水輪機的模型試驗

水輪機的模型試驗一、水輪機的模型試驗的意義前面議論了水輪機相像的條件，這就從理論上解決了用較小尺寸的模型水輪機，在較低水頭下工作去模擬大尺寸和高水頭的原型水輪機。按相像理論，模型水輪機的工作完整能反應任何尺寸的原型水輪機。模型水輪機的運行規(guī)模比真機運行規(guī)模小的多，花費小，試驗方便，能夠依據(jù)需要任意改動工況。能在較短的時間內測出模型水輪機的全面特征。將模型試驗所獲得的工況參數(shù)構成單位轉速n11和單位流量Q11后，并分別以它們作為縱坐標及橫坐標，按效率相等工況點連線所獲得的曲線圖稱為綜合特征曲線。此綜合特征曲線不單表示了模型水輪機的工作性能，相同地反應了與該模型水輪機幾何相像的全部不一樣尺寸，工作在不一樣水頭下的同種類真切水輪機的工作特征。水輪體制造廠可從經(jīng)過模型試驗來查驗原型水力設計計算的結果，精選出性能優(yōu)秀的水輪機，為制造原型水輪機供給依照，向用戶供給水輪機的保證參數(shù)。水電設計部門可依據(jù)模型試驗資料，針對所設計的電廠的原始參數(shù)，合理地進行選型設計，并運用相像定律利用模型試驗所得出的綜合特征曲線，繪出水電站的運行特征曲線。為運行部門供給發(fā)電依照，水電廠運行部門可依據(jù)模型水輪機試驗資料，剖析水輪機設施的運行特征，合理地制定水電廠機組的運行方式，提升水電廠運行的經(jīng)濟性和靠譜性。當運行中水輪機發(fā)惹禍故時，也能夠依據(jù)模型的特征剖析可能產(chǎn)惹禍故的原由。二、水輪機模型試驗的方法水輪機的模型試驗主要有能量試驗，氣蝕試驗，飛逸特征試驗和軸向水推力特征試驗等幾種。因為篇幅所限，本教材主要介紹還擊式水輪機的能量試驗。還擊式水輪機的汽蝕試驗可參閱有關參照文件。能量試驗臺分為開敞式試驗臺和封閉式試驗臺，封閉式試驗臺無需設置測流槽，故平面尺寸要比開敞式試驗小，并且水頭調理更為方便，但封閉式試驗臺投資較高。開敞式能量試驗臺（1）開敞式能量試驗臺水輪機效率是水輪機能量變換性能的主要綜合指標，所以，模型水輪機的能量試驗主假如確定模型水輪機在各樣工況下的運行效率。水輪機的能量試驗臺如圖3-4所示。它主要由以下裝置構成。1）壓力水箱。壓力水箱2是一個擁有自由水面的大容儲蓄水箱，試驗時保持穩(wěn)固的上游水位。水箱由水泵1供水，經(jīng)過高度可調理的溢流板4控制必定的水位，剩余的水可從溢流板頂部排至集水池14。水流經(jīng)過靜水柵3均勻而穩(wěn)固地進入模型水輪機7。圖3-4還擊式水輪機能量試驗臺1—水泵；2—壓力水箱；3—靜水柵；4—溢流板；5—測功裝置；6—引水室；7—模型水輪機；8—尾水管；9—尾水槽；10—調理閘門；11—靜水柵；12—測流堰槽；13—堰板；14—集水池；15—水位丈量裝置；16—水頭丈量裝置2）機組段。機組段包含引水室6，模型水輪機7，尾水管8，測功器5及水頭丈量裝置16。3）測流堰槽。它的作用是丈量模型水輪機的流量，在槽內首端裝有靜水柵11，以穩(wěn)固堰槽內的水流，尾端裝有堰板13，用浮筒15測定堰上水位。4）集水池。水流經(jīng)測流堰槽12流入集水池14，而后再用水泵1抽送至壓力水箱2，形成試驗過程中水的循環(huán)。（2）參數(shù)丈量模型水輪機效率為PMMnMM（3-36）QMHM30QMHM所以，確定水輪機效率，第一一定正確地丈量出模型水輪機4個試驗參數(shù)HM,QM,nM和PM。1）丈量水頭HM。模型試驗水頭HM是上游壓力水箱水位與下游尾水槽水位之差。圖3-4中采納上、下游浮子標尺測得。2）丈量流量QM。能量試驗臺往常采納堰板丈量流量，堰板的形狀有三角形或矩形。為了保證丈量精度，應采納容積法對堰板的流量系數(shù)進行校訂，進而獲得流量與堰頂水深的關系曲線，如圖3-5所示。丈量時可從浮子水位計15測出堰頂水位，再查出流量QM。圖3-5堰頂水深與流量關系曲線3）丈量轉速nM，采納機械轉速表在水輪機軸端可直接丈量轉速nM，但精度較低。目前在模型試驗中常采納電磁脈沖器，或電子頻次計數(shù)器，可直接測得轉速。4）丈量功率PM。丈量模型水輪機軸功率PM，往常采納機械測功器或電磁測功器，如圖3-6所示。丈量水輪機軸的力矩與同時測出的水輪機轉速nM，計算功率PM。機械測功器一般使用在容量較小的試驗臺上。圖3-6測功裝置機械或電磁測功器，丈量方法基真相同，都是經(jīng)過丈量模型水輪機的制動力矩M，而后再計算出功率PM。制動力矩為：MPL(Ｎ·m)（3-37）機械測功器工作原理是在主軸上裝一制動輪，在制動輪四周設置閘塊，在閘塊外頭加閘帶，閘帶可由端部的調理螺絲控制以改變制動輪和閘塊之間的摩擦力，閘帶裝置在測功架上，在主軸轉動時可改變負荷（拉力P）使測功架保持不動，則此時的制動力矩即為MPL，為制動力臂。電磁測功器是用磁場形成制動力矩，基來源理與機械測功器相同。（3）綜合參數(shù)計算與試驗成就整理綜合參數(shù)計算就是對模型水輪機的每一個工況，測出HM,QM,nMPM等參數(shù)后，計算出模型水輪機的M,n11和Q11值。PM效率M9.81QMHMnMD1Mn11單位轉速HMQMQ11單位流量D12MHM混流式水輪機能量試驗一般采納8~10個導葉開度，分別在各個開度下進行若個（5~10個）不一樣工況點的測試。試驗可按以下步驟進步：1）調整上、下游水位，獲得穩(wěn)固的模型試驗水頭。2）調整導葉在某一開度a0。3）用測功器改變轉輪的轉速，一般速度間隔為100r/min作一個試驗工況點。4）待轉速穩(wěn)固后，記錄各參數(shù)(a0,H,Q,n和P)于表3-1中。表3-1能量試驗數(shù)據(jù)記錄計算表工況堰導葉試驗制動軸功頂單位效點轉速流量單位轉力P開度水頭率水流量率備試nMQM速n11注a0HMPM深(m3/s)Q11M驗(r/min)(r/min)(mm)(m)(N)(kW)h(L/s)(%)序(m)號12a013412a02342）封閉式試驗臺圖3-7為我國某有名研究所的高水頭水力機械模型試驗臺，該試驗臺是一座高參數(shù)、高精度的水力機械通用試驗裝置。試驗臺可按IEC193及IEC493等有關規(guī)程的規(guī)定進行能量、空化及飛逸轉速等項的查收試驗，也可在試驗臺長進行水力機械的壓力脈動、力特征、四象限、補氣及模型轉輪葉片應力丈量等各項其余試驗和科研工作。圖3-7高水頭水力機械模型試驗臺表示圖3.1試驗臺主要參數(shù)最高水頭：100（mH2O）3最大流量：1.2（m/s）轉輪直徑：300～500（mm）測功機功率：400（kW）測功機轉速：900～1800（r/min）供水泵電機功率：400kW×23流量校訂筒容積：120（m）3水庫容積：750（m）試驗臺綜合效率偏差：＜0.25%3.2試驗臺系統(tǒng)試驗臺是一個封閉式循環(huán)系統(tǒng)。整個系統(tǒng)可雙向運行。系統(tǒng)中各主要零件的名稱、參數(shù)及功能以下：液流切換器：流量率準時用以切換水流，一個行程的動作時間為0.02s，由壓縮空氣驅動接力器使其動作。壓力水罐：直徑2m的圓筒形水箱。為模型機組的高壓側。擁有偏愛法蘭，以適應不一樣模型的安裝和調整。推力均衡器：由不銹鋼制造。試驗時可對機組遇到的水平推力進行自動均衡，安裝時作為活動伸縮節(jié)。模型裝置:試驗用的水輪機模型裝置。測功電機：型號為ZC56/32-4，功率為400kW的直流測功機。試驗時可按電機或發(fā)電機方式運行。最高轉速為1800r/min。尾水箱：圓柱形水箱，為模型機組的低壓側。油壓裝置：4臺JG80/10靜壓供油裝置，此中一臺備用。供油壓力25kgf/cm2，供油量為7l/min。真空罐:形成真空壓力裝置。真空泵：二臺型號為H-70閥式真空泵。供水泵：24SA-10雙吸式離心泵。兩泵可依據(jù)試驗要求，按串連、并聯(lián)及單泵的方式運行。電動閥門:直徑為500mm，用以切換系統(tǒng)各管道，以實現(xiàn)試驗臺各樣運行方式?？諝馊芙庀洌喝芙庀錇橄到y(tǒng)中壓力最高區(qū)，并有足夠大的體積，供給了系統(tǒng)中游離氣泡從頭溶解的條件。電磁流量計：用以丈量流量，由上海光彩-愛爾美特企業(yè)生產(chǎn)制造，型號為MS900F，其精度為±0.2%，可雙向丈量，輸入量程為0～31m/s。冷卻器:當試驗臺運行時間過長，水溫變化較大時，用以保持水溫基本不變。流量校訂筒：直徑4.8m，高6.75m圓形鋼制水箱，有效容積為3120m。3.3試驗臺電氣傳動控制系統(tǒng)電機及拖動系統(tǒng)在試驗臺中，電氣系統(tǒng)為試驗臺供給動力，經(jīng)過調理Ⅰ#水泵電機、Ⅱ#水泵電機、測功機的轉速，控制各閥門的開關來達到調理各試驗工況的目的。為了減少能耗，保證試驗臺知足不一樣形式水力機械的試驗要求，并保證系統(tǒng)中水流的穩(wěn)固性，兩臺供水泵電機及測功機，均采納無級變速的直流電機。測功電機選擇了ZC56系列、定子懸浮立式構造，Ⅰ#水泵電機選擇了GZ142系列產(chǎn)品，Ⅱ#水泵電機選擇了ZJD56系列產(chǎn)品。測功機、水泵電機的電樞和勵磁回路均采納晶閘管變流裝置供電。由變流直流傳動裝置來達成測功電機、水泵電機的轉速控制。調速系統(tǒng)采納智能數(shù)字調速系統(tǒng)，智能數(shù)字調速系統(tǒng)與其余系統(tǒng)的通信可經(jīng)過數(shù)據(jù)總線或分立式的I/O通道達成。試驗臺所選變流調速裝置為ABB生產(chǎn)的DCS500系列產(chǎn)品，它擁有高性能的轉速和轉矩控制功能，能知足迅速響應和控制精度的要求，擁有電樞電流和磁場電流控制環(huán)節(jié)的自動調諧功能，擁有完美的過流、過壓、故障接地等自診療功能。此外，人機通信方面，該系統(tǒng)有一個七段LED，驅動狀態(tài)和故障都以代碼數(shù)字顯示，為了能獲得更多的傳動狀態(tài)信息，在調速裝置上安裝一個多功能控制盤，能夠進行故障檢測、在線改正程序和設置參數(shù)。操作控制系統(tǒng)由PLC、IPC、大屏幕顯示器等構成。系統(tǒng)在操作上有三種操作方式，它們是手動方式、計算機方式、自動方式。系統(tǒng)運行時，工控機與PLC進行時實通信，在工業(yè)組態(tài)軟件支持下，對試驗臺運行狀況進行動向監(jiān)測，運用圖形界面反應各有關數(shù)據(jù)，使操作者能夠選擇試驗工況，控制閥門的狀態(tài)組合。在整個操作控制中，PLC做為整個控制系統(tǒng)的控制核心，它指揮整個系統(tǒng)的運行狀態(tài)，第一它與ABB調速裝置聯(lián)接，負責ABB調速裝置的輸入給定，由ABB調速裝置經(jīng)過I/O和A/D采樣控制水泵電機和測功機的各樣試驗工況的運行，同時，PLC還將有關數(shù)據(jù)和診療信息送給它的上位機又經(jīng)過組態(tài)軟件，為用戶供給各樣可視界面、信息，同時控制臺采樣，以能隨時地刷新工作狀態(tài)。3.4試驗臺參數(shù)丈量設施及校準方法流量

IPC，IPCPLC不停從流量是試驗臺重要參數(shù)之一，并對丈量偏差有重要影響。它的丈量及校準的正確性直接影響到試驗臺的綜合精度。高水頭試驗臺采納的電磁流量計型號為MS900F。其精度為±0.2%，可雙向丈量，輸入3量程為0～1m/s。水頭試驗臺水頭的丈量采納差壓傳感器。型號：3051CD4A22A1A量程：0～2.07MPa精度：0.075%力矩模型力矩丈量采納間接測法，即在長度為L=848.25mm的支臂上裝負荷傳感器，由該傳感器丈量的力乘以力臂得賣力矩。其傳感器性能以下：型號：1110-A0-1K量程：0～1000N·m精度：±0.02%轉速轉速用磁感覺器丈量。其性能以下：型號：4-0002量程：0～3000r/min精度：±1個齒(測速齒數(shù)為120個)尾水壓力尾水壓力丈量采納傳感器其性能以下：型號：3051TA1A2B21A量程：0～200kPa精度：0.075%溫度溫度(水溫、氣溫)采納鉑電阻溫度傳感器。水溫測點部署在壓力管道，氣溫測點放在試驗層。兩種溫度都可在控制室讀出，進而依據(jù)水溫修正水的密度。其性能以下：量程：0～100℃分辨率：±0.1℃壓力脈動壓力脈動丈量采納傳感器的性能以下：牌號：4285A10精度：±0.5%大氣壓力大氣壓力丈量采納立柱式水銀壓力計丈量，精度為0.1mm?？栈^察在空化試驗中，除了確定空化系數(shù)σ外，試驗臺裝備有流態(tài)察看成像系統(tǒng)，進而可對轉輪出入口空化氣泡、葉道渦及錐管渦帶等進行察看及攝像。3.5試驗臺數(shù)據(jù)收集和辦理系統(tǒng)試驗臺數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)由兩部分構成：數(shù)采器、計算機及外設。數(shù)采器VXI總線系統(tǒng)。它擁有數(shù)據(jù)傳輸快、靠譜性高、功耗低、體積小、易于集成及可隨時擴大等一系列長處。VXI收集是VXILINK集成方式。VXILINK包含一個安裝在計算機內的ISA卡，插在VXI主機箱0號槽背板上的VXI控制卡及3米長的VXI電纜。VXILINK支持I-SCPI。計算機及外設工作站1：VL6-586/200內存器32M、硬盤2.1GB、光驅8×CD，主要用于數(shù)據(jù)的收集,顯示及參數(shù)的動向波形追蹤。工作站2：VL6-586/200內存器32M、硬盤2.1GB、光驅8×CD，主要用于達成數(shù)據(jù)的辦理、屏幕畫圖、歷史資料的查問，數(shù)據(jù)重復性查驗，屏幕顯示目前形成的或是歷史數(shù)據(jù)文件中的數(shù)據(jù)，打印電量及工程量數(shù)據(jù)文件中的數(shù)據(jù)等。服務器：HP-E40內存器64M、硬盤4GB、光驅8XCD，主要用來儲存的試驗數(shù)據(jù)，按下工作站1主窗口界面中的“采樣工況點”按鈕，應用程序向服務器寫一次數(shù)據(jù)。工作站2應用程序從服務器檢索試驗數(shù)據(jù)在屏幕及畫圖儀上畫圖。打印機：HPElaserjet-4v做為試驗數(shù)據(jù)打印輸出。3.6試驗軟件試驗軟件用于高水頭試驗臺全部試驗數(shù)據(jù)收集和辦理。是用BorlandC++5.0語言編寫,運行于WINDOW95平臺,可對所測的變換成電量的物理量進行及時丈量和辦理。由六個試驗軟件構成一個試驗軟件包。本試驗軟件包功能豐富，使用靈巧，窗口顯示直觀清楚，支持鼠標操作，擁有快捷按鈕，供給了詳盡的在線幫助。同時支持網(wǎng)絡操作。3.7水輪機試驗時的試驗參數(shù)定義水頭HPdP1P2gZ1Z2Q2112A12A22P122Q211A12A22(3-38)HPdg(3-39)式中：Pd：出入口測點的總壓力差（Pa）H：凈水頭（m）P1-2：壓差傳感器承受的壓差（Pa）2A1,A2：模型機組出入口的過流面面積（m）ρ：水的密度（kg/m3）g：重力加快度（m/s2）輸入功率PiPiHQ

(3-40)式中：3Q：流入蝸殼的流量（m/s）3γ：水的比重（N/m）PuM(3-41)MLK(3-42)n30(3-43)式中：M：力矩（該力矩包含軸承端面密封摩擦力矩）(Nm)L：測功機力臂長（m）K：作用于力臂上的力，即壓力傳感器上承受的力（N）n：測功電機轉速（r/min）效率ηPu(%)Pi(3-44)單位流量Q11QQ11D12H(3-45)式中：D1：模型轉輪名義直徑（m）單位轉速N11N11空化系數(shù)σ

nD1H(3-46)V22aHVPg2gH(3-47)式中：Pg：傳感器測得的絕對壓力（mH2O）V2：測點地點斷面水的均勻流速（m/s）Hv：水的汽化壓頭（mH2O）a：傳感器中心到轉輪中心的距離，轉輪中心線下為正當（m）單位飛逸轉速n11p當軸力矩為零時，水輪機轉速為飛逸轉速npn11P

npD1H(3-48)壓力脈動振幅比率AHAH(3-49)式中：△H：測得的壓力脈動峰-峰值(mH2O)H：試驗水頭（mH2O）水的密度ρ(g/cm3)5T7.974106T24.23144108T3式中：T：水的溫度（℃）重力加快度g（當?shù)兀ゞ=9.80665(m/s2)三、水輪機的飛逸特征。水輪發(fā)電機組在正常狀況下，老是以額定轉速運行。這時，水輪機的轉動力矩和發(fā)電機的電磁力矩是均衡的。假如外界負荷忽然扔掉，調速機構失靈、導水機構又不可以及時封閉時，因為輸出的電磁力矩為零，因此輸入的水流轉動力矩除了少部分耗費于機械損失外，其余大多數(shù)就使機組轉速急劇增高，并將達某一最大轉速，這時的運行工況稱為飛逸工況，這時的最大轉速稱為飛逸轉速。水輪機飛逸轉速的大小與水輪機的飛逸特征有關，而飛逸特征一般用單位飛逸轉速n11R表示。按轉速相像公式換算出相應的單位飛逸轉速nRD1n11R（3-50）H（r/min）依據(jù)各n11R值可繪出該系列水輪機的飛逸特征曲線（圖3-8、圖3-9）。圖3-8混流式水輪機的飛逸特征曲線式水輪機的飛逸特征曲線（模型直徑

D1

圖3-9=460mm

轉槳）D1M=460mm）—為協(xié)聯(lián)關系損壞；---為協(xié)聯(lián)關系保持混流式與定槳式水輪機的飛逸轉速只與導葉開度和水頭有關。但對轉槳式水輪機，除了前兩個要素外，還與轉輪槳葉的轉角有關。所以，轉槳式水輪機的飛逸轉速存在兩種狀況：當導水機構、轉輪葉片操作機構同時失靈，且二者的協(xié)聯(lián)機構也遭損壞。槳葉安置角0與導葉開度a0可能發(fā)生任意組合。此時可對每一角在不一樣導葉開度下進行飛逸轉速實驗，繪出非協(xié)聯(lián)工況下不一樣槳葉轉角的飛逸特征曲線，如圖3-9中的組曲線。這組曲線中的每一根曲線可看作是其角的定槳式水輪機的飛逸特征。當導水機構和轉輪葉片操作機構同時失靈，但二者之間的協(xié)聯(lián)關系仍保持。此時，可利用其模型綜合特征曲線，選擇若干個單位轉速n11值，對每個

n11值找出若干個協(xié)聯(lián)工況點，亦即

角與a0的關系。將角和a0的對應點繪于上述的

組線上，而后將相同的

n11值的點連成曲線，即得n11=常數(shù)的協(xié)聯(lián)工況飛逸特征曲線（圖3-9中n1'組曲線）。一般說來，在同一水頭下，導葉全開時飛逸轉速最高。對轉槳式水輪機，當導葉開度a0及槳角轉角的協(xié)聯(lián)關系損壞，并且在導葉全開同時槳葉轉角愈小，飛逸轉速愈大。這一規(guī)律可在圖3-9中看出。已知模型水輪機飛逸特征后，即可按相像公式換算出原型水輪機的飛逸轉速nR。nRn11RHmax(r/min)（3-51）D1式中使用最大水頭Hmax是考慮到最大的飛逸轉速；單位飛逸轉速n11R與導葉開度a0有關，對轉槳式還與槳葉轉角有關。對混流式水輪機，求原型水輪機飛逸轉速時，若原模型幾何相像，a0TZ0TD1Ma0MZ0MD1T把原型水輪機導葉開度a0T換算為模型導葉可按公式開度a0M。關于轉槳式水輪機，可依據(jù)計算要求在飛逸特征曲線圖上選定n11R值。比如要計算協(xié)聯(lián)工況的飛逸特征，能夠在圖5-9中n11組曲線上找出飛逸前的n11值的曲線，在該曲線上依據(jù)所求的協(xié)聯(lián)工況點的導葉開度a0值確定n11R值。對未給出飛逸特征曲線的轉輪可按最大水頭Hmax和建議的最大單位飛逸轉速n11max計算。一些轉輪的n11max值列于表3-2中，表中對ZZ600和ZZ460分別為協(xié)聯(lián)損壞和協(xié)聯(lián)保持時的數(shù)值。表3-2轉輪的單位飛逸轉速值轉輪HL310-1HL310-2HL240HL230HL220HL200HL110ZZ600ZZ460型號n11max水輪機飛逸轉速與額定轉速之比稱飛逸系數(shù)KRnRn（3-52）水輪機的飛逸轉速系數(shù)大概范圍以下：軸流轉槳式水輪機保持協(xié)聯(lián)關系時軸流轉槳式水輪機協(xié)聯(lián)關系損壞時

KR2.0~2.2KR2.4~2.6混流式或水斗式水輪機KR1.7~2.0以上KR值其下限合用于低比轉速水輪機，上限合用于高比轉速水輪機。水輪機的飛逸特征除與機型、水頭和導葉開度等有關外，水輪機的汽蝕特征對飛逸轉速也有影響。試驗研究表示，因為汽蝕損壞了正常流態(tài)，水力損失增添，所以水輪