水轮机活动导叶三维大尺寸变形测量方法的探索与实践

周晓进

【摘要】本文主要介绍了水轮机活动导叶三维大尺寸变形测量方法的探索与实践，借助于工业大尺寸三坐标测量技术，对活动导叶的变形部位进行测量，为后续的处理提供了有力依据，具有良好的推广价值。

【关键词】工业测量系统；导叶；变形测量

引言

混流式水轮机主要应用于20～450米的中水头电厂，其结构紧凑，效率较高，能适应很宽的水头范围，是目前世界各国广泛采用的水轮机型式之一。混流式水轮机由引水部件、导水部件（如图1所示）、泄水部件、工作部件等组成，活动导叶是导水部件的重要组成部分，如图2所示，由导叶体和

导叶轴两部分组成。为减轻导叶重量，常做成中空导叶。在含沙量大的河水或因特定外力影响，活动导叶容易产生变形。某电站一机组某导叶因受水质和外力影响产生了变形，为分析变形原因，并为后续改造和设计改进提供数据支持，决定采取工业大尺寸三坐标测量系统对其进行测量和分析。

1、测试仪器选择及原理

导叶变形测量采用大尺寸三坐标工业测量系统，可供选择的测试仪器有：徕卡高精度全站仪+MetroIn工业测量系统（国内研发），徕卡全站仪+A-xyz三坐标系统（瑞士），索佳高精度全站仪+SMN三坐标测量系统（国内自主研发），徕卡AT402激光跟踪三坐标测量系统，工业近景摄影测量系统和关节臂测量系统等，本次测试采用瑞士Leica测量机器人TCA2003，自由设站，默认测量坐标系，坐标原点O为仪器中心。

TCA2003全站仪经过B类不确定度评定，测角U=±0.5〞，测距U=±0.5mm（20m

范围内），点位不确定度U=±0.3mm（20m范围内），满足测量要求。

全站仪工业大尺寸三坐标测量系统的原理，如图3所示，设点P的坐标为P（x，y，z）， 为AP与AP在XAY平面内投影的夹角， 为点P与坐标系原点即仪器中心A点的连线AP在XAY平面内的投影与Y轴的夹角，点P的斜距为D，被测量点P的坐标即为：

全站仪测点为用特殊反光材料制作的反

射片，本测试方案采用Leica公司制作的Tape5000反射标志，如图4所示。

2 、测试方案

根据导叶实际变形情况，拟采取对导叶的以下要素进行测量：导叶轴的同轴度；导叶轴中心线与水封面的平行度；导叶轴中心线与导叶上下端面（Si面）的垂直度测量；A截面中心径向变形；扭曲测量——导叶轴剪断销槽顶端和底端扭曲测量。

如图5所示，分别在导叶上轴、下轴取截面A-A、B-B、C-C、D-D，将测量标志点沿圆周方向布置，用全站仪测量截面A-A、B-B、C-C、D-D并拟合计算其中心坐标A0（xA，yA，zA），B0（xB，yB，zB），C0（xC，yC，zC），D0（xD，yD，zD）。A0、B0、C0、D0四个中心点拟合成一条直线P，设四点到直线P的距离为δi，取δi的最大值δimax，那么2δimax即是要测量的四点的同轴度。

根据被测实物变形情况，导叶上轴端A截面是最大变形部位，B、C、D截面拟合轴线作为未变形轴线，定义为L1，A、B、C、D截面拟合轴线作为变形后轴线，定义为L2。在水封面上布点，拟合平面，然后分别计算平面和导叶轴中心线L1、L2的角度值，然后通过三角函数计算可以分别得到导叶变形前后导叶轴中心线和水封面的平行度。

由上可知，L1为导叶轴未变形轴线，L2为导叶轴变形轴线，在导叶上下端面（Si面）上放置标志点，用全站仪进行测量，将测量结果进行平面拟合，然后计算导叶轴线L1、L2和导叶上下端面（Si面）的垂直度。

导叶轴剪断销槽上端扭曲和剪斷销槽底端扭曲可通过角尺和游标卡尺配合测量。

3、测量结果

3.1 导叶轴同轴度

测得B、C、D三截面圆心到L1轴线的距离a1 =0.36mm，a2 =0.28mm，a3 =0.4mm，取最大偏离值a3，即轴线L1的同轴度为2a3 =0.8mm；

测得A、B、C、D四截面圆心到L2轴线的距离a1 =0.76mm，a2 =1.2mm，a3 =0.88mm，取最大偏离值a2，即轴线L2的同轴度为2a2 =2.4mm。

3.2 A截面中心径向变形

3.3 导叶轴中心轴线和水封面的平行度

3.4 导叶中心轴线与S面的垂直度

3.5 扭曲

导叶轴剪断销槽扭曲变形示意图如图7所示。

变形后键槽长度为：132.41mm。扭曲测量值：δ1=9.32mm；δ2=7.51mm。

4、处理方案及成效

根据测量结果和设计模型，对变形导叶进行打磨修整和复位处理，将处理后的导叶继续安装使用，并注意观察后续的受损状态和变化趋势，根据实际情况进行测量建模，提出进一步的修正加固方案和处理措施；通过后续的使用情况来看，该项措施是卓有成效的，达到了理想的效果。

5、结语

5.1 工业大尺寸三坐标测量系统在水电站水轮机组导叶变形测量中的应用是成功的，在水轮机组导叶变形观测中值得推广；

5.2 对活动导叶面形变形的逆向工程建模可以采取激光跟踪扫描测量的方式或摄影测量的方式进行；

5.3 本案例中对活动导叶的变形测量方法探索是必要的，对于后续的修正和处理方案起到了关键的作用。

参考文献：

[1]李东明，许建农，张伟平等.水轮机转轮的数字摄影测量逆向工程建模技术[J].大坝与安全，2013，（2）：23-26.

[2]李东明，王和平.全站仪用于钢岔管水压试验变形观测[J].大坝与安全，2008，（6）：31-33.