水力设备及控制这种设备的方法

专利名称：水力设备及控制这种设备的方法
水力设备及控制这种设备的方法技术领域
在该类设备中，尤其在来自于带有沙粒和/或沉积物的水道里的 设备中经常观察到特殊元件的磨耗。这种磨耗能够导致某些元件的快速磨 损，尤其在极端情况下数百小时的运作后。因此必须要关掉该设备来进行 出错维修从而造成重大的经济损失。由于设备的运作在不适宜的时间，例 如，在该设备发电非常需要的电量的时候暂停，损失会更大。
特别地，本发明试图通过提出新的设备来弥补这些缺陷，所述新 的设备允许包含在其中的机器的运行条件得到优化，其中，根据机器的磨 损计划维修操作，并且，对于所述机器的运行速度，可以考虑所述预期磨 损。
出于这个目的，本发明涉及水力设备，其包括至少一个，为涡 轮、泵或者涡轮-泵类型的机器，受强迫的水流从该机器中穿过；和用于控 制所述机器的单元。所述设备的特征在于还包括
-至少一个磨损估算装备，其包括所迷的试样和/或喷嘴、所述的 用来输送水流的一部分的输送装置和所述的测量装置，在所述设备运行期 间，所述的磨损估算装备能够向所述控制单元提供用来通过所述机器(1) 的至少一个元件(2， 61)的磨耗来估算磨损的信号。[10对于本发明，为了在运行期间将所述的磨损考虑在内，实时的估 算所述设备内的特殊参数是可能的，所述的特殊参数是对由于所述机器内 的一个或者多个关键的旋转或者固定元件的磨耗而造成的磨损有影响的。 本发明的设备可以集中在由于设备中的关键或者基本元件的磨耗而造成的 磨损的测量结果上，所述的关键或者基本元件例如是涡轮机叶轮或上游导 流叶片。因此，当强迫水流中带有很多沙粒或者其它磨粒的时候，可以根 据水力学来改变设备的运行条件以限制关键元件的磨损。本发明的设备还 考虑到了机器的关键元件上所累积的磨损，那就是以优化的方式来计划设 备关停维修的周期。[111 根据本发明的一些有利的但不是必需的方面，该类设备可以结合 以下的一个或者多个特征[12-所述的输送装置包括压力调节装置，所述压力调节装置用来调 节朝向所述试样的或者朝向所述喷嘴的所述水流的部分的压力。[13-该设备包括多个磨损估算装备，每个磨损估算装备装纳有试样 所述试样代表所述机器的元件的一部分，并且，所述估算装备的用来将水 输送到各个试样上的输送装置从管道并联地被提供，强迫水流在所述管道 内流动；并且，每个磨损估算装备配有单独的用来调节所述水流的部分的 压力的装置。[14-磨损估算装备包括至少一个单元，所述单元用来测量磨粒、尤 其是沉淀物的数量和类型，所述磨粒被运载到为所述机器提供水流的水库 内，该单元^皮安装在流入所述水库的水道上。[15-磨损估算装备包括至少一个用来测量穿过所述机器的磨粒、尤其是沉淀物的数量和类型的单元，该单元被提供有来自上游管道的水流， 所述上游管道用来将水输送到所述机器。[161-控制单元包括计算装置，其基于由所述的或各个磨损估算装置 提供的估算信号，计算所述机器的至少一部分的瞬时磨损和/或预期磨损， 控制单元还包括控制装置，其根据由所述计算装置计算出的预期磨损来控 制所述机器。[17本发明还涉及一种用来控制前面所描述的设备的方法，更具体地 说是一种包括如下步骤的方法[18-a)将强迫水流的一部分输送到试样和/或喷嘴，所述试样和/或 喷嘴代表所述机器元件的 一部分，[19-b)由所述试样和/或喷嘴的磨耗来测量磨损，[20-c)在设备运行期间，向所述机器控制单元提供由所述元件的磨 耗来估算磨损的信号，[21-d)基于提供到所述控制单元中的信号，估算所述机器元件的磨 耗的瞬时磨损和/或预期磨损，[22-e)考虑步骤d)中完成的磨损估算，确定所述设备的运行速度， 包括用于维修的关停状态。[231 因此，本发明的该方法能够使水力设备的运行速度得到优化，在 很大程度上避免了由于过早的磨损而导致的非定期的关停。[24该方法优选地在步骤a)之前包括步骤f)，其中，至少一个磨 损估算装备被校准，以能够向确定设备运行速度的控制单元提供估算信号， 所述估算信号代表由所述旋转部件的磨耗产生的磨损。[25在一个类似的优选方法中，步骤d)是[26-通过考虑由磨损估算装备发出的至少一个信号来完成的，所述 的磨损估算装备包括至少一个测量单元，所述测量单元用来测量磨粒、尤 其是沉淀物的数量和类型，所述磨粒被运载到为所述机器供应的所述水库 内，所述测量单元安装在流入所述水库的水道上，[27
和/或[28-通过考虑由磨损估算装备发出的至少一个信号来完成的，所述 的磨损估算装备包括至少一个测量单元，所述测量单元用来测量穿过所述机器的磨粒、尤其是沉淀物的数量和类型，所述测量单元被提供有来自上游管道的水，所述上游管道将水输送到所述^/L器。


[29从以下的仅通过实例并参照附图给出的设备和按照该设备原理 的方法的实例的描述中，本发明将得到更好的理解，并且，它的其它优点 将得到显示，其中[301图l是本发明设备的示意图；以及[31图2是用在图1的设备中的四个磨损估算装备的详细视图。
具体实施方式
[32
图1所示的设备I包括轴向辐流式(费朗西斯式)涡轮机1，涡 轮机l的叶轮2由源自于水库3中的强迫水流E来实现旋转，所述水库3 建在河流R的河床上，并形成给涡轮机l供水的水库。[33] 涡轮机1连接在交流发电机4上，根据叶轮2的旋转，该交流发 电机4向电网(未示出)提供交流电。[34用于将水流E输送到叶轮2中的管道5在水库3与给水箱6之间 延伸，在给水箱6中设有用来调节水流E的导流叶片61。管道7用来将水 流E排入水库3的下游河流R中。[35设有用来控制涡轮机1的控制单元10,尤其是根据由交流发电机 4提供的电网的电力需求来对涡轮机1进行控制。出于这个目的，该单元 10可以分别将控制信号Si和S2发送到交流发电机4和导流叶片61。[36] 所述单元10根据记忆体11提供的数据来确定信号Si和S2，这 些数据是关于例如设备I从进行上一次维修后的运行小时数、机器的已知 的磨损状态以及设备I内能量生产成本效率增加的标准。[37涡轮机的关键元件例如叶轮2或者导流叶片61在较大或较小程 度上尤其可以被用在特定部分的区域内，所述特定部分尤其是根据存在于 水流E中的磨粒、沉积物的比例被特别磨损。配置有各种估算所述磨损的 装备，以避免由于元件的磨耗而造成的磨损，这种磨损引起非计划的关停。[38仪器IOO由管道101供给，该管道101构成所述管道5的分支。 图2较详细地表示出所述仪器100。该仪器100包括三个装备110A、 110B和110C，所述的三个装备的每一个都可以对试样112A、 112B或者112C 进行测量，每个试样代表涡轮机l内容易被水流E磨损的元件的一部分。 例如，试样112A和112B每个可以代表叶轮2的一部分，而试样112C可 以代表导流叶片61的一部分。试样112A和112B是由与叶轮2相同或相 似的材料成型的，而试样112C是由与导流叶片61相同的材料成型的，所 述的材料上镀有耐磨层或者不镀耐磨层。在所示的实例中，用在试样112A 和112B上的耐磨层用附图标记114A和114B表示。[39在一个变型的实施例中，试样112A、 112B和112C的材料可以 与它们所代表的涡轮机1上的一部分的材料不同，所述材料的磨损通过校 准的方式来表示涡轮机1上的一部分的磨损。[40] 试样112A被设置在与喷嘴118A相对的支撑体116A上，喷嘴 118A中的水流由在管道101内流动的强迫水流E的一部分Ei提供。出于 这种目的，活栓120A将管道101连接到喷嘴118A上，在所述的活栓120A 上设有断流阀122A和收缩件(constriction) 124A,该收缩件124A用来 降低喷嘴118A的上游生成的压力。因此，来自于指向试样112A的层114A 的喷嘴118A的强迫水流EA处于一压力，该压力低于水流Ei的压力，并 由收缩件124A确定，同时，按与水流Ea—祥的方式栽逸有磨粒，因为水 流Ea是水流E的一部分。[41在沖击所述层114A的表面后，水流EA被导入与管道7会合的 排出管道102。内部布置有试样112A、支撑体116A和喷嘴118A的装备 110A的外壳用附图标记126A表示。水流Ea在所述外亮内形成。在外壳 126A的壁上设置有照相机128A,该照相机128A指向层114A,如图中的 箭头Va所示。照相机128A以信号SA的形式向模块130A提供层114A的 图象，所述模块130A能够确定层114A的磨损程度，也就是试样112A的 磨损程度。模块130A因此向单元10发送表示试样112A磨损的信号S100A。[42] 以相同的方式，装备110B包括一个照相才几128B，该照相才几128B 指向层114B，如圉中的箭失Vb所示。照相机128B与用来处理其输出信 号SB的模块130B相连。模块130B向单元10提供表示在水流EB的作用 下试样130B的磨损的信号Sk)qb,由与管道101相接的活栓120B提供的 水流EB由存在的喷嘴118B在外壳126B内形成。泵124B被设置在活栓120B内，位于断流岡122B与喷嘴118A之间，该泵124B可以将水流EB 的压力相对于管道101内的水流E!的压力提高。因此，水流Eb具有比水 流Ei更高的压力，以便于表示叶轮2的一部分上的磨耗状态，所述的磨耗 状态是由试样112B表示的。[431 此外，装备110C包括一第三照相机128C，该照相机128C设置 在外壳126C上并且指向试样112C的侧表面114C，如图中的箭头Vc所 示。照相机128C向模块130C提供信号Sc，该信号Sc表示在水流Ec的 作用下的试样112C的磨损，水流Ec从与管道101相连的活栓120C的排 出口 118C流出。装备110C可以检测特别是由机器1的一部分的磨耗而造 成的切向磨损，水流Ec用来冲刷试样112C的表面114C。模块130C因此 能够向单元10提供表示试样112C的磨损的信号S100C。[4引 活栓1加C内设有断流阀122C和泵124C,正如在装备110B中 一样，泵124C可以将水流Ec的压力相对于水流Et的压力提高。[45] 仪器100包括一可以测量到涡轮机l的一部分的磨损的第四装备 110D。装备110包括将管道101连接到外壳126D上的活栓120D。活栓 120D具有通入外壳126D的喷嘴118D,与水流E！的一部分对应的水流ED 从喷嘴118D中穿过。活栓120D中设有断流阀122D和泵124D,正如在 装备110B和110C中一样，泵124D可以将水流ED的压力相对于水流Ej 的压力提高。[46
在外壳126D上设有照相机128D ，该照相机128D指向喷嘴118D ， 如图中的箭头Vo所示。照相机128D向模块130D提供信号SD，该信号 sd表示喷嘴118D的磨损。模块130D因此能够向单元10提供表示喷嘴 118D的磨损的信号S100D。[471 根据本发明的一个变型(未示出)，如在装备110D中一样，可 以在一个装备中完成对喷嘴磨损的测量，象装备110A和110B中的一个一 样，在该装备中，也可以测量试样的磨损。在这种情况下，使用两个照相 机， 一个指向试样，另一个指向喷嘴。[48根据另一个变型(未示出)，在装备110D中可以使用多个喷嘴 U8D型的喷嘴，通过一个或者多个照相机来监测各个喷嘴的磨损。[491在装备110C和110D中，如果想要将水流Ec或者ED的压力相对于水流Ei的压力减小，可以使用收缩件来代替泵124C和124D。[50在装备110A-110D中，收缩件和/或泵124A、 124B以及等效物 是可选的。[51值得注意的是，在此点上可能使用其它的装备来测量试样112A、 112B和112C以及喷嘴118D的磨损以代替照相机128A、 128B、 128C和 128D，所述的装备可以是光学的、质语的或者其它类型的装备。[52
水流EA、 EB、 Ec和Ed永久表示水流E,因为管道101转移了 来自于与给水箱6相邻的管道5的一部分的水流E的一部分Ej。[531 如图2中的虚线所示，根据机器1中的元件数量，仪器100可以 包括四个以上的与装备110A、 110B、 110和110D的类型相同的装备，这 些装备是利用试样通过磨耗来估算所述元件的磨损所需的。在一个变型中， 所述仪器可以仅包括一个此种类型的估算装备。[54] 本发明也可以用在代表涡轮机上除了叶轮2和导流叶片61的一 部分的试样上。[55] 根据另一个变型，照相机128A和照相机的等效物可以直接与单 元10相连，因此与和模块130A及等效模块相似的模块成为了 一体。[56仪器100在校准后进行运作，这样就可以在试样112A或者等效 试样或者喷嘴118D的磨损与机器1的元件的实际磨损之间建立相关性， 尤其是根据由水流E所输送的磨粒的浓度和类型。所述的相关性可以在设 备I运行的初期内完成，或者由在实验室内平台上完成的测试结果来完成。[57] 设备I还包括安装在水库3上游的河流R附近或者安装在河流R 中的仪器200。在河流R的河床内，通过设有篩滤器201A的管道201，所 述仪器200排出水流E2，水流E2在通过排放管道202排入河流R或者水 库3之前经过单元230。单元230内的水流E23o可以使该单元向单元10提 供可以表示河流R水中磨粒含量的信号S23()。水流E2邓可以表示水流E2 的全部或者部分。通过了解仪器200相对于涡轮机1的位置以及强迫水流 E的流速，就可以确定在特定时刻由单元230所确定的具有一定磨粒浓度 的水会在什么时候穿过叶轮2。因此，结合了水流E中磨粒的预期浓度的 单元100可以发出控制信号Si和S2，所述信号Si和S2使生产周期得到优 化，尤其是在所述水流E中含有高浓度的磨粒时通过关停涡轮机1来使生产周期得到优化。[581 根据本发明的一个优选的方面(未示出)，设备I可以包括多个 仪器200,这些仪器200分布在向水库3供水的多个水道上。在这种情况 下，在确定水流E的预期磨粒浓度时，要考虑每个仪器200相对于涡轮机 1的3巨离。[59根据本发明的另一方面(未示出)，仪器200可以包括多个与单 元230同类型的单元，这样就可以在一个位置上得到涡轮机1的水流供应 网的多个测量结果。[60] 设备I还包括一个由管道301供水的仪器300，该仪器300排出 来自于管道5内的水流E的一部分E3。提供到仪器300内的水通过排出管 道302排出至管道5。仪器300包括一个单元330,该单元330可以测量存 在于通过其内部的水流E的一部分E330内的磨粒的数量和类型，所述水流 E的一部分E，可以代表水流E，因为水流E3是从管道5中排出的。水流 E的一部分E33。表示水流E3的全部或者部分。单元330向单元10提供信 号S330，基于水流E中磨粒的浓度，单元330可以估算涡轮机1的预期磨 损。[61河床R中所携带的磨粒可选地在多个位置上，实际通过叶轮2 的所述磨粒的数量以及由单元230所得到的测量结果与由单元330测量的 实际通过管道的水的测量结果之间在时间上的相差这三者之间的相互关联 可以监测可选地设置在设备I内的沉沙装备(grit-removal device )的效率， 可以控制所述沉沙装备的排出或者维修操作，还可以随着时间的过去来精 确确定将会通过涡轮机l的磨粒的数量。所述的相互关联的校准可以就地 完成或者在基于模拟设备I的缩小模型上完成。尤其是，所述单元330的 校准可以基于对磨粒的浓度和类型的测量结果、使用分光计、浊度仪通过 试样获得的测量结果或者从在实验室中对涡流的测试结果来进行，这样可 以根据磨粒的数量和类型对磨损进行量化。[62在一个变型中，仪器300还可以包括多个测量单元330。 [63本发明已经描述了仪器200和300的自动运作情况。在一个变型 中，相应的测量可以由操作员在预先确定的时间间隔内手动完成，所述测 量的结果以信号的形式提供给单元10,所述信号与上面所述的信号8230和/或S33。相似。[641 因此，通过结合信号S100A、 S膽、S匿、S23o和S，由单元IO 组成的计算机12能够向同样由单元10组成的控制模块13提供用于对涡轮 机l的元件的瞬时和预期磨损进行整体估算的信号Su,因此，相应的信息 被模块13考虑在内，以通过信号St和S2来控制涡轮机1 。[65信号Su对应于涡轮机1的元件的瞬时磨损，因为它结合了表示 涡轮才几1的特殊元件的瞬时磨损的信号Skh)a、 S綱b和S綱c。信号S^也对 应于预期磨损，因为它结合了对应于预期磨损的信号S23Q和S330。[661 已经参照包括所有仪器100、 200和300的设备对本发明进行了 描述。本发明还可以用于仅包括仪器100和仪器200与300 二者之一的设 备中，或者用在甚至不包括任何其它仪器的设备上，或者相反地，用在包 括三种类型以上的用于估算磨损的装备上。[67
已经参照是轴向辐流式(费朗西斯式)涡轮机的涡轮机1对本发 明进行了描述。本发明还可以用于不同类型的涡轮;f几，高水头(high head) 涡轮机或者低水头(low head)涡轮机。本发明同样可以用在泵和涡轮泵 上。尤其在沖击式涡轮机(Pelton turbines)中，与装备110D相同类型的 装备可以确定在涡轮机轮的叶片(bucket)方向上的喷水嘴的磨损。[681 本发明可以用于结合了多个水力机器的设备中，在这些水力机器 中，运行状态可以由合适的单元来控制。
权利要求
1. 水力设备，其包括至少一个机器(1)，该机器为涡轮、泵或者涡轮-泵类型，受强迫的水流(E)从该机器中穿过；和用于控制所述机器的单元(10)，其特征在于，其还包括-至少一个试样(112A，112B，112C)和/或喷嘴(118D)，其代表所述机器(1)的元件(2，61)的一部分，-输送装置(118A-124A，118B-124B，118C-124C，120D-124D)，其用来向所述试样和/或向所述喷嘴输送所述受强迫的水流(E)的一部分(EA，EB，EC，ED)，-测量装置(128A-130A，128B-130B，128C-130C，128D-130D)，通过所述试样和/或所述喷嘴的磨耗来测量磨损，以及-至少一个磨损估算装备(110A，110B，110C，110D)，其包括所述的试样和/或喷嘴、所述的用来输送水流的一部分的输送装置和所述的测量装置，在所述设备(I)运行期间，所述的磨损估算装备能够向所述控制单元提供用来通过所述机器(1)的至少一个元件(2，61)的磨耗来估算磨损的信号(S100A，S100B，S100C，S100D)。
2. 根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述的输送装置包括 压力调节装置(124A， 124B， 124C， 124D)，所述压力调节装置用来调 节朝向所述试样(112A, 112B， 112C)的或者朝向所述喷嘴(118D)的 所述水流(Ea， Eb， Ec， Ed)的部分的压力。
3. 根据权利要求2所述的设备，其特征在于，该设备包括多个磨损 估算装备(110A， IIOB， IIOC)，每个磨损估算装备装纳有试样(112A， 112B, 112C)，所述试样代表所述机器(1)的元件(2， 61)的一部分， 并且，所述估算装备的用来将水输送到各个试样上的输送装置(118A-124A， 118B-124B, 118C124C)从管道(5)并联地被提供，强 迫水流(E)在所述管道(5)内流动；并且，每个磨损估算装备(110A, 110B, 110C)配有单独的用来调节所述水流(EA, Eb， Ec)的部分的压 力的装置(124A, 124B, 124C)。
4. 根据上述权利要求中任一项所述的设备，其特征在于，该设备包 括用来估算磨损的附加装备(200 ),该附加装备包括至少一个单元(230 )， 所述单元用来测量磨粒、尤其是沉淀物的数量和类型，所述磨粒被运载到 为所述机器(1)供应的水库(3)内，所述单元被安装在流入水库的水道(R)上。
5. 根据上述权利要求中任一项所述的设备，其特征在于，该设备包 括用来估算磨损的附加装备(300)，该附加装备包括至少一个用来测量穿 过所述^/L器(1)的磨粒、尤其是沉淀物的数量和类型的单元(330),该 单元被提供有来自上游管道(5)的水流(E3)，所述上游管道(5)用来 将水输送到所述^L器(1)。
6. 根据上述权利要求中任一项所述的设备，其特征在于，所述的控 制单元(10)包括-计算装置(12)，其基于由所述的或各个磨损估算装置(110A， IIOB， 110C, 200, 300)提供的估算信号(S應，S廳,S騰，S230， S330 )，计 算所述;^器(1)的至少一部分(2， 61)的瞬时磨损和/或预期磨损；-控制装置(13),其根据由所述计算装置计算(S12)出的预期磨损 来控制(Sp S2)所述机器。
7. 控制水力设备的方法，所述设备包括涡轮、泵或者涡轮-泵型的机 器(1),强迫水流(E)从该机器中穿过，其特征在于所述方法包括如下-a )将强迫水流(E )的一部分(EA， EB， Ec， ED )输送到试样(112A， 112B， 112C)和/或喷嘴(118D),所述试样(112A， 112B， 112C)和/ 或喷嘴(118D)代表所述机器(1)的元件(2， 6)的一部分， -b)由所述试样和/或喷嘴的磨耗来测量(VA-VD)磨损， -c )在设备(I)运行期间，向用于控制所述机器(1)控制单元(10 ) 提供由所述元件(2， 61)的磨耗来估算磨损的信号(S则a, S1(H)B， S100C，SlOOD )，-d)基于提供到所述控制单元中的信号(S1()oA， S1()。b， S揚c， Sh)od)， 通过所述机器的元件(2)的磨耗估算(S12)瞬时磨损和/或预期磨损，以 及-e)考虑步骤d)中完成的磨损估算，确定所述设备(I)的运行速度 (Sp S2)，包括用于维修的关停状态。
8. 根据权利要求7所述的方法，其特征在于，在步骤a)之前该方法 包括步骤f)，其中，至少一个磨损估算装备(110A, 110B, HOC, 110D) 被校准，以能够向确定设备运行速度的控制单元(10 )提供估算信号(S100A, S100B, S匿)，所述估算信号(S脆，S誦,S100C)代表由所述旋转部件(2)的磨耗产生的磨损。
9. 根据权利要求7或8所述的方法，其特征在于，步骤d)是通过考 虑由磨损估算装备(200)发出的至少一个信号(S23o)来完成的，所述的 磨损估算装备(200 )包括至少一个测量单元(230 ),所述测量单元(230 ) 用来测量磨粒、尤其是沉淀物的数量和类型，所述磨粒被运载到为所述机 器(1)供应的所述水库(3)内，所述测量单元安装在流入所述水库的水 道(R)上。
10. 根据权利要求7至9中任一项所述的方法，其特征在于，步骤d) 是通过考虑由磨损估算装备(300 )发出的至少一个信号(S3(H))来完成的， 所述的磨损估算装备(300)包括至少一个测量单元(330),所述测量单 元(330)用来测量穿过所述机器的磨粒、尤其是沉淀物的数量和类型，所 述测量单元被提供有来自上游管道(5 )的水流(E3 )，所述上游管道(5 ) 将水输送到所述机器。
全文摘要
一种水力设备(I)，该设备包括涡轮、泵或者涡轮-泵型的机器(1)，强迫水流(E)从该机器中穿过，还包括用于控制所述机器的单元(10)。所述设备(I)还包括至少一个磨损估算装备(100，200，300)，所述的磨损估算装备中的水流是由表示强迫水流(E)的水流(E₁，E₂，E₃)提供的，在设备(I)运行期间，该装备能够向控制单元(10)提供用来估算磨损的信号(S_100A，S_100B，S_100C，S_100D，S₂₃₀，S₃₃₀)，所述的磨损是通过机器(1)的至少一个元件(2)的磨耗来估算的。
文档编号F03B15/06GK101270719SQ200810095160
公开日2008年9月24日 申请日期2008年3月11日 优先权日2007年3月12日
发明者伊夫·F·布韦, 罗伯特·J·E·帕维莱 申请人:阿尔斯通水电设备法国公司