激光跟踪仪在水轮发电机组检修中的应用

激光跟踪仪在水轮发电机组检修中的应用

丁国云

黄河电力检修工程有限公司宁夏项目部 宁夏吴忠市 751601

摘要：目前，激光测量技术已广泛应用于航天、航空、造船、机械加工等精密工业测量领域，但在水电行业的应用较少，特别是在水轮发电机组安装、检修中涉及面少，大多在简单的测距等方面，为了充分利用激光测量技术，促进机组检修与安装技术的发展，本文对激光跟踪仪在水轮发电机组检修中的应用的可行性进行研究。

关键词：激光跟踪仪；水轮发电机组检修；应用；分析

1激光跟踪仪动态测量技术

激光跟踪仪集激光干涉测距技术、光电检测技术、精密机械技术、计算机控制技术、现代数值计算理论于一体。工作时通过激光干涉测距和高速光栅测角，并配合角隅棱镜测量空间点的水平角度、垂直角度和斜距，采用球坐标原理计算出点的空间三维坐标。激光跟踪仪的动态测量性能是其有别于其他测量仪器的重要特点，其动态测量原理是:当被激光跟踪仪锁定的反射镜移动时，经过反射进入激光跟踪仪内部位置感应探测器的光将会发生偏移，在PSD上产生一个位置偏移值，并输出对应大小的电压信号，通过电路驱动马达转动相应的角度，从而使得激光束始终指向反射镜中心，并实时进行坐标采集，实现对目标的动态跟踪测量。

2激光跟踪仪三维测边网平差原理

2.1误差方程建立

激光跟踪仪测量点误差分布，激光跟踪仪沿光线测量方向上的测距误差远低于垂直于该方向上主要由测角带来的误差，采用三维测边网平差可有效避免测角误差对最终求解点位测量精度的影响。若按经典自由网平差方法进行解算，三维测边网的起算数据包括一个固定点的位置（三维坐标值）和方向（3个方向余弦值）。激光跟踪仪采用自由设站的方式，将所有测站点和定位点均作为未知参数进行平差解算，此时网形缺少必要的起算数据，故该三维测边网存在数亏问题。本文拟采用附加约束条件的秩亏自由网平差方法来解决此问题，即在原平差模型中增加d个虚拟观测值（d为秩亏数），与原观测值共同组成误差方程进行平差解算。

由于只涉及距离观测值，基于激光跟踪仪的三维测边网平差的实质是根据定位点和测站点之间的欧氏距离建立误差方程。激光跟踪仪采用自由设站的测量方式，每一个测站均对应着一个单独的局部坐标系，以第一个测站建立的局部坐标系作为全局坐标系，第一个测站点的空间坐标近似值取(0，0，0)。在第一个测站进行观测时，依次瞄准各定位点并观测得到相应的距离、水平角和垂直角，由极坐标系原理求解各定位点的坐标值，并将其作为各定位点的空间坐标近似值。

2.2平差解算和精度评定

由于激光跟踪仪建立的三维测边网平差模型缺少必要的起算数据，若根据式（2）进行平差解算，求解的法方程为奇异阵，其结果不唯一。为获取唯一解，采用在原平差模型的基础上引入基准约束条件x̂TPx̂x̂=min。此处基准权阵Px̂取单位矩阵I，则满足最小范数准则：x̂Tx̂=min。假设等价于该最小范数约束的限制条件方程为：STx̂=0，其中S为附加约束矩阵，rank(S)=d（d为秩亏数，此处为6）且满足BS=0。

3激光跟踪仪标定

传感器的设计参数除了给出中心点与其他坐标系特征目标（如螺孔、槽等）的位置关系外，通常还会给出中心点与传感器表面或边缘的距离与角度关系。借鉴经纬仪工业测量系统的线面拟合测量方式，激光跟踪仪在传感器标定过程中，可采集大量的传感器面状数据精确拟合传感器几何表面，进而解析获得传感器中心和坐标系相关参数，从而简化或免去传感器之间繁琐的坐标系转换所需的公共点联测步骤，减少坐标转换误差影响。由于在激光跟踪仪的观测过程中，靶球与传感器接触造成的位移误差难以直接估量，可采用高精度测量仪器（如全站仪）作为位移监视仪器，观测被测物体的特征点，监测被测物体是否产生位移或回弹等情况；对于上述原因造成的误差较大的测点，可在几何线面拟合时作为粗差予以剔除。4测量试验

4.1顶盖基础高程

（1）加强停机前的预判：停机前检查尾水水位是否低于 66.5 m、是否大轴密封水水压不足，是否新安装大轴密封块。（2）预判机组停机大轴密封有失效的可能时，采用“三步停机法”停机。（3）做好停机后顶盖水位异常上升的应急处置预想。（4）加强对大轴密封水的运行监视及巡视检查，加强监屏工作，避免人为疏漏放任大轴密封水水压不足。（5）当大轴密封水主、备用水源发生变化时，及时进行倒换，避免断水。（6）当大轴密封水滤水器出现淤堵，及时要求检修人员进行清理，及时消除淤堵。（7）编制《停机后顶盖水位异常上升应急处置预案》并投入使用。（8）班组定期开展相关的应急演练，使人员熟悉操作流程。

4.2 水轮机转轮叶片结构动力分析

在进行网格化的数据自动剖析的过程中，发电机传感系统的故障排查。对于发电机而言，传感系统一般是故障排查的重点。因为，在保证硬件设施进行电磁切割进行发电的同时，电力若无监测箱的变压以及传输，很难使得水轮得到有效地利用。因此，在进行故障排查的过程中，首先需要结合监测箱的智能排查系统，对其进行系统化的排查。与此同时，还要结合监测的数据对其进行PLC 软件数据的临时修正，使得部分自动化程序能够控制解决一些基础性的故障，如电力自动化复位以及零点复位等基础性的故障。若智能化复位效果不够显著，或者是反复性出现此类故障，则可以利用监测的数据，对控源数据进行重新的编写，并排查传感器以及电磁继电器是否存在一定的故障。若有故障则需要进行及时性的排除，并复位自动化故障排除装置。同时，还需要对材料的弹性数据体系以及模性量的材料质量密度进行模量数据的分析和处理。

4.3转子磁轭半径测量

转子磁轭直径较大(大于14m)，传统测量采用测圆架、内径千分尺及钢琴线结合测量，先用内径千分尺和钢琴线测量一个点的绝对半径，然后用测圆架测量其他点相对于该点的半径。激光跟踪仪对转子磁轭外径进行测量，先测量转子内镗口空间坐标，计算拟合出转子中心，然后以此中心坐标为基准测量磁轭半径，由于跟踪仪不能一次对所有位置进行测量，总共需要转站3次。

激光测量值和传统测量相比，最大偏差－3．3857mm，最小偏差0．0001mm，平均偏差0．9147mm。其中第一段偏差很小，最大偏差－0．3749mm，平均偏差0．0948mm，第二段最大偏差2．098mm，平均偏差1．326mm，第三段最大偏差－3．3857mm，平均偏差1．4572mm。激光跟踪仪测量磁轭半径，在不需要转站的情况下误差较小，大约在0．1mm左右，但经过转站后，由于跟踪仪移动位置，平均测量误差骤然增大，误差超过1mm，不满足技术要求精度，测量无效。

4.4导轴承轴领直径测量

激光跟踪仪通过在轴领外侧测量一系列点，通过计算机拟合计算出圆柱面的半径。测量结果见表3，两次测量数据均在参考值范围内，测量偏差值0．17mm，测量数据有效。

5结语

1)激光跟踪仪可以运用于检修现场高程测量，如下压指高程测量、风闸高程测量、转轮高程测量、推力头高程测量等;2)利用激光跟踪仪可以测量小尺寸部件(直径小于3m)尺寸，比如轴领之间、铜瓦直径等;3)激光跟踪仪暂时无法满足范围很大(直径10m左右)并且测量精度要求很高(≯0．05mm)的测量，比如检修过程中的定位筋半径、垂直度、定位筋弦距测量等情况;4)激光跟踪仪转站后测量误差急剧增大，无法满足直径较大(大于10m)并且测量精度要求高(≯0．05mm)的测量，比如转子圆度、半径;5)激光测量速度快，无需使用大型工装，测量数据显示直观，精度较高，在水轮发电机检修过程中适用情况多，可以大大提高工作效率。

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