水力机械基本概念与质量检测.docx

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水力机械基本概念与质量检测

水力机械基本概念与质量检测

第一章绪论

第一节水力机械差不多概念

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、运算方法；

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、稳固性、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、按信号变换特点物性型、结构型

4、按传感器与被测量之间的关系能量转换型、能量操纵型

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畴

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。

时刻、温度

8、动态特性随时刻变化的输入量的响应特性

选用原那么

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，可测的信号频率范畴就宽。

4、线性范畴线性范畴宽，量程大

5、稳固性率定

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，不能直截了当比较。

6、硬度

试验方法

试验内容

适用范畴

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

直截了当读数

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专门近的横向力作用、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、可检厚度范畴大，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、不规那么外形试件不易检测

2、材质、晶粒度对检测结果有阻碍

3、检测结果无直会见证记录

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，射线吸取系数不一样

1、直观图像，定性准确

2、检测结果有直截了当记录，可长期储存

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：

μm

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

1机组机械运行检查

2调速器调整试验

3停机试验

4机组过速试验

5发电机升压试验

3、机组并网及负载下的试验

1机组带负荷试验

2机组负荷下调速器试验

3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

除去用热力法直截了当测量以外，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。

ρ——水的密度，kg/m3

g——当地的重力加速度，m/s2

Q——流量，单位时刻内通过泵体的水体体积，m3/s

H——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，m

P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

试验预备工作

1、技术资料的预备

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。

它要求把假设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,如此能够得到流量。

机组在试验期间的要求：

水流平均稳固；水质应足够清洁；水中不溶解或悬浮的物质不得阻碍仪器外表测量的准确度。

这种测量方法运算流量的前提是假定流速分布〔专门是边壁邻近的速度分布）接近的规律。

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重量,并确定其流速分布曲线。

流速分布曲线的误差，要紧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〕运算管道内的过流量,它等于测流断面面积和平均流速的乘积。

流量测量原那么和要求

1.水流的稳固性

在压力管道内进行流量测定时,水流流淌应是净水〔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、处于稳固条件下。

而且水流没有长周期的脉动,因而认为管道内的水流为稳固流。

假设功率和水头变化较大或突然发生变化,那么须重新进行试验。

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,不承诺存在漏水、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,并相应地校正其运算流量。

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。

如此能够保证通过测流断面的流量全部进入被试机组。

假如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。

假设成效不显著,那么须测取各自的流量,以便供给流量测量参考.

3.测量时刻

为了减少流量测量误差,在每个工况点的测程时刻内,应能直截了当从仪器外表上测取许多于5次读数（许多于2min）；假如水流中存在连续时刻较长的脉动,应在每次测程中包括四个以上的脉动周期，那么流速仪的测量时刻须延长，如此才能正确地测量其平均流速，但有可能阻碍整个试验的进程，而脉动周期的规律至少应通过10至15分钟的时刻来观测流速仪的速度变化，方可确定脉动的连续时刻。

流速仪的一样要求

流速仪轴线与水流速度矢量的夹角不超过5°。

尽可能幸免在斜交或汇合水流中应用流速仪测量流速，假如对水流条件有怀疑，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，专门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，以免阻碍流速仪的正常运转。

〔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假设干条直线表示。

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，一样都应进行率定。

假如流速仪率定后,存放时刻较长，一是要加强对流速仪的保养，二是要在使用前进行检查。

流量运算

流量是依照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

把假设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,如此能够得到流量。

1、水流稳固，水质清洁。

2、流速分布必须规那么，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3×4+1，上游20D,下游5D

压力时刻法

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、压力缺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差不多方向的传播时刻，便可测得流体沿声道的平均轴向流速。

1、应排除气泡或悬浮物

2、幸免测量小于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、直截了当法P=M*n/974

轴功率可采纳负荷变送器、扭矩仪或其他表面应力型或叫扭转型的仪器测量，仪器的力矩测量范畴应不低于其额定量程的25%

转速测量

用直截了当法来测量功率时，转速测量必须在相关于水力机械主轴没有任何转差的情形下进行。

相对效率检测

水轮机的最优工况是指η最高的工况。

水轮机在最优工况运行时，不但效率高，而且稳固性和空蚀性能也好。

因此，在实际运行中，水轮机的运行工况范畴均有一定限制。

直截了当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。

承诺直截了当测量单位机械能

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

振动产生的缘故机械、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

振动特点

缘故

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紧密，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点、缘故、部位

见附表

噪声测量

噪声定义：

1.任何令人不愉快的或不期望有的声音；

2.其频谱不能能够用确定的频率重量下来描述，并具有赶忙特性的声音。

噪声也能够包括不期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

评判噪声的技术参数

1、噪声的强度

１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Ｐ那么产生压强差。

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。

２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。

人的听觉范畴相当于声压级０～１３０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，单位时刻内通过单位面积的声能量。

单位瓦／米，用Ｉ表示。

声功率：

是声源在单位时刻内辐射出的总声能，单位是瓦，用Ｗ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

噪声测量一样是声压级测量，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。

假设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、不平稳磁拉力

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平均时，测试方法为等深度地逐层钻孔测定每次的应力开释量

2、压痕法我国拥有自主知识产权

测试步骤：

被测构件表面预备、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、扭应力运算公式的可靠性

3、运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,那么气体成长为汽泡.汽泡膨胀,集合,流淌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，严峻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固性，使水力不平稳，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

１.找出水力机组破坏的要紧缘故，通过该进〔包括设计，制造，检修〕提高其抗空蚀和抗磨损的性能。

２．选用抗空蚀和抗磨损的材料。

３.测出水轮机在各种运行工矿的汽蚀强度，尽量幸免在严峻空蚀区域运行。

４．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，研究说明空蚀水流中存在两个差不多声源：

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，声波范畴既包含20～2000千周／秒的可闻声波，又包含有二十至几百千千周／秒的超声波。

用声学法测定汽蚀特性，可分为噪声法和超声波法两种。

两种方法都只能提供定性的结果，即测定水轮机的相对空蚀强度。

3、噪声法本底噪声

4、电阻法

5、加速度法

6、易损镀层法——快速破坏法

空蚀损坏量的测量和运算

　　关于原型水轮机而言，不管是以空蚀损坏的体积或以所失掉的金属重量作为统计空蚀的损坏量，都需要测量汽损部位的深度和面积，一样目前的通用的方法。

1．面积测量

2．深度测量

3．失重量的测量和运算

磨损的观测方法

外部观测

　　　目前尚无统一的标准和方法。

水轮机泥沙磨损的大致特点是：

磨损开始时，又成片的沿水流方向的划痕。

磨损进展时，表面呈波浪状或沟槽状痕迹，常联成一片鱼鳞状凹坑。

磨损痕迹常依水流方向，磨损后表面密实，出现金属光泽。

泥沙磨损强烈进展时，可使零件穿孔，出水边呈锯齿形沟槽。

破坏特点与沙粒特性，流速，材质和工作条件有关。

　　　关于磨损量的测量和评定时比较困难的，空蚀破坏大的地点，一样也是磨损破坏严峻的部位。

如在混流式水轮机的叶片背面下部，出水边及下环内侧流道；轴流式水轮机的叶片背面外缘及出水边，转轮式中环等。

此外，叶片正面和头部也有较严峻的磨损。

外观检查要紧是对上述磨损部位进行观看，照相，录像，测量其面积和深度，能测量厚度的，也可比较两次大修期间由于磨损而厚度减薄的程度，以毫米／千小时计。

空化及空化压力的概念

水沸腾为汽化，汽化是由气压和水温决定的。

水在一定压力下加温引起的汽化为沸腾；

环境温度不变压力降低引起的汽化叫空化。

空蚀系数б是水轮机空蚀特点的一个标志，б越大，越容易破坏。

第九章温度测量

检测对象：

发电机定子、转子、各部轴承

测量方法;

1、电阻法

2、埋置检温计法〔ETD〕

3、温度计法