水轮机的模型试验.docx

1、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讨论了水轮机相似的条件， 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。按相似理论， 模型水轮机的工作完全能反映任何尺寸的原型水轮 机。模型水轮机的运转规模比真机运转规模小的多，费用小，试验方 便，可以根据需要随意变动工况。 能在较短的时间测出模型水轮机的 全面特性。将模型试验所得到的工况参数组成单位转速 n11和单位流量 Qu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 所得到的曲线图称为综合特性曲线。 此综合特性曲线不仅表示了模型 水轮机的工作性能， 同样地反映了与

2、该模型水轮机几何相似的所有不 同尺寸，工作在不同水头下的同类型真实水轮机的工作特性。水轮机制造厂可从通过模型试验来检验原型水力设计计算的结 果，优选出性能良好的水轮机，为制造原型水轮机提供依据，向用户 提供水轮机的保证参数。 水电设计部门可根据模型试验资料， 针对所 设计的电厂的原始参数， 合理地进行选型设计， 并运用相似定律利用 模型试验所得出的综合特性曲线， 绘出水电站的运转特性曲线。 为运 行部门提供发电依据，水电厂运行部门可根据模型水轮机试验资料， 分析水轮机设备的运行特性， 合理地拟定水电厂机组的运行方式， 提 高水电厂运行的经济性和可靠性。 当运行中水轮机发生事故时， 也可 以根据

3、模型的特性分析可能产生事故的原因。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。反击式水轮机的汽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小， 而且水头调节更加方便，但封闭式试验台投资较高。1.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

4、由下列装置组成。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。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 功器5及水头测量装置16。3） 测流堰槽。它的作用是测量模

5、型水轮机的流量，在槽首端装有静水栅11,以稳定堰槽的水流，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Pm Mn m(3-36)Qm H m 30 Qm H m试验参数H M , QM , nM和PM1）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

6、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：M P

7、L ( 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 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H M , QM , nM PM等参数后，计算出模型水轮机的 M,ni1和Q11值。P M效率9.81Qm H m5 D1M单位转速H.H M亠 Q m单位流量Q

8、11 2DIM H M混流式水轮机能量试验一般选用 810个导叶开度，分别在各个开度下进行若个(510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/mi n)制动力P(N)轴功率PM(kW)堰 顶 水 深h(m)流量Qm(m3/s)单位流量Qn(L/s)单位转速nn(r/mi n

9、)效 率M(%)备注a011234a021234(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：300500 (mm 测功机功率：400 (kW测功机

10、转速：9001800 (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：v 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 :

11、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 25 kgf/cm 2，供油量为 7 l/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

12、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0im/s14.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

13、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

14、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

15、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

16、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： 02.07MPa 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：型号： 1110-A0-1K量程：01000 N 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：型号： 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

17、采用传感器其性能如下：型号： 3051TA1A2B21A 量程： 0 200kPa 精度： 0.075%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。其性能如下：量程：0100C分辨率：士 0.1C3.4.7压力脉动压力脉动测量采用传感器的性能如下：牌号： 4285A10精度：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 0.1 mm。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

18、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: VL6-586/2

19、00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：HPE laserjet-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Borland C+5.0语言编写，运行于 WIND0W9

20、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HPd P1Z21Ai21A；1Al1AI(3-38)Pdg(3-39)式中：R：进出口测点的总压力差（ h：净水头（mP1-2 :压差传感器承受的压差（Pa)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Pm)Pi H Q(3-4式中:3Q流入蜗壳的流量（m/s ）丫：

21、水的比重（N/m3）3.7.3输出功率PuPu MM L Kn30式中：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（mK: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nP (%)Pi(3-43.7.5单位流量QiQiiQDi2 -H(3-4(Nm)(N)4)5)式中:d：模型转轮名义直径（m3.7.6单位转速NiN iin Di(3-46)3.7.7空化系数。PgV222ga Hv(3-47)式中: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：

22、传感器中心到转轮中心的距离，转轮中心线下为正值（m3.7.8单位飞逸转速niip当轴力矩为零时，水轮机转速为飞逸转速 npn 叶D1n 11P.H(3-48)3.7.9压力脉动振幅比率A- HA H(3-49）式中： 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）5 6 2 8 3999.973 0.999874 6.09011 10 T 7.974 10 T 4.23144 10 T式中：T:水的温度（C3.7.11重力加速度g （当地）2g=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

23、，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n 11R表示。按转速相似公式换算出相应的单位飞逸转速n nR D1(3-50)ni1RvH (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

24、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

25、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。 H maxnR nnR （r/mi n）Di （ 3-51）式中使用最大水头Hmax是考虑到最大的

26、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 a0TZ0T D1Ma0M 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 H max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

27、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HL310-1HL310-2HL240HL230HL220HL200HL110ZZ600ZZ460n11 max16317415512813313193352/280324/240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致围如下：轴流转桨式水轮机保持协联关系时 Kr 20 22轴流转桨式水轮机协联关系破坏时 Kr 24 26混流式或水斗式水轮机Kr 1.7 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、

28、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

29、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1.41.5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2030%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

30、， 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。