用于检测液压单元的疲劳损伤的方法及其液压单元与流程

本发明涉及一种用于检测液压单元的疲劳损伤的方法。特别地，本发明涉及一种用于检测液压单元的疲劳损伤的方法，该液压单元实施布置成用于被远程查询的疲劳指示器。

本发明还涉及一种液压单元，其设有布置成用于被远程查询的疲劳指示器。

背景技术：

当例如水流驱动液压机的转轮旋转时，转轮必须承受机械应力，该机械应力的量级在被称为“热点”的特定位置处特别强，值得注意地，这些特定位置位于转轮叶片的拐角处。

该机械应力的累积效应产生疲劳，这最终可触发裂纹的引发和扩展(图1)。

由于出现裂纹而导致的转轮的部分的断裂和/或脱落(release)可产生液压机的重大损伤，并使液压机停止运转。

该影响不限于转轮，而是液压单元的其它元件(如轴系、导叶(wicketgate)或管道)也受到显著的机械应变/应力。

因此，能够估计液压单元的这些构件的疲劳和相关联的剩余寿命至关重要。

出于此目的，通常进行机械应变测量活动。

例如，在转轮的情况下，所述机械应变测量活动通常涉及特别是在热点的附近定位计量器(值得注意地，应变计量器)，以及分析由所述计量器收集的数据，以便推断在热点位置处经历的机械应力。

然而，该方法并不令人满意。

实际上，数据的分析通常需要建立液压单元的流体动力学模型，该模型实施起来麻烦。

此外，该系列事件和测量活动使测试中的液压涡轮停止运转，因此液压涡轮不可用于生产。换句话说，测量活动对操作者产生了亏损(shortfall)。

此外，计量器h需要位于非常紧密地靠近不方便接近的特定位置(且值得注意地，热点)的地方。特别地，计量器h需要有线连接。例如，如图2中所描绘的，计量器h安装在叶片b的吸力侧、压力侧、前缘或后缘上。

另外，取决于机械应变测量活动的持续时间，可测试非常有限的范围的操作条件。

最后，用于执行这样的测量活动的成本相当高。

因此，本发明的目的在于提出一种用于检测液压单元的疲劳损伤的方法，该方法不像已知的现有技术方法那样麻烦。

本发明的目的还在于提出一种用于检测液压单元的疲劳损伤的方法，对于该方法而言，可防止疲劳指示器的脱落。

技术实现要素：

前面提到的目的至少部分地通过一种用于检测在液压单元的至少一个特定位置上经历的疲劳的方法来实现，该方法的特征在于，在至少一个特定位置上经历的疲劳由至少一个疲劳指示器检测，所述至少一个疲劳指示器布置成用于经由线路或经由无线连接来远程查询。

根据一个实施例，至少一个疲劳指示器被校准成使得它们对在至少一个特定位置上经历的疲劳敏感，任选地，至少特定位置是被称为热点的位置，其中所经历的疲劳对应于局部最大值。

根据一个实施例，至少一个疲劳指示器远离至少一个特定位置而定位。

根据一个实施例，至少一个疲劳指示器位于液压单元的干燥表面上。

根据一个实施例，至少一个疲劳指示器位于液压单元的有水表面上。

根据一个实施例，液压单元包括在液压机、水或空气回路和阀或旋转电机之中选择的至少一个构件，并且其中至少一个特定位置位于至少一个构件中的至少一个上。

根据一个实施例，液压单元包括设有转轮的液压机，该转轮布置成一旦所述单元在操作中就围绕旋转轴线旋转，特定位置在转轮上。

根据一个实施例，转轮包括叶片，叶片各自具有分别是压力侧和吸力侧的两个相反侧并且从中空毂的外表面延伸，叶片的压力侧和吸力侧，中空毂进一步包括与外表面相反的内表面，疲劳指示器位于中空毂的内表面上，使得当触发转轮旋转时，疲劳指示器与可能在叶片之间发生的湍流隔离。

根据一个实施例，至少一个疲劳指示器在检测到高于预先确定的疲劳阈值的疲劳时将所述疲劳转变成物理参数的变化，任选地，物理参数是电阻或积累应变的计数。

根据一个实施例，至少一个疲劳指示器包括具有顶面的板，裂纹计量器位于该顶面上。

根据一个实施例，板包括预引发裂纹，该预引发裂纹被设计成一旦达到预先确定的疲劳阈值就在裂纹计量器的下方扩展，任选地，预引发裂纹在形成于板的与顶面相反的底面上的凹槽中被引导，并且沿着第一方向延伸。

根据一个实施例，裂纹计量器包括由导线制成的电阻，该导线垂直于第一方向而布置在顶面上，并且被设计成取决于引起预引发裂纹的扩展的疲劳的量级而选择性地、有利地连续地断裂，任选地，导线沿着第一方向按照增加长度的顺序布置。

根据一个实施例，至少一个疲劳指示器包括连接两个侧区段的中心区段，中心区段被设计成一旦达到预先确定的疲劳阈值就断裂，任选地，两个侧区段具有平坦的形状。

根据一个实施例，该方法进一步包括由数据采集系统经由无线连接来收集物理参数的变化，任选地，液压单元的操作条件由数据采集系统收集。

本发明还涉及一种液压单元，其包括至少一个疲劳指示器，至少一个疲劳指示器布置成用于经由线路或经由无线连接来远程查询，并且对在液压单元的至少一个特定位置上经历的疲劳敏感。

根据一个实施例，至少一个疲劳指示器被校准成使得它们对在至少一个特定位置上经历的疲劳敏感，任选地，至少特定位置是被称为热点的位置，其中所经历的疲劳对应于局部最大值。

根据一个实施例，至少一个疲劳指示器远离至少一个特定位置而定位。

根据一个实施例，至少一个疲劳指示器位于液压单元的干燥表面上。

根据一个实施例，至少一个疲劳指示器位于液压单元的有水表面上。

根据一个实施例，液压单元包括设有转轮的液压机，该转轮布置成一旦所述单元在操作中就围绕旋转轴线旋转，特定位置在转轮上。

根据一个实施例，转轮包括叶片，叶片各自具有分别是压力侧和吸力侧的两个相反侧并且从中空毂的外表面延伸，叶片的压力侧和吸力侧，中空毂进一步包括与外表面相反的内表面，疲劳指示器位于中空毂的内表面上，使得当触发转轮旋转时，疲劳指示器与可能在叶片之间发生的湍流隔离。

根据一个实施例，至少一个疲劳指示器在检测到高于预先确定的疲劳阈值的疲劳时将所述疲劳转变成物理参数的变化，任选地，物理参数是电阻或积累应变的计数。

根据一个实施例，至少一个疲劳指示器包括具有顶面的板，裂纹计量器位于该顶面上。

根据一个实施例，板包括预引发裂纹，该预引发裂纹被设计成一旦达到预先确定的疲劳阈值就在裂纹计量器的下方扩展，任选地，预引发裂纹在形成于板的与顶面相反的底面上的凹槽中被引导，并且沿着第一方向延伸。

根据一个实施例，裂纹计量器包括由导线制成的电阻，该导线垂直于第一方向而布置在顶面上，并且被设计成取决于引起预引发裂纹的扩展的疲劳的量级而选择性地、任选地连续地断裂，任选地，导线沿着第一方向按照增加长度的顺序布置。

根据一个实施例，至少一个疲劳指示器包括连接两个侧区段的中心区段，中心区段被设计成一旦达到预先确定的疲劳阈值就断裂，任选地，两个侧区段具有平坦的形状。

根据一个实施例，该方法进一步包括由数据采集系统经由无线连接来收集物理参数的变化，任选地，液压单元的操作条件由数据采集系统收集。

技术方案1.一种用于检测在液压单元的至少一个特定位置上经历的疲劳的方法，所述方法的特征在于，在所述至少一个特定位置上经历的所述疲劳由至少一个疲劳指示器(f)检测，所述至少一个疲劳指示器布置成用于经由线路或经由无线连接来远程查询。

技术方案2.根据技术方案1所述的方法，其特征在于，所述至少一个疲劳指示器被校准成使得它们对在所述至少一个特定位置上经历的所述疲劳敏感，任选地，其中所述至少特定位置是被称为热点的位置，其中所经历的所述疲劳对应于局部最大值。

技术方案3.根据技术方案1或2所述的方法，其特征在于，所述至少一个疲劳指示器(f)远离所述至少一个特定位置而定位。

技术方案4.根据技术方案1至3中的任一项所述的方法，其特征在于，所述至少一个疲劳指示器位于所述液压单元的干燥表面上。

技术方案5.根据技术方案1至3中的任一项所述的方法，其特征在于，所述至少一个疲劳指示器位于所述液压单元的有水表面上。

技术方案6.根据技术方案1至5中的任一项所述的方法，其特征在于，所述液压单元包括在液压机、水或空气回路和阀或旋转电机之中选择的至少一个构件，并且其中所述至少一个特定位置位于所述至少一个构件中的至少一个上。

技术方案7.根据技术方案1至5中的任一项所述的方法，其特征在于，所述液压单元包括设有转轮的液压机，所述转轮布置成一旦所述单元在操作中就围绕旋转轴线旋转，所述特定位置在所述转轮上。

技术方案8.根据技术方案7所述的方法，其特征在于，所述转轮包括叶片(43)，所述叶片各自具有分别被称为压力侧和吸力侧的两个相反侧，并且从中空毂(44)的外表面(44a)延伸，所述叶片的所述压力侧和所述吸力侧形成液压表面的区段，所述中空毂进一步包括与所述外表面(44a)相反的内表面(44b)，所述疲劳指示器位于所述中空毂的所述内表面上，使得当所述液压单元在操作中时，所述疲劳指示器与循环通过液压通道的水流或空气流隔离。

技术方案9.根据技术方案1至8中的任一项所述的方法，其特征在于，所述至少一个疲劳指示器在检测到高于预先确定的疲劳阈值的疲劳时将所述疲劳转变成物理参数的变化，任选地，其中所述物理参数是电阻或积累应变或应力的计数。

技术方案10.根据技术方案9所述的方法，其特征在于，所述至少一个疲劳指示器包括具有顶面的板，裂纹计量器位于所述顶面上。

技术方案11.根据技术方案10所述的方法，其特征在于，所述板包括预引发裂纹，所述预引发裂纹被设计成一旦达到所述预先确定的疲劳阈值就在所述裂纹计量器的下方扩展，任选地，其中所述预引发裂纹在形成于所述板的与所述顶面相反的底面上的凹槽中被引导，并且沿着第一方向延伸。

技术方案12.根据技术方案11所述的方法，其特征在于，所述裂纹计量器包括由导线制成的电阻，所述导线垂直于所述第一方向而布置在所述顶面上，并且被设计成取决于引起所述预引发裂纹的所述扩展的所述疲劳的量级而选择性地、任选地连续地断裂，任选地，其中所述导线沿着所述第一方向按照增加长度的顺序布置。

技术方案13.根据技术方案9所述的方法，其特征在于，所述至少一个疲劳指示器包括连接两个侧区段的中心区段，所述中心区段被设计成一旦达到所述预先确定的疲劳阈值就断裂，任选地，其中所述两个侧区段具有平坦的形状。

技术方案14.根据技术方案9至13中的任一项所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括由数据采集系统经由无线连接来收集所述物理参数的所述变化，任选地，其中所述液压单元的操作条件由所述数据采集系统收集。

技术方案15.一种液压单元，其包括至少一个疲劳指示器，所述至少一个疲劳指示器布置成用于经由线路或经由无线连接来远程查询，并且对在所述液压单元的至少一个特定位置上经历的疲劳敏感，任选地，所述至少一个疲劳指示器(f)远离所述至少一个特定位置而定位。

附图说明

在参考附图而通过非限制性示例的方式给出的根据本发明的用于检测液压单元的疲劳损伤的方法的实施例的以下描述中，将显现其它特征和优点，在附图中：

-图1表示在转轮的叶片的拐角上的裂纹(标有“a”的区)；

-图2是表示安装在转轮的叶片的吸力侧上的应变计量器的照片；

-图3以透视图表示液压单元，特别地，液压单元包括francis液压涡轮和同步发电机；

-图4a是根据截面图的图3的液压涡轮的示意性表示，特别地，转轮设有位于中空毂的内表面上的疲劳指示器；

-图4b是根据截面图的图3的液压涡轮的另一示意性表示，特别地，转轮设有位于中空毂的内表面上的疲劳指示器；

-图4c是pelton转轮的示意性表示，特别地，转轮设有疲劳指示器；

-图5是francis转轮叶片的透视图，灰度级与在水流流过转轮时叶片所经历的局部应力的量级相关联；

-图6是根据本发明的疲劳指示器的板的透视图，其呈现了在板的底面上的凹槽中的预引发裂纹；

-图7是在本发明的第一实施例中实施的来自kyowa的裂纹计量器的平面视图；

-图8是在本发明的第二实施例中实施的疲劳指示器的平面视图。

具体实施方式

本发明涉及一种用于检测液压单元的疲劳损伤的方法。

所谓“疲劳”指的是由反复施加的载荷引起的材料弱化。疲劳是当材料受到循环加载时发生的渐进的且局部的结构损伤。特别地，当材料受到反复的加载和卸载时发生疲劳。如果载荷高于预先确定的阈值，则将开始形成微观裂纹。

特别地，在本发明中，利用疲劳检测器来检测疲劳，疲劳检测器布置成用于例如经由线路或经由无线连接来远程查询。

作为非常特定的示例，可实施疲劳检测器以用于检测在被称为液压表面的表面上经历的疲劳，液压表面界定液压单元的液压通道。

在本发明的背景下，用语“液压通道”指的是由液压表面界定的通道，所述液压表面是当液压单元在有水模式下操作时水流在其上施加力的表面。液压通道还包括水流流过的管道，例如压力管道。

还理解到，当在有水模式下操作时，液压单元的有水表面不限于液压表面。特别地，液压单元还包括被称为受保护表面的其它表面。所谓的受保护表面可为被流速低于液压通道中的流速的水流的部分弄湿的表面，例如毂的内表面。备选地，所谓的受保护表面可为保持干燥的表面，例如在压力管道的外表面上。

根据本发明，液压单元包括液压机以及对于其操作而言必要的水或空气回路(压力管道)和阀(球阀或蝶阀)。液压机可包括机械地联接到旋转电机的液压涡轮。旋转电机可为同步或异步发电机或电动发电机。

在特定实施例中，可实施该方法以用于检测液压单元的液压机的疲劳损伤，并且特别地检测液压机的转轮的疲劳损伤。

液压机可在用于发电的涡轮模式下和/或用于泵送水的泵模式下和/或冷凝器模式下使用。

此外，疲劳指示器取决于其敏感性而允许在早期阶段检测特定位置(例如远离所述疲劳指示器所位于的区域的位置)中的裂纹的出现。因此，取决于疲劳损伤，有可能计划液压单元的检查或维护操作。

特别地，可有利地执行根据本发明的方法以用于在发生失效和/或裂纹之前监测转轮的疲劳，并且更特别地监测叶片的疲劳。

备选地，还可有利地执行根据本发明的方法以用于监测发电机的构件的疲劳损伤。作为非常特定的示例，实施根据本发明的疲劳指示器以用于监测转子辐臂(spider)的疲劳损伤。特别地，疲劳指示器例如在其调试之前被放置在转子辐臂上。因此，根据本发明，与已知的现有技术工艺相比，对难以接近的构件(如转子辐臂)的疲劳损伤的监测变得更加容易。本发明提供了可远程评估疲劳损伤的益处。

将认识到，本发明不限于这些特定的示例，并且该方法可应用于检测液压单元的任何构件的疲劳损伤。

现在将在涡轮模式的背景下描述本发明。然而，考虑到技术人员的常识和以下描述，技术人员可将本发明推广到液压机的其它操作模式，且特别地推广到泵模式和冷凝器模式。

图3描绘了根据本发明的液压单元10的总体架构。

液压单元10包括连接到电网的发电机20。发电机可包括同步发电机、异步发电机、电动发电机。

理解到，在没必要详述的情况下，发电机包括转子，转子布置成在定子内部旋转，定子的绕组连接到电网。

液压单元10进一步包括设有转轮40的液压涡轮30，转轮40经由沿着旋转轴线xx'延伸的轴系50而机械地联接到同步发电机20的转子。

当在使用中时，流过转轮且特别地流过液压通道的水流驱动转轮旋转。

所谓“液压通道”指的是水流通过其而施加触发转轮的旋转所需的力的流动通道。

特别地，液压通道由液压表面界定，所述液压表面是当水流驱动转轮旋转时所述水流在其上施加力的表面。液压通道还包括水流流过的管道。

在转轮内，液压通道由所述转轮40的直接暴露于源于水流的流动的液压扰动的表面界定。

转轮40进一步包括至少一个疲劳指示器f。

至少一个疲劳指示器f可经由线路或经由无线连接来远程查询。

所谓“疲劳指示器”指的是对其联接到的被探测的装置(例如转轮)所经历的应力循环(即：疲劳)敏感的指示器。特别地，当液压单元在特定位置上积累高于给定阈值的反复载荷时，疲劳指示器不可逆地更改其结构。值得注意地，并且作为非限制性示例，疲劳指示器的结构更改涉及连接件的断裂，这转变成所述指示器的电阻率的更改。

至少一个疲劳指示器可位于有水表面或干燥表面上。

特别地，至少一个疲劳指示器f被校准成使得它们对在至少一个特定位置上经历的疲劳敏感。

所谓“敏感”指的是疲劳指示器可检测损伤。

例如，至少特定位置是被称为热点的位置，其中所经历的疲劳对应于局部最大值。

所谓“局部最大值”指的是存在包括特定位置的区域，使得所述特定位置上的机械应力高于所述区域的任何其它位置上的机械应力。

任选地，至少一个疲劳指示器f可远离至少一个特定位置而定位。

因此，有可能远程探测不方便接近的特定位置的疲劳。

例如，至少一个疲劳指示器f可位于远离液压通道而定位的至少一个区域上，该区域被称为受保护区域(图4a和图4b)。

所谓“远离液压通道而定位”指的是当液压机在操作中时不暴露于且不扰动流过液压通道的水流的疲劳指示器。换句话说，疲劳指示器在被称为受保护区域的远离液压表面的区域中。

本发明人已注意到反复载荷的累积效应整体上影响转轮。特别地，无论所考虑的位置是什么，转轮上的载荷效应都取决于转轮的操作条件和机械特性。更准确地说，考虑到所述操作条件和机械特性，转轮的特定位置上的积累应变或应力可从对任何其它位置上的积累应变或应力的认知中推断出。

因此，位于区域上的疲劳指示器提供了转轮的其它位置上以及例如转轮的液压表面的特定位置上的积累应变或应力的指示。

值得注意地，特定位置是被称为热点的位置，其中当转轮正在旋转时，所经历的机械应力对应于局部最大值。

在这方面，图5是francis转轮叶片的透视图。灰度级与在水流流过转轮时叶片所经历的局部应力相关联。在该图5中可注意到，叶片在后缘43a和中空毂44的相交处的拐角(位置a)中经历的应力相对于叶片的其余部分而相当高。

疲劳指示器可被校准成在特定位置的疲劳高于给定的疲劳损伤阈值时检测转轮的所述特定位置上的损伤。

该方法可包括实施多个疲劳指示器f，其被校准成检测不同的损伤量级。

根据该构造，有可能评估转轮所经历的损伤的量级。

前面提到的概念的实施不限于转轮，而是可推广到液压单元的其它元件，并且值得注意地，例如可推广到轴系、阀、导叶、管道、发电机。

疲劳指示器的校准可基于数值模拟。特别地，数值模拟可涉及用于计算转轮上的压力载荷的计算流体动力学，以及源于所述压力载荷的应力的有限元分析。

在这方面，本领域技术人员可查阅在说明书的末尾引用的文献[1]。

备选地，疲劳指示器的校准可在学习阶段期间或在转轮的缩小比例模型中执行。

所谓“缩小比例模型”指的是实验室液压机，并且其尺寸或占地面积有利地相对于液压机而减小。

可基于疲劳指示器的材料和几何形状而执行补充校准，以确定所述疲劳指示器内的扩展速度。

例如，转轮是包括叶片43的francis转轮，叶片43各自具有分别被称为压力侧和吸力侧的两个相反侧，并且从中空毂44的外表面44a延伸，中空毂44具有例如圆锥形形状(图4a和图4b)。

叶片43可通过外围护罩47而进一步固定在转轮的外围上(图4a和图4b)。

毂进一步包括与外表面44a相反的内表面44b。

francis转轮的液压通道由叶片的压力侧和吸力侧并且由中空毂44的外表面界定。

根据该构造，疲劳指示器可位于中空毂44的与外表面相反的内表面44b上，使得当液压机在操作中时所述指示器与循环通过液压通道的水流隔离。例如，疲劳指示器可胶合、焊接或机械地固定到内表面(图4a和图4b)。

在图4c中所图示的另一示例中，转轮是pelton转轮。

当检测到高于预先确定的损伤阈值的损伤时，疲劳指示器将所述损伤转变成物理参数的变化。根据一个示例，物理参数是电阻。

备选地，物理参数是积累应变或应力或载荷的计数。在这方面，疲劳指示器可设有处理器，该处理器配置成执行应变或载荷的计数。

有利地，各个疲劳指示器包括具有顶面51的板50，裂纹计量器g1位于顶面51上(图6)。

特别地，板50可包括预引发裂纹53，预引发裂纹53被设计成一旦达到预先确定的疲劳阈值就在裂纹计量器g1的下方扩展。

预引发裂纹的形成增强了疲劳指示器对应力积累(或疲劳)的敏感性，且因此使得有可能在非常早期的阶段预测特定位置上的裂纹的出现。

可通过将所述疲劳指示器的板悬置在两个基座上而进一步增强疲劳指示器的敏感性。

因此，有可能在液压单元的构件发生重大失效之前计划检查和维护，且因此延长该构件寿命。

所谓“寿命”指的是在特定操作条件下在转轮上发生失效之前的时间。

有利地，预引发裂纹在形成于板的与顶面相反的底面上的凹槽中被引导，并且沿着第一方向z延伸。

根据图7中所图示的本发明的第一实施例，裂纹计量器g1可包括由导线cw1制成的电阻，导线cw1垂直于第一方向z而布置在顶面上，并且被设计成取决于引起预引发裂纹的扩展的疲劳损伤的量级而选择性地断裂。换句话说，断裂导线的数量取决于在特定位置中检测到的损伤的量级。

有利地，导线cw1沿着第一方向按照增加长度的顺序布置。

根据图8中所图示的本发明的第二实施例，各个疲劳指示器f可包括连接例如具有平坦的形状的两个侧区段ls1和ls2的中心区段cs。中心区段是疲劳指示器所经历的应力在其中积累的薄弱区。特别地，如在说明书的末尾引用的文献[2]中所描述的，中心区段被设计成一旦达到预先确定的疲劳阈值就断裂。

无论所考虑的实施例是什么，该方法都可包括通过经由线路或无线连接而连接到至少一个疲劳指示器的数据采集系统来收集物理参数的变化。

特别地，线路可沿着液压单元的轴系经过。任选地，线路容纳在沿着轴系形成的凹槽中。

特别地，线路可沿着液压单元的轴系50经过(图4)。

任选地，线路容纳在沿着轴系形成的凹槽中。

备选地，轴系50是中空轴，线路在其内部经过。

轴系50的一端处的联接凸缘(例如具有盘形状)可确保将所述轴系固定到转轮。特别地，线路可沿着形成在联接凸缘上的凹槽经过，以用于连接至少一个疲劳指示器。

液压单元还可包括用于测量如轴系所经历的扭矩波动、轴承振动和轴系位移或液压压力脉动的参数的测量装置。

这些参数限定直接影响转轮的寿命的操作条件，并且因此可经由线路或经由无线连接来传输到数据采集系统。

所安装的疲劳指示器在位于受保护区域上时不会干扰驱动转轮旋转的水流，使得防止疲劳指示器脱落。

因此，疲劳指示器可永久地安装在转轮上。

脱水/再充水系列事件不再是必要的，使得与根据现有技术而已知的方法相比，与根据本发明的液压涡轮的疲劳检测相关联的成本是有限的。

本发明还涉及一种液压单元，其包括至少一个疲劳指示器，至少一个疲劳指示器布置成用于经由线路或经由无线连接来远程查询，并且对在液压单元的至少一个特定位置上经历的疲劳敏感。

任选地，至少一个疲劳指示器f远离至少一个特定位置而定位。

参考文献

[1]pierre-yveslowys等人,“hydroplantoperatingrangeextensiontransverseapproachforincreasingturbineflexibility(用于提高涡轮灵活性的水电厂操作范围扩展横向方法)”,hydrovisioninternational2014,trackh:technicalpaper；

[2]ep0032101。