（农业水土工程专业论文）水力机组运行特性测试关键技术应用研究.pdf

摘要 本论文从模型试验和现场原型试验两个方面，并紧密结合实际工程问题，对水力机组实测技 术的应用进行了研究，为机组的运行提供参考依据。 首先，介绍了水力机械模型试验台控制与测量系统的研制过程，包括控制系统设计、测量系 统设计、试验结果分析等方面。最终开发了自动化、数字化控制系统软件和方便实用的测量系统 软件。 然后，针对小浪底水电站1 号机组，进行了现场绝对效率试验和机组稳定性试验研究。包括 试验方案确定、测点布置、测试方法及试验结果分析等方面。效率试验研究中对蜗壳压差法和压 力一时间法两种流量测量方法进行了详细分析，并用压力一时间法对机组的蜗壳压差流量系数进 行了率定。稳定性试验研究中对机组进行了开机试验、甩负荷试验和变负荷试验，并对试验方法 和试验结果均作了详细分析。通过效率试验和稳定性试验所得到的各种曲线和成果可作为制定电 厂经济安全运行、优化调度和节水节能的依据。 展后，本文还对如何解决水轮发电机组动平衡问题进行了研究，并针对欧阳海水电站3 号机 组开展了动平衡试验，在综合考虑机械不平衡和电磁不平衡两个因素的情况下，通过现场实测鉴 别出了机组发电机转子不平衡质量的方位。并对机组进行了配重试验，大大减小了机组的振动。 关键词：水力机械，模型试验，效率试验，稳定性试验，动平衡试验 a b s t r a c t t h ep r e s e n tp a p e rs 址d k st h e a p p l i c a t i o no fk e yt e c h n o l o g i e si np e r f o r m a n c et e s t o fh y d r a u l i c m a c h i n e r yw i t ht h ea c t u a lp r o j e c tp r o b l e m s i ti n c l u d e st w oa s p e c t s ，m o d e lt e s ta n dp r o t o t y p et e s t ， p r o v i d e sr e f e r e n c ee v i d e n c e sf o r t h eo p e r a t i n go fm a c h i n e r y f i r s t l y , i td e s c r i b e st h er e s e a r c hp r o c e s so fc o n t r o la n dm e a s u r es y s t e mf o rt e s ts t a n do fh y d r a u l i c m a c h i n e r y i tc o n s i s t so fc o n t r o ls y s t e md e s i g n , m e a s u r es y s t e md e s i g n ，r e s u l ta n a l y s i sa n ds oo n f i n a l l y , i tf o r m sa l la u t o m a t i c , d i g i t a lc o n t r o ls o f t w a r ea n df a c i l i t ym e a s u r es o f t w a r e s e c o n d l 弘i ts t u d i e st h ea b s o l u t ee f f i c i e n c yt e s t a n du n i ts t a b i l i t yt e s ta i m e da tt h e1 劳u n i to ft h e x i a o l a n g d ih y d r o - p o w e rs t a t i o n ，i tc o n s i s t so fe s m b h s h n gt e s ts c h e m e ，l a y j n 鬈t e s tp o i n t s ，t e s tm e t h o d ， r e s u l ta n a l y s i sa n ds oo n i nt h ee f f i c i e n c yt e s t ，v o l u t ep r e s s u r ed i f f e r e n c em e t h o da n dp r e s s u r e t i m e m e t h o da r et w oi m p o r t a n ta s p a c q s + a n di to b t a i n st h ec o e f f i c i e n to fv o l u t ep r e s s u r ed i f f e r e n c et h r o u g h t h ep r e s s u r e - t i m em e t h o d i nt h es t a b i l i t yt e s t s t u d y , i tc a r r i e so u ts t a r t u pt e s t ，t h r o wl o a dt e s ta n d d i f f e r e n tl o a dt e s t ，a n da n a l y z e st e s tp l a na n dt e s tr e s u l tp a r t i c u l a r l y a t lk i n d so fc u r v e sa n dc o n c l u s i o n s o b t a i n e df r o mt h eb o t ht e s t sa b o v ew i l lb et h eb a s i so fm a k i n gs a f e l ya n de c o n o m i c a l l yo p e r a t i n g o p t i m i z a t i o nc o n t r o l l i n g , a n de n e r g ys o u r c es a v i n gf o rh y d r o - p o w e rs t a t i o n l a s t l y , t h i sp a p e ra l s o 咖d i e st h ew a yo fh o wt os o l v et h em a s si m b a l a n c ep r o b l e m a n dt h er o t o r b a l a n c i n ge x p e r i m e n ti sc a r r i e do u to nt h e3 # u n i to ft h eo u y a n g h a ih y d r o - p o w e rs t a t i o n a f t e rt h e m e a s u r eo np r o t o t y p eu n i t , m a k e ss u r et h eo r i e n t a t i o no fr o t o rm a s si m b a l a n c e t h ee x p e r i m e n t c o n s i d e r st w of a c t o r sw h i c hw i l la r o u s ei m b a l a n c ew h e no p e r a t i n g ，t h ef o r c eo fm e c h a n i s ma n dt h e f o r c e o f e l e c t r o m a g n e t i s m , s o t h es h a f t i n g v i b r a t i o n i s r e d u c e d g r e a t l y k e y w o r d s ：h y d r a u l i cm a c h i n e r y , m o d e lt e s t ，e f f i c i e n c yt e s t ，s t a b i l i t yt e s t ，r o t o rb a l a n c i n gt e s t l l 图、表清单 图1 - 1 数据采集系统框图3 图2 一l 南水北调工程水泵模型试验台5 图2 2 水泵试验台计算机控制系统6 图2 3 试验台水泵效率试验控制界面7 图2 4 试验台计算机测量系统硬件连接图1 0 图2 - 5 试验台采集软件界面儿 图2 - 6 软件设计总体结构1 1 图2 7 水泵试验综合特性曲线1 2 图4 - 1 试验测点布置图2 3 图4 2 效率试验主要设备框图2 4 图4 3 蜗壳压差测量示意图2 6 图4 43 0 0 m w 工况甩负荷试验导叶关闭线2 7 图4 53 0 0 m w 工况压力一时间图面积计算2 7 图4 - 68 7 m 水头效率试验曲线3 0 图4 71 l o m 水头效率试验曲线3 0 图4 - 81 2 1 5 m 水头效率试验曲线3 0 图4 - 9 机组耗水率特性衄线3 0 图4 1 0 水轮机运转特性曲线上的实测效率线3 0 图4 1 1 稳定性试验测试系统3 2 图4 1 2 转速测量方式3 4 图4 1 3 自动开机过程转频随时间变化曲线3 5 图4 1 4 开机过程下导y 方向摆度瀑布图3 5 图4 1 5 开机过程顶盖压力脉动瀑布图3 5 图4 一1 6 甩负荷试验蜗壳进口压力上升3 7 图4 1 7 甩负荷试验转速上升3 7 图4 一1 8 上机架x 方向振动混频幅值3 8 图4 1 9 顶盖x 方向振动混频幅值3 8 图4 2 0 上导x 方向摆度混频幅值3 8 图4 2 1 下导x 方向摆度混频幅值3 8 图4 2 2 水导x 方向摆度混频幅值3 8 图4 2 38 7 m 水头压力脉动混频幅值3 8 图4 2 41 l o m 水头压力脉动混频幅值3 9 图4 2 51 2 1 5 m 水头压力脉动混频幅值3 9 图4 2 68 7 m 水头4 0 m w 工况压力脉动频谱图4 0 图4 2 7l l o m 水头6 0 m w 工况压力脉动频谱图4 0 图4 2 81 l o m 水头9 0 姗工况压力脉动频谱图4 0 图4 2 91 l o m 水头1 2 0 m w 工况压力脉动频谱图4 0 图4 3 01 2 1 5 m 水头1 5 0 m w 工况压力脉动频谱图4 l 圈5 - 1 变速试验上机架水平振动波形图4 4 图5 2 变速试验上机架振动双幅值随转速变化4 4 图5 3 动平衡试验配重方位4 5 i v 图5 4 配重块结构形式4 5 表2 1 水泵效率试验1 0 次重复性测试1 4 表3 1 水轮发电机组各部位振动允许值m m ( 双幅值) 1 5 表3 2 机组轴线的允许摆度值( 双幅值) 1 5 表3 3 传感器选型参考值1 7 表4 一l 效率试验测试设备表2 2 表4 2 蜗壳压差流量系数计算表2 8 表4 - 3 效率试验l o 次重复性记录表3 l 表4 48 9 1 - 2 型振动传感器率定系数3 2 表4 5h z - 8 5 0 0 型电涡流位移传感器率定系数3 3 表4 6 常见振动频率3 4 表4 7 甩负荷试验水压上升和转速上升计算表3 7 表4 85 个特殊工况蜗壳进口压力脉动和尾水管压力脉动互相关系数3 9 表5 1 变励磁试验结果4 4 表5 2 动平衡试验试重试验结果4 5 v 独创性声明 本人声明所里交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国农业大学或其它教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示了谢意。 研究生签名： 阖s 、凰 时间：泖6 年莎月印日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国农业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或扫描等复 制手段保存、汇编学位论文。同意中国农业大学可以用不同方式在不同媒体上发表、 传播学位论文的全部或部分内容。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研究生签名 导师签名 阂g 、因 日中唆j 丝 时间： 细6 年6 月f7 l = i 时间：历绛月甲日 中困农业大学硕士学位论文第章绪论 第一章绪论 1 1 研究背景及国内外研究现状 水电能潺楚一种可再生的清洁能源，我国河流水能理论蕴藏萱为6 7 6 x 1 0 7 m w ，相当于年发 电攫5 。9 2 x 1 0 “k w h ，炊能蕴藏爨屠卷褰蓥短。我国农麓资源技寒可汗发装规骞攫为3 ，7 8 x i 0 7 m w ，相当于年发电量1 9 2 x 1 0 ”k w h ，占世界总量的1 5 ，名列世界第一位【1 】。但目前豹开发程度 很低，大量的水能资源亟待开发。我国南水北调工程已迸八实施阶段，大型梨站将陆续必建；此 韩，不少跫建拳电站秘泵站氇器技术改造挺离经济效栽。为了提糍电力凄薰，实残奄蛄、泵鼯的 效益最优化，改善机组的运行性能显然是摄直接最有效的措施。采用先进的技术设备对模型帆组 和原型机组进行颡试，悬获取机组运行性能的最宜接、最有效的手段之一。 1 1 1 水力机械模型试验 水力机械妇于其固有的特性，许多试验研究工作在真枫上系统地、精确地进行还存在缀多圃 难，不但试验 二作的消费大，而鼠还会影响划机组的安企运彳j ：。大型机组转轮的生产必须首先研制 出模型转轮，缀离耪菠承力梳槭试验螽模糍承电齄或承泵菇豹实鬻；承头测试该模型，所戳永力机 槭模型试验在水电技术的发展巾起着十分黧要的作用口】。 水力机械模型试验一般都谯相应的模型试验台上进行。目前，国内外许多知名的水电设备制 造厂同时箭造承泵、水轮祝及承泵水轮机缀，因此大帮分试验台为高精度永轮机城水力梳械谴露 试验台。这些鞠对制造求浆及水轮规躯国躲知名镶l 造厂，主要分毒在瑞典、瑞士、奥她列、意丈 利、法国、原苏联、日本、加拿大、美国等国家。以瑞士的e w 、瑞典的n o h a b 、日本的日立、 东慧、三菱、寓士、法国的n e y r p i c 、德国的v o i t h 、加拿大的d o m i n i o n 、美闵的a c 等试验台为 捌，它嬲的特点是试验求基裹、避滚能力大、溅试精度裹，效率综台误差势枣在女& 2 羁氇4 之间，大部分为o 2 5 女0 ，3 。 四家国际中立的水轮机试验台位于瑞士联邦理工学院流体力学和水机研究所( i m h e f ) 、奥 遮科豹a s t r o 蓊究掰、英国工程试验室( n e l ) 及磷班牙拉员戮工焦研究试验室( l a b i n g ) ， 效率综合测量误差分布在柚2 1 + o 3 3 之间。 国内用于水力机械的试验台主要分为水轮机行业的通用水力机械试验台和水泵行业的水菜 试验台。承轮瓿试验台静综台测试自力较强、综合蒺l 试精度也较商，典型的如哈承滨大电机研究 所水轮规试验蠹( 穗台) 、东方电机厂水力规槭邋用试验台、杭州双室、孛毽痰科院承姥规试验 台、天津电气传动研究所等b ”，试验台测试效率综台误差纂本处于0 2 5 一0 3 之间 5 , 6 1 。 水力杭械模型试验的质量，很大税度上取决于涮鬣技术和试验控制水平。要撬高试验精魔， 不仪要鸯裹精度豹测璧搜嚣，藿蓦显还婺寄走进的数据聚集与控刳技本妫。智糍往采集与蠡魂纯控 制相结合是一种较为先进的测最技术，此技术的使用使得试验数撰的采集与试验过程控制更加精 确可靠p j ，是提高试验精度的重要手段之一。 串瓣救监天学硕士学位逢文第一章绪论 邕蝴ii i i l l n i l l 舅鼍 1 1 2 水力机媳振动研究 随着水轮机缎单机容量和水头的提高，机缎振动的问题日箍突出。设计阶段豹振动预测难度 寝嵩，运行辊缀静振动研究极富糖藏，搬动耱枫瑾分拆零l 振动被障游瑗壹燕窝蠢孙研究静热点 和难点。水轮发媳机组是由水轮机和发电机组成的复杂的机械累统；旋转系统通过轴承支架謦钢 麓滏凝结构支撵，辊缀缀动登然诱发律为其支撑结构的厂赛静振动，而厂房结构又十分复杂； 流体和电磁是水体势能转化为电跳的媒体，流场和电磁场的复杂性不誊而明；流体和圃体的耦联 振动不可黼避因此承轮发电机组和厂房的搬动是最为复杂酌动力学问惩之一科。 近年米，国内外一些工程人搬开始对振动问题进行全匿的调查和分柝 1 0 - 1 4 1 。如丑本电气学会 求力发电调查专门委员会对1 9 2 5 年鞋来投运的嶷式水轮发电机组迸行了振动调查，结果约裔1 0 的机组发生过掀动。振源上分橱，绝大多数在转轮和燕轴系统。加剧振动的版因约糍6 0 蹦是旋 转傣的不甲衡和承压脉动。 我国大中型机组运行巾的振动闽题，也有经常发生，如小浪底电站、大朝出穰站期捧芯潍电 站镩，水轮机叶片均出现裂纹。融经公开报道的振动裂纹问题毹括：欧阳海水电站l 母机组聪力 脉动引起的水力共壤；丙家寨水电厂枫城不平撵 起瓣振动【娜；渔予溪电站3 号枫缀丈骖熙摆 度超标原因分析及处理f ”，五强溪水电厂水压脉动和机俎轴线不直诱发振动【”1 ；天生拼一级电站 水位变幄较大特点下豹拳耱规振动1 1 9 j ；紧水潍4 号枫缀怒承营低频压力熬动和频繁莛耱规；l 戴戆 振动f 驯；濑家洲水电站轴流式机缎推力头的瓦面垫和球黼座之问的圆周状槽沟引起推为轴承水平 缡熬，麸悉导致搬动f 2 1 ；安砂致彀厂2 号规缀毫骥摄动凝上导琵絮固定螺捡辫裂嚣因分辑渊；续 远白岩河转轮空蚀与振动l 矧；乌溪江枫树龄水电厂商水头机组的异常振动【2 4 】；天桥水电厂3 母机 组躲邀磁苓平囊振动；疆海岩霜东照电站秘缎镬裹拳头糕囊鼹工嚣下戆振动翘惩嘲：高 奚濒来 电站3 号机组转子组装圆度不符要求而引发的电磁不平衡振幼口7 j ；大峡水电站的机械不平撕振 动等隅。 以上实例充分说明机组振动问题仍然十分严越，必颁有足够的重视加强研究，协同攻关， 竞冀簧翻强理论轿究，横黧与簸黧振动试验和振动懿蘸溅与控霸，提离税缝静辑翻释蜜装永平； 同时争取建立我国帆组振确的数据库、知识库和专家库，提高故障诊断鞠治理的水平，从而切实 撵藤梳缍逶行稳定健和发奄效益。 3 水宠撬缀凌场测试技术戆发袋 研究水力枫组振动的方法主要有理论分辑、模型试骏翔现场原型试验。出予理论努据和模型 试验都是建立在假设和相似换算的基础上，不可避免造成跟实际机组振动的偏麓。而对水力机组 进孳萱骣场测试，不仅糍获褥水力援缓实对匏振动弑瑷，露且测鬣结果也其有足够熬穗发，是遴露 水力机组振动研究蹴有效、最直接的手段之一。 照羞辩学技术戆发震，水力撬缝瑰场测试技术豹手段也不断褥銎| 完善，主要表现纛： 1 传感器 为窦理对水力撬组振动售号壤确测量，传感器静正确迷舞对现场测鬈起关键俸瑁，这是璃场 测试的重要工作之一。目前常用的测试振勘信号的传感器主要有速度传感器、腰电式加速度传感 嚣、邀羁滚 ：i 羔移簧戆器等，这些终攥嚣静露l 造隶乎露覆l 鬣精痉都达翻7 镶高豹承乎，傻零力辊缀 2 中国农业大学硕士学位论文第一章绪论 现场试验的高精度测量成为可能。 2 数据采集系统 数据采集系统是水力机组现场测试系统的重要组成部分。近二十年来，数据采集技术得到了 飞速的发展，在形式上由原来的专用的测试仪器到现在的使用微机的虚拟仪器；采集的分辨率从 4b i t 、8b i t 到现在的2 4b i t 分辨率；采集的速率从几k s 到现在最高速率已达2g s ，这些都是不 断地采用新技术的结果。近年来在数据采集系统中所采用的一些较新的技术主要有：( 1 ) 信号调 理模块；( 2 ) d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) 技术；( 3 ) 扫描列表；( 4 ) f i f o 技术。常用数据采集 系统的框图见图1 - 1 。 图1 - 1数据采集系统框图 3 信号分析技术 数字信号处理涉及数学领域中的微积分、概率统计、随机过程、高等代数、数值分析、近世 代数、复变函数等以及网络理论、信号与系统等基础理论。在学科发展上，数字信号处理又与最 优控制、通信理论、故障诊断等紧密相连，成为人工智能、模式识别、神经网络等新兴学科的理 论基础之一。国际上把1 9 6 5 年快速傅立叶变换( f f t ) 的问世作为数字信号处理的开端【2 9 | 。 旋转机械振动信号分析与数据处理的内容非常丰富，具体的仪器也很繁多，其基本内容包括 基频检测、频谱分析、波形分析( 各种幅值的检测及相关分析等) 和数据采集与处理等方面。 工程应用中的数字信号处理过程基本上包括：输入信号抗混虑波，波形抽样及模数转换，加 窗f f t ，显示分析结果。 1 2 论文研究的内容及目标 论文的研究目标：从模型试验和现场原型试验两个方面，并紧密结合实际工程问题，对水力 机组实测技术的应用进行研究，为机组的运行提供参考依据。 论文的主要内容如下： 1 南水北调水泵模型试验台智能化控制测量系统研制，开发先进的自动化控制系统软件和 采集系统软件。 2 针对小浪底水电站1 号机组开展现场绝对效率试验研究。包括测点布置方案、试验参数的 测量方法、试验结果处理方法等，并对现场流量测量方法进行探讨。 3 针对小浪底水电站1 号机组开展机组稳定性试验研究。通过不同负荷工况下机组振动、 摆度、水轮机水压脉动，全面了解机组在不同运行工况。f 的运行情况，为分析和掌握机组的稳定 性状况，研究在运行范围内是否存在特殊水压脉动、# 门涡及叶道涡等情况，为合理划分机组的 安全稳定运行区域及机组减振措施提供基础；通过过渡过程试验( 包括机组甩负荷及开、停机) ， 1 孛凰农韭大学硕士学健论文 第一章缝论 一i l i 量黼删曩邕皇墨嘲圈审量嘲皇奠_ 麓董 检验机组的压力上升与转遮上升与设计值的差异，检验汗、停机过程中是否会引起避魔的振动， 将掰是承为共振闻趱。 4 针对欧阳海水电站3 号机组汗展动乎捃试虢研究。包括动平衡问题的检测和配霞方案的确 定，研究翔何解决桃缀静梳械不平衡和电磁不平衡闯藤。 4 第二章水力机械试验台智髓化控制与测量系统研制 2 1 南水北调水泵模型试验台背景及设计要求 髓着大容量水泵、水轮机和可逆式水浆水轮发电机组的发展，原型规组的性能技术指标在工 程的设计和运行中占有越来越重嚣的地位。由于大型机绷的原禳性能试验验收难度太、代价离， 摸型验收试验成为机组特性验收纛要的乎段之一。 为满慰南水北调工程水泵选型和工稷设计的簧求，强务之急楚确定工程设计选型资料的准确 性釉霹靠慢。为此裁必须商一个投藏性的、裹糖度的中立试验台采对工程选型经翅魏务种瘩裂瘩 力模型进行系统的认真测试及复梭的任务。从2 0 0 3 年9 月起，水利部南水北调规划设计管瑗局 组织进行了广泛调婿，最终确定农中瘩j e 方公运( 原天津貔) 建立孛立瓣试验台承担潮台测试任 务。 摩承j e 调工程水泵模裂试验螽在孛承i 方公竭( 骧天津院) 鞭瘩力规攮试验套夔纂疆土改造 完成e 改造后的试验台，见图2 - 1 ，为高精度的水泵模型通用试验台，采用立式开、闭循环水系 统。 鹚台效率测试综合测耋误蓑要求这副筠。3 妫。 2 ，1 1 试验怠基本技术参数 试验台出水水糍直径3 6m ，有效容积7 0m 3 ，进水水箱直径3m ，谢效骞积3 5 靠，循环系 5 统主管直径为5 0 0m m ，整个系统总容积为1 2 0m 3 ，配套蓄水池容积为5 0 0m 3 。系统采用大流量 双吸泵作为辅助供水泵，最大试验流量为1 0 0 0l s ，试验台在试验过程中的水温升高不超过0 5 。c 。 2 1 2 试验台功能 试验台要求能够进行南水北调工程及其他泵站工程适用的各种水泵水力模型试验，可适用的 水泵转轮直径为2 5 0m m 4 6 0i n l n ，可安装立轴、横轴及斜轴等各种水泵模型装置。主要功能包 括： 1 泵段及泵装置的效率试验； 2 泵段及泵装置的空化特性试验； 3 泵段的飞逸特性试验； 4 泵段的全特性试验； 5 泵段水压力脉动试验与流态测试； 6 泵装置水压力脉动试验与流态测试： 7 泵段及泵装置的振动和噪声测量； 8 泵段及泵装置力特性试验。 2 2 控制系统设计 2 2 1 控制系统硬件设备 田2 - 2 水泵试验台计算机控制系统 试验台控制系统主要设备见图2 - 2 。该控制系统的主要任务是通过对模型泵电机、辅助泵电 机、充水泵电机、真空泵、电磁阀等相关电气设备进行启动、停止、调速等动作控制，来模拟水 泵、水轮机等水力机械的各种工况。它们的控制过程是；根据需要由计算机将指令传到p c 6 4 0 8 6 中国农业大学硕= 匕学位论文 第二章水力机械试验台智能化控制与测量系统研制 蔓曾皇曹皇皇皇皇奠奠e 蔓皇置量罾量量| 量置量置皇皇置皇量置鼍皇量皇皇奠皇置量墨日奠皇_ i l 卡，通过p c - 6 4 0 8 卡将控制信号传到指定设备，即可实现对相关设备的控制。电动蝶阀的开度、 模型泵电机转速和辅助泵电机转速控制是由计算机给定数字控制量，经d a 转换输出至相关设 备。 试验台两大动力系统运行，即模型泵驱动电机( 测功电机) 和循环水泵电机。测功电机的转 速控制精度直接影响到转速测试数据的准确度。 试验台模型水泵采用立、卧两用式1 6 0k w 直流电动机拖动，电机采用西门子全数字直流传 递控制装置，转速在0 2 0 0 0r m i n 范围内无级可调，直流电机可进行电动( 发电) 运行，通过 光电编码器进行转速反馈控制，其理论转速控制精度优于0 0 1 。 试验台循环辅助水泵采用2 8 0 k w 交流电机拖动，采用西门子全数字交流变频调速控制装置， 可在1 0 0 9 7 0r r a i n ( 额定转速) 范围内高精度无级调速，转速控制精度优于如0 5 。 2 2 2 控制系统软件设计 试验台控制系统以一台工业计算机为中心，以m c g s 组态软件为软件开发平台，通过p c 6 3 2 5 卡、p c - 6 4 0 8 卡、p c - 6 3 2 7 卡等控制设备与试验台直流电机调速器、辅助泵变频调速器、真空泵、 系统充水泵、系统排水泵、渗漏排水泵、电动蝶阀、电磁阀等设备通讯【3 0 , 3 1 。 控制软件包括水泵效率试验、水泵空化试验、水泵飞逸试验、水轮机试验等控制程序，实现 了试验台全部设备的虚拟控制，实现了试验直流电动发电机、辅助泵交流变频调速电机、循环 管路截止阀等设备计算机闭环控制。图2 - 3 为水泵效率试验的控制界面。试验过程中软件界面可 以同步动画显示各种设备的工作状态。试验参数的设置、所有设备的开关状态、模型泵电机和辅 7 中筒农业太学硕士学位论文第二章水力机械试验台智能化控制与测璧系统研制 助泵电视的转速控翎、电动蝶阎的开度控制均通过软件界面进行，实现了真正意义上的自动化和 数字诧。 2 3 计算机测量系统设计 2 3 。1 测曼项爨及仪器仪表 试验台静溯试仪器纹表鬻蓑是建立赢精度试验台鸵关蕤嚣节，各种测试便表静测试误差澎藏 了整个测试系统的系统误差，在计算机数据采集和分析处理技术飞速发展的今天，降低系统误差 是减少总误麓的关键措施。 1 流量测量 选择上海肯特智能仪器有限公司生产的k t l d e - 5 0 0 1 0 3 1 。0 e - 0 0 1 - 0 0 0 0 型分钵式锣毙电磁漉 量计作为试验台的主测流量仪寝。该仪表的损4 量信号通过智能化处理，l c d 驻示并转换成0 。1 k h z 标准信蛩、4 2 0 m a 或r s 4 8 5 ，输出至计算机进行采粲处璜。毫磁流量计的出厂精度为：圭o 2 0 ， 经上海工业自动化磷宠黔捡定，实黪测量壤度达到o ，1 4 。 2 转矩、转速测量 选撵湘仪动力测试仪器厂生产的j c z l 2 - 5 0 0 型相位差式立、卧两用智能型转矩转速传感器。 馋感嚣翼骞裹精瘦、裹霹靠性蠹孽鞫拜重，其骞叁动零瘩 偿，叁象淹环境温度蘩歪传感器系数筹智 能化功能。使用范陶为0 - 4 0 0 0r r a i n ，额定扭矩5 0 0n 。m ，与计算机之间采用r s 2 3 2 通讯，经中 国计量科学研究院标定传感器精度优于o 1 。 3 。扬疆及压力测量 ( 1 ) 扬程测量 采用m v 2 0 1 ( 1 t d 智能差压变送器，供电电飕1 2 4 5 v d c ，与计算桃之间采用和2 0m a 、h a r t 逶镪，溅萋蕊嚣为0 - 1 8m 柬较。模型泵泵段试验扬程瓣煮位于承泵进毽舀法兰2 静楚，遗避均压 管引出，并要求出黝直管段的长度不小于4 倍裂出口管段巍径，进口囊管段长瘦不小于7 倍浆进 口管段赢径。模型装置试验扬程测点位于进出1 ：3 水箱上。传感器出厂糟度：- 4 - 0 0 7 5 。传感潞在 试验薪丽一等标准活塞式压力囊空计( 耩攘为士o 0 2 ) 进行碌位率怒，经原位率定扬翟传感器 的误差小于- - + 0 1 0 。 ( 2 ) 模型裂进口绝对压力测量 模型泵避勰绝对压力用m v 2 0 1 0 t a 智能绝对压力变送熊铡鬣，供电电觚2 4 v d c ，与计算机 之阕暴明如掬m a 、h a r t i 藿攮。测轰经鬟戳模型泵转轮中心线舞基礁，键芎= 遘鬈承繁上。测量 范围为0 2 5 m 水柱，用一等标准活塞式压力真空计( 精度为o 0 2 ) 进行原位率定，经原谯率 定传感器的误差小于o 1 0 。 4 遴出鞠承籍瘩位攒l 量 采用翻板式液位计，供电电压2 2 0 1 d c ，液擞测量误差小于2 m m ，与计算剪l 之间采用4 。2 0 m a 通讯。 5 。瓣度测量 试验台水澡测量：采用p t - 1 0 0 数字温度计，与计算机之闯果月4 2 0m a 通讽，湿度测爨误 8 孛薰农业丈学嫒学位论文 第二章水力机械试验螽智能纯控制与攫 麓系统磷铡 差小于0 。5 。 6 仪器仪表稚置 所有仪器仪表均布置在试验台专门设疆的恒温室内，恒温室温差保持在2 5 1 5 c 以内，以 提商试验台仪器仪袋的测爨精度和稳定性。 2 3 2 试验方法疑诗冀公式 1 效率试验 在效率试验前，要进行各测最传感器的调零，并使模型泵谯最优工况点运转3 0 分钟以上， 接黢疆拜系统孛的游离气俸，其斓应检查裂静轴承、密封、噪声葶曩振动壤况。效率试验癌在缳证 在无空化的条件下进行。 试验各互嚣患巍窘理蟪分毒在整个性能藏线上，试验工援稳定磊饕令测试篆统要求在无镁秘 人为干扰的情况一f 进行分段连续三次测试，每次测试时间为3 0s ，三次测试结果效率鼹大值和最 ，j 、穰之差斑誉予0 3 稻，否粼嚣重瓤进行测试。取三次测爨的效窭孛鏖捧为该工凝点匏摄终测试结 果，然后打印、存盘。试验工况点的调节从阀门众开状态开始，必要的时候需疆起动辅助泵来增 夫流量，遥过谖整辅韵泵静转速幂拜阕蠡秀发至撂定工凌东。 水泵效率试验计算公式： 叼- 未m 警；幽, r m 塑n c 圳 4 气 肘m 。 式中，段一模型泵的输出功率，k w ； 一摸型泵熬辘功率，k w ； q 卅模型泵的流量，m 3 s ； 挣一模型泵静扬程，描； p 一水的密度，k g ，m 3 ； 膨攘壁泵鞠传递匏力矩，n ，搬t m 一横型泵轴旋转角速度，r a d s ： 蚌一禳羹泵蠹鼋试验转速，r m i n ； 2 空化试验 空证试验疆摸麓象转轮串心线嵩程蠢基准嚣簿承蒙貔踅隧群。第一个试骏煮必缳在无空诧 的条件下进行，完成第一个测点后封闭进口水箱，试验过程中保持流鬣、扬程恒定通过抽真空 来逐渐降低系统静醚g 毽，壹雾效率下降3 稻叛上麓斑。在试验莲线爱纯较大豹区域应有较密 集的试验点。判断效率的下降值成以空化试验的起始点为基准，要求该点的数据必须与效率试骧 时的鬟l 试数据一致。最螽取永泵效率下降l 辩的n p s h 作为晒赛空纯余量，糟( n p s h ) 表承。, 尸s 的计算公式为： n p s ht h n + 一j ( 2 2 ) 式串，挣，一袋进霹慧农头，m ； 。一大气压力水头，m ； 9 中国农业走学硕士学位论文 第三章水力机械试验螽智能化控制与测量窳统研制 皇皇掣曩皇嘲皇圈岛鼎圈i i 墨 矗。一空化压力水头，1 1 1 。 3 飞逸特性试验 飞逸特性试验是溅定攒型泵在蔽转显鞠揠矩秀零辩懿转速。试验辩辘韵泵爱淘供拳，将电帮毛 反转，在设计扬程下或试骏转速不高于1 5 0 0r r a i n 时，测量轴扭矩为0 时的飞逸转速值，并计算 出单位飞逡转速。 单位飞逸转璃计算公式为： 等 式申，嘎l a 一单短滤转速，r r a i n ； 一灯值下测得的飞逸转速，r r a i n 日一试验扬裁，m d 转轮名义盔径，i n 。 2 3 。3 诗算规测量系绞生要褒终设备 ( 2 - 3 ) 豳2 - 4 试验台计算机测量系统硬件连接闰 试验证谤算撬溅藿系绞硬锌连羧晃蚕2 - 4 。在硬辞宽蔼，选撵薅靠静誓照控髑缀计算辊佟为滔 控核心，保证系统程复杂外部环境下能正常工作；接口板卡也选用工控产品，增加糕个系统的可靠 憔；诗算辘熬所鸯辕入辏出遵遵与豁郄搜器之闼采取搬电蕊褰攒施，增强抗子扰糍力。逡髑豹摸 莹f 量、数字量接口教昔为中黎p 3 2 5 b 光电隔离型横入接口卡，它采用三总线光电隔离技术， 使被测量信号系统鞭计算机之闽完全电气蕊离。其a d 转换分辨搴为1 6b i t ，系绫最高采集速率 为1 0 0k h z s ，所其有的转换精度远黼于一次鬣测仪表的精度，因而系统总测量精艘基本上取决于 所选用的流量计、压力传感器、差压传感器、转速转矩传感器暂仪表的精度。 1 0 中国农业大学硕土学位论文 第三章水力机械试验台智能化控制与测量蔫线研制 2 3 4 采集较佟设计 戈了寰理翅裁他采集试骏过程著考虑烈嫩力枧城试验台的王终特点，瘩力枫壤多功辘试验台 采集系统软件采用了目前较流行的模块化结构，按要求分成几大功能横块，每个模块仅完成相应 的任务，再将其集成，这榉各模块之闽既可攀独操作，也可相甄调用完成指定功能。本软件是用 v i s u a | b a s i c6 0 e w i n d o w s 平台上歼发运行的鼢，数摇采集界猫觅图2 巧。 1 欹件总体结构 l 开始 | 且 垦 葚 试验参数设置数据采集试验数摆处理 i8f 且 | 存盘、抒羲】l 旦 l 退出 l 嘲2 - 6 软件设计总体结构 系统软件是一个功能强犬的应用软件，其总体结构如图2 - 6 所示。主聚包括试验参数设鬣、数 l l 中黛农业大学顿士学投论文 第二章水力机城试验蠹智携氆控制与测蹙系统磷涮 皇篁嘲蔓量冒霸嘲皇皇曾皇葛奠醇皇量薯皇蔓_ i i i i ii - 据采集、试验数据处理、试验曲线绘制四大功能模块。 2 臻髓模块奔鲻 ( 1 ) 参数设置模块 参鼗设置模块瘸予对模型试骏中试验基本象俘帮相关黄感秣主要露电磁流羹诗、差篷传戆 器、压力传感器、扭矩仪、温度传感器、液位计簿) 进行参数设置，系统自动保存预鼹参数，试 验采集与掇翩霹读瑕这些参数后将自动建立仪器每参鼗之闰的关联，莽完成试验舔踩采集，葳箍 保 难了模型试验测试的灵活性。 ( 2 ) 数瓣采集模块 数据采集模块包含了张集方式、采集数据显示、图形显示等功能。采集方式有两神：一种为 单次巍i 试，在菜工况下，较件每触发一次对该工况点测麓一次，另一种为连续舀动三次涮试，在 某工况下，软件每触发一次对该工况点连续重复测量3 次；采集数据显示功能同时显示采集相芙 的电压量和模型物理量；豳形显示功能主饕在界面上显看 q 叫7 、n p s h 一吁镎曲线。 ( 3 ) 试验数据处理模块 水力机械试验的数据嬷理是将试验测萤数据进行分析计算，褥出水力机械模型性能数据，并 以图表的形式表示出来。本模块的设计使褥试验莱集的数据由专十算机囊动处理并生成试验麴线， 减少了人工计算薰，提高了计算精廑，缩短了模型试验的时间。本模块主要完成试验数据预处蠼、 基线绘制等动能。 试黢数据预处理 试验数撰l 虽处理分为效率斌黢鞭处理粒空他试验臻处理嚣郝分，攫攫淫l 量数据计爨逡摸委i 试 验绪果，并以e x c e l 报表的形式打印输出、存盘。 性辘夔线绘裁 、弋、嚣袅 、黧多i s lx 、i 、；釜 一? 。i 葛芝。、一一0 8 0 ；b ( = b c 二强s 蕊z 芝黑交璺泼受甑= s f 忒抵、 ；k 猡疃露e 爻鉴墨事薏s 、v 罩c = 翠 。必薯弋； l 夕 、净壁、鞋“inik 霉彳7s 芗z z i 嚣5 鼙鹰童7 舅一羔太 1 泌一x ：垩莲冀嚣戮 摹翥鬻鹭酗。 、文娟。毛赢晦 t ii j j 。 鼍扩a _ 。 ! 一s 丧一6 、 - ，。8 0 、 黼2 7 攻蒺试验综窘特性蠡线 1 2 q ( 1 ，= ) 孛厘农业大学颧圭学位论文第二章承力巍掇试验蠹智能他控制与测蓉系统研制 试验曲线的绘制是数据处理中难度最大、体现试验台综合水平的熏要工作。由于在试验中得 蓟戆楚一系列有援律褥又不觏喇静离散点，试验魏线一缎要求避耩有试验熹并髓竟滑，点与点之 间鼹平滑过渡，尽攫避免大的起伏变化。 常焉豁数据擞含方法主要有最小二乘法、三点抛物线法、数学样条法等。通过对蒜种数据分 析方法的比较我们发现，最小二乘法及抛物线法得到的曲线畸变比较明显，三次样条法得到的曲 线不仅光滑佳好，黹且畸变小，能满足我们的试验要求。试验数据接合完之后，计算梳根据拟合 结卷( 两个捆邻试验点的三次关系) 自动绘制出光滑性擞高的蠛能曲线。 水泵试验主要绘制的憔能曲线有流量扬程线、流爨一效率线、流鹫一功率线班及综合特性 曲线等。综合特性曲线的绘割方法是计算桃对多条试验效率曲线的拟食结果避幸亍等效率点的尝 询，从而得到综合特性馥线上的备个等效率点，然后用三次样条法拟台等效率点，从i 丽绘制出等 效拳曲线。试验曲线的处联在a u t o c a d2 0 0 0 环境下进芎亍，充分剩用了c a d 零赛具褰的强大爨 形功能，能够接照数据点输出光滑性很商的试验曲线。豳2 - 7 为用该方法绘制的不同叶片开艘下 导时式滠滚泵综合特性曲线。 2 4 试验台糙度分攒 试验套黪测量谡差主要指教窭的溺爨误差。按照i e c 瓣程，装采搦模型效率测爨靛耱对援 限误差来表示效率测量误麓，而效率相对误差由随机误差和系统误差合成。 2 4 1 系统误羲 试验台系统误差由流鬣测量误差、扬程测量谈差和功率测量误差三方面决定。流鬣测量误羞 按o 2 ，扬稷攒l 量误蓑帮功率骥l 量谩差均按硝1 纷跨，赠系绞误差为： 最一压再丽= o 2 4 4 9 5 2 4 。2 随机误差 选定舆激工况( 一般选最优工况) 下测量模型象效率的相对不确定魔，即谯稳定工况下采用 1 0 次重复读数，撩每躯读数计算辔效率傻，按露计算鸯就工嚣下藏率平均僮及标准编差，穰据 i e c 舰程推荐，采用t 型分布。 路 ，r m a x 蚍两 “ 式中，t 一置信度为9 5 的统计值； 一溅鳘次数； s 一标猴误差平均值，即： 串犀表馥丈学硕士学链谂文第二章拳力辊城试轻叁智艉纯轻崩与测量燕统毛 制 舅蕾量曹麓奠墨卑麓皇_ i j l l _ 式中：o - 一为n 个效率测量值的平均值 臻一每次溺量静效率篷。 则试验台综合误蒺为： 丘。每 雒 襄2 - 1 水泵效率试验1 0 扶重复性洲试 ( 2 - 5 ) ( 2 - 6 ) 由寝2 - 1 计算出效率试验随机误麓为：鼠= 0 1 1 4 。 2 4 3 效率试验最大总