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丝瓜伤流液水利水电工程设计DWRHE·2018年第37卷第2期
贾瑞旗闫宇张弋扬张驰
摘要水力机械现场测试经过多年发展，已从常规的能量性能测试研究到内特性、动力特性方面的研究，从稳态运行工况到过渡过程工况的参数特性研究，通过智能测试技术、先进传感器制造和信息技术发展，极大地提高了现场测试技术和测试精度。同时，在水力机械现场运行中的关键部件受力和转轮叶片动应力测试方面也有了很大的提高，为机组运行疲劳和机组寿命预测研究做出了相应的贡献。
关键词水力机械现场测试叶片动应力动力特性进展
中图分类号TV732文献标识码A文章编号1007-6980（2018）02-0044-03
1水力机械现场测试概述
水力机械是一门以试验科学为主的学科，高精度的水力机械试验设备及测试技术是设计开发和验证新型水力机械产品的必要条件，也是研究解决现场运行中出现异常故障的重要手段。对于水力机械的研究有模型试验、仿真计算和现场测试3种手段，3种手段侧重方向不同，目的也有差别，现场测试能对模型试
验和仿真计算进行验证和校核，真实反映真机的运行特性，为机组安全、经济运行提供技术数据，也能校验设计、制造和安装质量水平。
1.1水力机械现场测试作用和内容
水力机械现场测试具有模型试验和仿真计算不可替代的作用，现场试验具备以下的特点和作用，服务方向是生产运行、工程验收、改造设计、解决实际问题和促进专业技术进步等，具体作用如下[1]：
（1）可以做模型试验不能模拟的试验，比模型试验更能发现和解决生产和科研中提出的问题；
（2）可以正确了解机组在电气、机械、水力等方面的运行特性，鉴定水力机组的各种工作参数；
（3）检验机组的理论、计算方法，根据现场试验的资料积累，能为发展新型结构和新型机组提供资料；
（4）是鉴定机组的设计是否合理、制造和安装质量优劣的有效手段和可靠依据；
（5）为系统安全经济运行提供可靠地运行资料，正确指导到电站、泵站的运行。
根据机组的安全经济运行和可靠性要求，水力机械现场测试的内容主要有以下几个方面：（1）反映能量特性和水电厂、泵站优化方面的试验；
（2）反映调速系统和调速器性能，以及因调速器和性能引起的机组过渡过程方面的试验；
（3）反映机组安全运行的稳定性方面的试验；
（4）反映机组主要设备部件的结构、运行性能和力学特性方面的试验；
（5）反映机组轴承结构运行特性及润滑特性方面的试验；
（6）反映机组过流部件的空蚀磨损特性方面的试验等。
1.2水力机械现场测试技术进展
我国水力机械现场测试技术的发展基本在20世纪80年代之后，随着现代电子技术、传感器技术，尤其是信息技术的发展，包括自动控制技术和计算机技术的进步，推动水力机械测试技术的迅猛发展，同时，测试技术的发展又促进科技的发明和创新，也给水力机械的智能测试技术带来了新的发展动力。流量、压力、转速、扭矩等参数的新的电子测量设备替代原来的老旧设备。智能电磁流量计、超声波流量计、智能压力变送器、转矩转速传感器、微机扭矩仪、单片机、PLC 等先进的电子装置迅速地被应用于智能的自动测试系统中，极大地提高了测试体系的自动化程度、测试精度、响应速度和人工效率[2]。
近些年来，国内水力机械现场测试技术得到很大提高，对机组性能常规测试和专项参数测试方面的技术已进入国际先进水平，逐步参与国际上相关标准的制定和讨论，参加和召开专业国际会议，越来越多地发出自己的声音，同时国内水力机械现场测试技术方面，制定和完善了与IEC、
ISO等接轨的国家标准，现场试验技术更加规范化，重要参数的测试仪器需经过国家认可、授权的计量机构的鉴定并保证在有效检定周期内。
试验内容从常规的性能试验、运行稳定性试验
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贾瑞旗等·水力机械现场测试技术及其进展
逐渐扩展到专项参数试验研究、关键部件的应力测试、转轮叶片动应力测试等方面，中国水利水电学研究院在2002年开展了“大型水泵、水轮机动应力测试技术研究及装置研发”等课题研究[3]，并进行了国内。外的若干电站机组的转轮动应力测试，东方电机厂、中国水科院、华中科技大学等也合作开展过大朝山电站6#机组。李家峡电站1#机组转轮动应力的现场测试，均取得不错的效果。
部分测试机构已根据机组内部压力脉动测试和过流部件应力变化测试情况，结合模型试验和仿真计算开展了内部流场和涡带研究工作，对尾水管涡带振动、高水头机组梳齿自激振动、引水系统共振等振
动稳定性问题开展较为系统的试验研究[2]，提出了一些新颖的理论并逐步通过现场测试得到了验证。
2现场测试主要参数及方法
水力机械现场测试中，较为重要的参数一类为表征机组性能指标的参数，如：水头（扬程）、功率、流量等；另一类为表征运行稳定性能方面的参数，如：转速、振动、摆度、压力脉动、噪声、叶片动应力等。按照性质和测试对象可分：机械参数、水力参数、电气参数、力学参数、调节参数和热量参数等[1]，不同参数的测试方法有多种，但现在主要的、使用较多的是非电量（包括一些电参数）的电测法。
同一参数在不同的运行工况测试时，根据信号变化情况会选用不同采集方式和传感器，稳定运行工况，各参数变化较为稳定。对于过渡过程测试工况，由于信号变化较为迅速，历时较短，变化不容易捕捉的特点，需要测试仪器具备高精度、高分辨率和较好的采集同步性。
进、出口压力测量（水头），一般采用高精度的压力（压差）传感器，安装在机组水力测量断面引出管路（水轮机）上或者直接安装在测量断面（水泵）上，通过测得的压力差值并计入位能和速度能，可较为准确获得工作水头或扬程参数，对于不满足条件的机组，也可采用测量上、下游液位或者吸入式水头测量装置获得毛水头。
现场流量测量方法很多，流量的测量直接决定了试验的规模和性质，适用于现场测试的方法有：流速仪法、水锤法（压力时间法）、示踪法、超声波法、蜗壳压差法等，在水力发电机组上，应用较多的是蜗壳压差法测量相对流量，或者根据模型试验所得的流量系数换算到原型机组上，得到过机绝对流量，小型水泵机组有时采用电磁流量计或超声波流量计测量流量。
机组转速测量一般采用齿盘测试方式，在甩负荷、水泵掉电等过渡过程工况中转速测量尤为重要，采用电涡流传感器直接将模拟信号引出至计算机采集系统，利用时差法对变化的转速信号进行后续处理，得到变化的转速曲线（如图1所示），电涡流传感器测量转速较其他传感器有很大优势，频率响应为0～10kHz，转速测量的频率响应范围广，对转速变化响应迅速，传感器输出信号的幅值较大，同时抗干扰能力强，安装方便。过渡过程转速测量时，应注意动态采集系统设置合适的采样频率和测试精度问题，保证测量到的离
散转速变化尽量接近于转速变化真值。
图1过渡过程转速变化示意图
水力机械振动参数测量方面，由于机组主频多为低频，多采用电磁式低频速度振动传感器进行测量，业内研究人员越来越多地呼吁采用振动速度指标来评判机组振动情况。
轴摆度采用非接触式的电涡流位移传感器测量，获取大轴相对摆度和轴心运动轨迹，并可获得整体轴线在空间的运行姿态，绝对摆度测量值通过合成也可得到大轴运行偏移值。
甩负荷、水泵掉电工况阀门动作规律测试，可采用角位移传感器或者拉线位移传感器测量阀门开度变化和规律，获取动作规律曲线并和转速、出口压力、流量的过度指标比较，验证调保计算的合理性和改进操作流程，在甩负荷和水泵掉电测试中，故障信号到动作信号的滞后时间也是应该重点关注的问题，准确获得从故障信号开始到设备动作信号的时间差，可以对调保计算改进的边界条件选取提供依据（如图2所示）。
水力机械的力特性试验是现场测定零部件受力状态的试验，可分为非旋转部件、旋转部件和进水阀门的力特性试验，例如蜗壳的应力测量、部件刚度测量、推力轴承（导轴承）的力特性、主轴力特性（轴向力和扭矩测量）以及转轮叶片动应力和阀门的动水启闭试验等，多采用应变片法测量，采用金
属铂基应变片（应变花）粘贴在测点部位，根据不同构件的形状、尺寸、受力方向合理布置一组或者多组应变片（应变花），将被测构件表面指定点的应变变化值转换为应变片电阻的变化值，再通过电阻应变仪转换为电压（电流）的变
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水利水电工程设计DWRHE ·2018年第37卷第2期
化值，调理后进行记录并根据不同材料的弹性模量最终得出该部件测点的表面应力值和方向。
静态应力和动态应力测量接线方法相同，根据测点部位不同可以采用直接连线和无线测量方式，旋转部件和水下测点一般采用无线遥测方式，同时要注意测点的防水、防冲击保护，应变片到应变仪的连接线走线和保护方法。
其中，随着大型、巨型机组的投产，叶片裂纹和断裂问题也越来越多的发生，对关键部件的交变应力研究和转轮叶片的动应力变化研究也引起极大重视，转轮叶片动应力测试由于其测点布置位置和信号传输方式，国内外测试机构采用无线遥感方式进行测量，应变测点位于水下，采用高性能的金属防护胶剂进行封装，并确保表面光滑以减少对水流的阻力，并将无线应变测量系统封装、固定在泄水锥内部或者转轮的操作机构内，采用无线传输协议获得数据。
3现场测试技术发展趋势
水力机械现场测试技术经过多年的发展进步，
自动采集和传输数据，随着传感器的高分辨，数据采集硬件系统A/D 转换位数的提高，减少了随机误差和过失误差，极大提高测试精度；现场测试系统应综合现代的检测技术、智能控制技术、云传输网络技术和电子计算机技术等进行自动数据测试，可实现实时调节，实时测试，能够快速采样和处理，提高测试系统的自动化程度。
测试内容从外特性逐步延伸到内特性的测试上，从常规性能试验到单个特性参数的深入研究发展，对流道内和叶片上的流速分布、压力分布
进行测试，叶片空化等内特性的测试，这些内容研究成果会对水力机械基础理论的发展、设计的创新和性能的改进产生重要的影响。
防紫外线灯基于当前逐步完善的水力机械在线监测系统并结合离线测试手段，进一步提高在线诊断、分析能力，建立数据库，开展故障预防和关键部件的寿命预测，合理规划检修间隔并防范危害进一步发展，通过现场关键部件的应力测试，转轮叶片及其它关键部件的疲劳损伤累积及疲劳寿命估算是未来评价水力机械安全可靠运行的一个方向[4]。
参
考文献
灯管支架[1]刘晓亭，李维藩.水力机组现场测试手册[M].北京：水利电力出版社，1993.
[2]梁森.水泵开式试验台自动测试系统的研究[D].兰州：兰州理工大学，2007.
[3]潘罗平.大型水泵、水轮机动应力测试技术研究及装置研发报告[R].北京：中国水利水电科学研究院，2004.[4]
潘罗平.大型水轮机转轮动应力测试技术研究[D].北京：清华
大学，2005.
作者简介贾瑞旗男工程师中水北方勘测设计研究有限责任公司天津300222闫
宇
女工程师
中水北方勘测设计研究有限责任公
绞车滚筒司天津300222
张戈扬女高级工程师中水北方勘测设计研究有限责任公司天津300222张
驰
男
助理工程师中水北方勘测设计研究有限责
任公司
天津300222
（收稿日期2018-03-30）
图2
水泵事故断电试验关机过程系统动作时间曲线
阀门手轮·
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