水轮机的模型试验

水轮机的模型试验一、水轮机的模型试验的意义前面议论了水轮机相像的条件，这就从理论上解决了用较小尺寸的模型水轮机，在较低水头下工作去模拟大尺寸和高水头的原型水轮机。按相像理论，模型水轮机的工作完整能反应任何尺寸的原型水轮机。模型水轮机的运行规模比真机运行规模小的多，花费小，试验方便，能够依据需要任意改动工况。能在较短的时间内测出模型水轮机的全面特征。将模型试验所获得的工况参数构成单位转速n11和单位流量Q11后，并分别以它们作为纵坐标及横坐标，按效率相等工况点连线所获得的曲线图称为综合特征曲线。此综合特征曲线不单表示了模型水轮机的工作性能，相同地反应了与该模型水轮机几何相像的全部不一样尺寸，工作在不一样水头下的同种类真切水轮机的工作特征。水轮体制造厂可从经过模型试验来查验原型水力设计计算的结果，精选出性能优秀的水轮机，为制造原型水轮机供给依照，向用户供给水轮机的保证参数。水电设计部门可依据模型试验资料，针对所设计的电厂的原始参数，合理地进行选型设计，并运用相像定律利用模型试验所得出的综合特征曲线，绘出水电站的运行特征曲线。为运行部门供给发电依照，水电厂运行部门可依据模型水轮机试验资料，剖析水轮机设施的运行特征，合理地制定水电厂机组的运行方式，提升水电厂运行的经济性和靠谱性。当运行中水轮机发惹祸故时，也能够依据模型的特征剖析可能产惹祸故的原由。二、水轮机模型试验的方法水轮机的模型试验主要有能量试验，气蚀试验，飞逸特征试验和轴向水推力特征试验等几种。因为篇幅所限，本教材主要介绍还击式水轮机的能量试验。还击式水轮机的汽蚀试验可参阅有关参照文件。能量试验台分为开敞式试验台和封闭式试验台，封闭式试验台无需设置测流槽，故平面尺寸要比开敞式试验小，并且水头调理更为方便，但封闭式试验台投资较高。开敞式能量试验台（1）开敞式能量试验台水轮机效率是水轮机能量变换性能的主要综合指标，所以，模型水轮机的能量试验主假如确定模型水轮机在各样工况下的运行效率。水轮机的能量试验台如图3-4所示。它主要由以下装置构成。1）压力水箱。压力水箱2是一个拥有自由水面的大容储蓄水箱，试验时保持稳固的上游水位。水箱由水泵1供水，经过高度可调理的溢流板4控制必定的水位，剩余的水可从溢流板顶部排至集水池14。水流经过静水栅3均匀而稳固地进入模型水轮机7。图3-4还击式水轮机能量试验台1—水泵；2—压力水箱；3—静水栅；4—溢流板；5—测功装置；6—引水室；7—模型水轮机；8—尾水管；9—尾水槽；10—调理闸门；11—静水栅；12—测流堰槽；13—堰板；14—集水池；15—水位丈量装置；16—水头丈量装置2）机组段。机组段包含引水室6，模型水轮机7，尾水管8，测功器5及水头丈量装置16。3）测流堰槽。它的作用是丈量模型水轮机的流量，在槽内首端装有静水栅11，以稳固堰槽内的水流，尾端装有堰板13，用浮筒15测定堰上水位。4）集水池。水流经测流堰槽12流入集水池14，而后再用水泵1抽送至压力水箱2，形成试验过程中水的循环。（2）参数丈量模型水轮机效率为PMMnMM（3-36）QMHM30QMHM所以，确定水轮机效率，第一一定正确地丈量出模型水轮机4个试验参数HM,QM,nM和PM。1）丈量水头HM。模型试验水头HM是上游压力水箱水位与下游尾水槽水位之差。图3-4中采纳上、下游浮子标尺测得。2）丈量流量QM。能量试验台往常采纳堰板丈量流量，堰板的形状有三角形或矩形。为了保证丈量精度，应采纳容积法对堰板的流量系数进行校订，进而获得流量与堰顶水深的关系曲线，如图3-5所示。丈量时可从浮子水位计15测出堰顶水位，再查出流量QM。图3-5堰顶水深与流量关系曲线3）丈量转速nM，采纳机械转速表在水轮机轴端可直接丈量转速nM，但精度较低。目前在模型试验中常采纳电磁脉冲器，或电子频次计数器，可直接测得转速。4）丈量功率PM。丈量模型水轮机轴功率PM，往常采纳机械测功器或电磁测功器，如图3-6所示。丈量水轮机轴的力矩与同时测出的水轮机转速nM，计算功率PM。机械测功器一般使用在容量较小的试验台上。图3-6测功装置机械或电磁测功器，丈量方法基真相同，都是经过丈量模型水轮机的制动力矩M，而后再计算出功率PM。制动力矩为：MPL(Ｎ·m)（3-37）机械测功器工作原理是在主轴上装一制动轮，在制动轮四周设置闸块，在闸块外头加闸带，闸带可由端部的调理螺丝控制以改变制动轮和闸块之间的摩擦力，闸带装置在测功架上，在主轴转动时可改变负荷（拉力P）使测功架保持不动，则此时的制动力矩即为MPL，为制动力臂。电磁测功器是用磁场形成制动力矩，基来源理与机械测功器相同。（3）综合参数计算与试验成就整理综合参数计算就是对模型水轮机的每一个工况，测出HM,QM,nMPM等参数后，计算出模型水轮机的M,n11和Q11值。PM效率M9.81QMHMnMD1Mn11单位转速HMQMQ11单位流量D12MHM混流式水轮机能量试验一般采纳8~10个导叶开度，分别在各个开度下进行若个（5~10个）不一样工况点的测试。试验可按以下步骤进步：1）调整上、下游水位，获得稳固的模型试验水头。2）调整导叶在某一开度a0。3）用测功器改变转轮的转速，一般速度间隔为100r/min作一个试验工况点。4）待转速稳固后，记录各参数(a0,H,Q,n和P)于表3-1中。表3-1能量试验数据记录计算表工况堰导叶试验制动轴功顶单位效点转速流量单位转力P开度水头率水流量率备试nMQM速n11注a0HMPM深(m3/s)Q11M验(r/min)(r/min)(mm)(m)(N)(kW)h(L/s)(%)序(m)号12a013412a02342）封闭式试验台图3-7为我国某有名研究所的高水头水力机械模型试验台，该试验台是一座高参数、高精度的水力机械通用试验装置。试验台可按IEC193及IEC493等有关规程的规定进行能量、空化及飞逸转速等项的查收试验，也可在试验台长进行水力机械的压力脉动、力特征、四象限、补气及模型转轮叶片应力丈量等各项其余试验和科研工作。图3-7高水头水力机械模型试验台表示图3.1试验台主要参数最高水头：100（mH2O）3最大流量：1.2（m/s）转轮直径：300～500（mm）测功机功率：400（kW）测功机转速：900～1800（r/min）供水泵电机功率：400kW×23流量校订筒容积：120（m）3水库容积：750（m）试验台综合效率偏差：＜0.25%3.2试验台系统试验台是一个封闭式循环系统。整个系统可双向运行。系统中各主要零件的名称、参数及功能以下：液流切换器：流量率准时用以切换水流，一个行程的动作时间为0.02s，由压缩空气驱动接力器使其动作。压力水罐：直径2m的圆筒形水箱。为模型机组的高压侧。拥有偏爱法兰，以适应不一样模型的安装和调整。推力均衡器：由不锈钢制造。试验时可对机组遇到的水平推力进行自动均衡，安装时作为活动伸缩节。模型装置:试验用的水轮机模型装置。测功电机：型号为ZC56/32-4，功率为400kW的直流测功机。试验时可按电机或发电机方式运行。最高转速为1800r/min。尾水箱：圆柱形水箱，为模型机组的低压侧。油压装置：4台JG80/10静压供油装置，此中一台备用。供油压力25kgf/cm2，供油量为7l/min。真空罐:形成真空压力装置。真空泵：二台型号为H-70阀式真空泵。供水泵：24SA-10双吸式离心泵。两泵可依据试验要求，按串连、并联及单泵的方式运行。电动阀门:直径为500mm，用以切换系统各管道，以实现试验台各样运行方式。空气溶解箱：溶解箱为系统中压力最高区，并有足够大的体积，供给了系统中游离气泡从头溶解的条件。电磁流量计：用以丈量流量，由上海光彩-爱尔美特企业生产制造，型号为MS900F，其精度为±0.2%，可双向丈量，输入量程为0～31m/s。冷却器:当试验台运行时间过长，水温变化较大时，用以保持水温基本不变。流量校订筒：直径4.8m，高6.75m圆形钢制水箱，有效容积为3120m。3.3试验台电气传动控制系统电机及拖动系统在试验台中，电气系统为试验台供给动力，经过调理Ⅰ#水泵电机、Ⅱ#水泵电机、测功机的转速，控制各阀门的开关来达到调理各试验工况的目的。为了减少能耗，保证试验台知足不一样形式水力机械的试验要求，并保证系统中水流的稳固性，两台供水泵电机及测功机，均采纳无级变速的直流电机。测功电机选择了ZC56系列、定子悬浮立式构造，Ⅰ#水泵电机选择了GZ142系列产品，Ⅱ#水泵电机选择了ZJD56系列产品。测功机、水泵电机的电枢和励磁回路均采纳晶闸管变流装置供电。由变流直流传动装置来达成测功电机、水泵电机的转速控制。调速系统采纳智能数字调速系统，智能数字调速系统与其余系统的通信可经过数据总线或分立式的I/O通道达成。试验台所选变流调速装置为ABB生产的DCS500系列产品，它拥有高性能的转速和转矩控制功能，能知足迅速响应和控制精度的要求，拥有电枢电流和磁场电流控制环节的自动调谐功能，拥有完美的过流、过压、故障接地等自诊疗功能。此外，人机通信方面，该系统有一个七段LED，驱动状态和故障都以代码数字显示，为了能获得更多的传动状态信息，在调速装置上安装一个多功能控制盘，能够进行故障检测、在线改正程序和设置参数。操作控制系统由PLC、IPC、大屏幕显示器等构成。系统在操作上有三种操作方式，它们是手动方式、计算机方式、自动方式。系统运行时，工控机与PLC进行时实通信，在工业组态软件支持下，对试验台运行状况进行动向监测，运用图形界面反应各有关数据，使操作者能够选择试验工况，控制阀门的状态组合。在整个操作控制中，PLC做为整个控制系统的控制核心，它指挥整个系统的运行状态，第一它与ABB调速装置联接，负责ABB调速装置的输入给定，由ABB调速装置经过I/O和A/D采样控制水泵电机和测功机的各样试验工况的运行，同时，PLC还将有关数据和诊疗信息送给它的上位机又经过组态软件，为用户供给各样可视界面、信息，同时控制台采样，以能随时地刷新工作状态。3.4试验台参数丈量设施及校准方法流量

IPC，IPCPLC不停从流量是试验台重要参数之一，并对丈量偏差有重要影响。它的丈量及校准的正确性直接影响到试验台的综合精度。高水头试验台采纳的电磁流量计型号为MS900F。其精度为±0.2%，可双向丈量，输入3量程为0～1m/s。水头试验台水头的丈量采纳差压传感器。型号：3051CD4A22A1A量程：0～2.07MPa精度：0.075%力矩模型力矩丈量采纳间接测法，即在长度为L=848.25mm的支臂上装负荷传感器，由该传感器丈量的力乘以力臂得卖力矩。其传感器性能以下：型号：1110-A0-1K量程：0～1000N·m精度：±0.02%转速转速用磁感觉器丈量。其性能以下：型号：4-0002量程：0～3000r/min精度：±1个齿(测速齿数为120个)尾水压力尾水压力丈量采纳传感器其性能以下：型号：3051TA1A2B21A量程：0～200kPa精度：0.075%温度温度(水温、气温)采纳铂电阻温度传感器。水温测点部署在压力管道，气温测点放在试验层。两种温度都可在控制室读出，进而依据水温修正水的密度。其性能以下：量程：0～100℃分辨率：±0.1℃压力脉动压力脉动丈量采纳传感器的性能以下：牌号：4285A10精度：±0.5%大气压力大气压力丈量采纳立柱式水银压力计丈量，精度为0.1mm。空化观察在空化试验中，除了确定空化系数σ外，试验台装备有流态察看成像系统，进而可对转轮出入口空化气泡、叶道涡及锥管涡带等进行察看及摄像。3.5试验台数据收集和办理系统试验台数据收集系统由两部分构成：数采器、计算机及外设。数采器VXI总线系统。它拥有数据传输快、靠谱性高、功耗低、体积小、易于集成及可随时扩大等一系列长处。VXI收集是VXILINK集成方式。VXILINK包含一个安装在计算机内的ISA卡，插在VXI主机箱0号槽背板上的VXI控制卡及3米长的VXI电缆。VXILINK支持I-SCPI。计算机及外设工作站1：VL6-586/200内存器32M、硬盘2.1GB、光驱8×CD，主要用于数据的收集,显示及参数的动向波形追踪。工作站2：VL6-586/200内存器32M、硬盘2.1GB、光驱8×CD，主要用于达成数据的办理、屏幕画图、历史资料的查问，数据重复性查验，屏幕显示目前形成的或是历史数据文件中的数据，打印电量及工程量数据文件中的数据等。服务器：HP-E40内存器64M、硬盘4GB、光驱8XCD，主要用来储存的试验数据，按下工作站1主窗口界面中的“采样工况点”按钮，应用程序向服务器写一次数据。工作站2应用程序从服务器检索试验数据在屏幕及画图仪上画图。打印机：HPElaserjet-4v做为试验数据打印输出。3.6试验软件试验软件用于高水头试验台全部试验数据收集和办理。是用BorlandC++5.0语言编写,运行于WINDOW95平台,可对所测的变换成电量的物理量进行及时丈量和办理。由六个试验软件构成一个试验软件包。本试验软件包功能丰富，使用灵巧，窗口显示直观清楚，支持鼠标操作，拥有快捷按钮，供给了详尽的在线帮助。同时支持网络操作。3.7水轮机试验时的试验参数定义水头HPdP1P2gZ1Z2Q2112A12A22P122Q211A12A22(3-38)HPdg(3-39)式中：Pd：出入口测点的总压力差（Pa）H：净水头（m）P1-2：压差传感器承受的压差（Pa）2A1,A2：模型机组出入口的过流面面积（m）ρ：水的密度（kg/m3）g：重力加快度（m/s2）输入功率PiPiHQ

(3-40)式中：3Q：流入蜗壳的流量（m/s）3γ：水的比重（N/m）PuM(3-41)MLK(3-42)n30(3-43)式中：M：力矩（该力矩包含轴承端面密封摩擦力矩）(Nm)L：测功机力臂长（m）K：作用于力臂上的力，即压力传感器上承受的力（N）n：测功电机转速（r/min）效率ηPu(%)Pi(3-44)单位流量Q11QQ11D12H(3-45)式中：D1：模型转轮名义直径（m）单位转速N11N11空化系数σ

nD1H(3-46)V22aHVPg2gH(3-47)式中：Pg：传感器测得的绝对压力（mH2O）V2：测点地点断面水的均匀流速（m/s）Hv：水的汽化压头（mH2O）a：传感器中心到转轮中心的距离，转轮中心线下为正当（m）单位飞逸转速n11p当轴力矩为零时，水轮机转速为飞逸转速npn11P

npD1H(3-48)压力脉动振幅比率AHAH(3-49)式中：△H：测得的压力脉动峰-峰值(mH2O)H：试验水头（mH2O）水的密度ρ(g/cm3)5T7.974106T24.23144108T3式中：T：水的温度（℃）重力加快度g（当地）g=9.80665(m/s2)三、水轮机的飞逸特征。水轮发电机组在正常状况下，老是以额定转速运行。这时，水轮机的转动力矩和发电机的电磁力矩是均衡的。假如外界负荷忽然扔掉，调速机构失灵、导水机构又不可以及时封闭时，因为输出的电磁力矩为零，因此输入的水流转动力矩除了少部分耗费于机械损失外，其余大多数就使机组转速急剧增高，并将达某一最大转速，这时的运行工况称为飞逸工况，这时的最大转速称为飞逸转速。水轮机飞逸转速的大小与水轮机的飞逸特征有关，而飞逸特征一般用单位飞逸转速n11R表示。按转速相像公式换算出相应的单位飞逸转速nRD1n11R（3-50）H（r/min）依据各n11R值可绘出该系列水轮机的飞逸特征曲线（图3-8、图3-9）。图3-8混流式水轮机的飞逸特征曲线式水轮机的飞逸特征曲线（模型直径

D1

图3-9=460mm

转桨）D1M=460mm）—为协联关系损坏；---为协联关系保持混流式与定桨式水轮机的飞逸转速只与导叶开度和水头有关。但对转桨式水轮机，除了前两个要素外，还与转轮桨叶的转角有关。所以，转桨式水轮机的飞逸转速存在两种状况：当导水机构、转轮叶片操作机构同时失灵，且二者的协联机构也遭损坏。桨叶安置角0与导叶开度a0可能发生任意组合。此时可对每一角在不一样导叶开度下进行飞逸转速实验，绘出非协联工况下不一样桨叶转角的飞逸特征曲线，如图3-9中的组曲线。这组曲线中的每一根曲线可看作是其角的定桨式水轮机的飞逸特征。当导水机构和转轮叶片操作机构同时失灵，但二者之间的协联关系仍保持。此时，可利用其模型综合特征曲线，选择若干个单位转速n11值，对每个

n11值找出若干个协联工况点，亦即

角与a0的关系。将角和a0的对应点绘于上述的

组线上，而后将相同的

n11值的点连成曲线，即得n11=常数的协联工况飞逸特征曲线（图3-9中n1'组曲线）。一般说来，在同一水头下，导叶全开时飞逸转速最高。对转桨式水轮机，当导叶开度a0及桨角转角的协联关系损坏，并且在导叶全开同时桨叶转角愈小，飞逸转速愈大。这一规律可在图3-9中看出。已知模型水轮机飞逸特征后，即可按相像公式换算出原型水轮机的飞逸转速nR。nRn11RHmax(r/min)（3-51）D1式中使用最大水头Hmax是考虑到最大的飞逸转速；单位飞逸转速n11R与导叶开度a0有关，对转桨式还与桨叶转角有关。对混流式水轮机，求原型水轮机飞逸转速时，若原模型几何相像，a0TZ0TD1Ma0MZ0MD1T把原型水轮机导叶开度a0T换算为模型导叶可按公式开度a0M。关于转桨式水轮机，可依据计算要求在飞逸特征曲线图上选定n11R值。比如要计算协联工况的飞逸特征，能够在图5-9中n11组曲线上找出飞逸前的n11值的曲线，在该曲线上依据所求的协联工况点的导叶开度a0值确定n11R值。对未给出飞逸特征曲线的转轮可按最大水头Hmax和建议的最大单位飞逸转速n11max计算。一些转轮的n11max值列于表3-2中，表中对ZZ600和ZZ460分别为协联损坏和协联保持时的数值。表3-2转轮的单位飞逸转速值转轮HL310-1HL310-2HL240HL230HL220HL200HL110ZZ600ZZ460型号n11max水轮机飞逸转速与额定转速之比称飞逸系数KRnRn（3-52）水轮机的飞逸转速系数大概范围以下：轴流转桨式水轮机保持协联关系时轴流转桨式水轮机协联关系损坏时

KR2.0~2.2KR2.4~2.6混流式或水斗式水轮机KR1.7~2.0以上KR值其下限合用于低比转速水轮机，上限合用于高比转速水轮机。水轮机的飞逸特征除与机型、水头和导叶开度等有关外，水轮机的汽蚀特征对飞逸转速也有影响。试验研究表示，因为汽蚀损坏了正常流态，水力损失增添，所以水轮