（水利工程专业论文）水泵—水轮机模型试验研究与实践.pdf

华中辞技大学磺士学位论文 摘要 抽水蓄能电站为解决电网高峰、低谷问供需矛盾而产生，是间接储存电能的一种方 式。在用电低谷时，抽水繁能机组使用低谷电力将水从下水库抽至上水库并储存；在用 宅高峰露，承瓤上承瘁滚入下承津并发魄。虽然在熬个运行过摇审，帮分戆量会在转纯 间流失，但与增建煤电发电设备来满足商峰用电，却农低谷压负荷甚至停机相比，更经 济、有效。同时，抽水蓄能电站主要担负电网调峰，填谷、调频、调相及事故备用等动 态磅能，是魄弼运行管理熬重要工兵，怒确保电弼安全、经济、稳定生产戆支壤。我国 已经成功地建成和正在建设着一批抽水嚣能电站。 湖北白莲河抽水蓄能电站是湖北省第一个大型抽水蓄能电站，位于湖北省黄冈市白 蓬涎乡境内，遮处潮恶省嬲奄受芬中心势紧舔主奄嬲絮襄大型火嚷鼗基地鼹鄂承地区。 怒2 0 0 4 年豳家发展与改革委员会组织的抽水蓄能枫缀设备打捆国际招标和抽水嚣能机 组技术引进的项目之一。电站建成投入遂行后，不仅可提高湖北电网负荷中心的热备用 力，还可缓魑三蛱电站糖水期调峰运行时的电压秽频率调节。 本硬究魏主要工箨内容：( 1 ) 藏述鬻内井接承蓄能毫菇静茇矮，提盘在耨黔热承蓄 能电站发展趋势下，研究水泵水轮机模测验收试验的目的和意义；( 2 ) 提出水泵水轮 机模型验收试验应遵循的的基本原理和方法；( 3 ) 针对电站和机缀的主要参数，结合 旗鍪试验台，舞窭试验台谈差、菇及模懋参数转亿兔囊礁参数戆羧舞公式；( 4 溃踅 白莲河抽水蓄能电站在水泵和水轮机两种不同工况下，进行性能模型试验并得出试验结 论；( 5 ) 结合湖北白莲河抽水蓄能电站水泵水轮机模型试验，研究和探讨水泵水轮机 模型试验戆激赢窝难轰。4 湖北白遴河抽水蓄能魄站在技术上舆有其特殊链，龟站在额定净水头1 9 5 米，额定 转速2 5 0 r p m 时，水轮机工况额定输出功率为3 0 6 m w ，电动工况额定输出功率为3 2 5 m w ， 撬组荦轵| 容爨为3 0 0 m w ，农轮税转轮的簸大外径和进农阕内径分掰为5 2 8 5 米秘3 5 米， 这在全簪乃黧金世界豹擒承蓄能电洁中均不多觅。潜能自莲河季蠡水嚣镌电站顼强豹永轮 机模型研究歼发和试验共进行9 个模型转轮的试验，这也堪称目前全世界水泵水轮机模 型试验模型转轮数量之最。该水泵水轮机模型通过验收，将为本次抽水蓄能机缎技术转 迂静受诖方串蘑晗尔演电橇厂有隈索饪公司帮东方毫辊厂舀行没诗彝生产两类摘 水蓄能机组、进一步实现究全国产化奠定良好的基础。 华中科技大学硕士学位论文 本研究和实践将为后续的2 0 0 米水头的抽水蓄能电站的水泵水轮机模型试验提供有 效的技术参考。 。 关键词：抽水蓄能电站水泵水轮机模型试验研究和实践 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ep u m p e ds t o r a g ep o w e rs t a t i o ni sp r o d u c e db ya n dt os o l v et h ec o n t r a d i c t i o no fp o w e r c o n s u m p t i o np e a ka n dv a l l e y i ti sak i n do fi n d i r e c te n e r g ys t o r e w h e ni t i sa tl o wp o w e r c o n s u m p t i o n ，t h ep u m p e ds t o r a g ep o w e ru n i tc a np u m p t h ew a t e rf r o mt h el o w e rr e s e r v o i rt o t h eu p p e rr e s e r v o i ra n ds t o r e t h e n ，t h ew a t e rw i l lb eu s e df o rg e n e r a t i o na tt h ep e a kp o w e r c o n s u m p t i o n a l t h o u g hs o m ee n e r g yw i l ll o s ed u r i n gt h et r a n s v e r s i o n , t h ep u m p e ds t o r a g e u n i ti sm o r ee c o n o m i ca n de f f i c i e n tt h a nt h et h e r m a lp l a n tt h a to n l yc a ns a t i s f yt h ep e a kl o a d a n dd e c r e a s el o a du n t i ls t o pa tv a l l e yl o a d t h ep u m p e ds t o r a g ep o w e rs t a t i o nc a nu n d e r t a k e t h ed y n a m i ct a s k sa sp e a kr e g u l a t i o n ，v a l l e yf i l l i n g ，f r e q u e n c ya n d p h a s er e g u l a t i o n ，w h i c hi s t h ei m p o r t a n to p e r a t i o nm a n a g e m e n tt o o la n di st h eb a c k b o n et og u a r a n t e ep o w e rg r i ds a f e t y , e c o n o m ya n ds t a b i l i t y m a n yp u m p e ds t o r a g ep o w e rs t a t i o n sh a v eb e e nc o m p l e t e da n du n d e r c o n s t r u c t i o ni nc h i n a h u b e ib a i l i a n h ep u m p e ds t o r a g ep o w e rp r o j e c t ( h e r e i n a f t e rc a l l e da st h ep r o j e c t ) ，t h e f i r s tl a r g ep u m p e ds t o r a g ep o w e rs t a t i o ni nh u b e ip r o v i n c e ，i sl o c a t e do nb a i l i a n h et o w n ， h u a n g g a n gc i t y , h u b e ip r o v i n c e i sl o c a t e di nh u b e ip r o v i n c i a li o a dc e n t e ra n dh u b e ie a s t e r n a r e ac o l l e c t i n gs om a n yl a r g e s i z e dt h e r m a lp l a n t s i ti so n eo ft h ep r o j e c t so ft h eb u n d l e i n t e r n a t i o n a lt e n d e r i n gf o rp u m p e ds t o r a g eu n i te q u i p m e n tp u r c h a s i n ga n dt e c h n o l o g yt r a n s f e r f o rg e n e r a t o r - m o t o ra n dp u m p t u r b i n e a f t e rt h ec o m p l e t i o n ，t h ep r o j e c tw i l li m p r o v et h eh o t s t a n d b yc a p a b i l i t ya n d w i l lm i t i g a t et h ev o l t a g ea n df r e q u e n c y r e g u l a t i o nd u r i n gt h eo p e r a t i o n o ft h et h r e eg o r g e sp r o j e c ta td r ys e a s o n t h em a i ns u b j e c t so ft h i sp a p e ra r e ：a ) s u m m a r i z et h ed e v e l o p m e n to fp u m p e ds t o r a g e p o w e rs t a t i o ni nt h ew o r l d ，u n d e rt h en e w t r e n do fp u m p e ds t o r a g ep o w e rs t a t i o n ，s t a t e st h e p u r p o s ea n ds i g n i f i c a n c eo fp u m p - t u r b i n em o d e lt e s t ；b 、s t a t e st h ep r i n c i p l ea n dm e t h o do f p u m p t u r b i n em o d e lt e s t ；c ) a i m st ot h em a i np a r a m e t e r so ft h ep o w e rs t a t i o na n du n i t s ， i n t e g r a t i n gt h et e s tr i g ，a n ds t a t e st h ef o r m u l ao ft e s tr i ga l l o w a n c ea n df r o mm o d e lt o p r o t o t y p e ；d 、s t a t e st h ep u m p t u r b i n em o d e lt e s to fh u b e ib a i l i a n h ep r o j e c ta tt u r b i n em o d e a n dp u m pm o d er e s p e c t i v e l y ；mi n t e g r a t i n gt h eh u b e ib a i l i a n h ep r o j e c tp u m p t u r b i n em o d e l t e s t ，s t u d ya n d d i s c u s st h ek e y p o i n t sa n dd i f f i c u l to fp u m p - t u r b i n em o d e lt e s t t h eh u b e ib a i l i a n h ep r o j e c ti so fs p e c i a lt e c h n i c a lc h a r a c t e r i s t i c , i e ，w h e nt h ep r o j e c ta t t h er a t e dn e tw a t e r1 9 5 m ，a n dt h er a t e ds p e e d2 5 0 r p m ，t h er a t e do u t p u tp o w e ra r e3 0 6 m wa n d 3 2 5 m wi nt u r b i n em o d ea n di nt u r b i n em o d er e s p e c t i v e l y t h e3 0 0 m wu n i ti n s t a l l e d c a p a c i t ya n dt h ew a t e rh e a di sn o tr e a c h i n g2 0 0 m ，a n dt h ep u m p t u r b i n er u n n e rm a x i m u m i i i 华中科技大学硕士学位论文 o u t e rd i a m e t e ra n dm a i ni n l e tv a l v ei n n e rd i a m e t e ri s5 2 8 5 ma n d3 5 mr e s p e c t i v e l y , w h i c hi s l e s st ob ef o u n di nt h eh i s t o r yo fp u m p e ds t o r a g ep o w e rp l a n t t h ep u m p t u r b i n em o d e l d e v e l o p m e n ta n ds t u d y , a sw e l la st h et e s to ft h eh u b e ib a i l i a n h ep r o j e c tc o m p l e t e dt h et e s t o nn i n e ( 9 ) m o d e lr u n n e r s t h i si sa l s ot h em a x i m u mn u m b e ro fm o d e lr u n n e r si nt h ep r a c t i c e o ft h ep u m p t u r b i n em o d e lt e s tu pt on o w t h eh u b e ib a i l i a n h ep r o j e c tp a s s e dt h ec o n t r a c t u a l m o d e la c c e p t a n c et e s t , w h i c hw i l lp r o v i d eag o o df o u n d a t i o nf o r t h ed e s i g na n df a b r i c a t i o nb y t h et e c h n o l o g yt r a n s f e r e eo fp u m ps t o r a g eu n i t , i e 。h a r b i na n dd o n g f a n ge l e c t r o m a c h i n e r y , a sw e l la sf o rr e a l i z i n gt h ec o m p l e t ep u m p t u r b i n eb em a d ei nc h i n a t h i ss t u d ya n dp r a c t i c ew i l lm a k ea l le f f i c i e n tt e c h n i c a lr e f e r e n c eo nt h em o d e lt e s to ft h e f u t u r ep u m pt u r b i n eu n i tw i t hah e a da b o u t2 0 0 m k e yw o r d s ：p u m p e ds t o r a g ep o w e rp l a n tp u m p t u r b i n em o d e lt e s t r e s e a r c ha n dp r a c t i c e i v 独创性声明 y t l 0 1 6 二。口 本人声明所呈交的学位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，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他 个人或集体己经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名 亏弓珲 日期：z 乃萨 甲月2 2 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密酣 ( 请在以上方框内打“4 ”) 学位论文作者签名： 捌再 燧年缘 日期：z 即6 年7 月z 胡日期：加击年7 月。日 华中科技大学硕士学位论文 1 1 抽水蓄能发电资源及发展 1概述 ( 1 )世界抽水蓄能发电历史及发展现状 世界上最早的抽水蓄能电站是建于1 8 8 2 年瑞士苏黎世的奈特拉抽水蓄能电站。已有 一百多年的历史，至上世纪6 0 7 0 年代以后才迅速发展，从1 9 6 0 年3 5 0 万千瓦总装机 容量，1 9 7 0 、1 9 8 0 、1 9 9 0 年分别达到1 6 0 4 万千瓦、4 6 0 0 万千瓦和8 3 0 0 万千瓦。全世 界抽水蓄能电站共超过4 0 0 座，总发电容量超过2 亿千瓦。4 0 年间增加了3 2 倍，平均 年增长9 1 ，比常规水电的发展速度快得多嘲。 很多工业发达国家的抽水蓄能电站的发展都快于其他形式的能源发展速度。抽水蓄 能电站总装机容量最多的是日本，超过2 0 0 0 万千瓦，其次是美国、意大利、德国、法 国、西班牙等。目前世界上部分国家的抽水蓄能机组占全国装机的比重已超过1 0 ，法 国占1 8 6 7 ，奥地利占1 6 2 7 ，瑞士达1 2 ，意大利达1 1 。全世界平均水平已经达 到3 左右嘲。 抽水蓄能电站的合理比例没有严格的统一标准，要根据电网需求和系统经济性原则 而定。建设适当比例的抽水蓄能电站既能有效满足系统要求，又能取得良好的经济效益。 日本学者曾使用规划论方法分析得出：抽水蓄能在系统中的合理比例为8 至1 4 之间。 如此看来，目前中国只有广东省( 9 ) 达到这一水平。从全国范围看，中国的抽水 蓄能电站平均比例实在太小，远未达到合理的水平。 ( 2 ) 我国抽水蓄能发电资源及发展现状 我国抽水蓄能电站的开发建设，起步于2 0 世纪6 0 年代后期。据统计，截止到2 0 0 5 年底，全国已建成投产的抽水蓄能电站装机容量达到8 3 3 万k w ，在建抽水蓄能电站有 1 2 座，装机规模为1 3 6 2 万k w 。 表1 - 1国内已建在建抽水蓄能电站概况一览表 序电站 建设地点 装机台数水头，扬程机组 号名称x 容量范围 转速( r p m ) 1 岗南河北平山 1 x 1 1 m w6 4 3 1 2 5 0 2 7 3 2密云北京密云2 x 1 3 m w6 4 3 12 5 0 2 7 3 3 潘家口河北迁西 3 x 9 0 m w8 6 2 2 3 7 1 1 1 2 5 1 4 2 8 华中科技大学硕士学位论文 序电站 建设地点 装机台数水头扬程机组 号名称x 容量范围 转速( r p m ) 4 广州i广州从化 4 x 3 0 0 m w5 3 5 6 5 1 4 15 0 0 5广州i i广州从化 4 x 3 0 0 m w 5 4 1 6 - - 5 1 4 55 0 0 6 十三陵北京昌平 4 x 加1 0 m w4 7 3 “05 0 0 7 溪口浙江奉化 2 x 4 0 m w2 7 1 4 66 0 0 8天荒坪浙江安吉6 x 3 0 0 m w6 0 7 5 5 2 3 5 5 0 0 9 响洪甸安徽金寨 2 x 4 0 m w 6 2 3 3 1 5 0 1 6 6 7 1 0 沙河江苏溧阳 2 x 5 0 m w1 2 3 _ 9 73 0 0 1 1 天堂湖北罗田 2 x 3 5 m w5 2 - 4 21 5 7 9 1 2 回龙河南南阳 2 x 6 0 m w 4 1 0 一3 7 8 7 5 0 1 3 桐柏浙江天台 4 x 3 0 0 m w2 8 5 7 2 3 73 0 0 1 4 泰安山东泰安 4 x 2 5 0 m w2 2 0 2 6 1 - 2 2 43 0 0 1 5 宜兴江苏宜兴 4 x 2 5 0 m w4 1 3 3 5 2 13 7 5 1 6 羊卓雍湖西藏贡嘎 4 x 2 2 5 m w8 1 6 8 5 07 5 0 1 7 琅琊山安徽滁州 4 x 1 5 0 m w1 4 9 8 1 2 5 62 3 0 8 1 8 张河湾河北井陉 4 x 2 5 0 m w3 4 6 2 9 13 3 3 3 1 9 西龙池山西五台 4 x 3 0 0 m w6 8 7 8 6 3 55 0 0 2 0 白山吉林 2 x 1 5 0 m w1 2 3 9 1 0 8 22 0 0 2 1宝泉河南辉县 4 x 3 0 0 m w 5 6 2 4 8 - , 5 0 1 8 75 0 0 2 2 惠州广东惠州 8 x 3 0 0 m w5 5 7 巧0 95 0 0 2 3 白莲河湖北黄冈 4 x 3 0 0 m w2 1 7 - 1 8 72 5 0 2 4 蒲石河辽宁宽甸 4 x 3 0 0 m w 3 3 0 2 9 4 3 3 3 3 2 5 黑麇峰湖南望城 4 x 3 0 0 m w3 3 4 4 2 7 5 33 0 0 2 6呼和浩特呼和沽特4 x 3 0 0 m w5 8 5 肌5 0 3 05 0 0 2 华中科技大学硕士学位论文 我国已经建成投产的抽水蓄能电站装机容量占全国总发电装机容量的比例约1 2 ， 属于较低水平。 ( 3 ) 我国抽水蓄能发电发展规划 从发展看，抽水蓄能电站的比重还将大幅度增加。随着能源结构的发展，电网中各 种能源包括煤电、油电、核电、地热发电以及天然气电等增加很快，而也具有一定调峰 能力的常规水电受水能资源的限制，往往不能同比例增长，在电网中所占比例日益减少。 这必将造成电力系统中可调峰电源短缺，而低谷时又造成电流周波加大，影响送电质量。 根据各电网的负荷特性、电源规划、“西电东送”及联网规划和抽水蓄能规划设计 成果，抽水蓄能电站项目前期工作深度等，分析测算抽水蓄能电站合理建设规模，全国 在2 0 1 0 年、2 0 1 5 年、2 0 2 0 年三个水平年的抽水蓄能装机规模分别达到1 8 0 0 万k w ( 扣 除供香港6 0 万k w 后，下同) 、3 4 0 0 万k w 、5 0 0 0 万k w 。其中国家电网在2 0 1 0 年、2 0 1 5 年、2 0 2 0 年三个水平年的抽水蓄能装机规模分别达到1 4 4 0 万k w 、2 8 0 0 万k w 、4 0 0 0 万 k w 。中国南方电网在2 0 1 0 年、2 0 1 5 年、2 0 2 0 年三个水平年的抽水蓄能装机规模分别达 到3 6 0 万k w 、6 0 0 万k w 、1 0 0 0 万k w 。 表卜2 抽水蓄能电站发展规划装机容量表单位：万k 2 0 0 5 年底新增累计 序号电网 已建 十一五十二五十三五2 0 1 0 年2 0 1 5 年2 0 2 0 年 国家电网4 0 2 11 0 2 7 51 3 3 7 51 2 2 51 4 2 9 62 7 6 7 13 9 9 2 1 1东北区域电嘲 3 06 01 8 01 1 0 9 0 2 7 03 8 0 2毕北区域电同 1 0 8 13 2 02 9 02 9 04 2 8 17 1 8 11 0 0 8 1 3华东区域电嘲 2 3 63 4 05 4 04 0 05 7 6l l l 61 5 1 6 4西北区域电网 0 06 0 1 6 0 06 02 2 0 5华中区域电嗍 1 93 0 02 6 02 5 03 1 95 7 98 2 9 6西藏电嘲 9 7 5 7 51 5 1 6 52 43 9 中国南方电网 1 8 01 8 02 4 04 1 03 6 06 0 01 0 1 0 全国台计 5 8 2 11 2 0 7 51 5 7 7 51 6 3 5 1 7 6 9 63 3 6 7 1 5 0 0 2 1 2 0 2 0 年前全国抽水蓄能电站发展以华东最多，华北、广东次之，华中、东北又次之。 预计到2 0 1 0 年、2 0 1 5 年和2 0 2 0 年，全国抽水蓄能电站装机容量占全国总装机容量的比 重分别达到2 4 、3 7 和4 4 m 1 。 华中科技大学硕士学位论文 图i - i抽水蓄能电站示意图 1 2 水泵水轮机模型试验研究的目的和意义 ( 1 )水泵水轮机模型试验研究的目的 进行水泵水轮机模型试验研究的目的，是为了检验水泵水轮机理论水力设计，并获 得原型机组设计所需要的水力参数和最终的几何尺寸，保证水泵水轮机在工作范围内高 效率、稳定运行。因水流在转轮中的运动相当复杂，理论分析困难，只有在最优工况下， 作些假定后才能进行，必须依靠水轮机模型试验研究水泵水轮机在各种工况下的能量特 性、汽蚀特性等。 水泵水轮机模型试验，按试验目的，可分为研制水泵水轮机新品种的开发试验；为 解决某些特殊问题而进行的研究试验；为验证制造厂在供货合同中保证的水泵水轮机性 能而进行的验收试验；及在同一试验台上比较不同厂家提供的模型水泵水轮机性能的对 比试验等。按照试验性质可分为水力试验( 能量、气蚀、飞逸特性、力特性、稳定性等) 和结构试验( 水泵水轮机各部件的应力，强度和疲劳试验等) 。按试验部件，可分为转 轮，蜗壳、座环、导水机构和尾水管试验“。 ( 2 ) 水泵水轮机模型试验研究的意义 为了对水泵水轮机在各种运行工况下的内部水力现象，进行更深入的了解和分析， 以便使水泵水轮机的参数和性能的确定，更有科学性，水轮机的模型试验技术在不断改 进和发展中。如5 0 年代，气蚀试验仅从效率下降制定临界气蚀的外特性，8 0 年代，发 展到采用光学及光导纤维仪器观测研究叶片和尾水管的水流、初生空穴、气蚀的内特性。 4 华中科技大学硕士学位论文 一些新型水泵水轮机试验台，已采用了测量精度和自动化程度很高的测量元件，配有先 进的数据采集和数据处理系统，大大提高了试验的可靠性。 中国从5 0 年代丌始，结合一些大型水电站建设，开展了新水轮机的能量、气蚀和 飞逸等的模型试验；7 0 年代以后，在一些新水轮机上又开始进行力特性模型试验和稳定 性试验；8 0 年代以来，通过引进先进技术，经过改造，测量精度和自动化程度有很大提 高。 ( 3 )本研究的工作内容 本研究的主要工作内容：( 1 ) 概述国内外抽水蓄能电站的发展，提出在新的抽水蓄 能电站发展趋势下，研究水泵水轮机模型验收试验的目的和意义；( 2 ) 提出水泵水轮 机模型验收试验应遵循的的基本原理和方法；( 3 ) 针对电站和机组的主要参数，结合 模型试验台，提出试验台误差、以及模型参数转化为真机参数的换算公式；( 4 ) 湖北 白莲河抽水蓄能电站在水泵和水轮机两种不同工况下，进行性能模型试验并得出试验结 论；( 5 ) 结合湖北白莲河抽水蓄能电站水泵水轮机模型试验，研究和探讨水泵水轮机 模型试验的重点和难点。 5 华中科技大学硕士学位论文 2 水泵水轮机模型试验的原理和方法 2 1 水泵水轮机模型试验基本原理 由于水泵水轮机水流条件复杂，研究其特性靠理论与实验相结合。水泵水轮机模型 试验是按一定比例将原形水泵水轮机缩小为模型水泵水轮机，在专门的试验台上进行水 轮机效率和水泵效率试验、水轮机输出功率和水泵输入功率试验、水轮机空化和水泵空 化试验、飞逸特性试验、导叶水力矩测定、水轮机工况和水泵工况各测压点的压力脉动 测定、四象限全特性试验、水推力及径向力试验、蜗壳压差、尾水管压差试验( 用于水 轮机工况和水泵工况流量测量) 、水泵工况下水泵从零转速到1 0 2 倍额定转速时的零流 量扬程试验、水泵工况异常最低扬程启动试验和调相工况时尾水管中水位变化等试验， 确定原型水泵水轮机在各种运行工况下的各种参数，然后根据相似理论、相似公式换算 和修正得出该水泵水轮机的综合参数，将合格的水泵水轮机模型试验的理论水力设计用 于原型水泵水轮机的设计和加工。 模型试验研究容易测量数据、较准确，从而解决原型水轮机因尺寸大、试验困难等 难题。研究相似水泵水轮机之间存在的相似规律，并确立这些参数之间的换算关系的理 论。 保证模型水轮机与原型水轮机相似，只有符合一定的相似条件( 水流运动相似) ： ( 1 ) 几何相似：过流通道几何形状相似 1 ) 过流通道的对应角相等：be l = be l m ；1 3e 2 = 1 3e 2 m ；= m m 2 ) 对应尺寸成比例：d i d i m ：b o b o m ：a o a o m = 3 ) 对应部位的相对糙率相等：d i = a m d i m ( 2 ) 运动相似：同一轮系水轮机、工况相似 1 ) 过流通道的对应点的速度方向相同 2 ) 过流通道的对应点的速度大小对成比例，即速度三角形相似。 ( 3 ) 动力相似：( 压力、惯性力、重力、摩擦力等) 同一轮系水泵水轮机，水流对应点所受的作用力是同名力、方向相同、大小成比例。 2 1 1水泵水轮机模型至原型的换算公式 ( 1 ) 原型水泵水轮机效率由模型试验结果分两步换算确定f 水泵工况与水轮机工况 6 华中科技大学硕士学位论文 分别计算p 1 a 1 ) 、将测出的模型效率换算到雷诺数r e | i m 。下的效率。 一嘣碌r e , 40 1 6 一( 导1 咖( 1 一) 【龟( 害) 】 2 ) 、将模型效率换算到原型工况。参照固定雷诺数r e 。m 。将模型效率”h m i 用下式换 算到原型雷诺数r e 。下的效率。 一，- 晰卺) 0 】6 一罄) o 】1 在这种情况下，a t 7 。，按模型最优效率点计算并在保证效率范围内是不变值。 ( 2 ) 流量、水头和功率换算 1 ) 原型水泵水轮机水轮机工况和水泵工况流量q p a p 刚，白3 2 ) 原型水泵水轮机水轮机工况和水泵工况水头和扬程h p ，- 巩詈i n e 审d p 2 3 ) 原型水泵水轮机出力和入力p p a 、水泵- f 况 。- 己告c 3 白5 ，薏 b 、水轮机工况 。峨告c 白5 。老 式中： r l ，一 原型机效率； a ，7 。一试验值到模型值效率修正值； 6 , d 一 可换算损失率； 7 华中科技大学硕士学位论文 r e 。一 u v r e w r c a , , d ， r e 。一 ，7 一 一 雷诺数；r c 。一d u v 转轮圆周速度u = 兀d n ： 水的运行粘滞系数； 7 1 0 6 ： 试验点雷诺数； 模型雷诺数； 模型最优水力效率； 损失分布系数； 水轮机工况：- o 7 ； 水泵工况：- 0 6 ； t 7 。，一模型到原型效率修正值； r e 。一 原型雷诺数； d p 一 原型机转轮水轮机工况标称直径； d m - - 模型机转轮水轮机工况标称直径； h o 一原型机工作水头； h m - - 模型机试验水头； i l d 一原型机转速； n m m 模型机转速； 叼。一 原型机水力效率； 叩。一 模型机水力效率； q p 一 原型机流量； 0 m - - 模型机流量； p o 一 原型机功率； p m - - 模型机功率。 g p - -电站当地重力加速度( 9 7 9 8 ) g m 一 实验地重力加速度 pp 一 电站水密度 p m 一实验地用水密度 华中科技大学硕士学位论文 2 2水泵水轮机模型试验方法 2 2 1水泵水轮机模型试验主要参考标准 i e c6 0 1 9 3 水轮机、蓄能泵和水泵水轮机模型验收试验 j i sb 8 1 0 4 1 9 7 8 ( 日) 水泵水轮机模型试验方法 g b t1 5 6 1 3 1 9 9 5水轮机模型验收试验规程 2 2 2 水泵水轮机模型试验台 用于水泵水轮机模型试验的试验台，必须经过正式鉴定，并持有鉴定合格证明，试 验台在进行模型试验的综和误差应在0 3 范围内m 3 。包括初步试验和最终试验在内的 所有试验应在同一试验台上进行，特殊情况下经协商也可分别在不同的试验台进行。 目前国内外主要水轮机制造厂家都具有高精度、高水头的模型试验台( 包括a l s t o m 水电法国格林诺布尔、v at e c h 瑞士苏黎世试验台、以及瑞士洛桑中立试验台) ，这些 试验台大多是开闭式试验台，可以进行水泵水轮机全部特性范围内的试验“”。 表2 - 1 部分国外厂家试验台 制造厂试验台 东芝日立v o i t ha 1 s t o mk v a e r n e rs u l z e r 三菱 水最丈水头( m ) 8 05 01 0 01 5 01 5 01 2 01 0 0 轮机最大流量( m 3 s ) 1 00 9 0 9 1 5 l1 o 水最人扬程m 1 5 06 01 0 01 9 0l o o 泵最大流鼍( m 3 s )0 8 。 0 50 91 0 转轮直径m m2 0 0 4 0 03 5 0 5 0 05 0 03 9 0 4 9 02 5 0 4 0 0 测功功率( k v ) 6 0 02 2 04 2 03 6 03 2 05 0 07 9 0 电机 转速( r p m ) 2 5 0 02 5 0 01 7 5 02 4 0 01 9 0 02 5 0 01 8 0 0 形式开闭闭开闭开闭开闭开闭开闭 流鼙率定称重法称重法称重法称重法称重法 综合误差( )0 3 o 30 30 1 7 0 2 1 60 2 3 6o 3 耳i j ，国际上水泵水轮机模型试验通常采用的方法是设备供货厂家独立完成水力设 计和初步模型试验，并提供初步试验报告供采购方审查批准后，进行合同验收试验。 表2 - 2 国内部分抽水蓄能电站对模型试验台参数的要求 试验台参数十三陵电站 天荒坪电站 广蓄1 1 期白莲河 精度( )0 30 30 - 30 2 5 试验台水头( m )6 07 06 00 1 5 0 水轮机试验水头( m )2 55 0 水泵试验转速1 2 6 01 5 0 0 转轮直径2 5 02 5 02 5 03 0 0 9 华中科技大学硕士学位论文 2 2 3 模型水泵水轮机 作为水泵水轮机模型试验的重要载体，中高比速的模型转轮直径应d 一 3 5 0 m m ，低比 速的模型转轮直径d 3 0 0 m m ，以转轮下环和转轮叶片工作面出水边相交处的直径为基 准。模型水泵水轮机的通流部件、蜗壳、座环、导叶、转轮及尾水管等均应根据原型水 泵水轮机按比例制作并进行尺寸检查，各通流部件的连接处须保持表面平整和光滑。 2 2 4 水泵水轮机模型各种参数的测量方法 ( 1 ) 流量的测量与流量计校正 流量测量一般采用称重法。是在一定的时间内称出所收集水流的重量，向称重容器 内充水时间一般不少于1 0 0 s 。 试验台装有两组流量计，分别用于水泵和水轮机工况的流量测量。水轮机工况流量 计包括一台涡轮流量计和一台电磁流量计，涡轮流量计用于测量，电磁流量计用于校核 检查；同样，水泵工况流量计包括一台涡轮流量计和一台电磁流量计，电磁流量计用于 测量，涡轮流量计用于校核检查。两组流量计通过率定管路的切换，采用质量法同时校 正。流量校正装置为2 5 0 m 3 的称重桶，秤重桶用4 个1 0 0 0 k n 的负荷传感器支撑。通过 带有计时装置的水流切换器，分别将流经电磁流量计和涡轮流量计的水体切换至称重桶 或蓄水池。 模型水泵水轮机在主轴密封的漏水损失通过在水轮机模式和水泵模式下，根据上下 游压差进行标定。 ( 2 ) 水头( 扬程) 、尾水压力的测量与传感器校正 水头( 扬程) 的测量由两部分组成：动水头( 扬程) 与静水头( 扬程) 。其中动水 头( 扬程) 由流量和过水断面面积计算得出，而静水头则由4 个差压传感器测量。 动水头由流量和过流断面面积计算得到。 h = a h p + ( q 2 2 9 ) ( 1 s b a z - 1 s a s p 2 ) 式中；第一项a h p 为进出口测量断面的静压差，第二项为动水头，0 为流量，s b a ， s a s p 为进出口测量断面的面积。 尾水压力由绝对压力传感器测量，传感器布置在下游水箱以下，用水银压力计标定。 ( 3 ) 力矩的测量与传感器校正 力矩测量由主力矩和摩擦力矩组成。主力矩从测功电机的摆动定子上测取电磁力 矩，主力矩测量系统由负荷传感器、s k g 和1 0 埏标准砝码、钢带及力臂组成，摩擦力矩 华中科技大学硕士学位论文 为电机空冷损失和主轴密封随转速变化的损失力矩，该力矩由电机在不同旋转方向的转 速变化标定。 ( 4 ) 模型机组转速的测量 模型机组转速靠一个固定在测功机轴上的齿盘所感应产生的声波脉冲，由计数卡记 录。脉冲接收器在采样周期内都能精确到4 - 1 个数字内，并且在一个预定的、精确确定 的测量时间( 可选取1 、2 、5 和1 0 秒) 内，由一个五位数的脉冲计数器对脉冲进行计 数。这一计数时间是从2 5 m h z 的石英时基中获得，它同时用于模型机组的流量测量。 ( 5 ) 压力脉动的测量和校正 使用动态压力传感器在6 个位置进行压力脉动的测量，即蜗壳进口、导叶与转轮之 间、顶盖与转轮之间、顶盖上导叶出口与转轮进口的上游侧、尾水管锥管下游侧和上游 侧距转轮出口0 5 4 d 2 的2 个位置、尾水管肘管测点。 ( 6 ) 水温的测量和校正 水温测量使用3 个温度探头，其中两个用于流量率定( 一个在标准容器的底部，一 个在转换器处) ；另一个放置在下游水箱水温用于性能试验。 ( 7 ) 水体中的空气含量测量 水体中的空气含量测量是由数字测氧仪完成。 ( 8 ) 轴向力的测量和校正 轴向力是通过模型机组静压轴承油腔的压力来进行测量，其校正方法是在主轴上加 负荷和测力计，校正测量油腔压力的传感器。 ( 9 ) 导叶水力矩的测量和校正 导叶水力矩采用特殊结构的导叶( 导叶轴带有球轴承和应变元件) 进行测量。 ( 1 0 ) 仪器仪表的校正 对测试仪器仪表进行校正，或直接使用相关国家计量部门的标定结果。 2 2 4 水泵水轮机模型试验误差分析 模型水轮机效率公式1 9 为： 叼+ 日 q ) 蝴o 9 4 h q ) 模型水泵效率公式为： 叩- ( p 小。z ) 。( 3 0 咿舢4 r ) n 华中科技大学硕士学位论文 式中：n 一一模型水泵水轮机的转速( r m i n ) t 一一模型水泵水轮机的输出力矩( n m ) q - 一模型水泵一水轮机流量( m 3 s ) h 一一模型水泵一水轮机工作水头( m ) p 一一模型试验水密度( k g m 3 ) g 一一实验室当地重力加速度9 8 0 5 6 7 3 ( m s 2 ) 模型试验的误差分析主要包括两个方面：一是试验台的测量仪器和设备的系统误差 与率定误差；二是在典型工况下( 一般选最优工况) 模型效率测量的随机误差。 华中科技大学硕士学位论文 3 湖北白莲河抽水蓄能电站水泵水轮机模型试验 3 1电站和机组主要参数 白莲河抽水蓄能电站位于湖北省黄冈市白莲河乡境内，距武汉市、黄石市、浠水县 城的公路里程分别为1 5 3 k m 、7 9 k m 、3 2 k m 。 电站枢纽建筑物由上水库、输水系统、地下厂房系统、下水库、地面开关站及中控 楼副厂房等建筑物组成。上水库位于白莲河水库大坝右岸的山头凹地，总库容2 5 6 8 6 5 万m 3 ，蓄能发电库容1 6 6 3 0 0 万m 3 ，正常蓄水位3 0 8 o o m ，坝顶高程3 1 2 2 0 m ，上水库调 节性能为日调节。下水库为6 0 年代初建成的白莲河大型水库，正常蓄水位为1 0 4 o o m ， 坝顶高程1 1 1 o o m ，总库容为1 2 3 2 亿m 3 ，调节库容5 7 2 亿m 3 。下水库调节性能为多年 调节。 电站毛水头静扬程2 1 7 0 0 1 8 7 o o m 。电站共安装4 台单机容量为3 0 0 m w 的可逆 式机组，总装机容量为1 2 0 0 m w ，平均年发电量9 6 7 亿k w h ，年抽水耗用低谷电量 1 2 8 9 亿k w h ，年发电利用小时数为8 0 6 h ，抽水利用小时数为l o l l h 。电站建成后， 以一回5 0 0 k v 出线接入黄冈变电所，送电距离为5 7 k m 。白莲河抽水蓄能电站投入运行 后，在华中电网中承担调峰、填谷、调频、调相、事故备用及黑起动的任务。 电站厂房为地下式，布置4 台可逆式机组，安装问设于厂房右端。输水系统采用一 洞两机布置方式，尾水洞采用两机一洞的布置方式。 电站按无人值班的要求设计。采用1 套开放式分层分布结构的计算机监控系统对 电站4 台机组进行集中监控【们。 3 1 1 特征水位 ( 1 ) 水位( 海拔高程) 上水库正常蓄水位 3 0 8 o m 上水库死水位 2 9 1 o m 下水库正常蓄水位 1 0 4 o m 下水库极端死水位 9 1 o m 经常运行的下库水位 9 3 0 m 9 6 o m 华中科技大学硕士学位论文 ( 2 ) 有效库容 上水库有效库容 下水库有效库容 ( 3 ) 电站水头( 扬程) 水轮机工况 最大毛水头 最小毛水头 额定水头 水泵工况 1 6 6 3 1 0 4 m 3 5 7 2 0 0 x 1 0 4 m 3 2 1 7 。o m 1 8 7 o m 1 9 5 m 水泵工况最大扬程及最小扬程根据水道水头损失确定。 输水系统水头损失系数按下表选取。 输水系统