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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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