水轮机模型试验的方法优化

水轮机的模型试验主要有能量试验、气蚀试验、飞逸特性试验和轴向水推力特性试验等几种。由于篇幅所限，本教材主要介绍反击式水轮机的能量试验。反击式水轮机的气蚀试验可参阅有关参考文献。

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台小，而且水头调节更加方便，但封闭式试验台投资较高。

（一）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转换性能的主要综合指标，因此，模型水轮机的能量试验主要是确立模型水轮机在各种工况下的运行效率。水轮机的能量试验台如图3-4所示，它主要由下列装置组成。

图3-4　反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—调节闸门；11—静水栅；12—测流堰槽；13—堰板；14—集水池；15—水位测量装置；16—水头测量装置

（1）压力水箱。压力水箱2是一个具有自由水面的大容积储水箱，试验时保持稳定的上游水位。水箱由水泵1供水，通过高度可调节的溢流板4控制一定的水位，多余的水可从溢流板顶部排至集水池14。水流通过静水栅3均匀而稳定地进入模型水轮机7。

（2）机组段。机组段包括引水室6，模型水轮机7，尾水管8，测功装置5及水头测量装置16。

（3）测流堰槽。它的作用是测量模型水轮机的流量，在槽内首端装有静水栅11，以稳定堰槽内的水流，末端装有堰板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，然后再用水泵1抽送至压力水箱2，形成试验过程中水的循环。

2.参数测量

模型水轮机效率为

因此，确定水轮机效率，首先必须准确地测量出模型水轮机4个试验参数HM、QM、nM 和PM。

（1）测量水头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中采用上、下游浮子标尺测得。

（2）测量流量QM。能量试验台通常采用堰板测量流量，堰板的形状有三角形或矩形。为了保证测量精度，应采用容积法对堰板的流量系数进行校正，从而得到流量与堰顶水深的关系曲线，如图3-5所示。测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）测量转速nM。采用机械转速表在水轮机轴端可直接测量转速nM，但精度较低。目前在模型试验中常采用电磁脉冲器，或电子频率计数器，可直接测得转速。

（4）测量功率PM。测量模型水轮机轴功率PM，通常采用机械测功器或电磁测功器，如图3-6所示。测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

（a）机械测功器；（b）电磁测功器

机械或电磁测功器，测量方法基本相同，都是通过测量模型水轮机的制动力矩M，然后再计算出功率PM。制动力矩为

机械测功器工作原理是在主轴上装一制动轮，在制动轮周围设置闸块，在闸块外围加闸带，闸带可由端部的调节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M=PL，L 为制动力臂。

电磁测功器是用磁场形成制动力矩，基本原理与机械测功器相同。

3.综合参数计算与试验成果整理

综合参数计算就是对模型水轮机的每一个工况，测出HM、QM、nM、PM 等参数后，计算出模型水轮机的ηM、n11和Q11值，即

效率

单位转速

单位流量

混流式水轮机能量试验一般选用8～10个导叶开度，分别在各个开度下进行若干个（5～10个）不同工况点的测试。试验可按如下步骤进行：

（1）调整上、下游水位，得到稳定的模型试验水头。

（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）待转速稳定后，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

（二）封闭式试验台

图3-7为我国某著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验收试验，也可在试验台上进行水力机械的压力脉动、力特性、四象限、补气及模型转轮叶片应力测量等各项其他试验和科研工作。

图3-7　高水头水力机械模型试验台示意图

1.试验台主要参数

最高水头：100（mH2O）

最大流量：1.2（m3/s）

转轮直径：300～500（mm）

测功器功率：400（kW）

测功器转速：900～1800（r/min）

供水泵电机功率：400kW×2

流量校正筒容积：120（m3）

水库容积：750（m3）

试验台综合效率误差：<±0.25%

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。系统中各主要部件的名称、参数及功能如下：

（1）液流切换器：流量率定时用以切换水流，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。

（2）压力水罐：直径2m 的圆筒形水箱。为模型机组的高压侧。具有偏心法兰，以适应不同模型的安装和调整。

（3）推力平衡器：由不锈钢制造。试验时可对机组受到的水平推力进行自动平衡，安装时作为活动伸缩节。

（4）模型装置：试验用的水轮机模型装置。

（5）测功电机：型号为ZC56/32—4，功率为400kW 的直流测功器。试验时可按电机或发电机方式运行。最高转速为1800r/min。

（6）尾水箱：圆柱形水箱，为模型机组的低压侧。

（7）油压装置：4台JG80/10静压供油装置，其中一台备用。供油压力2.5MPa，供油量为7L/min。

（8）真空罐：形成真空压力装置。

（9）真空泵：两台型号为H—70阀式真空泵。

（10）供水泵：24SA—10双吸式离心泵。两泵可根据试验要求，按串联、并联及单泵的方式运行。

（11）电动阀门：直径为500mm，用以切换系统各管道，以实现试验台各种运转方式。

（12）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，提供了系统中游离气泡重新溶解的条件。

（13）电磁流量计：用以测量流量，由上海光华—爱尔美特公司生产制造，型号为MS900F，其精度为±0.2%，可双向测量，输入量程为0～1m3/s。

（14）冷却器：当试验台运转时间过长，水温变化较大时，用以保持水温基本不变。

（15）流量校正筒：直径4.8m，高6.75m 圆形钢制水箱，有效容积为120m3。

3.试验台电气传动控制系统

（1）电机及拖动系统：在试验台中，电气系统为试验台提供动力，通过调节1号水泵电机、2号水泵电机、测功器的转速，控制各阀门的开关来达到调节各试验工况的目的。为了减少能耗，保证试验台满足不同形式水力机械的试验要求，并保证系统中水流的稳定性，两台供水泵电机及测功器，均采用无级变速的直流电机。测功电机选择了ZC56系列、定子悬浮立式结构，1 号水泵电机选择了GZ142 系列产品，2 号水泵电机选择了ZJD56系列产品。测功器、水泵电机的电枢和励磁回路均采用晶闸管变流装置供电。由变流直流传动装置来完成测功电机、水泵电机的转速控制。

（2）调速系统：采用智能数字调速系统，智能数字调速系统与其他系统的通信可通过数据总线或分立式的I/O 通道完成。试验台所选变流调速装置为ABB 生产的DCS500系列产品，它具有高性能的转速和转矩控制功能，能满足快速响应和控制精度的要求，具有电枢电流和磁场电流控制环节的自动调谐功能，具有完善的过流、过压、故障接地等自诊断功能。另外，人机通信方面，该系统有一个7段LED，驱动状态和故障都以代码数字显示，为了能得到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，可以进行故障检测、在线修改程序和设置参数。

（3）操作控制系统：由PLC、IPC、大屏幕显示器等组成。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，对试验台运行情况进行动态监测，运用图形界面反映各相关数据，使操作者可以选择试验工况，控制阀门的状态组合。在整个操作控制中，PLC作为整个控制系统的控制核心，它指挥整个系统的运行状态，首先它与ABB 调速装置连接，负责ABB调速装置的输入给定，由ABB调速装置通过I/O 和A/D 采样控制水泵电机和测功器的各种试验工况的运行，同时，PLC 还将有关数据和诊断信息送给它的上位机IPC，IPC又通过组态软件，为用户提供各种可视界面、信息，同时PLC 不断地从控制台采样，以便随时刷新工作状态。(www.xing528.com)

4.试验台参数测量设备及校准方法

（1）流量：流量是试验台重要参数之一，并对测量误差有重大影响。它的测量及校准的准确性直接影响到试验台的综合精度。高水头试验台采用的电磁流量计型号为MS900F。其精度为±0.2%，可双向测量，输入量程为0～1m3/s。

（2）水头：试验台水头的测量采用差压传感器。

型号：3051CD4A22A1A

量程：0～2.07MPa

精度：0.075%

（3）力矩：模型力矩测量采用间接测法，即在长度为L=848.25mm 的支臂上装负荷传感器，由该传感器测量的力乘以力臂得出力矩。其传感器性能如下：

型号：1110—A0—1K

量程：0～1000N·m

精度：±0.02%

（4）转速：转速用磁感应器测量。其性能如下：

型号：4-0002

量程：0～3000r/min

精度：±1个齿（测速齿数为120个）

（5）尾水压力：尾水压力测量采用传感器其性能如下：

型号：3051TA1A2B21A

量程：0～200kPa

精度：0.075%

（6）温度：温度（水温、气温）采用铂电阻温度传感器。水温测点布置在压力管道，气温测点放在试验层。两种温度都可在控制室读出，从而根据水温修正水的密度。其性能如下：

量程：0～100℃

分辨率：±0.1℃

（7）压力脉动。压力脉动测量采用传感器的性能如下：

牌号：4285A10

精度：±0.5%

（8）大气压力。大气压力测量采用立柱式水银压力计测量，精度为0.1mm。

（9）空化观测。在空化试验中，除了确定空化系数σ外，试验台装备有流态观察成像系统，从而可对转轮进出口空化气泡、叶道涡及锥管涡带等进行观察及摄像。

5.试验台数据采集和处理系统

试验台数据采集系统由两部分组成：数采器、计算机及外设。

（1）数采器。VXI总线系统。它具有数据传输快、可靠性高、功耗低、体积小、易于集成及可随时扩充等一系列优点。VXI采集是VXILINK 集成方式。VXILINK 包括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3m 长的VXI电缆。VXILINK 支持I—SCPI。

（2）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，主要用于数据的采集，显示及参数的动态波形跟踪。

工作站2：VL6—586/200内存器32M、硬盘2.1GB、光驱8×CD，主要用于完成数据的处理、屏幕绘图、历史资料的查询，数据重复性检验，屏幕显示当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8×CD，主要用来存储试验数据，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绘图仪上绘图。

打印机：HPElaserjet—4V 作为试验数据打印输出。

6.试验软件

试验软件用于高水头试验台所有试验数据采集和处理。是用BorlandC++5.0语言编写，运行于WINDOWS95平台，可对所测的转换成电量的物理量进行实时测量和处理。由六个试验软件组成一个试验软件包。本试验软件包功能丰富，使用灵活，窗口显示直观清晰，支持鼠标操作，具有快捷按钮，提供了详细的在线帮助。同时支持网络操作。

7.水轮机试验时的试验参数定义

（1）水头H

式中 Pd——进出口测点的总压力差，Pa；

H——净水头，m；

P1-2——压差传感器承受的压差，Pa；

A1、A2——模型机组进出口的过流面面积，m2；

ρ——水的密度，kg/m3；

g——重力加速度，m/s2。

（2）输入功率Pi

式中 Q——流入蜗壳的流量，m3/s；

γ——水的比重，N/m3。

（3）输出功率Pu

式中 M——力矩（该力矩包括轴承端面密封摩擦力矩），N·m；

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。

（4）效率η

（5）单位流量Q11

式中 D1——模型转轮名义直径，m。

（6）单位转速N11

（7）空化系数σ

式中 Pg——传感器测得的绝对压力，mH2O；

V2——测点位置断面水的平均流速，m/s；

Hv——水的汽化压头，mH2O；

a——传感器中心到转轮中心的距离，转轮中心线下为正值，m。

（8）单位飞逸转速n11P。当轴力矩为零时，水轮机转速为飞逸转速nP

（9）压力脉动振幅比率

式中 ΔH——测得的压力脉动峰值，mH2O；

H——试验水头，mH2O。

（10）水的密度ρ（g/cm3）

ρ=999.973×(0.999874+6.09011×10-5T-7.974×10-6T2+4.23144×10-8T3)

式中 T——水的温度，℃。

（11）重力加速度g（当地）

g=9.80665m/s2