本發(fā)明涉及一種水輪機碰摩故障模擬實驗裝置及模擬方法，屬于水輪機檢測技術領域。

背景技術：

水輪機發(fā)生碰磨故障，主要有頂蓋磨損、水輪機室碰摩故障，即水輪機頂面碰摩和側面碰摩兩種，水輪機減壓板脫落會導致機組異常振動、結構件損壞，嚴重時能引發(fā)頂蓋撕裂，導致水淹廠房的事故發(fā)生。國內外多個電廠曾發(fā)生水輪機頂蓋碰磨、損壞的嚴重事故，如俄羅斯薩揚電廠發(fā)生頂蓋破壞水淹廠房的事故，安康、巖灘、丹江口、潘家口等水電廠曾頻發(fā)頂蓋磨損、水輪機減壓板損壞的事故。國內水電廠機組也出現(xiàn)過頂蓋磨損、水輪機室碰摩故障。然而水輪機為隱蔽部件，其檢測及碰磨故障機理復雜，為預防水輪機發(fā)生重大事故，研發(fā)一種水輪機碰摩故障模擬實驗裝置十分必要。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術問題是克服現(xiàn)有技術的缺陷，提供一種水輪機碰摩故障模擬實驗裝置及模擬方法，可以模擬不同水壓、轉速環(huán)境下，水輪機室側向、頂蓋頂部碰摩這兩種故障，為避免隱蔽金屬部件嚴重事故發(fā)生提供理論基礎。

為解決上述技術問題，本發(fā)明提供一種水輪機碰摩故障模擬實驗裝置，包括旋轉圓臺、旋轉圓臺外殼、軸、旋轉電機、電機機座、充水裝置和碰摩部件；

所述旋轉圓臺采用一個梯形圓臺，由旋轉圓臺頂部，旋轉圓臺錐臺和旋轉圓臺底部構成，所述旋轉圓臺用來模擬水輪機的外輪廓，旋轉圓臺頂部用來模擬水輪機頂部與頂蓋的碰摩，旋轉圓臺底部的側面用來模擬水輪機側向與水輪機室的碰摩；

所述旋轉圓臺封閉在旋轉圓臺外殼內，試驗時旋轉圓臺外殼內充滿水，旋轉圓臺則在水體中；

所述旋轉電機放置在電機基座上，旋轉電機與旋轉圓臺通過軸連接，旋轉電機帶動旋轉圓臺轉動，用于模擬不同轉速的水輪機；

所述充水裝置位于旋轉圓臺的下方，由沖、放水管路，沖水泵和小水庫構成；所述沖、放水管路的一端與旋轉圓臺外殼連通，用于旋轉圓臺外殼內的沖水和放水，在沖水管路上設置一沖水泵，用于調節(jié)旋轉圓臺所處的水環(huán)境的水壓；所述沖、放水管路的另一端接入小水庫中；

所述碰摩部件包括點狀碰摩部件和面狀碰摩部件，所述點狀碰摩部件為一個旋轉螺栓的頂部，所述面狀碰摩部件采用一塊鐵板；

在旋轉圓臺的頂部和底部的側面分別布置4個碰摩點， 2個點狀碰摩點，2個面狀碰摩點，在實驗前根據(jù)需要模擬的碰摩故障的類型將碰摩部件安裝在旋轉圓臺外殼上，與碰摩點正對。

前述的旋轉圓臺外殼為一密封金屬外殼，包括殼體，在殼體側面有一透明有機玻璃觀察窗口，在殼體頂部設置排氣孔。

前述的面狀碰摩部件在旋轉圓臺頂部采用是平面鐵板，在旋轉圓臺底部的側面采用圓弧形鐵板。

前述的在旋轉圓臺外殼上安裝相應的碰摩部件來模擬不同的故障組合，故障組合包括：頂部單個或兩個面狀碰摩模擬，頂部單個或兩個點狀碰摩模擬，頂部點狀和面狀碰摩模擬均有，側面單個或兩個面狀碰摩模擬，側面單個或兩個點狀碰摩模擬，側面點狀和面狀碰摩模擬均有。

前述的點狀碰摩模擬通過螺栓旋轉改變旋轉螺栓頂部與旋轉圓臺頂部或旋轉圓臺底部側面之間的距離。

前述的面狀碰摩模擬通過液壓裝置改變面狀碰摩部件與旋轉圓臺頂部或旋轉圓臺底部側面之間的距離。

利用權利要求水輪機碰摩故障模擬實驗裝置進行碰摩故障模擬的方法，包括以下步驟：

1）確定需要模擬碰摩故障的類型，確定沖水泵出水壓力p，確定旋轉電機轉速n，在相應位置安裝好碰摩部件，同時布置和安裝用于信號的采集和處理的傳感器；

2）通過沖水泵為旋轉圓臺所在旋轉圓臺外殼沖水；

3）開啟旋轉電機，調整實驗需要的轉速n，旋轉圓臺在旋轉電機的驅動下在水壓為p的環(huán)境中無碰摩故障運行，運行穩(wěn)定2分鐘后，為無碰摩試驗工況，采集數(shù)據(jù)一分鐘，數(shù)據(jù)采集完畢后關閉旋轉電機；

4）以逐步推進的方式改變碰摩部件與碰摩點的距離，通過觀察窗口觀察，并手動轉動旋轉圓臺，當剛剛有接觸的時候，為1個實驗工況點，運行工況穩(wěn)定后，測量數(shù)據(jù)1分鐘，關旋轉電機，此工況模擬輕微碰摩故障；

5）進行下一個工況，繼續(xù)將碰摩部件向前推進，開電機，穩(wěn)定工況，測量數(shù)據(jù)1分鐘，關旋轉電機，此工況模擬碰摩故障比較嚴重的工況；

6）繼續(xù)下一個工況，繼續(xù)將碰摩部件向前推進，開電機，穩(wěn)定工況，測量數(shù)據(jù)1分鐘，關旋轉電機，此工況模擬碰摩故障嚴重的工況；

7）實驗結束，將碰摩部件與碰摩點的距離調整為非碰摩距離，停旋轉電機，停沖水泵。

前述的步驟4）中，對于點狀碰摩模擬，逐步推進是指旋轉螺栓每次旋轉1圈；對于面狀碰摩模擬，逐步推進是指液壓裝置每次向前推進1mm。

前述的步驟5）中，對于點狀碰摩模擬，繼續(xù)將碰摩部件向前推進是指旋轉螺栓旋轉1/10圈；對于面狀碰摩模擬，繼續(xù)將碰摩部件向前推進是指液壓裝置向前推進0.5mm。

前述的步驟6）中，對于點狀碰摩模擬，繼續(xù)將碰摩部件向前推進是指旋轉螺栓旋轉1/10圈；對于面狀碰摩模擬，繼續(xù)將碰摩部件向前推進是指液壓裝置向前推進0.5mm。

本發(fā)明的有益效果為：

本發(fā)明方便在實驗室內對水電站內水輪機碰摩故障進行理論研究，解決現(xiàn)場試驗的困難。

本發(fā)明可以實現(xiàn)不同水壓、轉速環(huán)境下，不同類型多個測點的多個故障模擬，同時具備觀察窗口方面碰摩距離的調節(jié)，實驗室方便觀察。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的水輪機碰摩故障模擬實驗裝置結構圖；

圖2為旋轉圓臺和外殼的分體結構示意圖；

圖3是頂部碰摩故障布置圖；

圖4是通過液壓裝置調節(jié)頂部碰摩間隙示意圖；

圖5是通過旋轉螺栓調節(jié)頂部碰摩間隙示意圖；

圖6是側向碰摩故障布置圖；

圖7是通過旋轉螺栓調節(jié)側向碰摩間隙示意圖；

圖8是通過液壓裝置調節(jié)側向碰摩間隙示意圖；

圖中：

k為碰摩故障點與碰摩部件之間的間隙距離；

c1、c2、c3、c4為旋轉圓臺側向碰摩的4個碰摩點；

d1、d2、d3、d4為旋轉圓臺頂部碰摩的4個碰摩點。

具體實施方式

下面對本發(fā)明作進一步描述。以下實施例僅用于更加清楚地說明本發(fā)明的技術方案，而不能以此來限制本發(fā)明的保護范圍。

如圖1所示，本發(fā)明的水輪機碰摩故障模擬實驗裝置，由旋轉圓臺1、旋轉圓臺外殼2、軸3、旋轉電機4、電機機座5、充水裝置、碰摩部件9組成。

如圖2所示，旋轉圓臺1采用一個梯形圓臺，由三部分組成，旋轉圓臺頂部1-1，旋轉圓臺錐臺1-2，旋轉圓臺底部1-3，該旋轉圓臺可以用來模擬水輪機的外輪廓，旋轉圓臺頂部1-1用來模擬水輪機頂部與頂蓋的碰摩；旋轉圓臺底部1-3的側面用來模擬水輪機側向與水輪機室的碰摩；旋轉圓臺外殼2為一密封金屬外殼，由殼體2-1，有機玻璃觀察窗口2-2和排氣孔2-3三部分組成，將旋轉圓臺1封閉在金屬外殼內，試驗時金屬外殼內充滿水，旋轉圓臺則在水體中，在金屬外殼側面有一透明有機玻璃觀察窗口2-2，方便調節(jié)碰摩距離時觀察，在外殼頂部設置排氣孔2-3，在沖水過程中，打開排氣閥排出外殼內的氣體，從排氣閥溢出水即表示充滿了水，關閉排氣孔。

旋轉電機4放置在電機基座5上，旋轉電機4與旋轉圓臺1通過軸3連接，旋轉電機4帶動旋轉圓臺1轉動，可模擬不同轉速的水輪機。

充水裝置位于旋轉圓臺的下方，由沖、放水管路6、沖水泵7、小水庫8構成，沖、放水管路6的一端與旋轉圓臺外殼2連通，用于旋轉圓臺外殼2內的沖水和放水，在沖水管路上設置一沖水泵7，為沖水過程提供一定的水壓，通過改變沖水泵7的運行工況來改變旋轉圓臺所處的水環(huán)境的壓力。沖、放水管路6的另一端接入小水庫8中。

充水裝置可以滿足不同水壓條件下的水輪機工作環(huán)境，旋轉電機轉速可調節(jié)。不同的轉速及水壓條件可以模擬不同水輪機的運行工況情況。

碰摩部件9在實驗前安裝到旋轉圓臺外殼上，正對碰摩點的位置。碰摩部件9分為兩類，點狀碰摩，面狀碰摩，可以模擬水輪機側向與水輪機室的碰摩、水輪機頂部與頂蓋的碰摩。點狀碰面就是碰摩時旋轉圓臺與外壁碰摩接觸面積很小，可以認為是只有一個點狀接觸；面狀碰面就是碰摩時旋轉圓臺與外壁有較大面積接觸，形成一個大的接觸面。點狀碰摩采用一個旋轉螺栓的頂部來模擬，點狀碰摩距離間隙通過碰摩間隙調節(jié)螺栓來調節(jié)；面狀碰摩采用一塊鐵板，在頂部采用是平面鐵板，在側面采用是圓弧形鐵板，面狀碰摩間隙距離通過液壓裝置來調節(jié)。

在旋轉圓臺的頂部和底部的側面分別布置4個碰摩點， 2個點狀碰摩點，2個面狀碰摩點，整個裝置一共8個碰摩點，常見故障組合有：頂部單個或兩個面狀碰摩，頂部單個或兩個點狀碰摩，頂部點狀和面狀碰摩均有，側面單個或兩個面狀碰摩，側面單個或兩個點狀碰摩，側面點狀和面狀碰摩均有。

如圖3所示，為在旋轉圓臺頂部1-1布置的4個碰摩部件， 2個點狀碰摩部件9-1，2個面狀碰摩部件9-2，其中d1和d4通過小圓圈表示，為頂部點狀碰摩點，d2和d3通過小矩形塊表示，為頂部面狀碰摩點。

如圖4所示，為旋轉圓臺頂部點狀碰摩模擬，碰摩部件為旋轉螺栓，點狀碰摩的接觸點為旋轉螺栓9-1的頂部，通過螺栓旋轉改變螺栓頂部與旋轉圓臺頂部1-1的距離。

如圖5所示，為旋轉圓臺頂部面狀碰摩模擬，碰摩部件為平面鐵板，平面鐵板由液壓裝置10控制，通過液壓裝置10改變平面鐵板與旋轉圓臺頂部1-1的距離。

如圖6所示，為旋轉圓臺底部的側面布置的4個碰摩部件， 2個點狀碰摩部件9-3，2個面狀碰摩部件9-4，其中c1和c4通過小圓圈表示，為側向點狀碰摩點，c2和c3通過小矩形塊表示，為側向面狀碰摩點。

如圖7所示，為旋轉圓臺底部側向點狀碰摩模擬，碰摩部件為旋轉螺栓，點狀碰摩的接觸點為旋轉螺栓9-3的頂部，通過螺栓旋轉改變螺栓頂部與旋轉圓臺底部1-3的側向距離。

如圖8所示，為旋轉圓臺底部側向面狀碰摩模擬，碰摩部件為圓弧形鐵板，圓弧形鐵板由液壓裝置10控制，通過液壓裝置10改變圓弧形鐵板與旋轉圓臺底部1-3的側向距離，該距離是指圓弧形鐵板的中線點與旋轉圓臺底部外緣的最近點距離。

實施例

采用本發(fā)明的水輪機碰摩故障模擬實驗裝置模擬水輪機碰摩故障，實施步驟如下：

步驟（1）確定需要模擬碰摩故障的類型，本裝置可以模擬多個故障類型不同位置的組合，以一個液壓裝置控制的側向面狀碰摩故障為例進行流程說明，即模擬圖8中故障點c2，確定沖水泵出水壓力p，確定旋轉電機轉速n，同時在碰摩故障實驗中需要布置的傳感器需要提前布置和安裝，對于信號的采集和處理，本申請不再詳述；

步驟（2）通過沖水泵為旋轉圓臺所在密封裝置沖水，可以通過改變沖水泵運行工況來改變旋轉圓臺所處的水環(huán)境的壓力p；

步驟（3）開啟旋轉電機，旋轉電機轉速可調，調整實驗需要的轉速n，旋轉圓臺在旋轉電機的驅動下在水壓為p的環(huán)境中無碰摩故障運行，運行穩(wěn)定2分鐘后，為無碰摩試驗工況，采集數(shù)據(jù)一分鐘，數(shù)據(jù)采集完畢后關閉旋轉電機；

步驟（4）通過碰摩部件后面的液壓裝置改變碰摩部件與旋轉圓臺底部側面的距離k，其推進距離以1mm逐步推進，通過觀察窗口觀察，并手動轉動旋轉圓臺，當剛剛有接觸的時候，為1個實驗工況點，運行工況穩(wěn)定后，測量數(shù)據(jù)1分鐘，關旋轉電機，此工況模擬輕微碰摩故障；

步驟（5）繼續(xù)下一個工況，通過液壓裝置繼續(xù)將圓弧形碰摩部件向前推進0.5mm，開電機，穩(wěn)定工況，測量數(shù)據(jù)1分鐘，關旋轉電機，此工況模擬碰摩故障比較嚴重的工況；

步驟（6）繼續(xù)下一個工況，通過液壓裝置繼續(xù)將圓弧形碰摩部件向前推進0.5mm，開電機，穩(wěn)定工況，測量數(shù)據(jù)1分鐘，關旋轉電機，此工況模擬碰摩故障嚴重的工況；

步驟（7）實驗結束，將模擬故障點距離k調整為非碰摩距離，停旋轉電機，停水泵。

實驗結束后可以對實驗過程中采集的數(shù)據(jù)進行分析，然后進行下一組不同類型的工況模擬。

點狀碰摩通過調節(jié)旋轉螺栓改變距離k，向前推進的過程可以通過旋轉螺栓旋轉的圈數(shù)來控制，開始的時候采用1圈，快要靠近后采用1/10圈來調節(jié)距離k。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應當指出，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發(fā)明技術原理的前提下，還可以做出若干改進和變形，這些改進和變形也應視為本發(fā)明的保護范圍。