水轮机的模型试验Word文档下载推荐.docx
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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
PmMnm
（3-36）
QmHm30QmHm
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。
3
图3-6测功装置
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：
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，贝S此时的制动力矩即为MPL,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,nMPM等参数后，计算出模型水轮机的M,ni1和Q11值。
PM
效率
9.81QmHm
5D1M
单位转速
H
.HM
亠Qm
单位流量
Q112
DIMHM
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
开度下进行若个（5~10个）不同工况点的测试。
试验可按如下步骤进步：
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ao。
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（ao，H，Q,n和P）于表3-1中。
表3-1能量试验数据记录计算表
导叶
开度
a。
（mm）
工
况
占
八、、
试
验
序
号
试验
水头
Hm
（m）
转速
nM
（r/min）
制动
力P
（N）
轴功
率
PM
（kW）
堰顶水深
h
流量
Qm
（m3/s）
单位
Qn
（L/s）
单位转
速nn
效率
M
（%）
备
注
a01
1
2
4
a02
（2）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。
高木夷水力机Miftn］试榦I合赢址示章图
图3-7高水头水力机械模型试验台示意图
3.1试验台主要参数
最高水头：
100（mHO
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<
2
流量校正筒容积：
120（斥）
水库容积：
750（斥）
试验台综合效率误差：
v0.25%
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的直流测功机。
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25kgf/cm2，供油量为7l/min。
8.真空罐:
形成真空压力装置。
9.真空泵：
二台型号为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，由光华-爱尔美特公司生产制造，
型号为MS900F其精度为士0.2%,可双向测量，输入量程为0〜im/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。
3.3试验台电气传动控制系统
3.3.1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I#水泵电
机、H#水泵电机、测功机的转速，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机，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#水泵电机选择了GZ142系列产品，H#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。
调速系统采用智能数字调速系统，智能数字调速系统与其它系统的通讯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，人机通讯方面，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。
操作控制系统由PLCIPC、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进行时实通讯，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，首先它与ABB调速装置联接，负责ABB调速装置的输入给定，由ABB调速装置通过I/O和A/D采样控制水泵电机和测功机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不断从
控制台采样，以能随时地刷新工作状态。
3.4试验台参数测量设备及校准方法
3.4.1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其精度为士0.2%,可双向测量，输入量程为0~1mVs。
3.4.2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%
3.4.3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：
1110-A0-1K
0〜1000N•m
精度：
士0.02%
3.4.4转速转速用磁感应器测量。
其性能如下：
4-0002量程：
0~3000r/min精度：
士1个齿（测速齿数为120个）
3.4.5尾水压力尾水压力测量采用传感器其性能如下：
3051TA1A2B21A量程：
0~200kPa精度：
3.4.6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。
0〜100C
分辨率：
士0.1C
3.4.7压力脉动
压力脉动测量采用传感器的性能如下：
牌号：
4285A10
士0.5%
3.4.8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。
3.4.9空化观测
在空化试验中，除了确定空化系数。
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。
3.5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。
3.5.1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。
3.5.2计算机及外设
工作站1:
VL6-586/200存器32M硬盘2.1GB光驱8XCD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存器32M硬盘2.1GB光驱8XCD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存器64M硬盘4GB光驱8XCD主要用来存储的试验数据，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绘图仪上绘图。
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所有试验数据采集和处理。
是用
BorlandC++5.0语言编写，运行于WIND0W9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。
3.7水轮机试验时的试验参数定义
3.7.1水头H
PdP1
Z2
Ai2
A；
Al
AI
（3-38）
Pd
g
（3-39）
式中：
R：
进出口测点的总压力差（h：
净水头（m
P1-2:
压差传感器承受的压差（
Pa）
A,A2：
模型机组进出口的过流面面积（
P：
水的密度（kg/m3）
g：
重力加速度（m/s2）
3.7.2输入功率P
m）
PiHQ
（3-4
式中:
Q流入蜗壳的流量（m/s）
丫：
水的比重（N/m3）
3.7.3输出功率Pu
PuM
MLK
n
30
M力矩（该力矩包括轴承端面密封摩擦力矩）
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
（3-41）
（3-42）
（3-43）
n：
测功电机转速（r/min）
3.7.4效率n
P（%）
Pi
3.7.5单位流量Qi
Qii
Q
Di2-H
（Nm）
4）
5）
d：
模型转轮名义直径（m
3.7.6单位转速Ni
Nii
nDi
（3-46）
3.7.7空化系数。
Pg
V22
2g
aHv
7）
Pg：
传感器测得的绝对压力（mHO）
匕：
测点位置断面水的平均流速（m/s）
HV:
水的汽化压头（mHO）
a：
传感器中心到转轮中心的距离，转轮中心线下为正值（m
3.7.8单位飞逸转速niip
当轴力矩为零时，水轮机转速为飞逸转速np
n叶D1
n11P
.H
8）
3.7.9压力脉动振幅比率A
-H
AH
（3-
49）
△H:
测得的压力脉动峰-峰值（mHO）
H:
试验水头（mHO）
3.7.10水的密度p（g/cm3）
56283
999.9730.9998746.0901110T7.97410T4.2314410T
T:
水的温度（C
3.7.11重力加速度g（当地）
g=9.80665（m/s）
三、水轮机的飞逸特性。
水轮发电机组在正常情况下，总是以额定转速运行。
这时，水轮机的转动力矩和发电机的电磁力矩是平衡的。
如果外界负荷突然丢掉，调速机构失灵、导水机构又不能及时关闭时，由于输出的电磁力矩为零，因而输入的水流转动力矩除了少部分消耗于机械损失外，其
余大部分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性有关，而飞逸特性一
般用单位飞逸转速n11R表示。
按转速相似公式换算出相应的单位飞逸
nnRD1
（3-50）
ni1R
vH（r/min）
根据各niiR值可绘出该系列水轮机的飞逸特性曲线（图3-8、图3-9）。
图3-8混流式水轮机的飞逸特性曲线式水轮机的飞逸特性曲线
破坏；
---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，除了前两个因素外，还与转轮桨叶的转角有关。
因此，转桨式水轮机的飞逸转速存在两种情况：
1.当导水机构、转轮叶片操作机构同时失灵，且两者的协联机构也遭破坏。
桨叶安放角0与导叶开度a0可能发生任意组合。
此时可对每一角在不同导叶开度下进行飞逸转速实验，绘出非协联工况下不同桨叶转角的飞逸特性曲线，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性。
2.当导水机构和转轮叶片操作机构同时失灵，但两者之间的协联
关系仍保持。
此时，可利用其模型综合特性曲线，选择若干个单位转速nii值，对每个nii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，然后将相同的n11值的点连成曲线，即得nii=常数的协联工况飞逸特性曲线（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ao及桨角转角的协联关系破坏，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性后，即可按相似公式换算出原型水轮机的飞逸转速nR。
\Hmax
nRnnR（r/min）
Di（3-51）
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ni1R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，若原模型几何相似，
小a0TZ0TD1M
a0M~——
可按公式Z0MD1T把原型水轮机导叶开度a0T换算为模型导叶
开度a0M。
对于转桨式水轮机，可根据计算要求在飞逸特性曲线图上选定niiR值。
例如要计算协联工况的飞逸特性，可以在图5-9中nii组曲线
上找出飞逸前的ni1值的曲线，在该曲线上根据所求的协联工况点的导叶开度ao值确定niiR值。
对未给出飞逸特性曲线的转轮可按最大水头Hmax和建议的最大
单位飞逸转速ni1max计算。
一些转轮的ni1max值列于表3-2中，表中对ZZ600和ZZ460分别为协联破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
型号
HL310-1
HL310-2
HL240
HL230
HL220
HL200
HL110
ZZ600
ZZ460
n11max
163
174
155
128
133
131
93
352/280
324/240
水轮机飞逸转速与额定转速之比称飞逸系数
Kr
nR
（3-52）
水轮机的飞逸转速系数大致围如下：
轴流转桨式水轮机保持协联关系时Kr20~22
轴流转桨式水轮机协联关系破坏时Kr24~26
混流式或水斗式水轮机Kr1.7~2.0
以上Kr值其下限适用于低比转速水轮机，上限适用于高比转速水轮机。
水轮机的飞逸特性除与机型、水头和导叶开度等有关外，水轮机的汽蚀特性对飞逸转速也有影响。
试验研究表明，由于汽蚀破坏了正常流态，水力损失增加，因此水轮机的飞逸系数要降低一些，特别对轴流转桨式水轮机影响较显著，
水轮机在飞逸转速下运行对机组是危险的，因为离心力与转速的平方有成正比，如圆周速度增加2倍，离心力则增加4倍。
可见当机组在飞逸工况时产生的离心力是很大的。
如不采取措施，强大的离心力可能损害机组转动部件或轴承系统，或引起机组及厂房强烈振动。
为此，制造厂规定，对水轮机转动部件要按飞逸转速来设计，机组飞逸时间不允许超过2min。
由于飞逸转速的大小将直接影响机组的安全和造价，因此一方面
要按厂家的规定尽量限制飞逸转速的升高，以降低机组的重量和造价，另一方面还要在技术上采用防飞逸保护措施，以防止飞逸事故。
目前常采用如下措施：
1.设置快速闸门。
在水轮机引水钢管上装置不同类型的闸门，例
如对中低水头水轮机设置平板闸门或蝴蝶阀，高水头采用球阀。
当机
组过速达1.4~1.5倍额定转速而导叶又不能关闭时，可在动水的情况下电动或液压操作快速闸门，保证在两分钟截断水流。
这种装置是水电站常用的比较可靠的防飞逸措施，但由于快速闸门会增加水轮机设备成本约20~30%而且也增加了设备维护工作量。
2.增设事故配压阀。
通常采用在导水机构接力器压力供油管上装设事故配压阀，当接力器发生故障时，事故配压阀自动操作接力器，关闭导水机构。
这种防飞逸装置比较经济，但实用表明动作可靠性较差，并且当压力油压力下降或消失时这种装置将失效。
3.对转桨式水轮机，可采用强行关闭或开大叶片转角，以降低飞逸转速。
但在飞逸工况下开大桨叶转角，可能会引起机组强烈振动，同时需增大转轮叶片操作机构零件的尺寸。
4.为了降低飞逸转速，有的轴流式水轮机采用制动叶片，它们装设于转轮体上靠近叶片法兰孔的下部或上部，当转轮的转速超过额定值时，这些制动叶片伸入水流中，起到阻尼作用。
5.导叶自关闭。
导叶自关闭就是适当地加大导叶偏心距，使其能在水流力矩作用下，自行关闭到空载开度，以防止机组产生飞逸。
这是一种简单可靠的防飞逸方法，目前国外都在进行试验研究。
它可使机组的转动部件不必按飞逸转速计算结构强度，可大大降低机组的造价。
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