水力机械基本概念与质量检测

第一章 绪 论第一节 水力机械基本概念水力机械：以液体为工作介质和能量载体的机械设备。容积式水力机械 工作腔数量与容积、静压力叶片式水力机械 能量转换、力、水轮机、水泵叶片式水力机械的分类叶片式 水力机械叶轮内液体的特性能量交换水力机械代表机型反击式压力和速度都发生变化动能和势能径流式、混流式轴流式离心泵水轮机冲击式速度发生变化动能切击式、斜击式双击式水轮机第二节 水力机械质量检测的目的与意义1、 为水力机组运行提供最可靠的技术资料，有效指导生产；2、 检验水机理论、计算方法；3、 鉴定水力机组制造质量；4、 鉴定水力机组安装质量；第三节 水力机械质量检测的内容1、 投运前 材料、尺寸、安装过程2、 投运后 效率、过渡过程、稳定性、力特性、空蚀与磨损、启动第四节 常用传感器与检测仪器常用传感器的选用分类1、 按被测物理量 位移、速度、温度、力、加速度2、 按传感器工作原理 机械、电气、辐射3、 按信号变换特征 物性型、结构型4、 按传感器与被测量之间的关系 能量转换型、能量控制型5、 按传感器输出量的性质 模拟式、数字式性能1、 量程 最大与最小输入量的范围2、 精确度 测定值与真值附和的程度3、 灵敏度 稳态输出量变化与输入量变化的比值4、 线性度 输出与输入之间的关系曲线与选定的工作曲线的 偏离程度5、 迟滞 小到大与大到小，输出不一致的程度6、 重复性 多次变动所得不一致的程度7、 零点漂移 在零状态下，输出值的漂移。 时间、温度8、 动态特性 随时间变化的输入量的响应特性选用原则1、 确定传感器的类型 对象、环境2、 灵敏度的选择 信噪比高、方向性3、 频率相应特性 频率相应高，可测的信号频率范围就宽。 4、 线性范围 线性范围宽，量程大5、 稳定性 率定6、 精度 精度越高，价格越贵常用传感器的性质常用检测仪器1、 超声波探伤仪 工件内部探伤2、 千分表 长度测量3、 粗糙度仪 表面粗糙度 TR100粗糙度仪4、 声级计 噪声测量 声压级（L、A）第二章 材料试验材料力学试验 拉伸试验1、抗拉强度 拉断前的最大应力值2、屈服强度 下屈服点的应力值3、弯曲 垂直外力、加荷方式、试件断面、跨距4、延伸率 延伸、残余延伸率、非比例延伸率、总延伸率 塑性材料、脆性材料5、 抗冲击韧性 定义、单位、冲击韧度取决于材料及其状态，同时与试样的形状、尺寸有关。不同类型和尺寸的试样，不能直接比较。6、硬度 试验方法试验内容适用范围划痕法莫氏硬度划痕对比矿物的硬度压痕法布氏硬度压入钢球退火状态金属洛氏硬度压入120金刚石圆锥或直径为1.588mm钢球直接读数维氏硬度压入两相对夹角136正棱形角锥极薄层内的硬度，鉴别金相组织动力法肖氏硬度回跳硬度，比较弹性模量相同的材料原材料7、剪切试验 一对方向相反距离很近的横向力作用、错动变形探伤 内部的裂纹或缺陷的无损检测探伤方法原 理优 点缺点与局限性超声波超声波在试件中的传播特性1、可检材料：金属、非金属、复合材料2、可检厚度范围大，表面、内部都可检3、缺陷定位较准4、面积型缺陷检出率高5、灵敏度高6、对人无害1、不规则外形试件不易检测2、材质、晶粒度对检测结果有影响3、检测结果无直接见证记录渗透渗透液渗透入表面开口缺陷中，显像1、适用各种材料2、较高的灵敏度3、显示直观1、只能检出表面开口的缺陷2、多孔材料工件和表面粗糙的工件不适用3、不能定量磁粉材料、工件被磁化，磁粉形成目视可见的磁痕1、铁磁材料2、检测工件表面和近表面的缺陷1、不能检测非磁材料2、不适用于检测工件表面浅而宽的缺陷、埋藏较深的内部缺陷和延伸方向与磁力线方向夹角小于20的缺陷X射线射线穿透试件，胶片产生潜影，密度不同，射线吸收系数不一样1、直观图像，定性准确2、检测结果有直接记录，可长期保存3、对体积型缺陷检出率高1、对面积型缺陷容易漏检2、工件宜薄不宜厚3、适宜检验对接焊缝，不宜检验角焊缝及板材、棒材、锻件4、成本高、速度慢5、对人体有害第三章 尺寸检测几何形状与型线1、 叶片进口型线和头部形状2、 叶片出口型线和头部形状3、 叶片进口角度4、 叶片进口节距5、 叶片出口开度形位公差 形状公差、位置公差粗糙度测量 转轮表面 单位：m第四章 安装调试安装过程检测1、机组轴线 垂直度偏差2、导轴承轴瓦间隙 3、发电机定、转子圆度 1米 16个测点 4%启动调试检测1、 机组充水试验2、 机组空载试运行 机组机械运行检查 调速器调整试验 停机试验 机组过速试验 发电机升压试验3、 机组并网及负载下的试验 机组带负荷试验 机组负荷下调速器试验 机组甩负荷试验第五章水力机械效率原型效率试验的目的1、 提供最基础最重要的技术资料 动力特性2、 鉴定水轮机的效率特性 水轮机效率与出力的关系曲线、流量与机组出力关系曲线、机组出力与耗水率关系曲线与模型试验换算的效率特性曲线比较，验收机组3、 率定蜗壳流量计的流量系数 K值，方便以后流量测量与在线监测4、 鉴定水轮机的其他特性 汽蚀、机组振动、尾水管压力脉动。机组改造试验原理水力机械的效率：有用功(功率)与总功之比，或者描述为输出功率与输入功率的比值。水轮机功率：水轮机轴功率与水流功率的比值。水泵功率： 水泵轴功率与输入电功率的比值。试验方法除去用热力法直接测量以外，其他以流量测量的方法为依据。水轮机的效率可用下式表示： 其中：P水轮机输出功率(kw)； Q水轮机流量(m3/s)； H水轮机水头(m)。水泵装置的综合效率。 水的密度，kg/m3g当地的重力加速度，m/s2Q流量，单位时间内通过泵体的水体体积，m3/sH水泵的总扬程，装置扬程是进口处水位高程与出水管出口处水位高程之差，mP电电机的输入功率，kW流量测量的方法流速仪法、水锤法、示踪法、蜗壳差压法、超声波法、堰测法、毕托管法、相对法等试验准备工作1、 技术资料的准备2、 现场检查3、 测试段管道的几何尺寸 精确测量4、 仪器设备 标记和率定5、 组织工作 领导小组、指挥机构、测试人员流量测量流速仪法测流量流速仪法实质是流速面积法。它要求把若干部流速仪分布在明渠或封闭式管道的某一个适当横断面的指定点上, 然后测量水流速度, 并将所有测取的流速选行积分, 这样可以得到流量。机组在试验期间的要求：水流均匀稳定；水质应足够清洁；水中不溶解或悬浮的物质不得影响仪器仪表测量的准确度。这种测量方法计算流量的前提是假定流速分布（尤其是边壁附近的速度分布)接近已知的规律。因此，流速仪法的关键问题是如何选择合理的测量断面, 使之较好地符合上述要求和实际水流流态。1. 测量原理（1）测定测流断面的尺寸, 以确定断面面积。该断面应选择在垂直于管轴线的直管段内；（2）确定测流断面上测点的位置；（3）测量断面内所有测点的流速的轴向分量, 并确定其流速分布曲线。流速分布曲线的误差，主要取决于断面内测点的数目和位置及其流速分布曲线的形状；（4）从上述的测量结果可确定测流断面的平均流速；（5）计算管道内的过流量, 它等于测流断面面积和平均流速的乘积。流量测量原则和要求1. 水流的稳定性在压力管道内进行流量测定时,水流流动应是净水（水中不应带有不适当数量的悬浮物、冰块及其它异物），属满管流、处于稳定条件下。而且水流没有长周期的脉动, 因而认为管道内的水流为稳定流。若功率和水头变化较大或突然发生变化, 则须重新进行试验。2. 漏水和渗水在试验期间,测流断面与机组进出口之间的管道内,不允许存在漏水、渗水及分流现象。 此外,还要观测记录测流断面和被试机组之间管道内的调压井的水位变化, 并相应地校正其计算流量。同时在测流断面和被试机组之间的管道内取用的润滑水和冷却水都应从其它机组管道内取得。这样可以保证通过测流断面的流量全部进入被试机组。如果在测流断面和机组进出口之间的管道内存在漏水、渗水和分流现象,应采取措施进行封堵。若效果不显著,则须测取各自的流量,以便供给流量测量参考 .3.测量时间为了减少流量测量误差,在每个工况点的测程时间内,应能直接从仪器仪表上测取不少于5次读数(不少于2min)；如果水流中存在持续时间较长的脉动 ,应在每次测程中包括四个以上的脉动周期，则流速仪的测量时间须延长，这样才能正确地测量其平均流速，但有可能影响整个试验的进程，而脉动周期的规律至少应通过10至15分钟的时间来观测流速仪的速度变化，方可确定脉动的持续时间。流速仪的一般要求流速仪轴线与水流速度矢量的夹角不超过5。尽可能避免在斜交或汇合水流中应用流速仪测量流速，如果对水流条件有怀疑，可考虑先做横断面试验, 测定其流速, 依此确定流速的规律性。流速仪在使用中，特别在径流式水电站或泵站选行测速时，应随时注意从上游漂下来的杂草等。因此需要组织人员进行打捞，以免影响流速仪的正常运转。（4）流速仪的率定流速仪通过率定,可得到水流流速和螺旋桨转速之间的关系。此关系通常以一条或若干条直线表示。其方程式为：V=An + B 式中：V 为水流速度 , 单位为米/秒；n 为桨叶旋转速度 , 单位为 /秒；A 和 B 为流速仪的率定系数。流速仪在使用前后，一般都应进行率定。如果流速仪率定后, 存放时间较长，一是要加强对流速仪的保养，二是要在使用前进行检查。流量计算流量是根据各测点流速仪的测量而得到整个测流断面的流速大小布分布状况，由此获得断面的平均流速, 然后乘以断面面积, 即可得到流量。测试方法原 理使用条件备 注流速仪法把若干部流速仪分布在明渠或封闭式管道的某一个适当横断面的指定点上, 然后测量水流速度, 并将所有测取的流速选行积分, 这样可以得到流量。1、水流稳定，水质清洁。2、流速分布必须规则，流速仪轴线与水流速度矢量的夹角不超过5矩形与梯形断面，测点至少25个.圆形封闭管道13点34+1，上游20D,下游5D压力时间法由于导叶开度的变化，在管道中水的质量加速度将随之变化；另外，管道两个断面之间的压差变化形成一个力，从而得出加速度和力的关系。1、 在两个压力测量断面之间不存在中间自由水面。2、 泄漏量不大于测量流量的5%3、 3、多进口，单独、同时测试4、 测试端，笔直截面相等5、 面积长度现场测量6、 压力损失和动压之和不超过20%7、 差压传感器要居中布置水锤法吉普逊法超声波法将声波的传播速度和水流速度进行矢量叠加，声波向上游的传播时比向下游传播时的绝对速度稍低。通过测量声波向上下游两个基本方向的传播时间，便可测得流体沿声道的平均轴向流速。1、 应消除气泡或悬浮物2、 避免测量小于1.5m/s的流速或小于0.25m的管径3、 测量断面与管道轴向的夹角应在 45-75之间四声道测量蜗壳压差法具有一定流速的水流在流经弯道时，产生离心力，形成内外压力差，压力差与流速有关，流速与流量有关，可求的流量蜗壳流量计压差尽可能大高低压孔口在同一断面内。混凝土蜗壳金属蜗壳精度低水位、压力和水头（扬程）测量基准点测量位置水泵 进水池 出水池水电机组 拦污栅 尾水管出口水位测井测量仪器 水轮机水头的测量：水轮机水头定义为水轮机进口断面与尾水管出口断面的总能量之差功率测量1、 间接法(损耗分析法)2、 直接法 P=M*n/974轴功率可采用负荷变送器、扭矩仪或其他表面应力型或叫扭转型的仪器测量，仪器的力矩测量范围应不低于其额定量程的25%转速测量用直接法来测量功率时，转速测量必须在相对于水力机械主轴没有任何转差的情况下进行。相对效率检测水轮机的最优工况是指最高的工况。水轮机在最优工况运行时，不但效率高，而且稳定性和空蚀性能也好。因此，在实际运行中，水轮机的运行工况范围均有一定限制。直接测量效率的热力学法利用单位机械能和水力比能来确定效率就无需测量流量。允许直接测量单位机械能仪器 取水探针试验条件1、 高压测量断面2、 低压测量断面耗水率每发一度电，通过水轮机的流量。第六章压力脉动、振动和噪声检测振动产生的原因 机械、电气、水力压力脉动 定义、部位、共振常见脉动现象：振动产生部位振动特征原因蜗壳、导叶振动随运行工况变化时有时无涡流带进入转轮导叶或转轮叶片尾部振幅随过机流量增加而明显增大卡门涡列尾水管振动强弱与运行工况关系密切，区域不同，振动不同偏心涡带。偏离设计工况。低水头、低负荷止漏环、密封结构振动摆度及压力脉动值，均随机组负荷和过机流量的增加而明显增大间隙不当，间隙不均振动测量水力、机械、电气三个方面振动的特征、原因、部位见附表噪声测量噪声定义：. 任何令人不愉快的或不希望有的声音；. 其频谱不能能够用确定的频率分量下来描述，并具有随即特性的声音。噪声也可以包括不希望有的随机性质的电振荡，如对噪声的性质不明确时，可用声噪声或电噪声表示。声源、机械噪声、空气动力性噪声、电磁性噪声评价噪声的技术参数1、 噪声的强度声压：当有声波传播时，使空气压强时而增高时而降低。空气压强与没有声波传播时的静压强则产生压强差。此压强差称为声压强，简称声压，其值大小指波动声压得有效值。声压级用声压的对数来表示声音强弱的称为声压级，单位分贝。人的听觉范围相当于声压级分贝。2、声强，声强级；声功率，声功率级声强：是在声音传播的方向上，单位时间内通过单位面积的声能量。单位瓦米，用表示。声功率：是声源在单位时间内辐射出的总声能，单位是瓦，用来表示。声强级和声功率分别表示声强和声功率的大小的级别，单位是分贝。2、 L声级、A声级 对频率计权 噪声测量的方法噪声测量一般是声压级测量，其测量原理是将声压转换成电压后测电压的变化表示噪声的大小，因此必用声电传感器和声级计来测量。若配用频谱分析仪可进行频谱分析。数字式声级计还可通过适当的模数转换器，将模拟量转换成数字量并进行数字显示。声电传感器 压电式、电动式、电容式试运行试验1、 变转速试验 四个工况、典型部位2、 过速试验 3、 变励磁试验 五个工况、不平衡磁拉力4、 变负荷试验 四个工况、补气试验、偏心涡带5、 甩负荷试验 机组运行与引水系统均处于最恶劣的运行状态第七章 应力测试力特性试验的目的残余应力测试的方法：1、 盲孔法 定义、精度高 当构件中的残余应力沿厚度分布不均匀时，测试方法为等深度地逐层钻孔测定每次的应力释放量2、压痕法 我国拥有自主知识产权测试步骤：被测构件表面准备、应变片粘贴、压痕制造和数据处理机组主轴扭矩测试目的：1、确定主轴轴身真实的安全程度2、检验现在使用的扭矩、扭应力计算公式的可靠性3、计算水轮机运行的输出功率应变片的布置 在主轴表面上按与轴线成45的方向第八章 空蚀和磨损汽蚀和磨损的定义(一) 空蚀当水流在流道中流过时,如某一部位的局部压力降低到接近水的汽化压力,则气体成长为汽泡.汽泡膨胀,聚集,流动至高压区又发生溃灭,分裂的想象叫做空蚀.此外,在汽泡溃灭的过程中伴有温度的升高(约为1500摄氏度),发光,电离,化学腐蚀等现象,加速了材料的破坏过程,这种因汽蚀作用对材料产生的破坏称为空蚀损坏.(二) 磨损当通过水轮机流道德工作水流含有一定的数量，带有棱角的坚硬泥沙颗粒时，沙粒撞击和磨削过流表面，使其材料因疲劳和机械破坏的过程称为磨损。水轮机的泥沙磨损属于流体动力学磨粒磨损。 空蚀和磨损对水力机械的危害性1 .空蚀和磨损使水轮机的通流部件表面变粗糙，破坏了水流对表面原有的扰流条件，使效率和出力降低。而且由于空蚀和磨损的作用，使通流部件表面损坏，从而缩短了水力机组的检修周期，增加了检修的工作量，严重者甚至需要更换部分通流部件。在泥砂磨损和空蚀破坏的联合作用下，过流部件表面的破坏更甚。2.空蚀引起强烈的噪音，加剧了水力机组运行的不稳定性，使水力不平衡，机组振动和水压脉动都有可能增加。空蚀和磨损观测的目的意义.找出水力机组破坏的主要原因，经过该进（包括设计，制造，检修）提高其抗空蚀和抗磨损的性能。选用抗空蚀和抗磨损的材料。. 测出水轮机在各种运行工矿的汽蚀强度，尽量避免在严重空蚀区域运行。研究水力机组汽蚀和磨损的破坏规律，进一步弄清其破坏机理，为减轻水力机组的空蚀和磨损提供必要的资料。空蚀测量1、电声法（声学法）大量的试验，研究表明空蚀水流中存在两个基本声源：由于汽蚀漩涡周期性分离，而发出的各种频率噪声，频率取决于水流条件。2、 由空蚀汽泡溃灭所产生的宽频声振动，声波范围既包含202000千周秒的可闻声波，又包含有二十至几