòu)技術(shù)等，設(shè)計(jì)一個(gè)針對(duì)轉(zhuǎn)輪室型面并具有高精度和較強(qiáng)實(shí)用性的檢測(cè)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(bǔ)精度低的問題，本研究通過利用SolidWorks軟件建立檢測(cè)裝置的三維實(shí)體模型，并在ANSYS Workbench有限元軟件中進(jìn)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(qiáng)度以及穩(wěn)定性[7- 8]，籍此保證測(cè)圓裝置的實(shí)際工作尺寸精度和動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性滿足要求。

1 檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該檢測(cè)系統(tǒng)的目的是針對(duì)水輪機(jī)組檢修前和檢修后的轉(zhuǎn)輪室內(nèi)表面的圓度測(cè)量工藝設(shè)計(jì)的。轉(zhuǎn)輪室圓度檢測(cè)過程步驟為：①按照設(shè)計(jì)安裝檢測(cè)系統(tǒng)；②利用檢測(cè)裝置的上下求心器，調(diào)整檢測(cè)裝置的水平度，并調(diào)整檢測(cè)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(cè)量樣板到轉(zhuǎn)輪室的中心距離保持相等；④啟動(dòng)上位機(jī)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(jì)中轉(zhuǎn)輪室型面到轉(zhuǎn)輪室中心的距離，計(jì)算出轉(zhuǎn)輪室金屬表面的損壞程度。

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

圖1 水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪室圓度檢測(cè)裝置結(jié)構(gòu)示意

1.1.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求

機(jī)組檢修要求最大程度上實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)輪和轉(zhuǎn)輪室的還原，由于機(jī)組檢修是在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行的，施工條件惡劣，所以所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)轉(zhuǎn)輪室型面檢測(cè)應(yīng)滿足的條件為：在進(jìn)行測(cè)量時(shí)裝置轉(zhuǎn)動(dòng)平穩(wěn)；裝置的旋轉(zhuǎn)軸線與轉(zhuǎn)輪室中心線相重合；各機(jī)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定，形變量?。幌到y(tǒng)測(cè)量精度達(dá)到0.2 mm。

1.1.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)中考慮的因素

由于現(xiàn)場(chǎng)檢修中振動(dòng)強(qiáng)烈，所以在設(shè)計(jì)中不僅要考慮測(cè)量精確度以及系統(tǒng)自身的校核基準(zhǔn)，也要考慮振動(dòng)對(duì)測(cè)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(hào)的機(jī)組的轉(zhuǎn)輪室，因此在傳統(tǒng)檢測(cè)裝置的基礎(chǔ)上，采用能夠增強(qiáng)穩(wěn)定性和操作安全性的雙邊對(duì)稱結(jié)構(gòu)。

1.2 機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.2.1 上求心器和下求心器

檢測(cè)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(huì)導(dǎo)致傳感器的輸入?yún)?shù)誤差過大，影響最終圓度計(jì)算；中心精度低會(huì)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(cè)量樣板不對(duì)稱，使測(cè)量樣板兩端分布的傳感器所測(cè)得的數(shù)據(jù)之間存在差異，導(dǎo)致測(cè)量誤差過大。因此求心器的精度對(duì)于最終檢測(cè)結(jié)果的誤差至關(guān)重要。轉(zhuǎn)輪室圓度檢測(cè)機(jī)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(cè)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(jìn)行水平調(diào)整，在底層采用螺紋頂絲結(jié)構(gòu)；為了進(jìn)行中心調(diào)整，中間層與上層采取絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)，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(cè)機(jī)構(gòu)的支撐部分由空心主軸、轉(zhuǎn)動(dòng)支架軸、箱型架、轉(zhuǎn)動(dòng)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(dòng)支架軸，在轉(zhuǎn)動(dòng)支架軸上連接的轉(zhuǎn)動(dòng)支架兩側(cè)對(duì)稱的安裝豎向支撐架。整個(gè)裝置的支撐部分采用對(duì)稱結(jié)構(gòu)以增強(qiáng)裝置的抗振能力，保證測(cè)量過程的穩(wěn)定性，提高測(cè)量精度和操作安全性。

1.2.3 滑軌裝置和測(cè)量樣板

在檢測(cè)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)過程中，考慮到不同型號(hào)機(jī)組的轉(zhuǎn)輪室內(nèi)部型面不同，為了提高檢測(cè)系統(tǒng)的適應(yīng)能力，將測(cè)量樣板的調(diào)整裝置設(shè)計(jì)為線性滑軌?；壏譃樯舷聝刹糠?，可用來進(jìn)行測(cè)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(shí)現(xiàn)測(cè)量樣板的徑向調(diào)整。線性滑軌的主要工作是調(diào)整測(cè)量樣板的徑向和豎向，同時(shí)支撐測(cè)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(cè)量樣板采用剛度大且質(zhì)量小的高強(qiáng)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(cè)傳感器到轉(zhuǎn)輪室內(nèi)部型面的距離?；壯b置與測(cè)量樣板相連處設(shè)計(jì)成腰型槽結(jié)構(gòu)，測(cè)量時(shí)通過調(diào)整線性滑軌使測(cè)量樣板關(guān)于裝置中心線對(duì)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(jī)等組成。傳感器包括長(zhǎng)距傳感器和短距傳感器2種。采用長(zhǎng)距傳感器測(cè)得測(cè)量樣板到裝置中心線的距離，作為滑軌調(diào)節(jié)測(cè)量樣板的校核基準(zhǔn)。采用短距傳感器測(cè)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(duì)轉(zhuǎn)輪室的圓度檢測(cè)是一種非接觸式的高精度測(cè)量技術(shù)。

由于檢測(cè)系統(tǒng)采用激光距離傳感器進(jìn)行測(cè)量，為保證數(shù)據(jù)采集，轉(zhuǎn)動(dòng)測(cè)量時(shí)應(yīng)保持較低轉(zhuǎn)速。檢測(cè)數(shù)據(jù)經(jīng)過計(jì)算機(jī)處理，計(jì)算出金屬表面的磨損程度，確定修補(bǔ)措施。

2 靜力分析

轉(zhuǎn)輪室測(cè)圓裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，利用SolidWorks軟件建立機(jī)構(gòu)的實(shí)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(duì)裝置幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，得到裝置網(wǎng)格單元總數(shù)為62 274個(gè)，節(jié)點(diǎn)單元數(shù)為122 848個(gè)?？紤]到裝置的經(jīng)濟(jì)實(shí)用性以及現(xiàn)場(chǎng)工作環(huán)境，裝置結(jié)構(gòu)選取高強(qiáng)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(cè)裝置模型

圖3 轉(zhuǎn)輪室圓度檢測(cè)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(dòng)緩慢，沿徑向向外的離心力忽略不記。根據(jù)受力情況，進(jìn)行靜力分析時(shí)在裝置模型上施加向下的重力加速度，檢驗(yàn)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(jì)算，模型進(jìn)行計(jì)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(shí)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(qiáng)度鋼的許用應(yīng)力大于這個(gè)應(yīng)力值，而整個(gè)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(qiáng)度鋼符合設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求。

3 模態(tài)分析

因?yàn)檠b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(jī)組檢修現(xiàn)場(chǎng)振動(dòng)強(qiáng)烈，振動(dòng)問題是裝置設(shè)計(jì)必須考慮的問題。當(dāng)裝置工作時(shí)產(chǎn)生的振幅超出了允許的范圍時(shí)，將導(dǎo)致測(cè)量數(shù)據(jù)不精確，影響檢修結(jié)果，嚴(yán)重時(shí)，將使裝置不能正常工作，因此，需要分析裝置的振動(dòng)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(diǎn)，評(píng)估裝置的動(dòng)態(tài)特性。模態(tài)分析一般步驟為：輸入材料特性—?jiǎng)?chuàng)建模型—定義接觸—?jiǎng)澐志W(wǎng)格—施加載荷和約束—求解—查看固有頻率—振型結(jié)果。運(yùn)用ANSYS Workbench有限元分析軟件進(jìn)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(duì)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(duì)比較簡(jiǎn)單，主要是裝置繞Y軸轉(zhuǎn)動(dòng)和上下擺動(dòng)。隨著階數(shù)增高，裝置的動(dòng)態(tài)特性變得復(fù)雜，振型主要為局部的翹曲、轉(zhuǎn)動(dòng)和擺動(dòng)等。其最大變形位置在測(cè)量樣板，但是裝置整體的變形很小，因此具有較好的動(dòng)態(tài)特性。

4 結(jié) 語(yǔ)

設(shè)計(jì)了一個(gè)具有高強(qiáng)度和剛度的現(xiàn)場(chǎng)修復(fù)測(cè)圓裝置，通過對(duì)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(dòng)態(tài)特性。結(jié)合三門峽水電站檢修項(xiàng)目中的應(yīng)用結(jié)果表面：該裝置能夠滿足測(cè)量的剛度、強(qiáng)度和精度要求，提高了水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪室現(xiàn)場(chǎng)檢修的智能化，檢測(cè)效果好，達(dá)到了0.2 mm的設(shè)計(jì)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(hào)的轉(zhuǎn)輪室內(nèi)部型面的檢測(cè)要求。下一步要做的研究工作是在滿足裝置強(qiáng)度和剛度要求的前提下，對(duì)裝置進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化以減輕重量和便于安裝運(yùn)輸。

[1] TANG Hua. Rebirth of Russia Sayano-Shushenskaya hydroelectric power station[J]. Energy, 2014(12): 20- 23．

[2] 詹然成, 陳英旭, 符鵬軍. 長(zhǎng)河壩水電站泄洪洞群混凝土襯砌施工技術(shù)[J]. 水力發(fā)電, 2016, 42(10): 80- 82．

[3] 郝用興, 賈建濤, 白書杰, 等. 水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪室檢修用圓度測(cè)量裝置: CN, CN103353271A[P]. 2013．

[4] 廖偉麗, 許聯(lián)峰, 劉勝柱. 基于雷諾應(yīng)力微分模型模擬軸流式水輪機(jī)輪緣間隙流動(dòng)[J]. 機(jī)械工程學(xué)報(bào), 2005, 41(5): 38- 43．

[5] 牟介剛, 甘建軍, 鄭水華, 等. 沖壓泵葉輪葉片與蓋板間間隙對(duì)泵性能的影響[J]. 機(jī)械設(shè)計(jì)與制造, 2012(11): 64- 66．

[6] 郝用興, 郭華毅, 張勇, 等. 水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪圓度檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J]. 華北水利水電大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版, 2013, 34(2): 111- 113．

[7] 向光輝, 薛建彬, 封尚. 水輪機(jī)現(xiàn)場(chǎng)修復(fù)專用機(jī)床的有限元分析與結(jié)構(gòu)改進(jìn)[J]. 組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù), 2014(8): 108- 111．

[8] 何偉, 朱亞飛, 陳橋陽(yáng), 等. 薄壁式渡槽運(yùn)營(yíng)期三維有限元分析[J]. 水力發(fā)電, 2016, 42(1): 49- 52．