水轮机顶盖螺栓监测装置及水轮机监测装置的制作方法

本实用新型涉及监测装置技术领域，尤其是涉及一种水轮机顶盖螺栓监测装置，以及一种具有该水轮机顶盖螺栓监测装置的水轮机监测装置。

背景技术：

相对于汽轮机，水轮机的工质密度大，流场更加复杂，因此，水轮机的转轮室受力异常复杂。顶盖是水轮机的重要部件，主要起到固定导水机构，承受轴向载荷的作用。复杂变幅载荷使其联接螺栓力学强度和疲劳强度受到严峻考验。顶盖联接螺栓一般为双头螺柱，双头螺柱中心设置预紧量测量孔，现场预紧通常通过测量螺栓伸长量确定。目前水轮机顶盖联接螺栓的设计中，只单独对螺栓受静载荷作用下的强度进行校核，没有考虑交变载荷作用在联接件上对螺栓所受应力状态产生的影响。现场通常直接监测螺栓振动值，以振动值作为评判能否安全运行的依据，无有效手段对顶盖联接螺栓受力进行监测，无法全面反映顶盖螺栓动态特性。国内外最近几年也有部分水电机组因为顶盖螺栓断裂而出现水淹厂房的重大事故，如俄罗斯的萨杨水电站。

发明专利“一种用于监测螺栓连接动态受力状况的智能螺栓装置(公开号：CN 106402124A)”利用超声波监测粘贴到螺栓上的压电陶瓷片变化测量螺栓的受力变化。实用新型专利“螺栓的监测系统(公开号：CN 206177497U)”在螺栓头部粘贴陶瓷片，利用超声波传感器测量螺栓在轴向伸长时的受力变化。发明专利“一种光纤光栅式结构连接螺栓受力监测传感器及方法(公开号：CN104089729B)”，通过在普通螺栓单螺杆左右两侧分别开置细长的凹槽，在凹槽内各植入一个微型光栅式传感器，信号由光纤引出后穿过螺帽相应位置开的小孔从螺帽顶面引出，对螺栓的受力状态进行远程实时监控。发明专利“测力螺栓(公开号：CN106706189 A)”在螺栓头部钻孔，然后在孔中封装应变计，通过应变计的变化测量螺栓受力。

从已有专利检索结果来看，目前的螺栓受力监测方法可以分为三类，一类是在螺栓上粘贴陶瓷片，利用超声波在介质中传播的时间差来测量，此类测量方法可实现无损监测，但由于超声波器件对环境的要求相对较高，在长期的监测过程中，超声波器件寿命较差，且其响应速度较低，不适合于水电站顶盖螺栓成年累月的在线监测。第二类方法是在螺栓中打孔，孔中安装应变计或者光纤传感器，此种方法测量螺栓受力的相应速度好，精度高，但在螺栓中开孔将降低螺栓的强度，在已经安装好的设备中，很难评估其对螺栓安全性的影响，所以并不适合于水电站这种已经安装好的设备。第三类方法是通过在压紧螺栓上套装压电式传感器，但此类传感器无法长期稳定使用。对于水电站顶盖螺栓这种已经安装好设备的受力的长期在线监测必须寻找合适的方法，既不降低原有结构的强度，又适合于长年累月的在线监测，且响应速度和精度也较高。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种水轮机顶盖螺栓监测装置，以解决现有技术中的螺栓监测装置破坏螺栓强度且难以长期监测的技术问题。

本实用新型提供的水轮机顶盖螺栓监测装置，包括压力传感器、信号调理装置、数据采集装置、现地服务器、现地显示装置和远程监控系统；

所述压力传感器、所述信号调理装置、所述数据采集装置和所述现地服务器依次连接，所述现地显示装置和所述远程监控系统分别与所述现地服务器连接；

所述压力传感器用于设置在螺栓的螺母与顶盖上表面之间，所述压力传感器能够获取螺栓的受力信息，并将螺栓的受力信息转化为模拟电信号；

所述信号调理装置能够接收模拟电信号，并将模拟电信号进行调理和放大；

所述数据采集装置能够将放大的模拟电信号转化为数字信号；

所述现地服务器能够将数字信号处理为螺栓受力数据并储存螺栓受力数据，在螺栓受力数据超过预设值时，所述现地服务器报警；

所述现地显示装置能够获取并显示螺栓受力数据；所述远程监控系统能够获取螺栓受力数据。

进一步地，所述压力传感器采用中空环形结构垫圈式传感器，所述压力传感器为应力应变式压力传感器，且所述压力传感器的材质为不锈钢。

进一步地，所述压力传感器为多个，多个所述压力传感器分别与所述信号调理装置连接，每个所述压力传感器分别设置在一个螺栓上。

进一步地，所述信号调理装置能够将模拟电信号调理为4－20mA电流信号、0－10V模拟信号、±5V模拟信号或±10V模拟信号，所述信号调理装置的转换电路为全模拟电路，且所述信号调理装置具有滤波功能。

进一步地，所述数据采集装置的采样频率大于或等于1kHz，所述数据采集装置的通道数大于或等于4，所述数据采集装置的分辨率大于或等于12bit，所述数据采集装置具有单端和差分输入功能，所述数据采集装置具有USB接口或PCI接口，所述数据采集装置内置抗混叠滤波器。

进一步地，所述预设值为0.8倍的螺栓许用强度；在螺栓受力数据与水轮机组的故障值相同时，所述现地服务器报警。

进一步地，所述现地服务器的报警方式采用声光电报警。

进一步地，所述显示装置采用液晶显示器，且所述显示装置具有触摸功能。

进一步地，所述远程监控系统通过交换机采用工业以太网协议与现地服务器进行通讯。

本实用新型的目的还在于提供一种水轮机监测装置，包括本实用新型所述的水轮机顶盖螺栓监测装置。

本实用新型提供的水轮机顶盖螺栓监测装置，压力传感器设置在螺栓的螺母与顶盖上表面之间，不改变螺栓和相关连接部件结构，不降低结构强度和刚度的前提下，能够快速、准确地测得顶盖螺栓受力数据。现场安装简单快捷，适合于顶盖螺栓受力长期在线监测，可有效保障水轮机关键结构部件的安全。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本实用新型实施例提供的水轮机顶盖螺栓监测装置的结构示意图；

图2是本实用新型实施例提供的水轮机顶盖螺栓监测装置中压力传感器的装配图。

图标：1－压力传感器；2－信号调理装置；3－数据采集装置；4－现地服务器；5－现地显示装置；6－交换机；7－远程监控系统；8－螺栓；9－顶盖。

具体实施方式

下面将结合附图对本实用新型的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，如出现术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等，其所指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，如出现术语“第一”、“第二”、仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。其中，术语“第一位置”和“第二位置”为两个不同的位置。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

本实用新型提供了一种水轮机顶盖螺栓监测装置及水轮机监测装置，下面给出多个实施例对本实用新型提供的水轮机顶盖螺栓监测装置及水轮机监测装置进行详细描述。

实施例1

本实施例提供的水轮机顶盖螺栓监测装置，如图1至图2所示，包括压力传感器1、信号调理装置2、数据采集装置3、现地服务器4、现地显示装置5和远程监控系统7；压力传感器1、信号调理装置2、数据采集装置3和现地服务器4依次连接，现地显示装置5和远程监控系统7分别与现地服务器4连接；压力传感器1用于设置在螺栓8的螺母与顶盖9上表面之间，压力传感器1能够获取螺栓8的受力信息，并将螺栓8的受力信息转化为模拟电信号；信号调理装置2能够接收模拟电信号，并将模拟电信号进行调理和放大；数据采集装置3能够将放大的模拟电信号转化为数字信号；现地服务器4能够将数字信号处理为螺栓8受力数据并储存螺栓8受力数据，在螺栓8受力数据超过预设值时，现地服务器4报警；现地显示装置5能够获取并显示螺栓8受力数据；远程监控系统7能够获取螺栓8受力数据。

不仅可获得水轮机顶盖9螺栓8的实时受力数据，而且可通过现地服务器4对受力数据进行时域和频域分析，与故障特征进行比较，确定螺栓8工作状态是否正常，还可对螺栓8进行损伤计算与寿命分析，极大地减小由于螺栓8失效带来的安全事故风险。

进一步地，压力传感器1采用中空环形结构垫圈式传感器，压力传感器1为应力应变式压力传感器1，压力传感器1中空直径、外径、高度和应变片根据现场安装情况、所测螺栓8大小和测试精度要求定制，传感器防护等级不低于IP65，且压力传感器1的材质为不锈钢，可防腐蚀。

本实施例中压力传感器1中空直径为φ65mm、外径φ180mm、高度60mm。传感器防护等级为IP65、量程为2500KN、灵敏度2mV/V。

进一步地，压力传感器1为多个，多个压力传感器1分别与信号调理装置2连接，每个压力传感器1分别设置在一个螺栓8上。

本实施例中，压力传感器1数量为8个，8个压力传感器1对称布置，每个压力传感器1分别对应设置在一个螺栓8上。

进一步地，信号调理装置2能够将压力传感器1输出的毫伏级模拟电信号调理为4－20mA电流信号、0－10V模拟信号、±5V模拟信号或±10V模拟信号，信号调理装置2的转换电路为全模拟电路，不使用A/D采样器，且信号调理装置2具有滤波功能，根据使用场合的不同，具有低通或带通滤波功能。采用低通滤波时，滤波截止频率2kHz。

进一步地，数据采集装置3的采样频率大于或等于1kHz，数据采集装置3的通道数大于或等于4，数据采集装置3的分辨率大于或等于12bit，数据采集装置3具有单端和差分输入功能，数据采集装置3具有USB接口或PCI接口，数据采集装置3内置抗混叠滤波器。

其中，现地服务器4与数据采集装置3进行通信，采用信号时域和频域分析方法对数据采集装置3采集到的数字信号进行处理和存储。并将处理结果送现地显示装置5显示，当相关特征值超标后，进行报警。

其中，时域分析方法包括：有效值(实时受力大小)、峰值、峭度、裕度。频域分析方法包括：频谱分析、功率谱分析。

进一步地，预设值为0.8倍的螺栓8许用强度；在螺栓8受力数据与水轮机组的故障值相同时，现地服务器4报警。

具体地，螺栓8受力数据有效值大于等于0.8倍的螺栓8许用强度时进行报警，报警方式采用声光电方式(显示装置数值闪烁和蜂鸣器发声)；当螺栓8受力数据与水轮机组的故障值相同时，同样进行报警。

进一步地，显示装置采用液晶显示器，且显示装置具有触摸功能，接收来自现地服务器4的信号。

进一步地，远程监控系统7通过交换机6采用modbus TCP/IP协议与现地服务器4进行通讯，实时获取螺栓8受力数据，在螺栓8受力数据超标报警后，通知相关操作人员。

本实施例提供的水轮机顶盖螺栓监测装置，压力传感器1设置在螺栓8的螺母与顶盖9上表面之间，不改变螺栓8和相关连接部件结构，不降低结构强度和刚度的前提下，能够快速、准确地测得顶盖9螺栓8受力数据。现场安装简单快捷，适合于顶盖9螺栓8受力长期在线监测，可有效保障水轮机关键结构部件的安全。

实施例2

本实施例提供的水轮机监测装置，包括实施例1所述的水轮机顶盖螺栓监测装置。压力传感器1设置在螺栓8的螺母与顶盖9上表面之间，不改变螺栓8和相关连接部件结构，不降低结构强度和刚度的前提下，能够快速、准确地测得顶盖9螺栓8受力数据。现场安装简单快捷，适合于顶盖9螺栓8受力长期在线监测，可有效保障水轮机关键结构部件的安全。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的范围。