一种水轮机碰摩故障模拟实验装置及模拟方法与流程

本发明涉及一种水轮机碰摩故障模拟实验装置及模拟方法，属于水轮机检测技术领域。

背景技术：

水轮机发生碰磨故障，主要有顶盖磨损、水轮机室碰摩故障，即水轮机顶面碰摩和侧面碰摩两种，水轮机减压板脱落会导致机组异常振动、结构件损坏，严重时能引发顶盖撕裂，导致水淹厂房的事故发生。国内外多个电厂曾发生水轮机顶盖碰磨、损坏的严重事故，如俄罗斯萨扬电厂发生顶盖破坏水淹厂房的事故，安康、岩滩、丹江口、潘家口等水电厂曾频发顶盖磨损、水轮机减压板损坏的事故。国内水电厂机组也出现过顶盖磨损、水轮机室碰摩故障。然而水轮机为隐蔽部件，其检测及碰磨故障机理复杂，为预防水轮机发生重大事故，研发一种水轮机碰摩故障模拟实验装置十分必要。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种水轮机碰摩故障模拟实验装置及模拟方法，可以模拟不同水压、转速环境下，水轮机室侧向、顶盖顶部碰摩这两种故障，为避免隐蔽金属部件严重事故发生提供理论基础。

为解决上述技术问题，本发明提供一种水轮机碰摩故障模拟实验装置，包括旋转圆台、旋转圆台外壳、轴、旋转电机、电机机座、充水装置和碰摩部件；

所述旋转圆台采用一个梯形圆台，由旋转圆台顶部，旋转圆台锥台和旋转圆台底部构成，所述旋转圆台用来模拟水轮机的外轮廓，旋转圆台顶部用来模拟水轮机顶部与顶盖的碰摩，旋转圆台底部的侧面用来模拟水轮机侧向与水轮机室的碰摩；

所述旋转圆台封闭在旋转圆台外壳内，试验时旋转圆台外壳内充满水，旋转圆台则在水体中；

所述旋转电机放置在电机基座上，旋转电机与旋转圆台通过轴连接，旋转电机带动旋转圆台转动，用于模拟不同转速的水轮机；

所述充水装置位于旋转圆台的下方，由冲、放水管路，冲水泵和小水库构成；所述冲、放水管路的一端与旋转圆台外壳连通，用于旋转圆台外壳内的冲水和放水，在冲水管路上设置一冲水泵，用于调节旋转圆台所处的水环境的水压；所述冲、放水管路的另一端接入小水库中；

所述碰摩部件包括点状碰摩部件和面状碰摩部件，所述点状碰摩部件为一个旋转螺栓的顶部，所述面状碰摩部件采用一块铁板；

在旋转圆台的顶部和底部的侧面分别布置4个碰摩点， 2个点状碰摩点，2个面状碰摩点，在实验前根据需要模拟的碰摩故障的类型将碰摩部件安装在旋转圆台外壳上，与碰摩点正对。

前述的旋转圆台外壳为一密封金属外壳，包括壳体，在壳体侧面有一透明有机玻璃观察窗口，在壳体顶部设置排气孔。

前述的面状碰摩部件在旋转圆台顶部采用是平面铁板，在旋转圆台底部的侧面采用圆弧形铁板。

前述的在旋转圆台外壳上安装相应的碰摩部件来模拟不同的故障组合，故障组合包括：顶部单个或两个面状碰摩模拟，顶部单个或两个点状碰摩模拟，顶部点状和面状碰摩模拟均有，侧面单个或两个面状碰摩模拟，侧面单个或两个点状碰摩模拟，侧面点状和面状碰摩模拟均有。

前述的点状碰摩模拟通过螺栓旋转改变旋转螺栓顶部与旋转圆台顶部或旋转圆台底部侧面之间的距离。

前述的面状碰摩模拟通过液压装置改变面状碰摩部件与旋转圆台顶部或旋转圆台底部侧面之间的距离。

利用权利要求水轮机碰摩故障模拟实验装置进行碰摩故障模拟的方法，包括以下步骤：

1）确定需要模拟碰摩故障的类型，确定冲水泵出水压力p，确定旋转电机转速n，在相应位置安装好碰摩部件，同时布置和安装用于信号的采集和处理的传感器；

2）通过冲水泵为旋转圆台所在旋转圆台外壳冲水；

3）开启旋转电机，调整实验需要的转速n，旋转圆台在旋转电机的驱动下在水压为p的环境中无碰摩故障运行，运行稳定2分钟后，为无碰摩试验工况，采集数据一分钟，数据采集完毕后关闭旋转电机；

4）以逐步推进的方式改变碰摩部件与碰摩点的距离，通过观察窗口观察，并手动转动旋转圆台，当刚刚有接触的时候，为1个实验工况点，运行工况稳定后，测量数据1分钟，关旋转电机，此工况模拟轻微碰摩故障；

5）进行下一个工况，继续将碰摩部件向前推进，开电机，稳定工况，测量数据1分钟，关旋转电机，此工况模拟碰摩故障比较严重的工况；

6）继续下一个工况，继续将碰摩部件向前推进，开电机，稳定工况，测量数据1分钟，关旋转电机，此工况模拟碰摩故障严重的工况；

7）实验结束，将碰摩部件与碰摩点的距离调整为非碰摩距离，停旋转电机，停冲水泵。

前述的步骤4）中，对于点状碰摩模拟，逐步推进是指旋转螺栓每次旋转1圈；对于面状碰摩模拟，逐步推进是指液压装置每次向前推进1mm。

前述的步骤5）中，对于点状碰摩模拟，继续将碰摩部件向前推进是指旋转螺栓旋转1/10圈；对于面状碰摩模拟，继续将碰摩部件向前推进是指液压装置向前推进0.5mm。

前述的步骤6）中，对于点状碰摩模拟，继续将碰摩部件向前推进是指旋转螺栓旋转1/10圈；对于面状碰摩模拟，继续将碰摩部件向前推进是指液压装置向前推进0.5mm。

本发明的有益效果为：

本发明方便在实验室内对水电站内水轮机碰摩故障进行理论研究，解决现场试验的困难。

本发明可以实现不同水压、转速环境下，不同类型多个测点的多个故障模拟，同时具备观察窗口方面碰摩距离的调节，实验室方便观察。

附图说明

图1为本发明的水轮机碰摩故障模拟实验装置结构图；

图2为旋转圆台和外壳的分体结构示意图；

图3是顶部碰摩故障布置图；

图4是通过液压装置调节顶部碰摩间隙示意图；

图5是通过旋转螺栓调节顶部碰摩间隙示意图；

图6是侧向碰摩故障布置图；

图7是通过旋转螺栓调节侧向碰摩间隙示意图；

图8是通过液压装置调节侧向碰摩间隙示意图；

图中：

k为碰摩故障点与碰摩部件之间的间隙距离；

c1、c2、c3、c4为旋转圆台侧向碰摩的4个碰摩点；

d1、d2、d3、d4为旋转圆台顶部碰摩的4个碰摩点。

具体实施方式

下面对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

如图1所示，本发明的水轮机碰摩故障模拟实验装置，由旋转圆台1、旋转圆台外壳2、轴3、旋转电机4、电机机座5、充水装置、碰摩部件9组成。

如图2所示，旋转圆台1采用一个梯形圆台，由三部分组成，旋转圆台顶部1-1，旋转圆台锥台1-2，旋转圆台底部1-3，该旋转圆台可以用来模拟水轮机的外轮廓，旋转圆台顶部1-1用来模拟水轮机顶部与顶盖的碰摩；旋转圆台底部1-3的侧面用来模拟水轮机侧向与水轮机室的碰摩；旋转圆台外壳2为一密封金属外壳，由壳体2-1，有机玻璃观察窗口2-2和排气孔2-3三部分组成，将旋转圆台1封闭在金属外壳内，试验时金属外壳内充满水，旋转圆台则在水体中，在金属外壳侧面有一透明有机玻璃观察窗口2-2，方便调节碰摩距离时观察，在外壳顶部设置排气孔2-3，在冲水过程中，打开排气阀排出外壳内的气体，从排气阀溢出水即表示充满了水，关闭排气孔。

旋转电机4放置在电机基座5上，旋转电机4与旋转圆台1通过轴3连接，旋转电机4带动旋转圆台1转动，可模拟不同转速的水轮机。

充水装置位于旋转圆台的下方，由冲、放水管路6、冲水泵7、小水库8构成，冲、放水管路6的一端与旋转圆台外壳2连通，用于旋转圆台外壳2内的冲水和放水，在冲水管路上设置一冲水泵7，为冲水过程提供一定的水压，通过改变冲水泵7的运行工况来改变旋转圆台所处的水环境的压力。冲、放水管路6的另一端接入小水库8中。

充水装置可以满足不同水压条件下的水轮机工作环境，旋转电机转速可调节。不同的转速及水压条件可以模拟不同水轮机的运行工况情况。

碰摩部件9在实验前安装到旋转圆台外壳上，正对碰摩点的位置。碰摩部件9分为两类，点状碰摩，面状碰摩，可以模拟水轮机侧向与水轮机室的碰摩、水轮机顶部与顶盖的碰摩。点状碰面就是碰摩时旋转圆台与外壁碰摩接触面积很小，可以认为是只有一个点状接触；面状碰面就是碰摩时旋转圆台与外壁有较大面积接触，形成一个大的接触面。点状碰摩采用一个旋转螺栓的顶部来模拟，点状碰摩距离间隙通过碰摩间隙调节螺栓来调节；面状碰摩采用一块铁板，在顶部采用是平面铁板，在侧面采用是圆弧形铁板，面状碰摩间隙距离通过液压装置来调节。

在旋转圆台的顶部和底部的侧面分别布置4个碰摩点， 2个点状碰摩点，2个面状碰摩点，整个装置一共8个碰摩点，常见故障组合有：顶部单个或两个面状碰摩，顶部单个或两个点状碰摩，顶部点状和面状碰摩均有，侧面单个或两个面状碰摩，侧面单个或两个点状碰摩，侧面点状和面状碰摩均有。

如图3所示，为在旋转圆台顶部1-1布置的4个碰摩部件， 2个点状碰摩部件9-1，2个面状碰摩部件9-2，其中d1和d4通过小圆圈表示，为顶部点状碰摩点，d2和d3通过小矩形块表示，为顶部面状碰摩点。

如图4所示，为旋转圆台顶部点状碰摩模拟，碰摩部件为旋转螺栓，点状碰摩的接触点为旋转螺栓9-1的顶部，通过螺栓旋转改变螺栓顶部与旋转圆台顶部1-1的距离。

如图5所示，为旋转圆台顶部面状碰摩模拟，碰摩部件为平面铁板，平面铁板由液压装置10控制，通过液压装置10改变平面铁板与旋转圆台顶部1-1的距离。

如图6所示，为旋转圆台底部的侧面布置的4个碰摩部件， 2个点状碰摩部件9-3，2个面状碰摩部件9-4，其中c1和c4通过小圆圈表示，为侧向点状碰摩点，c2和c3通过小矩形块表示，为侧向面状碰摩点。

如图7所示，为旋转圆台底部侧向点状碰摩模拟，碰摩部件为旋转螺栓，点状碰摩的接触点为旋转螺栓9-3的顶部，通过螺栓旋转改变螺栓顶部与旋转圆台底部1-3的侧向距离。

如图8所示，为旋转圆台底部侧向面状碰摩模拟，碰摩部件为圆弧形铁板，圆弧形铁板由液压装置10控制，通过液压装置10改变圆弧形铁板与旋转圆台底部1-3的侧向距离，该距离是指圆弧形铁板的中线点与旋转圆台底部外缘的最近点距离。

实施例

采用本发明的水轮机碰摩故障模拟实验装置模拟水轮机碰摩故障，实施步骤如下：

步骤（1）确定需要模拟碰摩故障的类型，本装置可以模拟多个故障类型不同位置的组合，以一个液压装置控制的侧向面状碰摩故障为例进行流程说明，即模拟图8中故障点c2，确定冲水泵出水压力p，确定旋转电机转速n，同时在碰摩故障实验中需要布置的传感器需要提前布置和安装，对于信号的采集和处理，本申请不再详述；

步骤（2）通过冲水泵为旋转圆台所在密封装置冲水，可以通过改变冲水泵运行工况来改变旋转圆台所处的水环境的压力p；

步骤（3）开启旋转电机，旋转电机转速可调，调整实验需要的转速n，旋转圆台在旋转电机的驱动下在水压为p的环境中无碰摩故障运行，运行稳定2分钟后，为无碰摩试验工况，采集数据一分钟，数据采集完毕后关闭旋转电机；

步骤（4）通过碰摩部件后面的液压装置改变碰摩部件与旋转圆台底部侧面的距离k，其推进距离以1mm逐步推进，通过观察窗口观察，并手动转动旋转圆台，当刚刚有接触的时候，为1个实验工况点，运行工况稳定后，测量数据1分钟，关旋转电机，此工况模拟轻微碰摩故障；

步骤（5）继续下一个工况，通过液压装置继续将圆弧形碰摩部件向前推进0.5mm，开电机，稳定工况，测量数据1分钟，关旋转电机，此工况模拟碰摩故障比较严重的工况；

步骤（6）继续下一个工况，通过液压装置继续将圆弧形碰摩部件向前推进0.5mm，开电机，稳定工况，测量数据1分钟，关旋转电机，此工况模拟碰摩故障严重的工况；

步骤（7）实验结束，将模拟故障点距离k调整为非碰摩距离，停旋转电机，停水泵。

实验结束后可以对实验过程中采集的数据进行分析，然后进行下一组不同类型的工况模拟。

点状碰摩通过调节旋转螺栓改变距离k，向前推进的过程可以通过旋转螺栓旋转的圈数来控制，开始的时候采用1圈，快要靠近后采用1/10圈来调节距离k。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。