【硕士论文】水轮机微机测试系统研究.pdf

西华大学 硕士学位论文 水轮机微机测试系统研究 姓名：秦小辉 申请学位级别：硕士 专业：水利水电工程 指导教师：陈次昌;季全凯 20050101 水轮机微机测试系统研究 水利水电工程专业 研究生秦小辉指导教师陈次昌、季全凯 随着水轮机技术、测试技术和计算机技术的迅速发展，对水轮机微机 测试系统的精度、速度、操作界面等提出了越来越高的要求，因此，进行 深入的研究具有重大的理论和实际使用意义。 本文研究了水轮机模型试验的基本理论和方法，分析了水轮机的能量 特性，为水轮机微机测试系统进行了深入的理论分析和试验研究，为水轮 机微机测试系统的软件开发提供了理论基础。本文详细介绍了水轮机微机 测试系统的硬件组成和软件物理结构，在w in d o w s x p 操作系统下对软件进 行开发。对于水轮机能量特性曲线，本文选用了c h e b y s h e v 多项式数据拟 合法和逐次向后分段的牛顿均差插值法，该方法拟合的曲线光滑、真实、 效果好。 本文研制的水轮机微机测试系统经过我校四川省流体机械重点实验 室水轮机模型能量试验台试验验证，结果表明该操作系统操作方便、工作 可靠和测试效果好。 主题词：水轮机模型测试系统数据采集数据处理 a s t u d yo fc o m p u t e rs y s t e mf o rh y d r a u l i c m o d e lt u r b i n et e s t - b e d w a t e rc o n s e r v a n c ya n dh y d r o p o w e re n g i n e e r i n g m d c a n d i d a t e ：q i nx i a o h u i t u t o r s ：c h e nc i c h a n g 、j iq u a n k a i w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to ft u r b i n e 、m e a s u r e m e n ta n dc o m p u t e r t e c h n o l o g y , t h ep r e c i s i o n 、o p e r a t i n gs p e e da n di n t e r f a c eo ft h es y s t e ma r e m o r ea n dm o r ei m p o r t a n t s ot h er e s e a r c hw o r kh a dg r e a ts i g n i f i c a n c e t h e o r e t i c a l l ya n dp r a c t i c a l l y t h ep a p e rs t u d i e st h eb a s i ct h e o r ya n dm e t h o df o rh y d r a u l i ct u r b i n e m o d e lt e s t - b e d 、m a k e sd e e pt h e o r e t i c a la n a l y s i sa n de x p e r i m e n t a ls t u d yo n c o m p u t e rm e a s u r e m e n ts y s t e mf o rh n r a u l i ct u r b i n em o d e lt e s t b e d a n d a n a l y z e s t h et u r b i n ee n e r g yp e r f o r m a n c e ，w h i c hp r o v i d eg o o dt h e o r e t i c a l f u n d a m e n tt op r o g r a mt h ed a t aa c q u i s i t i o na n dp r o c e s s i n gs y s t e m ss o f t w a r e t h ep a p e ri n t r o d u c e sp a r t i c u l a r l yh o wt oc o n s t i t u t et h ec o m p u t e r m e a s u r e m e n ts y s t e m ，a n dh o wt op r o g r a mi t ss o f t w a r ei nw i n d o w so p e r a t i n g s y s t e m a b o u tp r o c e s s i n g t u r b i n ee n e r g yc u r v e ，t h ec h e b y s h e vf i t t i n g m a t h e m a t i c sm o d e li sa d o p t e d t h ea b o v em e t h o da r ev e r yg o o di nt h ec u r v e f i t t i n gs u c ha ss m o o t h 、t m t h 、e f f e c t i v ea n ds oo n t h ec o m p u t e rm e a s u r e m e n ts y s t e mi sv e r i f i e dt oe a s yt oo p e r a t e 、b es a f e a n de f f e c t i v eb ym a n yk i n d so fe x p e r i m e n t sa ts i c h u a np r o v i n c el i q u i d m a c h i n ek e yl a b o r a t o r y k e yw o r d s ：h y d r a u l i ct u r b i n em o d e lt e s t b e d ，m e a s u r e m e n ts y s t e m ，d a t a a c q u i s i t i o n ，d a t ap r o c e s s i n g 西华大学硕士学位论文 l 绪论 1 1 概述 自然界中有很多种能源，目前已经被利用的能源中主要有热能、水能、 风能和核能。我国拥有丰富的水能资源，据全国水力资源复查初步统计， 我国水力资源理论蕴藏量6 8 9 亿千瓦，可开发装机容量3 9 5 亿千瓦，不 论是水能蕴藏量，还是可能开发水能资源，均居世界第一位，我国发展水 电的资源优势相当突出， 水力发电是清洁的电力生产，不排放有害气体、烟尘和灰渣、没有核 辐射污染、成本低、运行管理简单、启动快、消耗少、适于调峰和调频、 污染少等优点。并且水能是可再生能源，水力发电效率高，常规水电站水 能利用率高达8 0 左右，而火力发电的热效率只有3 0 一5 0 。因此水能是 一种最经济的一次能源也是一种永远消耗不尽的能源，在电力工业中起着 特殊的作用。 为了利用电能，必须修建水工建筑物以集中落差、控制流量和输送水 流。当水流从上游通过水轮机流向下游时，水轮机将水能变为机械能，再经 发电机转变为电能。因此，水电站是将水能转变为电能的设备和建筑物的 综合体，是生成电能的企业。 水轮机是水电站中的重要设备，它是水力原动机，水轮机的过流通道 由引水部件、导水机构、转轮和泄水部件构成。起着将水能转变为轴的旋 转机械能的功能。能量的转换是借助转轮叶片与水流相互作用来实现的。 水轮机的好坏直接决定水电站发电量的多少和经济效益的高低。所以水轮 机的选择是水电站设计中的一个非常重要的内容。 科学的发展与测试技术的发展有着密切的联系。测试是人们认识客观 事物的重要方法，是通过试验测量和数据处理等基本环节从客观事物取得 有关信息量值的重要认识过程。它的准确度、灵敏度以及测试的范围在很 大的程度上决定了科学的发展水平。测试技术达到的水平越高，科学的成 就也越为深广。另一一方面，科学的发展又为测试技术的发展创立了新的前 提、途径和可能性。 西华大学硕士学位论文 水力机械的发展与水力机械测试技术的发展密切相关。水力机械测试 技术水平在一定程度上直接代表了水力机械试验研究的水平。 到目前为止，由于水轮机特别是叶轮内的流动是非常复杂的，只能依 靠些简化设计的假设来对叶轮进行水力设计和机械结构、强度设计，最 后通过模型试验来选择。随着计算机硬件和软件技术、数学、流体力学等 相关学科的发展，数字模拟方法鼐到了广泛应用，并且有可能减少某些测 试，但并不能取代物理模型方法，不能为水轮机提供完整的性能曲线和参 数，在许多复杂的实际应用中，测试常常是解决问题的基本方法，甚至是唯 的方法。因此，模型和原型试验仍然是获取数据的基本手段。一种新型 的水轮机或水泵的出现，几乎总是进行广泛的模型研究，而后进行产品的 设计。在水力机械许多复杂的应用问题中，试验常常是解决问题的基本方 法甚至是仅有的方法。例如，汽蚀流动就很难用解析方法研究清楚，在水 力机械制造工业中研究汽蚀的基本方法仍然是试验。 在一定的试验装置上进行水力机械外特性或内特性的参数测定，须正 确的选择测量方法，正确的进行静态或动态取样并准确的进行数据处理。 这些正是测试技术所涉及的基本内容。 水力机械发展的历史证明，每当试验及测试技术有所突破，水力机械 的基本理论就有所发展，并使一些疑难问题得到解决。例如高速摄影机的 发明，促进了汽蚀机理新的假说的出现，高精度电测技术的应用，使转轮 设计中微小的改善得到鉴别。这些例子，充分说明测试技术对理论发展的 促进作用。另一方面，新的测试技术又总是随着各种试验研究的实际需要 而出现和发展。 人们总是希望水轮机安全可靠地运行、效率高、机械震动和噪声小， 于是就给水轮机测试提出了很高的要求。因此，水轮机测试技术的发展。 在某种程度上说可以直接推动水轮机技术的发展“”。1 。 1 2 国内外现状 鉴于水轮机测试技术的重要性，国内外水轮机厂家、科研设计单位、 高等院校等在致力于水轮机的研究、开发和生产的同时，相继建立了一些 2 西华太学顿：e 学位论文 配套的水轮机试验台。 其中主要的有英国国立工程实验台( n e l ) 的水力机械试验台、美国明 尼苏达州立大学圣安东尼瀑布水力实验室( 简称s a f h l ) 、德国k s 8 公司 和瑞士苏尔寿公司的水泵试验台均采用了计算机自动化测试系统。目前我 国类似的水力机械试验台有东方电机股份有限公司的d f 1 8 大能量水轮 机模型试验台、清华大学的水力机械实验室、武汉大学的水力机械实验室、 江苏大学的流体机械工程技术研究中心、甘肃工业大学的水力机械实验室 等。这些试验台大多已经从人工进行仪器、仪表读数发展到由微机自动采 集数据、自动数据处理。 但从大体上来讲，我国的测试水平仍落后于许多发达国家。 1 3 发展趋势 水力机械测试技术发展的基本趋势主要表现在如下几个方面： 1 精度、自动化的综合测试技术 水力机械的效率在所有旋转机械中是最高的，巨型水轮机效率已达到 9 5 。因此，为了鉴别水力机械特别是水轮机在设计上微小的改善，一般 要求在试验室内单项的测试精度在0 1 0 3 以内或更高。设计上 的微小差异对于小型水轮机并不重要，但对长期连续运转的大型水轮机组 来说，任何微小效率的改善都具有重要的经济意义。传统的一次测量方法 使测试精度的进一步提高受到限制，不能鉴别设计上的微小改善，此外， 一次测量方法不可能进行自动测量和瞬时测量，难以监视工况的稳定，而 且一个参数的测量几乎就要安排一个人，这对于进行长期连续的试验研究 是一个沉重负担。如何实现试验过程的自动化已经成为一个重要问题，因 为它是提高科研效率的新的技术基础。要提高测量精度并使参数测量和数 据自动化处理，必须采用以电子计算机为中心的综合测试系统。 2 深入进行内特性方面的测试 深入进行水力机械流道内不同工况下流速分布、压力分布、压力脉动、 汽蚀形态、汽蚀强度、汽蚀侵蚀部位等内特性的研究，对全面预测水力机 械的性能、发展水力机械理论和提高设计水平有重要的意义，因此国外一 3 两华火学颂士学位论文 些厂家和有关高等学校对内特性的测试十分重视。目前高速摄影技术、流 场显示技术、热膜探针、电子探针以及激光测速仪的等新技术和仪表均以 得到应用。电子计算机在流态分析中也得到了应用。 3 用实时频谱分析仪器或用电子数字计算机对随机振动或压力脉动 信号进行频谱分析也比较普遍。此外，动态测试日益受到重视。 随着科学技术的发展，一些先进的测试技术必将在我国逐步得到应用 1 2 】 3 j 1 4 本课题的提出和所要求完成的任务 本课题的研究内容为水轮机模型能量特性试验，主要利用西华大学 重点实验室的水轮机模型能量试验台，针对水轮机微机测试系统的构成、 数据采集和数据处理系统进行研究，进行模型能量特性试验。要求自编的 软件界面友好，操作简单方便，能绘制出水轮机的等开度线和等效率线， 曲线应尽量光滑、效果好、精度高。 对于水轮机进行模型能量试验，主要测试的参数有试验水头、堰顶水 头、转速、制动力矩，对于同一个量的测试，根据具体情况又采用不同的测 试方法，因此在选择传感器和二次仪表就有所不同。本课题首先解决仪器 种类和量程的选择：其次，需要解决如何采集数据和大量数据的保存和处 理问题：此外为了在研究、开发和使用中的方便，还需要水轮机的具体试验 数据和绘制能量特性曲线，则应考虑采用什么方法处理数据报表、采取什 么曲线拟合方法绘制曲线等问题。 本文根据以上的选择，构成了实际的水轮机微机测试系统的物理结构 采用操作简便的a c c e s s 2 0 0 0 建立数据可和当今最流行、方便的可视化程 序语言一v i s u a lb a s i c 6 0 编制操作简单、人机界面友好的应用程序。 4 两华大学硕士学位论文 2 软件设计的理论基础 2 。l 试验装置简介 水轮机模型能量试验装置主要用于确定水轮机的能量综合性能，亦即 确定某种工况下水轮机的效率，除此之外，还可以用它进行下列的一些试 验：1 水轮机某些过流部件( 例如导水机构) 的水压力和水力矩等力特性试 验：2 过流部件水流的速度和压力分布试验：3 主要过流部件的压力试 验：4 飞逸特性试验：5 配以适合的控制操作部件后，用来进行过渡过程中 负荷参数交化情况及导水机构关闭规律的研究等。 水轮机模型能量试验装置一般采用开式试验台。所谓开式是指其上、 下游均有与大气相连的自由表面。 本课题的研究是以我校能源与环境工程学院流体机械省重点实验室 的水轮机模型开式试验台为对象，对测试系统进行开发和研究，该试验台 的示意图如图2 - 1 所示。 图2 一l 是水轮机模型开式试验台简图，表明其水箱循环系统的总体布 置。在该循环系统中，供水泵l 自回水池1 3 抽水至压力水池2 ，压力水池 的水流通过模型水轮机6 至尾水槽7 ，经测流槽1 0 而流至回水池，再由供 水泵1 抽至压力水池2 ，形成试验过程中往复循环的水流。 压力水池2 是一个大容积的蓄水池，其作用是在试验过程中保持一定 的上游水位以形成试验水头。在眶力水池上部中心装置有上游溢流装置 3 ，利用它来控制箱内水位恒定于一定的高度。多余的水流经溢流装置排至 回水池。 在尾水槽的后部设置调节阀门8 ，试验时可根据流量大小来改变调节 阀门开口，以保持下游水位在试验过程中为一恒定值。通过溢流板及稳流 栅9 的水流均匀流到测流槽1 0 。 由于在压力水池及尾水槽中采取了上述措施，实现了水位的稳定。因 此，保证了试验水头基本恒定。 5 西华大学硕士学位论文 f i g u r c 2 - - lt h eh y d r a u l i ct u r b i n em o d e lt e s t - b e d 图2 1水轮机模型能量开式试验台简图 1 、供水泵2 、压力水池3 、上游溢流装置4 、测速盘 5 、测功器6 、模型水轮机7 、尾水槽8 、调节阀门 9 、稳流栅1 0 、测流槽1 1 、浮子筒1 2 、堰板1 3 、回水池 为了保证流经测流槽的水流稳定以提高堰板测流的精确度，在槽的入 口处设置了稳流栅9 ，同时还要求槽身必须有足够的长度。”1 。 2 2 模型试验的分类及主要技术数据 模型试验按其目的可分为能量试验、汽蚀试验、飞逸特性试验、轴向 水推力试验、导叶水力矩和转轮叶片水力特性试验等。在进行这些试验时， 有时亦在模型机组上测定各过流部件中的流速和压力分布，以研究各种工 况下流速与压力场的分布规律。 冲击式水轮机由于其结构及工作过程与反击式水轮机均有不同的特 点，因此，冲击式水轮机的模型试验要在专门的冲击式水轮机模型试验台 上进行。 模型试验根据所要求的精度可分为比较性试验和精确性能鉴定试验， 前者试验精度要求较低，模型转轮直径较小。进行这类试验的目的一般是 6 西华大学硕十学位论文 对若干个模型设计方案进行初选。 精确性能鉴定试验主要用于确定模型的保证性能参数及详细的特性， 一般在比较性试验完成后进行。为了能达到与原型的较好的水流模拟，模 型的尺寸要大一些。 在进行水轮机试验时，一般来说，模型尺寸越大，则其过流部件的几何 形状越能做得精确，试验的数据准确度越高。但随着模型尺寸的增加将使 模型水轮机过流量及出力增加，过大的模型尺寸将导致试验设备规模及费 用过大，同时使参数精确测量产生一些特殊性闯题，因此，模型转轮的比例 要进行技术经济比较后合理确定，使之能保证一定的试验精度，又在费用 上合理，且设备制作可行。根据目前的水平，比较性试验模型转轮直径采用 历= 2 5 0 m m ，精确性能试验历= 3 5 0 、4 0 0 、4 6 0 m m 。国外曾作过扔= 1 0 0 0 m m 。 模型试验水头的选择，直接影响到模型试验的转速、流量和功率，根据 相似公式有： 以n n l l h m d r a 如；q 1 ，d 2 4 h ( 2 - - 1 ) n m n p 2n3 h 1 所以在选定模型试验水头时，要考虑这三个参数。近年来，有逐步提高 试验水头的倾向。一般模型能量试验水头为2 7 m ，模型汽蚀试验水头为 2 0 一6 0 m 。 关于模型试验的流量，从测流槽的规模看，一般不大予2 m 3 s 。从提高 功率测量精度的观点，模型出力最好在5 0 k w 以内。模型正常转速一般不超 过1 5 0 0 r m i n ，这主要是考虑到过高的转速会引起振动及机械测功器的磨 损。 试验台的机组段，应考虑能适应于装置。各种类型结构的模型，在尺度 上留有足够的裕量。在结构上应考虑到模型流道与上、下游孔板的方便联 接、调整与方案更换，这样可以扩大试验台的应用范围并缩短试验周期“1 。 7 西华大学硕士学位论文 2 3 水轮机综合测试系统组成 2 3 1 综合测试系统简介 水力机械的科学研究和工业生产对水力机械试验提出了新的要求一 采用较高的试验参数和先进的测试技术，以获得比较高的试验精度并实现 测量自动化。为此，必须采用以电子计算机为中心的综合测试系统。 综合测试系统是应用测量仪器仪表、转换装簧和电子计算机及外部设 备进行自动测量、试验和数据处理的装置系统。它应用现代化的检测手段、 计算技术、自动化技术并将它们有机的结合，使试验与测试摆脱小规模、 单参数的状态而向工程规模发展，成为应用现代综合技术的重要方面。 综合测试系统具有很高的测量精度主要是由于它采用了高精度的检 测器和数字转换技术，利用计算机多次采集并计算所得测量参数的平均 值，从根本上消除了因试验台不稳定而造成的被测参数波动的影响及读出 误差。 综合测试系统在试验过程中能随时显示结果，使试验人员能立即做出 判断，试验一结束可以立即输出试验结果甚至绘出试验曲线。 此外，在减轻试验人员劳动强度、改善工作条件方面，综合测试系统 都有无可比拟的优点。但不足之处是：系统需要的设备及投资较多；设备 及元件的可靠性对试验工作的影响较大；设备的使用、维修和编程比较复 杂，需要一定熟练的专职人员。 在水力机械的综合测试系统中，由于对试验的要求、目的不同，其控 制方式不同，基本上可分为两种类型：即闭环控制和开环控制。 如果在试验过程中，计算机通过检测变送单元对试验过程中的被控参 数( 如流量) 进行测量、计算后其结果又转换为一定形式的电信号反馈给 控制器，使试验台的执行机构( 如阀门) 动作，以变更水力机械的工况， 同时进行调节使其达到预先的给定值，从而开始新工况点的试验。这种控 制方式称为闭环控制。其系统方框图见图2 2 ： 8 西华火学硕士学位论文 f i g u r e 2 - - 2t h ep a n ef o rc l o s e dl o o pc o n t r o l 】i n gs y s t e m 图2 2 闭环控制系统方框图 如果计算机的计算结果仅仅是提供试验数据，而试验台的执行机构 ( 如阀门) 仍然由试验人员去控制，这种控制方式称为开环控制。在开环 控制系统中计算机不接受被控参数的反馈信号，而仅仅接受试验人员的要 求。其系统方框图见图2 - - 3 ： f i g u t e 2 - - 3t h ep a n ef o ro p e n e dl o o pc o n t r o l l i n gs y s m m 图2 3 开环控制系统方框图 通常，在水力机械试验中以采用开环控制的居多，这是由于水力机械 试验不同于生产过程的控制。因为一般的生产过程，产品定型、生产的批 量大，而工艺流程固定，因此，程序设计就比较简单易于实现。面水力机 械试验中的综合测试系统除需要进行数据处理外，还需对试验工况是否稳 定进行判断、观察，对中间结果要求能用打字机或显示器显示。因此，人 机联系多。另外，被测水力机械的类型、试验项目不一，又是单件试验， 难以编制固定的试验程序。同时，在试验现场还要进行观察、摄影等工作， 此时，采用开环控制就比较机动灵活“2 “。 2 3 2 水轮机综合测试系统组成简介 一般来说，综合测试系统主要由三大部分组成，即计算机( 主机) 、 外部设备以及工业自动化检测仪表等。它们组成了系统的硬件部分。 计算机的工作是在软件( 程序) 的控制下进干亍的，一般的通用语言不 9 西华大学硕士学位论文 能满足综合测试系统对实时操作及人一机对话等要求，通常由用户自行编 写专用( 或应用) 程序。 计算机( 主机) ：计算机是整个系统的核心装置，其他设备是在它的 指挥下进行工作，所以称为主机。在综合测试系统中主机的主要作用是自 动接受从试验现场送来的反映不同工况的各种信息，并对这些信息进行加 工、运算、判别以及分析等操作。水力机械综合测试系统中的计算机一般 属于工业控制机( 或称控制机，是一种用于控制系统的计算机) 。 外部设备：外部设备是相对主机而言。外部设备可分为三大类：外存 储器：人一机联系设备；过程输入、输出通道。 人一机联系设备是人和计算机之间交换信息的桥梁，包括纸带打印 机、电传打字机、x y 绘图仪等多种输入、输出设备，同时也包括运行台 及显示报警单元。 自动检测仪表：其作用是通过变送器( 传感器) 把试验过程中的被测 参数成比例地转换成模拟电量、数字电量或脉冲电量信号送入输入过程通 道及显示仪表。传感器地选择主要根据精度及可靠性来决定。根据水力机 械试验的特点，大多数参数可以转换成力和压力的形式，因此，仪表选择 应尽可能统一化叫潮。 2 3 3 本模型试验测试系统硬件组成 测量仪表的选择既要满足试验台精度的要求，又要满足本系统自动化 程度的需要。传感器的选择直接影响到整个数据采集系统的系统精度、准 确性以及系统运行的可靠性。在满足数据采集精度的前提和试验台设计指 标下，针对测试参数的种类、范围、精度和信号i 0 方式可靠性等情况， 选择相应传感器的类型、量程、精度、抗干扰能力、过载能力和信号i o 方式，这些传感器在国内信誉好、可靠性高、精度高、抗干扰能力强且性 价比合理，大多传感器还带有显示功能，便于操作员随时监视，发现问题 并解决问题。 1 0 西华大学硕士学位论文 f i g u r e 2 - - 4h a r d w a r ec o n f i g u r a t i o no ft u r b i n ec o m p u t e rm e a s u r e m e n ts y s t e m 图2 4 水轮机微机测试系统硬件结构图 图2 4 是本模型试验微机测试系统硬件结构图，水轮机模型能量试 验需要采集的数据有试验水头、堰顶水头、制动力矩和转速。试验水头的 数据采集选用电容式差压变送器，堰顶水头的数据采集选用微压传感器， 制动力矩的数据采集选用b k 一2 y 测力测重传感器，均得到4 2 0 1 a 的 直流输出信号：转速的数据采集选用s z m b 一5 磁电转速传感器，输出近似 正弦波电信号：采集到的四个电流信号经过电阻转换为o 一5 v 的电压信号 输入p c l 一8 1 2 p g 多功能数据采集卡，经过多功能数据采集卡上的a d 转 换器转换成数字信号输入工业控制计算机进行数据处理。 下面就分别介绍试验过程中使用到的硬件的性能 1 工控计算机 在该测试系统中，一般周围都有大型电动机驱动，所以存在较大的电 磁干扰和机械振动，测试计算机和信号电路应该具备防电磁于扰和机械振 动的能力。 由于该程序在设计时用到v i s u a tb a s i c 6 0 、a c c e s s 2 0 0 0 等软件，对 开发软件的硬件要求也相应比较高，因此计算机的硬件配置至少要满足 v i s u a lg a s ic 6 0 等软件的最低要求。配置如下： l i 西华大学硕士学位论文 c p u ：赛阳41 7 g ： 内存：2 5 6 m d d r ： 硬盘：4 0 g ： 由于开发该软件对显卡、主板等要求不高，在此对其它硬件不作叙述。 2 水轮机模型开式试验台 软件开发后期，程序的调试是在西华大学流体机械重点实验室的水轮 机模型开式试验台上进行现场调试的，该试验台的基本参数如下： 最大试验流量：“产0 6m 3 s 最大试验水头：= 5 m 测功机转速：，k = 2 0 0 0 r m i n 模型转轮直径：d = 2 5 0 m m 3 电容式差压变送器 在试验过程中，试验水头的测量是由连接压力水池和尾水槽的液面高 差来确定的。因此选用了电容式变送器，精度0 2 5 级”1 。 4 微压传感器 在试验过程中，堰顶水头是钡蜿槽水位与测流槽零水位的高差。选用 了微压传感器，量程为o - - 3 0 0 m m ，精度o 2 5 级。 5 b k 一2 y 测力测重传感器 根据试验过程中对力矩铡试的要求，选甩了b k 一2 y 测力n 重传感 器，其主要技术指标如下： 量程：0 0 l 1 0 t 灵敏度：l 一2 5 m v v 输出：4 - - 2 0 m a d c 精度：0 2 级0 1 6 s z m b 一5 磁电转速传感器 转速则选用了s z m b 一5 磁电转速传感器，其基本参数如下： 输出波形：近似正弦波( 5 0 r m i n ) 输出信号幅值：5 0 r m i n 3 0 0 m v ，传感器铁芯和被测齿轮齿顶间隙 6 = o 5 m ，被测齿轮模数m = 2 ，齿轮z = 6 0 ，材料电工钢。信号幅值大小，与转 速成正比，与铁芯和齿轮顶间隙的大小成正比。 1 2 两华大学硕士学位论文 测量范围：5 0 h z - - 5 0 0 0 0 1 一i z 精度：0 1 级 输出形式：x 1 2 k 4 p 插头。1 7 p c l 8 12 p g 多功能数据采集卡 p c l 一8 1 2 p g 多功能数据采集 是为i b m p c 及其兼容机设计的多功 能数据采集卡，其主要功能有： ( 1 ) 分辨率为1 2 位的高速单端模拟输入信号a d 转换： ( 2 ) 编程的模拟信号输入范围及其增益。有6 种输入范围和5 种增益： ( 3 ) 程序触发、可编程定时器触发和外部脉冲触发等3 种a d 转换触 发模式： ( 4 ) 程序控制法、中断法和d m a 法3 种数据传送方法： ( 5 ) d a 转换功能、定时器计数器功能、d i 和d o 功能等“”“8 1 。 2 4 参数计算“吣 1 流量q 的计算： q c b k 2 ( 升秒) 式中： 川7 s s + 等秘7 争 d 一堰板高，本装置d = o 3 m h 一堰顶水头( m ) b 一堰宽，本装置b ：o 7 m 2 效率n 的计算： 钉；kp n 1 0 0 q h 式中： k 。卫 ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) 1 3 西华大学硕j t 学位论文 l 一测功臀长度，本装置1 = 0 4 3 7 m y 一水的重度，y = 9 8 1 0 n m 3 p 一制动力矩( n ) n 一转速( r m ir i ) q 一流量，( m 3 m i n ) h 一水头( m ) 3 单位转速n 的计算： n d 一，面 式中： r l 一转速( r m i n ) d 一模型转轮直径，d = o 2 5 m h 一水头( m ) 4 单位流量q 。的计算： q 1 1 - 嘉 式中： q 一流量o s ) d 一模型转轮直径，d = o 2 5 m h 一水头( m ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) 2 5 水轮机模型综合特性曲线的绘制 在水轮机相似理论中曾经指出，同系列水轮机在相似工况下其单位流 量a ，及单位转速7 。，分别相等，一定的日，和肌值就决定了一个相似工况。 因此，可以用翻。和扔。为参变量表示同系列水轮机在不同工况下的效率玎 值、开度面及空化系数。等的变化情况。在以a ，和胁，为纵、横坐标轴的 直角坐标系中同时绘出等效率线巧= 艿( “，7 ，) 、等开度线函= 易( 窃，7 ，) 以及等空化系数线。= ( n ，m 儿对于转浆式水轮机还要绘出等叶片转角 1 4 惩华大学硕士学位论文 线中= ( a ，n 九这些等值线表示出了同系列水轮机的各种主要性能，故 称之为水轮机的主要综合特性益线。这种主要综合特性曲线一般出模型试 验的方法获得，因此，又称之为模型综合特性曲线。目前，世界上各国对水 轮机模型综合特性醢线的表示方法不尽相同，但上述表示方法采用单位转 速和单位流量作参变量，使各水轮机的特性曲线均用统一的尺度绘制，这 样，就消除了因水轮机尺寸及工作条件差异丽造成的影响，便于考察、比较 水轮机的性能。 通过水轮机模型试验可以获得关于能量、空化性能的一系列参数，根 据这些试验数据可以绘制出水轮机的模型综合特性曲线。图2 5 是曲线 绘制示意图。 乙 ， 。 l 缎|、1 弓 皈 。 讯飞 。 | 卺 一。 少 f i g u r e 2 - - 5t h eh i n t i n gf i g u r ef o rc u cd r a w i n g 圈2 5 曲线绘隶示意图 2 。5 1 等开度线的绘制 水轮机能量试验通常式在固定水头和固定的导叶开度下，通过控制水 1 5 鹾华火学硕士学位论文 轮机转矩去调节水轮机的转速，从而测得同一导叶开度下系列工况点的 性能参数。按照各试验工况点的水头丘流量口及转速见用相似定律公式 可求出各工况点的a ，和7 。将各工况点绘制到岛，- - 7 ，坐标系，用光滑曲 线将各点连接，即得到模型水轮机的的等开度线。 2 5 2 等效率线的绘制 等效率线是各运行工况下效率相同的工况点的连线，它反映了在同一 效率情况下疗，和岛。之间的关系。绘制等效率线的步骤为： 1 根据模型试验所获得的数据，计算出各工况点的效率玎与单位转速 疗。绘出各导叶开度下的玎= “皿，) 曲线，每个开度有一条叮= 以刀，) 曲线。 2 在叮= “胁0 曲线图上以叮为某常数作一直线，与各开度下的_ 1 7 = ，( n ，) 曲线相交，得交点岛、b4 ，、坛b 。、，找出各交点相对应的岛 与n 。 3 以0 ，为横坐标，以伪，为纵坐标绘一a 厂一d 。直角坐标系，并在其中 绘出各导叶开度的等开度线，将2 中所得到的各交点按其岛、胁。值绘到a ， 一加坐标图中相应的等开度线上，将其连成光滑曲线，即得到相应于所取 效率值的一条等效率衄线。 4 在 1 7 = “胁0 曲线图上取不同的间隔值( 间隔1 或2 ) 作直线，按步 骤2 、3 的方法可以绘出“一珊坐标系中若干条等效率曲线”“3 “”。 2 6 水轮机性能曲线数学模型的选择n 乱 2 6 1 一般多项式最小二乘法数字模型 一般多项式最小二乘法数学模型数据拟合是水轮机测试系统中应用 得最多得数学模型，也是国际电工委员会推荐使用的方法。该方法是由测 试得到的一组数据( 西、如j = l ，2 ，以求如下形式的多项式： 妒o ，) 昌口o + 口l z + + a n x 4 ( 2 8 ) 最大可能满足丑和n 之间的函数关系( 这里爪 = 2 ) | 1 h e n t u r b i n e - s t a t u s = 0 采样速度设置 西华火学坝上学位论文 e n df f t i m e 2 = r r u e e n ds u b 以上程序中，t e x t l t e x t 中存储的是试验水头的值：t e x t 2 t e x t 中 存储的是堰顶水头的值：t e x t 3 7 f e x t 中存储的是力矩的值：t e x t 4 t e x t 中存储的是转速的值：它们均为字符型变量。 3 4 2 数据处理 数据处理和数据采集是同步的，因此，在数据处理部分的程序也由时 问控件t i m e r 控制，相关程序部分代码如下： p r ir a t es u bt i m e r 2 _ t i m e r0各参数的数据处理部分 i ft i m e 2 = t r u et h e n d i mda sd o u b l e定义堰板高 d i mk u a na sd o u b l e 定义堰宽 d i mc la sd o u b l e 定义系数 d = v a l ( y a n b a n g a o )将字符型转换为数字型 k u a n = v a l ( y a n k u a n )将字符型转换为数字型 d i md la sd o u b l e 定义模型转轮直径 d l = v a l ( i m p e l l e r _ d i a m e t e r )将字符型转换为数字型 i ff o r m o p e n l i s t i n d e x = 0t h e n f o r m o p e n _ l i s t i n d e x 为全局 变量，其作用在于控制让数据存储到相应数据表 c 1 = 1 7 8 5 + ( 2 9 5 x 2 1 + 2 3 7 x 2 i d ) 计算流量参数 的c v 2 = c i k u a n x 2 l 1 5 计算流量 f a = ( v 2 d l “2 ) s q r ( x 1 1 )计算单位流量 f 1 = x 4 1 $ d l s q r ( x 1 1 ) 计算单位转速 d i md 2 a sd o u b e 定义测功臂长 d 2 = v a l ( c e g o n g b i l o n g )将字符型转换为数字型 d i mp 2a sd o u b l e 定义效率返回值 p 2 = ( 3 1 4 1 5 9 2 6 5 d 2 ( 3 0 女w a t e r w e i g h t ) ) 珠x 3 l 9 8 1 西华大学顺一【j 学位论文 木x 4 l $ 1 0 0 1 0 0 0 ( v 2 $ x 1 1 ) i fa d o d c 2 r e c o r d s e t r e c o r d c o u n t x l ( i )t h e na t h e nb t on t t l l l = ( 2 女x l ( i ) 一( a 十b ) ) ( b a ) t on t l l n = 1 = t ( i ) = 2 木( t ( i ) = 4 ( t ( i ) i onum a l l + t c o a 1 2 + t c o a 1 3 + t c o a 1 4 + r e 0 t c o t c l t e 2 7 f c 3 1 3 t ( i ) 4 3 n u n u i i i i i j n n 笏 a 2 1 = a 2 1 a 2 2 = a 2 2 a 2 3 = a 2 3 a 2 4 = a 2 4 a 3 l = a 3 1 a 3 2 = a 3 2 a 3 3 = a 3 3 a 3 4 = a 3 4 a 4 l = a 4 i a 4 2 = a 4 2 a 4 3 = a 4 3 a 4 4 = a 4 4 b 1 = b l + b 2 = b 2 + b 3 = b 3 + b 4 = b 4 + 西华大学硕。i - ：学位论文 + t c l ( i ) $ t c o ( + t c i ( i ) $ ，c i ( + t c l ( j ) $ r e 2 ( 十t c l ( i ) 末t c 3 ( + t c 2 ( i ) t c o ( + t c 2 ( i ) $ t c i ( + t c 蕊i ) t c 2 ( + t c 2 ( i ) 木t c 3 ( + t c 3 ( i ) 术t c o ( 十t c 3 ( i ) 卓t c l ( + t c 3 ( i ) $ t c 2 ( + t c 3 ( i ) t c 3 ( y l ( i ) t c o ( i ) y l ( i ) ；i ct e l ( i ) y 1 ( i ) $ t c 2 ( i ) y l ( i ) 书t c 3 ( i ) n e x ti d ow h il e ( a b s l = 0 0 0 0 0 0 1o ra b s l = 0 0 0 0 0 0 1o ra b s l = 0 0 0 0 0 0 1o ra b s l = 0 o o o 0 0 1 ) c o = ( b l a 1 2 宰c l a 1 3 ：譬c 2 一a 1 4 $ c l = ( b 2 一a 2 1 c o a 2 3 术c 2 一a 2 4 c 2 = ( b 3 一a 3 1 $ c o a 3 2 誊c 1 一a 3 4 $ c 3 = ( b 4 一a 4 1 $ c o a 4 2 丰c 1 一a 4 3 女 a b s l = a b s ( c o o c 0 ) a b s 2 = a b s ( c l o c 1 ) a b s 3 = a b s ( c 2 0 一c 2 ) a b s 4 = a b s ( c 3 0 一c 3 ) c 0 0 = c o c 1 0 = c l c 2 0 = c 2 a 1 1 a 2 2 a 3 3 a 4 4圆锄渤翻 西华大学碗j 二学位论文 c 3 0 = c 3 l o o p t v = ( 2 $ x 一( a + b ) ) ( b a ) c h e b y s h e v = c o 牢l + c l 章t v + c 2 幸( 2 毒t v 牵t v 1 ) 十c 3 丰 ( 4 t v 木t v 水t v 一3 $ t v ) e n df u n c t i o n 等开度线a 严，( 勃、研) 图像绘制在f o r ml o a d 事件中进行处理， 其程序代码如下： i ft u r b i n e g l o c a l p e r f o r m a n c e = t r u et h e n f o ri = 1 0 0t o 1 8 5 0 y v = x n b + i o 1 l o c y = y v + 1 0 x v = c h e b y s h e v ( x n0 ，x qo ，n u m d a t a b a s e ，y v ) l o c x = r o u n d ( 5 0 + x v ) p i c t u r e l p s e t ( l o c x 。l o c y ) ，v b b l a c k n e x ti e n di f 2 等效率线的绘制 图3 5 是等效率线的绘制流程图。曲线审= ，( 1 7 。，) 是在软件的后台进 行处理的，采用c h e b y s h e y 插值法进行曲线拟合：曲线刁= ，( 岛、胁) 的绘制采取的是逐次向后分段的牛顿均差插值方法。 实现逐次向后分段的牛顿均差插值法功能的程序代码如下： o p t i o ne x p l i c i t o p t i o nb a s e1 d i mha si n t e g e r d i mia si n t e g e r d i mka si n t e g e r p u b l jcf 0a sd o u b l e d i mc 0a sd o u b l e 4 5 两华大学碗k 学位论文 d i mta sd o u b l e d i msa sd o u b 】o f i g u r e 3 - 5d r a w i n gf l o w i n gf o re q u a l i n ge f f i c i e n c yc u r v e 图3 - 5 等效率线的绘制流程图 一 婴堡墨堂堡竺望垡堡兰 f u n c t i o nn e w t o n l n s e r t v a u e ( b y r e f x 0a sd o u b l e ，b y r e fy 0a sd o u b le b y v a in u ma s i n t e g e r ，b y v a x 1a sd o u b l e ) a sd o ub 1e