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水轮机模型验收试验规程 DL446—91
目次
1 总则
2 名词术语、定义、符号及计量单位
3 模型验收试验台
4 模型水轮机组
5 模型试验保证值的验证
6 模型验收试验各种参数测量及误差
7 模型验收试验程序
8 模型验收试验的组织等事项
附加说明
8．4．3 参加验收试验人员名单；
8．4．4 试验台及模型水轮机组的说明；
8．4．5 进行试验的过程及测量仪器率定方法的介绍；
8．4．6 至少有一个测程从原始数据至最终结果的详细计算例子；8．4. 7 测量仪表的率定，各种试验参数测量误差的分析；8．4．8 试验成果及其评价；
8．4．9 经双方签字的验收试验结论；
8．4. 10 双方负责人在报告上签字。
附加说明：
本标准由能源部水电站水轮机标准化技术委员会提出并归口。
本标准由水利水电科学研究院水力机电所负责起草。
本标准主要起草人：王钟兰。
第四节水轮机层和发电机层水轮机层和发电机层占据了厂房的大部分空间，它们的结构型式和尺寸主要取决于电流系统及电气控制设备的布置。
同时布置在这两层中的还有机械控制设备。
高水头水电站的各种机电设备中，发电机尺寸相对较大，因此发电机层的尺寸对主厂房的平面尺寸常起控制作用。
一、发电机的类型及励磁方式大中型水电站一般均采用立式（竖轴）水轮发电机组。
发电机的类型及励磁方式会影响到厂房的布置。
根据推力轴承设置的位置，竖轴水轮发电机可分为悬式和伞式两种。
悬式水轮发电机的推力轴承位于上机架上，整个水轮发电机组的转动部分是悬挂着的。
它的优点是推力轴承损耗较小，装配方便，运行较稳定；缺点是上机架尺寸大，机组较高，消耗钢材多。
转速在150r/min以上的水轮发电机一般为悬式。
伞式水轮发电机的推力轴承设在下机架上，推力轴承好似伞把支撑着机组的转动部分。
它的优点是上机架轻便，可降低机组高度（及厂房高度），节省钢材，检修发电机时可不拆除推力轴承，从而缩短检修时间；缺点是推力轴承直径较大，易磨损，设计制造较复杂。
有时还把推力轴承设于水轮机顶盖支架上，称为低支承伞式水轮发电机。
转速150r/min以下的大容量机组常为伞式。
目前水轮发电机的励磁方式主要有直流电机励磁及可控硅整流励磁两种。
前一种情况下，发电机的励磁电流来自于同轴连接在发电机上方（指竖轴机组）的直流电机，即励磁机。
后一种情况下，发电机输出电流的一部分经可控硅整流、降压后送回发电机作为励磁电流。
从励磁系统的组成上看，采用可控硅励磁后，可省去励磁机，有利于降低厂房高度，但要增加几块励磁盘及励磁变压器。
二、发电机支承结构发电机支承结构通常称为机座或机墩，其作用是将发电机支承在预定的位置上，并给机组的运行、维护、安装、检修创造有利条件。
机组作用在机座上的力主要有垂直荷载（转动及非转动部分的重量、水推力等）及扭矩（正常及短路扭矩）。
机座必须有足够的强度和刚度保证弹性稳定，动力作用下振幅小，自振频率高（以免与机组共振）。
第四章 水轮机的特性曲线与选型第一节 水轮机的相似律一、水轮机的相似条件在进行模型试验时，模型与原型水轮机之间应满足的条件称为水轮机的相似条件。
模型和原型水轮机之间应满足几何相似、运动相似和动力相似三个相似条件。
1.几何相似（必要非充分）（同轮系）几何相似是指两个水轮机的过流部件形状相同（即过流部件几何形状的所有对应角相等），尺寸大小成比例。
即：===mmma ab b D D 000011式中 ：01b D 、、0a ——水轮机的转轮直径、导叶高度、导叶开度。
满足几何相似的一系列大小不同的水轮机，称为同轮系（或同型号）水轮机。
只有同轮系的水轮机才能建立起运动相似或动力相似。
2.运动相似（等角工作状态）运动相似是指同一轮系的水轮机，水流在过流通道中对应点的同名流速方向相同，大小成比例，即相应点的速度三角形相似。
即两水轮机运动相似就称此两水轮机为等角工作状态。
3.动力相似动力相似是指同一轮系水轮机在等角工作状态下，水流在过流部件对应点的作用力（惯性力、重力、粘滞力、摩擦力等），同名力的方向相同，大小成比例。
二、轮机的相似律在满足相似条件的基础上原型与模型水轮机各参数之间的相互关系称为水轮机的相似律，也称为水轮机的相似公式。
1.转速相似律s m sm mH D H D n nηη11=s H D n η11∝2.流量相似律sm m msvmm vH D H D Q Q ηηηη2121=s VH D Q ηη21∝式中：v Q η—有效流量。
称为水轮机的流量相似律，亦称为流量方程式。
在应用中，直径m D 1、1D 、水头m H 、H 为定值，若效率vm η、sm η、v η、s η为已知时，则可由测得的m Q 求得原型水轮机的流量Q 。
3.出力相似律()()jmsm m m j s mH D H D N N ηηηη23212321=2321s H D N η∝称为水轮机的出力相似律，亦称出力方程式。
摘要摘要混流式水轮机的力特性指标是水轮机真机结构设计的重要设计输入数据，其准确性和合理性将直接影响到水轮机的运行安全和制造成本。
水轮机活动导叶的形状和安装位置直接影响到水流作用在其表面上的压力和力矩数值。
为了准确计算导叶强度、合理选择水轮机导水机构接力器及与其相关的系列传动机构，需要确切了解导叶在各个开度值下的受力情况，目前确定水轮机水力部件力特性通常采用水轮机模型试验或数值仿真的方法。
本文以吉林丰满水电项目为应用背景，以混流式水轮机的导叶水力矩为研究对象，通过数值模拟和试验相结合的办法进行了不同导叶开口下水力矩分布规律、导叶分布圆导直径对导叶水力矩影响及水力矩计算简化方案的研究，得出了以下结果：导叶水力矩数值计算结果与模型试验结果分布规律相似，使用CFD方法计算导叶水力矩是完全可行的。
不同导叶分布圆同一导叶翼形下导叶水力矩曲线略有不同，分布圆越大，水力矩越大。
导叶水力矩计算方法可简化为定流量变开口计算。
选取效率最优点的流量来计算导叶水力矩结果和试验结果最吻合。
关键词：混流式水轮机；导叶水力矩；数值模拟；模型试验- I -AbstractAbstractForce characteristics of Francis turbine is an important design input data for the structure design of the prototype, whose accuracy and rationality have a direct impact on the safe operation and manufacturing cost. The shape and position of the guide vanes of the turbine directly affect the pressure and torque value of the water flow acting on its surface. In order to calculate the vane strength accurately, reasonable selection of turbine guide vane servomotor and its related series of transmission mechanism, need to know exactly the guide vane in each opening value under the condition of stress, the method of determining the hydraulic force characteristics of commonly used parts of the turbine turbine model test and CFD numerical simulation. This paper takes Jilin Fengman project as the application background and takes vane torque of Francis turbine guide as the object of study. This paper makes a study on the distribution law of vane torque of Francis turbine guide and the influence of guide vane graduation circle to guide vane torque. This paper also studies and verifies the simplified scheme of guide vane torque calculation using a suitable flow. The studies above are based on combination of numerical simulation and experimental method of vane torque of Francis turbine guide. The paper draws the following conclusions.The distribution law of guide vane torque factor from the CFD numerical simulation results is similar to the distribution law from the results of the model test. It is feasible to use CFD method to calculate vane torque. The guide vane torques curve in different graduation circle of guide vane with the same vane airfoil are slightly different. The larger the graduation circle, the greater the vane torque. The calculation method of guide vane torque can be simplified as a calculation method with the same discharge and variable openings. The results calculated at optimal condition discharge are in good agreement with the experimental results.Keywords: Francis turbine, Guide vane torque, Numerical simulation, Model test目录目录摘要 (I)Abstract ............................................................................................................................. I I 第1章绪论 (1)1.1 研究背景与意义 (1)1.2 国内外研究现状 (3)1.3 主要研究内容与研究思路 (5)第2章计算流体力学基本理论 (7)2.1 流体力学基本方程组 (7)2.1.1 连续方程——质量守恒方程 (7)2.1.2 运动方程——动量守恒方程 (8)2.1.3 能量方程——能量守恒方程 (8)2.2 湍流流动基本方程组简介 (9)2.2.1 直接数值模拟算法（DNS算法） (10)2.2.2 大涡模拟算法（LES算法） (10)2.2.3 雷诺时均数值算法（RANS算法） (11)2.3 本章小结 (14)第3章模型水轮机导叶水力矩数值计算 (15)3.1 网格划分及边界条件设置 (15)3.1.1 三维建模及网格划分 (15)3.1.2 边界条件设置 (20)3.2 整体计算和蜗壳及固定导叶和活动导叶联合计算对比 (20)3.3 蜗壳及固定导叶和活动导叶联合CFD数值模拟计算 (24)3.3.1 正常工况同步导叶水力矩计算 (24)3.3.2 正常工况非同步导叶水力矩计算 (29)3.4 导叶水力矩数值计算简化方案研究 (33)3.5 不同导叶分布圆的导叶水力矩计算 (34)3.6 本章小结 (35)第4章丰满导叶水力矩模型试验验证 (36)- III -目录4.1 模型试验台简介 (36)4.2 导叶水力矩模型试验 (37)4.2.1 同步试验结果 (38)4.2.2 非同步试验结果 (43)4.3 数值模拟与模型试验对比 (47)4.4 本章小结 (52)结论 (53)参考文献 (54) (58)致谢 (59)个人简历 (60)第1章绪论1.1研究背景与意义在我国煤电、水电、核电是电力系统中三大主要的组成部分[1]。
第四节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。
能在较短的时间内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和单位流量后，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（3-36）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。
1）测量水头。
模型试验水头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。
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。
图3-5 堰顶水深与流量关系曲线3）测量转速，采用机械转速表在水轮机轴端可直接测量转速，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。
测量模型水轮机轴功率，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，计算功率。
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，测量方法基本相同，都是通过测量模型水轮机的制动力矩，然后再计算出功率。
制动力矩为：(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）使测功架保持不动，则此时的制动力矩即为，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，测出等参数后，计算出模型水轮机的值。
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。
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()于表3-1中。
表3-1 能量试验数据记录计算表深量速（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。
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（mH2O）最大流量：1.2（m3/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（m3）水库容积： 750（m3）试验台综合效率误差：＜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25 kgf/cm2，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。
3.3 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、Ⅱ#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，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±0.2%，可双向测量，输入量程为0～1m3/s。
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：型号：1110-A0-1K量程：0～1000 N·m精度：±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：±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：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。
