CN103620211A - 用于检测腐蚀性磨损的装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用检测在水轮机（2）的组件（21，22）上的腐蚀性磨损的装置（7），具有：磨损体（9）；以及测量装置（13），用于检测在磨损体（9）上的磨损。本发明的特征在于，该磨损体（9）布置在由穿流通过水轮机（2）的流体中；磨损体设计成超声焊极（9）并且与超声波发生器11连接，并且测量装置（13）设计用于测量超声焊极（9）的固有频率。

Description

用于检测腐蚀性磨损的装置

技术领域

本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分详细限定的类型的用于检测在水轮机的组件上的腐蚀性磨损的装置。本发明还涉及一种具有这种类型的装置的水轮机。此外，本发明还涉及一种用于利用这样的装置检测在水轮机中的腐蚀性磨损的方法。

背景技术

由水环绕流动的组件，尤其是涡轮机的组件，例如导向叶轮和涡轮机叶轮通过存在于流动的水中的沉积物强烈地腐蚀。通过在流体中一同输送的沉积物对水轮机中的由水环绕流动的组件的腐蚀尤其在南美国家和印度以及在阿尔卑斯山地区是较大的问题。一方面，通过沉积物导致的水轮机的组件上的腐蚀性磨损导致了水力发电站的附加的维护工作和降低的效率。这为运营者带来非常高的经济损失。另一方面，通过腐蚀性磨损能够使得磨损的组件的几何尺寸随时间发生变化。通过减小的壁厚和由此引发的振动会导致巨大的安全方面的风险。此外，除了导向叶轮和涡轮叶片的磨损之外，典型地通过沉积物海导致在水轮机的区域中的密封件的磨损。这种以通常方式作为迷宫式密封装置设计的密封件同样作为水轮机的承受提高的磨损的组件。接下来的实施例也相应地适用于该密封件。密封件的过度磨损会导致在涡轮机的区域中的提高的摩擦和/或不希望的泄露。

至今，关于水轮机的磨损状态的知识多数基于水力发电站的运营者的多年经验。直接的状态控制多数情况下仅仅在水轮机为了维修的目的而无论如何都实施的计划停机时并且被完全打开时才是可能的。然而，除了计划的维护停机之外，通过水轮机的额外的停机实现的状态控制是非常昂贵的。

在推测腐蚀性磨损时的另外的问题在于，数值不能或者完全不能从一个设备传递到另一个设备上。在水中一同输送的沉积物的数量和组成成分在区域上是有巨大区别的并且承受强烈的时间上的和年度时间上的波动。沉积物的数量和种类还取决于地质上的、地形上的以及气候上的边界条件。这导致推测极为困难。即使通过沉积物测量来对水轮机的组件的磨损的间接推测也是非常复杂的并且伴随着非常高的不安全性和误差。

因此，欧洲专利申请EP 1 970 561 A1提出了一种装置，该装置通过在加载有沉积物的水的平行流动路径中的检测体来测量磨损状态，并且该检测体例如通过摄像机或者其他未进一步描述的特殊的测量手段来检查，从而可以间接地推导出水轮机的组件的磨损。另外，在检测体上的磨损被确定，该检测体通过具有包含沉积物的水的旁路来加载。其缺点在于，该旁路需要一个用于强制穿流的压头。因此，对于具有受调节的水导向装置的测量室的复杂的改造是必需的。此外，由水流中获得的水量必须在出现在检测体上之前被相应地再次排导出去。为了实现这个目的而设置有作为在压力管线的，即所谓的闸门的区域中的旁路的装置。然而，这出现了另外的缺点，因为在检测体上的材料去除强烈地取决于水获取装置在闸门中的位置。这是有决定性意义的，因为水获取装置的位置对于沉积物的量是决定性的，因为沉积物在压力管道中典型地不是均匀分布的。用于解释说明的结果也就相应地变得困难。另外的问题在于，该结果极其强烈地取决于在测量中内部设定的压力降。

此外，鉴于压力管路的牢固性和功能性，来自压力管路的水获取装置也是非常条件苛刻的。这样的来自压力管路的水获取装置可以例如附加地仅仅在非常高的成本的情况下构建在现有的构造中，而且必须在一开始就根据复杂的建设情况和为此合适地设计的压力管路一同进行计划。由此导致这种方法非常的昂贵并且非常不精确。

在欧洲专利申请中描述的构造的另外的缺点在于，其不能对不同的运行状态，也就是水轮机的不同的负载状态进行反应。冲击到检测体上的水量，在旁路中在从闸门中获取时仅仅取决于通过在闸门和测量室以及旁路出口的或者喷嘴出口的横截面之间的压差。附加的调节，例如在水轮机部分负载时，不能实现或者仅仅通过附加的取决于水轮机的负载状态来主动控制的阀门来实现。这相应地变得复杂并且进一步提高了不精确性的风险。

发明内容

因此，本发明的目的在于提出一种用于检测水轮机的组件上的腐蚀性磨损的装置，其避免了上述缺陷并且能够简单、高效和可靠地推断出在水轮机的组件的区域中的磨损。

根据本发明，该目的通过一种装置实现，该装置具有权利要求1的特征部分所述的特征。此外，在权利要求8中给出了一种具有这种类型的装置的水轮机。此外，根据本发明，在权利要求14中提出了一种用于检测腐蚀性磨损的方法。装置、水轮机和方法的有利的改进方案和设计方案在从属权利要求中给出。

用于检测腐蚀性磨损的装置的根据本发明的解决方案提出一种磨损体，其直接布置在穿过水轮机流动的流体中。因此，磨损体如涡轮机的相应的组件一样总是被加载相同的数量和成分的水，并且推断其磨损。磨损体自身在此设计成超声焊极（sonotrode）并且与超声波发生器连接。这种设计成超声波传感器的超声焊极的磨损体在此具有重大的优点，即超声波传感器的固有频率根据超声焊极的材料损失而相应地升高。通过用于测量超声焊极的固有频率的测量装置也可以直接或者间接地测量形成超声焊极的磨损体的去除量。

通过合适的磨损体和根据磨损体在涡轮机的部件同样处于的那些水流中的布置，能够实现非常精确和可靠的测量。在此，超声焊极在此仅仅了解到也通过实际穿过水轮机流动的沉淀物造成的去除量。因此，传感器和组件的去除量之间的关联可以非常的简单和可靠。该关联可以例如在无论如何都要进行的复核的框架中通过将组件去除量与超声焊极的去除量相比较来实现。然而，这可以通过可比较的CFD计算来执行。在此，相对于在组件上的去除量比例来计算在超声焊极上的去除量比例。超声焊极去除量在此作为用于组件的去除量计算的校验规。

在此，在根据本发明的一个特别有利和优选的改进方案中提出，超声焊极伸入到从水轮机排出的流体中。在水轮机之后的，也就是在水力发电站的所谓的抽吸管道的区域中的流体相对于压力管路在其横截面的每个区域中都包含类似的成分的沉积物和水。此外，该流体在涡轮机的后面还具有非常高的流体速度。由此，根据本发明的装置的超声焊极在该区域中的安装是有特别的优点的。另外的优点在于，在结构上与安全重大相关的压力管路保持不受影响并且在相应较低的压力水平时实现超声焊极在水轮机之后的区域中的安装。

在此，超声焊极本身可以根据按照本发明的装置的一个优选的设计方案的圆柱形磨损体形成，该磨损体具有连接件，用于与超声波发生器连接。这种尤其是可以在远离超声波发生器的一侧具有球形的端部的圆柱形的构造是特别简单和有效的并且相对于在流体中的较大的部分，例如一同携带的、穿过水轮机的石块和树枝是相对不敏感的。当然也可以考虑使用其他形状的超声焊极，例如空心圆柱体或者翼形设计方案。

超声焊极本身可以根据按照本发明的装置的特别有利的和优选的改进方案由钢材料制成，尤其是由铬镍钢或者铬镍钼酸钢制成。由钢材料、尤其是由制成涡轮机的组件相同的材料制成的这样的构造基于近似相同的磨损特性，相对于在超声焊极的区域中的去除量实现对水轮机的组件的去除量的特别良好的反馈。在此，优选的材料可以例如是编号为1.4313或者1.4317的钢。

然而，在根据本发明的装置的可选的设计方案中提出，超声焊极由有色金属，尤其是由铝或铜合金制成。这样的铝或铜合金具有比水轮机的引水组件的典型应用的钢材料明显低的抗腐蚀性。这对于测量而言实现了去除量的高的时间上的分辨能力。这尤其在以下情况中是具有优点的，即，当个别事件，例如洪水、沉淀物通过涡轮机的有目的的排放、功能的降低或者发射装置或者类似物的功能故障的损害性效果应该被检测到时。由于在传感器的磨损体的区域与引水组件相比的快速的去除，实现了测量的高分辨能力，由此也能够非常简单地识别出上述的个别事件。

在根据本发明的装置的另外的设计方案中进一步提出，超声焊极至少部分地配备有硬材料涂层。这样的硬材料涂层至今为止都是常用的，以例如使水轮机的钢组件尽可能长时间地抗磨损。当这样的组件被应用时，那么在超声焊极也相应地设计，以尽可能精确地模仿涡轮机的组件的磨损特性时，那么这是非常有利的。此外，通过这样涂层的超声焊极可以测定在水轮机的区域中的涂层的耐用度并且以测量值为基础来预先计划安排必要的维护。这也尤其适用于将硬材料涂层布置在这样的材料、例如由铝合金或者由铜制成的超声焊极上的情况，否则这种材料将被非常快速地去除。只要硬材料涂层未损坏，那么就会出现非常轻微的去除。在硬材料损坏时，去除率进而超声焊极的固有频率就会极速地上升。这可以非常容易和可靠地检测到。

在根据本发明的水力发电站中提出，其具有至少一个水轮机，该水轮机布置在流动方向上看的水轮机之前的压力管道和在流动方向上看的水轮机之后的抽吸管道之间。除了至少一个水轮机之外，当然也可以存在另外的水轮机。此外，根据本发明的发电站还具有至少一个根据前述确定类型的、用于检测腐蚀性磨损的装置。当预期水轮机，假设存在多个水轮机，由水和沉淀物以相同的成分来冲刷时，用于检测腐蚀性磨损的这样的装置可以尤其布置在每个水轮机的区域中或者布置在仅仅一个水轮机的区域中。此外，当然可能的是，如果不能预料水和沉淀物的均匀的分布，例如当用于检测腐蚀性磨损的装置安装在压力管的区域中，即在压力管的圆周上和确定的延伸长度上分布由多个这种类型的超声焊极，从而例如通过形成平均值或者形成加权的平均值获得对水轮机的磨损的相对良好的反馈。

相反，在根据本发明的水力发电站的一个特别有利的设计方案中提出，装置的超声焊极布置在抽吸管中。在抽吸管，也就是在水轮机的下游的这种布置是非常有利的，因为在此压力比对于在抽吸管中安置开口以及围绕超声焊极来密封该开口是非常有利的。在这种布置中，尤其是在涡轮机后方的相对密封的情况中，流体速度高至能够实现用于磨损的可靠的值。此外，在水轮机的下游，水非常良好地与沉淀物混合，从而在抽吸管的区域中沉淀物近似全部相同地分布在水中。

在尤其有利的改进方案中，超声焊极在此以较小的间距，优选小于2-3m，在流动方向上布置在水轮机的下游。这种相对于在水轮机和抽吸管的过渡区域的相对较小的间距具有决定性的优点，因为在此在涡轮机下游的流动条件，尤其是速度还如此的高，即预期获得的可靠的测量结果。在抽吸管的进一步的延伸中，随着超声焊极与水轮机的较大的间距，测量值会预期变差。其原因在于，一方面水流越是远离涡轮机，沉淀物就会在水流中逐渐下沉。此外，随着与涡轮机的距离越来越远，流动速度也降低。因为流动速度对去除量有巨大的影响，因此通过以尽可能小的间距在水轮机后方的布置尽可能地降低在超声焊极的区域中的流动速度的降低带来的影响。

此外，在根据本发明的水力发电站的一个特别有利的设计方案中提出，超声焊极布置在流体分配器的下游。例如设计成在流动方向上在超声焊极之前的抽吸管的区域中形成的板件的流体分配器或者分隔片能够使较大的部分，如石块、树枝或者类似物远离于超声焊极并且将其从超声焊极处偏离开。超声焊极由包含沉淀物的水冲刷并且允许在没有构造上损坏的危险地可靠检测腐蚀性磨损。

对于流体分配器来说可选或者补充的是，超声焊极在由流体穿流的管段中在抽吸管的内部或者平行于抽吸管布置。这样的管段可以根据优选的设计方案尤其设计成半管，其固定在抽吸管的壁上。由此确保超声焊极收到良好的保护以防止石块、树枝和类似物造成的损害，并且该管段如抽吸管的剩余部分一样安全和可靠地由加载有沉积物的水以相同的流体条件和相同的速度来环流。原理上也可以考虑从抽吸管分支出一个管段并且平行于该抽吸管导向。然而这在结构上是较复杂的。

一种用于检测在根据一种前述的设计方案的水力发电站中的腐蚀性磨损的根据本发明的方法提出，通过测量装置检测超声焊极的固有频率，其中，基于在超声焊极上的材料去除而上升的固有频率被作为水力发电站的水轮机的组件的增大的磨损的标准。该方法相应于在上面在装置中已经描述的优选的应用目的。该方法允许通过基于在超声焊极的区域中的磨损的推断来可靠和安全地说明在水轮机的组件的区域中的磨损。因为超声焊极的固有频率可以简单高效地测定，在此同样可以实现不中断的测量，如以预设的时间间隔进行的测量。这可以相应紧凑地选择或者选择较大的时间间隔。根据超声焊极的材料的去除，每次测量之后或者在一定的时间之后，被测量的固有频率都会发生变化。在超声焊极上上升的固有频率是超声焊极的磨损的合适的标准并且可以精确地推断出水轮机的组件的磨损，该水轮机由相同的水和沉积物以相同的流体条件来环流。因此，对磨损状态的持续监测是可能的，从而能够相应较早地计划维护周期并且尤其能够与无论如何都要进行的维护合并。由此避免了水轮机的故障并且维护费用能够基于可能的优化和周期性的维护与取决于磨损的维护的合并来减少。

此外，在根据本发明的方法的一个特别优选的改进方案中提出，与磨损相关的测量信号被发送给远程管理装置。传感器信号在水力发电站的自动化装置中的结合是自动的。此外，与磨损相关的测量信号也可以通过远程管理装置或者遥控装置、也就是发电站的远程运行装置，例如借助于互联网连接来结合，并且与磨损相关的测量信号被传递给远程管理装置。在此可能的是，局部地不取决于发电站来执行对相应的信号的评估。在此，在远程管理装置的结合能够以也许非常复杂的和经常更新的软件在远程管理装置的区域中实现。此外，在远程管理的框架内可以协调必要的维护工作。这例如可以是服务合同的一部分，在服务协议中，服务协议各方通过远程管理能够在任何时间和地点访问相应的磨损数据或者与其关联的测量数据。

根据本发明的装置以及根据本发明的水力发电站和根据本发明的方法的其他优选的设计方案由剩余的从属权利要求中得出，并且根据实施例参考附图来进一步描述。

附图说明

图中示出：

图1是根据本发明的水力发电站的局部视图；

图2是用于检测腐蚀性磨损的装置的放大的原理性视图；

图3是磨损体的一个可能的设计方案；

图4是磨损体的另一个可能的设计方案；以及

图5是磨损体的另外的可选设计方案。

具体实施方式

在图1中示意性地示出了水力发电站1的局部试图。水力发电站1的核心是水轮机2，其在此示例性地设计成弗朗西斯涡轮机。弗朗西斯涡轮机在此理解为纯示意性的。本发明也能够以上述类型的方式和方法同样考虑所有其他类型的涡轮机，例如克普兰涡轮机、皮尔顿涡轮机或者类似的涡轮机。专业人员可将其从根据弗朗西斯涡轮机的所述的实施例中毫无问题地转换到其他类型的水力发电站中。

水轮机3除了包括密封装置之外，还基本上包括两个另外类型的由水环流的组件。这一方面是涡轮机叶轮21，在此，这些叶轮中的仅仅一些以标号示出。此外，所谓的导向叶片22将水引导至涡轮机叶轮21。通过由导向叶片22形成的包围涡轮机2的导向凸缘3，水从压力管道4进入到涡轮机2中。从压力管道4开始，在此仅仅能部分地识别出包围导向凸缘3的、将压力管道4与涡轮机2连接的环形管路的两个部分。在涡轮机2的下游的水的流动方向中紧随有所谓的抽吸管道5，从该抽吸管道开始可以识别出壁6的一部分。

视地理区域和边界条件而定，通过水轮机2流动的仅仅是由水和确定量的沉淀物构成的混合物。通过这些沉淀物如开头所述的那样导致在水轮机2的由水环流的组件21，22的区域中的磨损。为了检测该磨损，在图1中原理性地示出了用于检测腐蚀性磨损的装置7。在图1中以圆圈圈起来的该装置7在图2的视图中再次以放大的原理图作为以II标识的图1中的部段示出。

在此，抽吸管壁6具有开口8，磨损体9通过密封装置10穿过开口伸入到抽吸管6的内部。磨损体9在其另一个端部连接有超声波发生器11，其在此示出的实施例中安装在壳体12中。该壳体可以如此放置在抽吸管5的壁6的区域中，即即使在装置的运行中也能够毫无问题地简单更换磨损体9和传感器。超声波发生器11与频率发生器连接，其同时可以测量装置13使用。该测量装置13测量设计成超声焊极的、与超声波发生器11连接的磨损体9。如果现在在该磨损体9的区域中出现腐蚀性磨损，那么固有频率随着质量的越来越多的损失而上升。上升的固有频率与增大的磨损相关联。在此，超声焊极9伸入到抽吸管6的内部并且如此精确地由加载有沉淀物的水以如冲击水轮机2的组件22，23一样的数量和成分来冲刷。通过尤其结合到水力发电站的自动化电子装置中的测量装置能够实现评估，该评估使得数据处理更加容易。对此补充和可选的是，也可以实现数据向远程管理装置30的传输。远程管理装置30在图2中原理性地示出并且能够例如通过数据导线或者如在此示出的，通过无线信号与水力发电站1的测量装置或者在测量装置13上游的自动化技术设备通信。基于磨损的通信可以一方面利用已经评估过的磨损信号实现或者对此可选地对固有频率的信号进行传递并且在远程管理的区域中不取决于水力发电站1的安装位置来进行评估。因此，磨损可以在发电站的远程管理中产生影响并且可以在远程管理的区域中将设立的维护计划、维护服务协议或者类似物结合。

为了避免通过例如像石块或者树枝恩等经过涡轮机2的较大部分对超声焊极9造成损害，可选地可以配备有流体分配器或者分流器14后者半管15或者也许配备有二者。在此，在超声焊极9的区域中产生仅仅引导水和沉淀物自身的流体，较大的干扰部分通过过半管15和/或分流器14偏导出去。半管15和分流器14在此可以分别单独地考虑。当然也可以考虑如在图2中所示出的构造。通过分流器14与半管15的组合产生这样一种构造，该构造实现了非常可靠地抵抗夹带的石块、树桩和类似物。在此，在图2中示出的附图应理解为纯示例性的，因为在分流器11和半管15的输入端之间的间距必须相应地匹配流动比并且在图2中选择的原理图中非常小地示出。

在图3、图4和图5的附图中可看到超声焊极9的三个可能的优选设计方案。在图3的附图中，超声焊极设计成圆柱体，在图4的附图中，该圆柱体在其远离超声波发生器11的端部具有球形的构造16。在两种情况中，超声焊极9具有用于将超声焊极9与超声波发生器11（在图3、图4和图5中未示出）连接的容纳件17。此外。两个超声焊极9具有例如用于合适的螺母扳手的容纳部18，该螺母扳手用于将具有其设计成螺纹的容纳部17的超声焊极9旋拧到超声波发生器11中。两种类型的超声焊极9在此尤其相对于较大的、也许撞击超声焊极9的干扰部分，例如像石块或者树枝来说是非常坚固的。这因此尤其被视为优选的设计方案，其特别良好地适于在根据本发明的装置7中的应用。在图5中示出的超声焊极9在考虑到在抽吸管壁6中的安装和考虑到密封的情况是非常有利的。其具有法兰19。已经在图2中示出的密封件10布置在法兰19和抽吸管壁8之间。在该密封件的外部可以配备示出的螺纹接合部20，从而使超声焊极9密封地布置在抽吸管壁6的开口8中。超声焊极9也可以在运行期间容易地触及并且可以在需要时更换。

在此，超声焊极9可以正面地受流或者如在图2的原理性示出的图示那样侧面地受流。在两种情况中出现在超声焊极9的区域中的腐蚀性磨损，由此损失质量。由测量装置13检测到的、与超声波发生器11连接的超声焊极9的固有频率因此相应地提高。该提高的固有频率是在超声焊极9的区域中的变大的腐蚀性磨损以及间接地指出水轮机2的区域中的磨损的标准。

Claims (15)

1.一种用于检测水轮机（2）的组件（21，22）上的腐蚀性磨损的装置（7），具有：

1.1 磨损体（9）；以及

1.2 测量装置（13），用于检测在所述磨损体（9）上的磨损；其特征在于，

1.3 所述磨损体（9）布置在穿流通过所述水轮机（2）的流体中；

1.4 所述磨损体设计成超声焊极（9）并且与超声波发生器（11）连接，以及

1.5 所述测量装置（13）设计用于测量所述超声焊极（9）的固有频率。

2.根据权利要求1所述的装置（7），其特征在于，所述超声焊极（9）突入到从所述水轮机（2）流出的流体中。

3.根据权利要求1或2所述的装置（7），其特征在于，所述超声焊极（9）设计成具有用于于所述超声波发生器（11）连接的连接件（17）的圆柱形磨损体。

4.根据权利要求1、2或3所述的装置（7），其特征在于，所述超声焊极（9）在其远离所述超声波发生器（11）的一侧设计成球形的。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的装置（7），其特征在于，所述超声焊极（9）由钢材料，尤其是由铬镍钢或者铬镍钼酸钢制成。

6.根据权利要求1至4中任一项所述的装置（7），其特征在于，所述超声焊极（9）由有色金属，尤其是由铝或铜合金制成。

7.根据权利要求1至4中任一项所述的装置（7），其特征在于，所述超声焊极（9）至少部分地配置有硬材料涂层。

8.水力发电站（1），具有

8.1 至少一个水轮机（2），所述水轮机布置在流动方向上看的所述水轮机（2）之前的压力管道（4）和在流动方向上看的所述水轮机（2）之后的抽吸管道（5）之间；以及

8.2 至少一个根据权利要求1至7中任一项所述的用于检测腐蚀性磨损的装置（7）。

9.根据权利要求8所述的水力发电站（1），其特征在于，所述装置（7）的所述超声焊极（9）布置在所述抽吸管道（5）中。

10.根据权利要求9所述的水力发电站（1），其特征在于，所述超声焊极（9）穿过开口（8）伸入到所述抽吸管（5）中并且相对于所述开口（8）密封。

11.根据权利要求8至10中任一项所述的水力发电站（1），其特征在于，所述超声焊极（9）布置在流体分配器（14）的下游。

12.根据权利要求8至11中任一项所述的水力发电站（1），其特征在于，所述超声焊极（9）在由流体穿流的管段中在所述抽吸管（5）的内部或者平行于所述抽吸管布置。

13.根据权利要求12所述的水力发电站（1），其特征在于，所述管段在所述抽吸管（5）的内部设成半管（15），并且固定在所述抽吸管（5）的壁（6）上。

14.一种用于检测在根据权利要求8至13中任一项所述的水力发电站（1）中的腐蚀性磨损的方法，其特征在于，通过所述测量装置（13）测量所述超声焊极（9）的固有频率，其中，基于在所述超声焊极

（9）上的材料削减而导致的提高的固有频率被作为水力发电站

（1）的水轮机（2）的组件（21，22）的增大的磨损的衡量标准。

15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，与所述磨损相关的测量信号被传递给远程管理装置（30）。

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