梁 晨，王亞彪，鄧 軍，孫先帥，3，周海濱，何 震

(1.中國南方電網(wǎng)超高壓輸電公司 檢修試驗中心，廣東 廣州 510663;2.中國科學(xué)院 沈陽自動化研究所，遼寧 沈陽 110016;3.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

0 引言

在電力系統(tǒng)運維中，變壓器承擔(dān)著電壓變換、電能分配和傳輸?shù)墓δ?，在維護電網(wǎng)穩(wěn)定性和可靠性上起著至關(guān)重要的作用[1]。同時，變壓器故障也是影響整個電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的重要安全事故[2]。

我國大型電力變壓器主要采用油浸式結(jié)構(gòu)[3]。傳統(tǒng)油浸式變壓器內(nèi)部檢測手段主要依賴人工，存在著自動化程度低、風(fēng)險高、易造成二次污染等問題。采用機器人代替人工進入變壓器完成檢測任務(wù)可有效提高檢修效率，提升變壓器運維自動化水平，具有較高的經(jīng)濟效益與社會效益。

推進器是浮游機器人的核心部件之一，決定了機器人的運動能力。油浸式變壓器內(nèi)部為密閉充油環(huán)境，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工況特殊，油浸式變壓器內(nèi)檢機器人推進器的設(shè)計合理性直接影響機器人的檢測性能和作業(yè)安全性，因此進行推進系統(tǒng)設(shè)計是完成變壓器內(nèi)檢機器人研發(fā)的必要前提。

1 機器人推進方案分析

油浸式變壓器內(nèi)部環(huán)境復(fù)雜，如圖1所示，以某型220 kV主變?yōu)槔儔浩鲀?nèi)部除鐵芯、繞組、線圈等核心部件外，還安裝有壓板、筋板、線纜等附件設(shè)備。機器人需在充油復(fù)雜密閉空間內(nèi)進行作業(yè)。

圖1 220 kV變壓器內(nèi)部結(jié)構(gòu)

油浸式變壓器內(nèi)部狹小的作業(yè)環(huán)境要求機器人結(jié)構(gòu)小巧，運動靈活，作業(yè)安全可靠，變壓器內(nèi)部復(fù)雜空間使得機器人外形應(yīng)盡量平滑，以降低作業(yè)過程中的卡滯風(fēng)險。依據(jù)上述設(shè)計需求，結(jié)合具體作業(yè)工況，機器人整體采用球形結(jié)構(gòu)浮游行進方式，其外形結(jié)構(gòu)如圖2所示。機器人外徑150 mm，具備水平前進、后退、左移、右移及轉(zhuǎn)向、垂直上浮、下潛運動功能。

圖2 機器人外形結(jié)構(gòu)

變壓器內(nèi)檢機器人微小球形結(jié)構(gòu)及多自由度運動需求對推進系統(tǒng)設(shè)計提出較高要求，綜合考慮機器人作業(yè)安全性、靈活性等因素，推進器設(shè)計應(yīng)滿足以下條件：

(1) 結(jié)構(gòu)緊湊。機器人整體尺寸較小但運動自由度要求較高，使得機器人推進器設(shè)計及布置應(yīng)小巧、緊湊。

(2) 運動安全。變壓器內(nèi)部空間狹窄，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，為避免機器人與變壓器內(nèi)部結(jié)構(gòu)件發(fā)生碰撞導(dǎo)致卡滯或元件損壞、脫落，保證機器人完整球形外形結(jié)構(gòu)，所有推進器均應(yīng)布置于機器人內(nèi)部，保證機器人外表光滑無突出物。

(3) 動力清潔。變壓器油品潔凈程度直接影響其安全可靠運行。浮游狀態(tài)機器人推進將在局部產(chǎn)生負(fù)壓[4]，負(fù)壓過大會導(dǎo)致變壓器油中溶解氣體析出，給變壓器安全運行帶來隱患，因此機器人推進器設(shè)計應(yīng)盡量減小局部負(fù)壓。

目前發(fā)展較為成熟的機器人浮游推進方式主要有螺旋槳推進與噴射推進兩大類[5]。本文綜合變壓器內(nèi)檢機器人的作業(yè)需求、工作環(huán)境，分析兩類推進方案的可行性。

1.1 螺旋槳推進

螺旋槳推進是傳統(tǒng)浮游機器人最常用的推進方式[6]，其推力產(chǎn)生可描述為流體從螺旋槳前方一點到槳葉后方一點的動能變化結(jié)果,可用公式表示為：

Tt=ρAv1(vb-va).

(1)

其中：Tt為螺旋槳推力，N；ρ為液體介質(zhì)質(zhì)量密度，kg/m3；A為螺旋槳投影盤面面積，m2；v1為通過螺旋槳的液體流速，m/s；va為螺旋槳面前端速度，m/s；vb為螺旋槳面后端速度，m/s。

由公式(1)可以看出，影響槳推力的結(jié)構(gòu)因素主要為螺旋槳槳葉盤面直徑、轉(zhuǎn)速以及槳葉形狀?？紤]作業(yè)安全性，保證機器人球形結(jié)構(gòu)，螺旋槳需采用槽道槳；由于機器人整體尺寸受限，初步估算槽道螺旋槳槳葉直徑不得超過25 mm，此時為獲得足夠推力，需提高槳葉轉(zhuǎn)速，增大槳葉導(dǎo)程，這將會導(dǎo)致槳葉前后壓差較大，產(chǎn)生空泡效應(yīng)，析出氣體為變壓器運行帶來安全隱患。

1.2 噴射推進

噴射推進器是一種反作用力推進器[7]。流體介質(zhì)由推進器入口到達能量轉(zhuǎn)換機構(gòu)(泵體)，當(dāng)能量增加后再經(jīng)過壓力管道和噴口，以一定速度噴出，這股連續(xù)的射流所產(chǎn)生的反作用力即為推進機器人載體前進的推力。

理想噴射推進基本方程分別為推力方程、能量方程和連續(xù)性方程[8],表達式如下：

T0=ρQ(vj-v0).

(2)

(3)

v0A0=vjAj=Q.

(4)

其中：T0為噴射推力，N；Q為流量，m3/s；vj為噴射速度，m/s；v0為來流速度，m/s；H為揚程，m；A0為入口面積，m2；Aj為出口面積，m2；g為重量加速度，m/s2。

在噴射推進系統(tǒng)中，由于存在管路、吸嘴、噴嘴等能量損失元件，使得在基本方程中需要將各類損失考慮在內(nèi)，得到修正后的推力方程、能量方程、連續(xù)性方程如下[9]：

Te=ηT0=ηρQ(vj-v0).

(5)

(6)

v0A0=vjAj=Q.

(7)

其中：Te為考慮能量損失后的噴射推力；η為推進效率；K1為按K1法計算沿程損失系數(shù)。

如式(5)所示，進行實際噴射推進推力計算時，需考慮推進效率η。η的值按照不同能量損失比例對應(yīng)理論進行求解；在能量方程中，考慮了噴嘴損失和管路的沿程損失；連續(xù)性方程與前述相同。依據(jù)上述基本方程組，結(jié)合具體設(shè)計指標(biāo)，便可進行噴射裝置的設(shè)計及選型。

噴射推進器結(jié)構(gòu)主要由驅(qū)動電機、噴射泵體、流體入口、噴口等組成。由于噴射推進方式只需保證噴口方向滿足機器人載體推力布置需求，故其他部件可根據(jù)載體結(jié)構(gòu)靈活設(shè)計；此外噴射推進器無外部附加結(jié)構(gòu)，推力直接由噴口處產(chǎn)生，非常適用于外部光滑載體結(jié)構(gòu)。綜合考慮機器人結(jié)構(gòu)緊湊性、作業(yè)安全性，選擇采用噴射推進方案作為油浸式變壓器內(nèi)檢機器人推進方式。

2 噴射推進器設(shè)計

結(jié)合油浸式變壓器內(nèi)檢機器人結(jié)構(gòu)及推進系統(tǒng)布置方案設(shè)計噴射推進器，如圖3所示。推進器主要由驅(qū)動電機、油液腔體、流體入口、流體出口組成，采用法蘭式安裝結(jié)構(gòu)。推進器內(nèi)部采用十字葉輪結(jié)構(gòu)，基于離心泵設(shè)計原理產(chǎn)生射流進而產(chǎn)生推力。

圖3 噴射推進器結(jié)構(gòu)

依據(jù)流體動力學(xué)理論，通過Fluent有限元仿真軟件分析機器人作業(yè)工況油液流態(tài)，仿真結(jié)果如圖4所示，進一步提取機器人運行阻力，計算結(jié)果見表1。

圖4 機器人作業(yè)工況油液流態(tài)

表1 機器人運行阻力

結(jié)合噴射系統(tǒng)布置方案，計算單推進器額定推力，基于離心泵設(shè)計原理，進行噴射推進器內(nèi)部參數(shù)確定。所設(shè)計噴射推進器主要指標(biāo)參數(shù)見表2，推進器壓強—流量特性曲線如圖5所示。

圖5 噴射推進器壓強—流量曲線

表2 噴射推進器主要參數(shù)

3 葉輪修型設(shè)計

考慮變壓器內(nèi)檢作業(yè)安全性，為避免機器人作業(yè)過程變壓器油中溶解氣體析出，重點分析噴射泵內(nèi)部流體氣化特性。根據(jù)離心泵設(shè)計原理，油液腔體內(nèi)部氣化特性由汽蝕余量NPSHr表征[10]，汽蝕余量越小，推進器內(nèi)部負(fù)壓越大，越容易析出氣泡。汽蝕余量計算公式如下[11]：

(8)

其中：v1為葉片進口稍前的絕對速度，m/s；w1為葉片進口稍前的相對速度；λ為葉片進口壓降系數(shù)。

由公式(8)看出，影響噴射推進器汽蝕余量的因素可以分為工作狀態(tài)參數(shù)與泵體結(jié)構(gòu)參數(shù)兩部分。其中工作狀態(tài)參數(shù)主要取決于機器人作業(yè)工況等外部因素，因此，為進一步提升噴射推進器汽蝕余量，保證機器人運行安全可靠，需從泵體本身結(jié)構(gòu)進行改進。

為定量分析機器人工作狀態(tài)下噴射推進器內(nèi)部流場狀態(tài)，對噴射推進器內(nèi)部流場進行有限元仿真分析，結(jié)果如圖6所示。

圖6 十字直式葉輪噴射泵內(nèi)部流態(tài)及壓力分布

從圖6可以直觀看出，在噴射泵葉輪背部產(chǎn)生較為明顯的負(fù)壓區(qū)，最大負(fù)壓值為-48 180 Pa；若在此基礎(chǔ)上進一步增大機器人運動速度，增加噴射泵轉(zhuǎn)速(以1.5倍額定轉(zhuǎn)速進行仿真，結(jié)果如圖7所示)，此負(fù)壓區(qū)范圍會繼續(xù)增加，負(fù)壓值也會隨之增大，這對噴射推進器推進效率、變壓器安全性均會產(chǎn)生不利影響。

圖7 1.5倍額定轉(zhuǎn)速十字直式葉輪噴射泵內(nèi)部流態(tài)及壓力分布

為降低噴射泵負(fù)壓區(qū)壓差，增大汽蝕余量，結(jié)合上述理論及仿真分析結(jié)果，考慮對噴射推進器葉輪進行修型設(shè)計。初始葉輪方案為十字直式葉輪，結(jié)構(gòu)簡單但流體動力學(xué)性能較差，能量損失較大。根據(jù)葉輪泵設(shè)計原理[12]，渦狀葉輪水力性能較好，在保證泵體效率的同時能夠獲得更好的內(nèi)部流態(tài)，有利于降低汽蝕風(fēng)險。因此，變壓器內(nèi)檢機器人噴射推進器擬采用渦狀葉輪代替直式葉輪，以降低油液析出氣體風(fēng)險，提升機器人作業(yè)安全可靠性。建立的渦狀葉輪模型如圖8所示。

圖8 渦狀葉輪模型

為定量對比噴射泵葉輪修型前后泵體內(nèi)部流體狀態(tài)，以相同額定工況噴射泵葉輪轉(zhuǎn)速進行渦狀葉輪泵內(nèi)部流場狀態(tài)仿真分析，結(jié)果如圖9所示。

圖9 渦狀葉輪噴射泵仿真結(jié)果

由圖9可以看出，在葉輪背面仍會產(chǎn)生局部負(fù)壓區(qū)，最大負(fù)壓值為-44 040 Pa。但與相同工況十字直式葉輪相比，負(fù)壓區(qū)域壓力最大值減小8.6%，負(fù)壓區(qū)范圍也有所減小，改進效果明顯。

4 結(jié)論與展望

基于油浸式變壓器內(nèi)部充油復(fù)雜環(huán)境，綜合機器人結(jié)構(gòu)方案、運動能力及推進系統(tǒng)布置方式，確定了機器人推進器總體方案，在此基礎(chǔ)上進行了機器人噴射推進器設(shè)計?？紤]變壓器內(nèi)部安全性，分析了噴射推進器抗汽蝕能力，對噴射泵葉輪進行修型。仿真結(jié)果表明，采用渦狀線葉輪可有效降低變壓器檢測機器人噴射推進器內(nèi)部負(fù)壓，增大汽蝕余量，進一步保證機器人安全可靠運行。結(jié)合本文最后對比分析結(jié)果，下一步可針對不同參數(shù)渦狀線對推進器效率、汽蝕余量影響開展研究，進一步優(yōu)化設(shè)計噴射泵葉輪及內(nèi)部腔體結(jié)構(gòu)形式，提升噴射泵推進效率，提升變壓器內(nèi)檢安全性。