水力機械基本概念與質量檢測

第一章 緒 論第一節(jié) 水力機械基本概念水力機械：以液體為工作介質和能量載體的機械設備。容積式水力機械 工作腔數量與容積、靜壓力葉片式水力機械 能量轉換、力、水輪機、水泵葉片式水力機械的分類葉片式 水力機械葉輪內液體的特性能量交換水力機械代表機型反擊式壓力和速度都發(fā)生變化動能和勢能徑流式、混流式軸流式離心泵水輪機沖擊式速度發(fā)生變化動能切擊式、斜擊式雙擊式水輪機第二節(jié) 水力機械質量檢測的目的與意義1、 為水力機組運行提供最可靠的技術資料，有效指導生產；2、 檢驗水機理論、計算方法；3、 鑒定水力機組制造質量；4、 鑒定水力機組安裝質量；第三節(jié) 水力機械質量檢測的內容1、 投運前 材料、尺寸、安裝過程2、 投運后 效率、過渡過程、穩(wěn)定性、力特性、空蝕與磨損、啟動第四節(jié) 常用傳感器與檢測儀器常用傳感器的選用分類1、 按被測物理量 位移、速度、溫度、力、加速度2、 按傳感器工作原理 機械、電氣、輻射3、 按信號變換特征 物性型、結構型4、 按傳感器與被測量之間的關系 能量轉換型、能量控制型5、 按傳感器輸出量的性質 模擬式、數字式性能1、 量程 最大與最小輸入量的范圍2、 精確度 測定值與真值附和的程度3、 靈敏度 穩(wěn)態(tài)輸出量變化與輸入量變化的比值4、 線性度 輸出與輸入之間的關系曲線與選定的工作曲線的 偏離程度5、 遲滯 小到大與大到小，輸出不一致的程度6、 重復性 多次變動所得不一致的程度7、 零點漂移 在零狀態(tài)下，輸出值的漂移。 時間、溫度8、 動態(tài)特性 隨時間變化的輸入量的響應特性選用原則1、 確定傳感器的類型 對象、環(huán)境2、 靈敏度的選擇 信噪比高、方向性3、 頻率相應特性 頻率相應高，可測的信號頻率范圍就寬。 4、 線性范圍 線性范圍寬，量程大5、 穩(wěn)定性 率定6、 精度 精度越高，價格越貴常用傳感器的性質常用檢測儀器1、 超聲波探傷儀 工件內部探傷2、 千分表 長度測量3、 粗糙度儀 表面粗糙度 TR100粗糙度儀4、 聲級計 噪聲測量 聲壓級（L、A）第二章 材料試驗材料力學試驗 拉伸試驗1、抗拉強度 拉斷前的最大應力值2、屈服強度 下屈服點的應力值3、彎曲 垂直外力、加荷方式、試件斷面、跨距4、延伸率 延伸、殘余延伸率、非比例延伸率、總延伸率 塑性材料、脆性材料5、 抗沖擊韌性 定義、單位、沖擊韌度取決于材料及其狀態(tài)，同時與試樣的形狀、尺寸有關。不同類型和尺寸的試樣，不能直接比較。6、硬度 試驗方法試驗內容適用范圍劃痕法莫氏硬度劃痕對比礦物的硬度壓痕法布氏硬度壓入鋼球退火狀態(tài)金屬洛氏硬度壓入120金剛石圓錐或直徑為1.588mm鋼球直接讀數維氏硬度壓入兩相對夾角136正棱形角錐極薄層內的硬度，鑒別金相組織動力法肖氏硬度回跳硬度，比較彈性模量相同的材料原材料7、剪切試驗 一對方向相反距離很近的橫向力作用、錯動變形探傷 內部的裂紋或缺陷的無損檢測探傷方法原 理優(yōu) 點缺點與局限性超聲波超聲波在試件中的傳播特性1、可檢材料：金屬、非金屬、復合材料2、可檢厚度范圍大，表面、內部都可檢3、缺陷定位較準4、面積型缺陷檢出率高5、靈敏度高6、對人無害1、不規(guī)則外形試件不易檢測2、材質、晶粒度對檢測結果有影響3、檢測結果無直接見證記錄滲透滲透液滲透入表面開口缺陷中，顯像1、適用各種材料2、較高的靈敏度3、顯示直觀1、只能檢出表面開口的缺陷2、多孔材料工件和表面粗糙的工件不適用3、不能定量磁粉材料、工件被磁化，磁粉形成目視可見的磁痕1、鐵磁材料2、檢測工件表面和近表面的缺陷1、不能檢測非磁材料2、不適用于檢測工件表面淺而寬的缺陷、埋藏較深的內部缺陷和延伸方向與磁力線方向夾角小于20的缺陷X射線射線穿透試件，膠片產生潛影，密度不同，射線吸收系數不一樣1、直觀圖像，定性準確2、檢測結果有直接記錄，可長期保存3、對體積型缺陷檢出率高1、對面積型缺陷容易漏檢2、工件宜薄不宜厚3、適宜檢驗對接焊縫，不宜檢驗角焊縫及板材、棒材、鍛件4、成本高、速度慢5、對人體有害第三章 尺寸檢測幾何形狀與型線1、 葉片進口型線和頭部形狀2、 葉片出口型線和頭部形狀3、 葉片進口角度4、 葉片進口節(jié)距5、 葉片出口開度形位公差 形狀公差、位置公差粗糙度測量 轉輪表面 單位：m第四章 安裝調試安裝過程檢測1、機組軸線 垂直度偏差2、導軸承軸瓦間隙 3、發(fā)電機定、轉子圓度 1米 16個測點 4%啟動調試檢測1、 機組充水試驗2、 機組空載試運行 機組機械運行檢查 調速器調整試驗 停機試驗 機組過速試驗 發(fā)電機升壓試驗3、 機組并網及負載下的試驗 機組帶負荷試驗 機組負荷下調速器試驗 機組甩負荷試驗第五章水力機械效率原型效率試驗的目的1、 提供最基礎最重要的技術資料 動力特性2、 鑒定水輪機的效率特性 水輪機效率與出力的關系曲線、流量與機組出力關系曲線、機組出力與耗水率關系曲線與模型試驗換算的效率特性曲線比較，驗收機組3、 率定蝸殼流量計的流量系數 K值，方便以后流量測量與在線監(jiān)測4、 鑒定水輪機的其他特性 汽蝕、機組振動、尾水管壓力脈動。機組改造試驗原理水力機械的效率：有用功(功率)與總功之比，或者描述為輸出功率與輸入功率的比值。水輪機功率：水輪機軸功率與水流功率的比值。水泵功率： 水泵軸功率與輸入電功率的比值。試驗方法除去用熱力法直接測量以外，其他以流量測量的方法為依據。水輪機的效率可用下式表示： 其中：P水輪機輸出功率(kw)； Q水輪機流量(m3/s)； H水輪機水頭(m)。水泵裝置的綜合效率。 水的密度，kg/m3g當地的重力加速度，m/s2Q流量，單位時間內通過泵體的水體體積，m3/sH水泵的總揚程，裝置揚程是進口處水位高程與出水管出口處水位高程之差，mP電電機的輸入功率，kW流量測量的方法流速儀法、水錘法、示蹤法、蝸殼差壓法、超聲波法、堰測法、畢托管法、相對法等試驗準備工作1、 技術資料的準備2、 現場檢查3、 測試段管道的幾何尺寸 精確測量4、 儀器設備 標記和率定5、 組織工作 領導小組、指揮機構、測試人員流量測量流速儀法測流量流速儀法實質是流速面積法。它要求把若干部流速儀分布在明渠或封閉式管道的某一個適當橫斷面的指定點上, 然后測量水流速度, 并將所有測取的流速選行積分, 這樣可以得到流量。機組在試驗期間的要求：水流均勻穩(wěn)定；水質應足夠清潔；水中不溶解或懸浮的物質不得影響儀器儀表測量的準確度。這種測量方法計算流量的前提是假定流速分布（尤其是邊壁附近的速度分布)接近已知的規(guī)律。因此，流速儀法的關鍵問題是如何選擇合理的測量斷面, 使之較好地符合上述要求和實際水流流態(tài)。1. 測量原理（1）測定測流斷面的尺寸, 以確定斷面面積。該斷面應選擇在垂直于管軸線的直管段內；（2）確定測流斷面上測點的位置；（3）測量斷面內所有測點的流速的軸向分量, 并確定其流速分布曲線。流速分布曲線的誤差，主要取決于斷面內測點的數目和位置及其流速分布曲線的形狀；（4）從上述的測量結果可確定測流斷面的平均流速；（5）計算管道內的過流量, 它等于測流斷面面積和平均流速的乘積。流量測量原則和要求1. 水流的穩(wěn)定性在壓力管道內進行流量測定時,水流流動應是凈水（水中不應帶有不適當數量的懸浮物、冰塊及其它異物），屬滿管流、處于穩(wěn)定條件下。而且水流沒有長周期的脈動, 因而認為管道內的水流為穩(wěn)定流。若功率和水頭變化較大或突然發(fā)生變化, 則須重新進行試驗。2. 漏水和滲水在試驗期間,測流斷面與機組進出口之間的管道內,不允許存在漏水、滲水及分流現象。 此外,還要觀測記錄測流斷面和被試機組之間管道內的調壓井的水位變化, 并相應地校正其計算流量。同時在測流斷面和被試機組之間的管道內取用的潤滑水和冷卻水都應從其它機組管道內取得。這樣可以保證通過測流斷面的流量全部進入被試機組。如果在測流斷面和機組進出口之間的管道內存在漏水、滲水和分流現象,應采取措施進行封堵。若效果不顯著,則須測取各自的流量,以便供給流量測量參考 .3.測量時間為了減少流量測量誤差,在每個工況點的測程時間內,應能直接從儀器儀表上測取不少于5次讀數(不少于2min)；如果水流中存在持續(xù)時間較長的脈動 ,應在每次測程中包括四個以上的脈動周期，則流速儀的測量時間須延長，這樣才能正確地測量其平均流速，但有可能影響整個試驗的進程，而脈動周期的規(guī)律至少應通過10至15分鐘的時間來觀測流速儀的速度變化，方可確定脈動的持續(xù)時間。流速儀的一般要求流速儀軸線與水流速度矢量的夾角不超過5。盡可能避免在斜交或匯合水流中應用流速儀測量流速，如果對水流條件有懷疑，可考慮先做橫斷面試驗, 測定其流速, 依此確定流速的規(guī)律性。流速儀在使用中，特別在徑流式水電站或泵站選行測速時，應隨時注意從上游漂下來的雜草等。因此需要組織人員進行打撈，以免影響流速儀的正常運轉。（4）流速儀的率定流速儀通過率定,可得到水流流速和螺旋槳轉速之間的關系。此關系通常以一條或若干條直線表示。其方程式為：V=An + B 式中：V 為水流速度 , 單位為米/秒；n 為槳葉旋轉速度 , 單位為 /秒；A 和 B 為流速儀的率定系數。流速儀在使用前后，一般都應進行率定。如果流速儀率定后, 存放時間較長，一是要加強對流速儀的保養(yǎng)，二是要在使用前進行檢查。流量計算流量是根據各測點流速儀的測量而得到整個測流斷面的流速大小布分布狀況，由此獲得斷面的平均流速, 然后乘以斷面面積, 即可得到流量。測試方法原 理使用條件備 注流速儀法把若干部流速儀分布在明渠或封閉式管道的某一個適當橫斷面的指定點上, 然后測量水流速度, 并將所有測取的流速選行積分, 這樣可以得到流量。1、水流穩(wěn)定，水質清潔。2、流速分布必須規(guī)則，流速儀軸線與水流速度矢量的夾角不超過5矩形與梯形斷面，測點至少25個.圓形封閉管道13點34+1，上游20D,下游5D壓力時間法由于導葉開度的變化，在管道中水的質量加速度將隨之變化；另外，管道兩個斷面之間的壓差變化形成一個力，從而得出加速度和力的關系。1、 在兩個壓力測量斷面之間不存在中間自由水面。2、 泄漏量不大于測量流量的5%3、 3、多進口，單獨、同時測試4、 測試端，筆直截面相等5、 面積長度現場測量6、 壓力損失和動壓之和不超過20%7、 差壓傳感器要居中布置水錘法吉普遜法超聲波法將聲波的傳播速度和水流速度進行矢量疊加，聲波向上游的傳播時比向下游傳播時的絕對速度稍低。通過測量聲波向上下游兩個基本方向的傳播時間，便可測得流體沿聲道的平均軸向流速。1、 應消除氣泡或懸浮物2、 避免測量小于1.5m/s的流速或小于0.25m的管徑3、 測量斷面與管道軸向的夾角應在 45-75之間四聲道測量蝸殼壓差法具有一定流速的水流在流經彎道時，產生離心力，形成內外壓力差，壓力差與流速有關，流速與流量有關，可求的流量蝸殼流量計壓差盡可能大高低壓孔口在同一斷面內。混凝土蝸殼金屬蝸殼精度低水位、壓力和水頭（揚程）測量基準點測量位置水泵 進水池 出水池水電機組 攔污柵 尾水管出口水位測井測量儀器 水輪機水頭的測量：水輪機水頭定義為水輪機進口斷面與尾水管出口斷面的總能量之差功率測量1、 間接法(損耗分析法)2、 直接法 P=M*n/974軸功率可采用負荷變送器、扭矩儀或其他表面應力型或叫扭轉型的儀器測量，儀器的力矩測量范圍應不低于其額定量程的25%轉速測量用直接法來測量功率時，轉速測量必須在相對于水力機械主軸沒有任何轉差的情況下進行。相對效率檢測水輪機的最優(yōu)工況是指最高的工況。水輪機在最優(yōu)工況運行時，不但效率高，而且穩(wěn)定性和空蝕性能也好。因此，在實際運行中，水輪機的運行工況范圍均有一定限制。直接測量效率的熱力學法利用單位機械能和水力比能來確定效率就無需測量流量。允許直接測量單位機械能儀器 取水探針試驗條件1、 高壓測量斷面2、 低壓測量斷面耗水率每發(fā)一度電，通過水輪機的流量。第六章壓力脈動、振動和噪聲檢測振動產生的原因 機械、電氣、水力壓力脈動 定義、部位、共振常見脈動現象：振動產生部位振動特征原因蝸殼、導葉振動隨運行工況變化時有時無渦流帶進入轉輪導葉或轉輪葉片尾部振幅隨過機流量增加而明顯增大卡門渦列尾水管振動強弱與運行工況關系密切，區(qū)域不同，振動不同偏心渦帶。偏離設計工況。低水頭、低負荷止漏環(huán)、密封結構振動擺度及壓力脈動值，均隨機組負荷和過機流量的增加而明顯增大間隙不當，間隙不均振動測量水力、機械、電氣三個方面振動的特征、原因、部位見附表噪聲測量噪聲定義：. 任何令人不愉快的或不希望有的聲音；. 其頻譜不能能夠用確定的頻率分量下來描述，并具有隨即特性的聲音。噪聲也可以包括不希望有的隨機性質的電振蕩，如對噪聲的性質不明確時，可用聲噪聲或電噪聲表示。聲源、機械噪聲、空氣動力性噪聲、電磁性噪聲評價噪聲的技術參數1、 噪聲的強度聲壓：當有聲波傳播時，使空氣壓強時而增高時而降低?？諝鈮簭娕c沒有聲波傳播時的靜壓強則產生壓強差。此壓強差稱為聲壓強，簡稱聲壓，其值大小指波動聲壓得有效值。聲壓級用聲壓的對數來表示聲音強弱的稱為聲壓級，單位分貝。人的聽覺范圍相當于聲壓級分貝。2、聲強，聲強級；聲功率，聲功率級聲強：是在聲音傳播的方向上，單位時間內通過單位面積的聲能量。單位瓦米，用表示。聲功率：是聲源在單位時間內輻射出的總聲能，單位是瓦，用來表示。聲強級和聲功率分別表示聲強和聲功率的大小的級別，單位是分貝。2、 L聲級、A聲級 對頻率計權 噪聲測量的方法噪聲測量一般是聲壓級測量，其測量原理是將聲壓轉換成電壓后測電壓的變化表示噪聲的大小，因此必用聲電傳感器和聲級計來測量。若配用頻譜分析儀可進行頻譜分析。數字式聲級計還可通過適當的模數轉換器，將模擬量轉換成數字量并進行數字顯示。聲電傳感器 壓電式、電動式、電容式試運行試驗1、 變轉速試驗 四個工況、典型部位2、 過速試驗 3、 變勵磁試驗 五個工況、不平衡磁拉力4、 變負荷試驗 四個工況、補氣試驗、偏心渦帶5、 甩負荷試驗 機組運行與引水系統(tǒng)均處于最惡劣的運行狀態(tài)第七章 應力測試力特性試驗的目的殘余應力測試的方法：1、 盲孔法 定義、精度高 當構件中的殘余應力沿厚度分布不均勻時，測試方法為等深度地逐層鉆孔測定每次的應力釋放量2、壓痕法 我國擁有自主知識產權測試步驟：被測構件表面準備、應變片粘貼、壓痕制造和數據處理機組主軸扭矩測試目的：1、確定主軸軸身真實的安全程度2、檢驗現在使用的扭矩、扭應力計算公式的可靠性3、計算水輪機運行的輸出功率應變片的布置 在主軸表面上按與軸線成45的方向第八章 空蝕和磨損汽蝕和磨損的定義(一) 空蝕當水流在流道中流過時,如某一部位的局部壓力降低到接近水的汽化壓力,則氣體成長為汽泡.汽泡膨脹,聚集,流動至高壓區(qū)又發(fā)生潰滅,分裂的想象叫做空蝕.此外,在汽泡潰滅的過程中伴有溫度的升高(約為1500攝氏度),發(fā)光,電離,化學腐蝕等現象,加速了材料的破壞過程,這種因汽蝕作用對材料產生的破壞稱為空蝕損壞.(二) 磨損當通過水輪機流道德工作水流含有一定的數量，帶有棱角的堅硬泥沙顆粒時，沙粒撞擊和磨削過流表面，使其材料因疲勞和機械破壞的過程稱為磨損。水輪機的泥沙磨損屬于流體動力學磨粒磨損。 空蝕和磨損對水力機械的危害性1 .空蝕和磨損使水輪機的通流部件表面變粗糙，破壞了水流對表面原有的擾流條件，使效率和出力降低。而且由于空蝕和磨損的作用，使通流部件表面損壞，從而縮短了水力機組的檢修周期，增加了檢修的工作量，嚴重者甚至需要更換部分通流部件。在泥砂磨損和空蝕破壞的聯合作用下，過流部件表面的破壞更甚。2.空蝕引起強烈的噪音，加劇了水力機組運行的不穩(wěn)定性，使水力不平衡，機組振動和水壓脈動都有可能增加。空蝕和磨損觀測的目的意義.找出水力機組破壞的主要原因，經過該進（包括設計，制造，檢修）提高其抗空蝕和抗磨損的性能。選用抗空蝕和抗磨損的材料。. 測出水輪機在各種運行工礦的汽蝕強度，盡量避免在嚴重空蝕區(qū)域運行。研究水力機組汽蝕和磨損的破壞規(guī)律，進一步弄清其破壞機理，為減輕水力機組的空蝕和磨損提供必要的資料?？瘴g測量1、電聲法（聲學法）大量的試驗，研究表明空蝕水流中存在兩個基本聲源：由于汽蝕漩渦周期性分離，而發(fā)出的各種頻率噪聲，頻率取決于水流條件。2、 由空蝕汽泡潰滅所產生的寬頻聲振動，聲波范圍既包含202000千周秒的可聞聲波，又包含有二十至幾