一种光电成像式水轮机组蠕动检测装置及检测方法与流程

本发明涉及水轮发电机组停机状态蠕动检测问题，属于机械量测量领域。

背景技术：

水轮发电机组在停机状态下，由于导叶关闭不严，水轮机转轮受水流冲击，使机组缓慢地转动，即蠕动。机组蠕动又称为爬行，这种运动非常缓慢，人眼难以在短时间分辨。蠕动现象属于水利机械故障范畴，对机组轴承危害较大。机组在停机后，轴瓦间隙的油膜逐渐消失，机组蠕动，轴瓦处于干摩擦状态，如果蠕动时间过长，容易导致接触面划伤，摩擦系数增大，在机组重新起动后，轴承易烧损，使机组因故停机，检修工作量大，费用高。由此可见，机组蠕动现象具有隐蔽性，不易察觉，却给机组安全运行带来了极大的隐患。因此，有必要对机组蠕动故障进行检测，及早发现问题，并采取措施，消除蠕动可能带来的危害。

常用的水轮机组蠕动检测方法有PT残压法、机械靠轮法、摩擦杆气动法。PT残压法需要检测蠕动产生的电压波动，信号微弱，信噪比低，检测有一定的困难。、机械靠轮法通过靠轮与机组大轴接触，靠轮上连接有旋转编码器，大轴蠕动带来靠轮转动，通过旋转编码器可以检测到角度变化。摩擦杆气动法是通过与大轴接触的摩擦杆带动微动开关来检测蠕动变化。这两种方法都是通过接触式方法检测蠕动，对机组大轴有一定程度的磨损，并且长时间运行，大轴和靠轮（或摩擦杆）之间易引起相对滑动，这样就不能有效检测出蠕动。

技术实现要素：

本发明目的是为了解决水轮机组在停机状态下蠕动检测问题，提供了一种光电成像式水轮机组蠕动检测装置及检测方法。

本发明所述的蠕动检测装置，它包括成像照明光源，与水轮机大轴连接一起的齿盘，成像透镜，光阑，面阵CCD以及图像采集处理单元。照明光源从一侧照射于齿盘，齿盘通过另一侧的光路系统成像于CCD，CCD产生的齿盘图像由图像处理单元识别，并由此判定齿盘位置变化，从而有效检测蠕动情况。

本发明所述的蠕动检测方法，它包括以下步骤：

（1）照明光源从一侧照射于齿盘，齿盘经另一侧的成像透镜和光阑成像于面阵CCD；

（2）面阵CCD的图像由图像采集处理单元采集；

（3）图像采集处理单元完成齿盘图像处理及蠕动检测。

其中步骤（3）检测过程为：在初始处理执行中，在整幅图像中搜索定位凸齿的边沿；在定位完成后，以定位的边沿设置一ROI区域（感兴趣区），后续的每次图像边缘检测都在ROI区域进行；在每次检测到凸齿的边沿后，又以新的边沿重新设置ROI，为下一次边缘检测做准备；在ROI区域检测边缘后，要提取边缘直线，由此可以确定该直线的直角坐标系方程，并计算直线斜率；由直线斜率的变化判断蠕动情况并输出结果。

本发明所提供的水轮机组蠕动检测装置及方法，通过光学成像方式可以检测齿盘位置变化，检测途径直接可靠；属于非接触测量，不会对机组大轴产生划伤，不会对机组产生任何影响。无论立式或卧式安装的水轮机组，其大轴都密闭安装，所以照明光源条件好，无其它杂散光干扰；水轮机组一般都安装齿盘，通过安装于外部支架上的转速传感器测机组转速。本发明的检测装置可以与转速传感器共用同一支架，不会产生额外资源占用。

附图说明

图1是水轮机组蠕动检测装置构成图；

图2是蠕动检测齿盘结构图；

图3是蠕动检测装置安装支架图；

图4是齿盘图像处理原理图。

具体实施方式

结合图1、图2、图3，一种光电成像式水轮机组蠕动检测装置具体实施方式包括：

具体实施方式一、光电成像式水轮机组蠕动检测装置，它包括成像照明光源(1)，与水轮机大轴连接一起的齿盘(2)，成像透镜(3)，光阑(4)，面阵CCD(5)以及图像采集处理单元(6)，如图1所示。照明光源(1)采用背光式照明，齿盘(2)与机组大轴同轴安装，光源(1)从齿盘(2)一侧照射于齿盘(2)边沿分布的凸齿。在齿盘(2)另一侧，齿盘(2)边沿分布的凸齿由成像透镜(3)和光阑(4)成像于面阵CCD(5)。光阑(4)设在透镜(3)的像方焦平面处，为系统的孔径光阑，形成了物方远心光路。透镜(3)、光阑(4)、CCD(5)同轴安装，并垂直于机组大轴。图像采集处理单元(6)采集CCD(5)图像，并进行处理得出相应检测结果。图像采集处理单元可由FPGA+DSP架构实现，FPGA完成图像的实时采集，DSP完成图像处理算法和检测结果输出。

具体实施方式二、如图2所示，齿盘（7）一周由60个凸齿（8）组成，每个凸齿（8）所占角度为3°。齿盘（7）每个凸齿（8）的两条边沿延长线通过齿盘（7）的圆心，齿盘（7）外径由水轮机组大轴直径决定，通过安装孔（9）与机组大轴法兰连接一起。该齿盘（7）也可用于机组转速测量。

具体实施方式三、对于机组蠕动检测装置的安装，可以与机组转速测量装置安装于同一支架（11），如图3所示，构成一个组合式测量系统。转速传感器（12）位于支架（11）的中部，通过磁电式传感器，检测齿盘（10）上凸齿所产生的脉冲。蠕动检测装置（13）安装于支架（11）的两侧。在机组运转工作过程中，由转速传感器测速，在停机状态下，由蠕动检测装置检测机组蠕动情况。

结合图1、图2、图4，一种光电成像式水轮机组蠕动检测方法及原理为：

1、齿盘（2）与机组大轴刚性连接，照明光源（1）从齿盘（2）一侧照射于齿盘（2），齿盘（2）经另一侧的透镜（3）和光阑（4）成像于CCD（5）。由于齿盘边沿均匀间隔分布着凸齿（8）和凹槽，凸齿（8）遮挡光线，其在CCD（5）上形成暗带；凹槽透过光线，其在CCD（5）上形成亮带。通过图像处理检测暗带边缘的位置变化，也即可以有效检测机组蠕动情况。光阑（4）安装于透镜（3）的像方焦平面处，形成物方远心光路，远心光路可以有效减小被测物体沿光轴方向的位置变动带来的测量误差。

2、齿盘图像由图像采集处理单元（6）采集。

3、对于齿盘的图像，如图4，处理过程如下。通过图像处理边缘检测的方法识别凸齿边沿（15），由边缘点拟合直线，即代表凸齿边沿（15）所在直线。初始过程中，在整幅图像中搜索定位凸齿边沿（15），定位一个凸齿（16）的相应一边（15）即可。在以后的检测处理中，以该边上的一点为中心设置ROI区域（14），接下来的处理即检测、计算ROI（14）中的边沿（15）直线斜率、角度。由新检测到的直线重新设置下一次检测的ROI区域（14），这样使ROI（14）动态设置，ROI区域（14）随着边沿（15）直线变化。由于蠕动发生缓慢，在下一次检测中边沿（15）不会超出所设置的ROI区域（14）。上述处理可以保证始终检测的是同一条边沿（15）直线斜率的变化情况。

齿盘的设计要求凸齿边沿（15）的延长线通过齿盘的圆心，检测出该边沿（15）所表示的直线，即可以求出直线的斜率k和角度α，如下式，其中（x₁,y₁）和（x₂,y₂）分别为直线上两点的坐标。通过计算直线角度的变化△α=α₂-α₁，即可得出齿盘位置的变化情况，判断出是否有蠕动情况发生。

本发明具有以下优势：传统的PT残压法测蠕动，通过测量电压的变化检测蠕动，信号微弱，干扰大，信噪比低。本方法直接测量机组蠕动产生的齿盘转动，信号直接稳定，并且机组密闭安装，无干扰光源，所以信噪比高。传统的机械靠轮法、摩擦杆气动法等，属于接触式测量，容易对机组大轴产生划伤，并且长期运行容易出现打滑现象，不能有效检测蠕动。本方法属于非接触测量，不会对机组产生任何影响，齿盘与大轴刚性连接，可以可靠检测蠕动。再有，本方法可以与机组转速测量装置共用一个齿盘和安装支架，附加件少，不会占用额外资源。