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    I C S2 7 .1 4 Q K5 5 a 雪 中华人民共和国国家标准 G B /T1 5 6 1 3 .3 2 0 0 8 水轮机、蓄能泵和水泵水轮机模型 验收试验第三部分辅助性能试验 M o d e la c c e p t a n c et e s t so fh y d r a u l i ct u r b i n e s ,s t o r a g ep u m p sa n d p u m p t u r b i n e sP a r t3 A d d i t i o n a lp e r f o r m a n c et e s t 2 0 0 8 0 6 - 3 0 发布 I E C6 0 1 9 3 t 9 9 9 ,N E Q 2 0 0 9 0 4 01 实施 宰瞀鹊鬻瓣訾辫瞥翼发布中国国家标准化管理委员会“”’ G B /T1 5 6 1 3 .3 2 0 0 8 目次 前言?????·???????????????????··??? 1 范围·?????????????????????????? 1 .1 范围??????????····?????????????? 1 .2目的???????????????????·??????· 2 规范性引用文件?????????????·????????· 3 术语、定义、符号和单位????????·??????????· 3 .1 总则???·- ·????????···???···????????·· 3 .2 单位????????????????·- ···???????·· 3 .3 术语、定义、符号和单位表?????????????·???· 4 试验的实施··???????????????·???????·· 4 .1 试验数据测量介绍?·?????????????????? 4 .2 脉动量测量的数据采集和数据处理????????????- - 5 测量方法和结果?????????????????????·· 5 .1 压力脉动????????????????·???????- 5 .2 主轴力矩脉动????????????????????? 5 .3 轴向力和径向力????????????????????·· 5 .4 控制机构部件的水力负荷????????????????·- - 5 .5 在拓展的运行范围内进行的试验?????????????·· 5 .6 有关原型指数试验的差压测量?????????????? 附录A 资料性附录 尾水管水体的固有频率?????????? 附录B 资料性附录 参考文献??- - ?????????????· 附录C 资料性附录 本部分与I E C6 0 1 9 3 1 9 9 9 技术性差异及其原因 I,●●●●●0 0 0 0 4 0 0¨“船驺”∞蛆蛆 刖昌 G B /T1 5 6 1 3 .3 2 0 0 8 G B /T1 5 6 1 3 水轮机、蓄能泵和水泵水轮机模型验收试验分为三部分 G B /T1 5 6 1 3 .1 第一部分通用规定; G B /T1 5 6 1 3 .2 第二部分常规水力性能试验; G B /T1 5 6 1 3 .3 第三部分辅助性能试验。 本部分为系列标准G B /T1 5 6 1 3 的第3 部分,对应于I E C6 0 1 9 3 1 9 9 9 水轮机、蓄能泵和水泵水轮 机模型验收试验的第四章。本部分与I E C6 0 1 9 3 1 9 9 9 的一致性程度为非等效,主要差异如下 一一根据G B /T1 .1 2 0 0 0 的要求,对书写格式进行了修改; ?用小数点“.”代替作为小数点的逗号; 将规范性引用文件的内容进行了调整,且将原I E C 标准中有对应的国家标准的均予更换; 第3 章的引导语按G B /T1 .卜~2 0 0 0 的要求作了修改; ?为保证标准的完整性,归纳I E C6 0 1 9 3 第1 章总则的相关内容,规范形成第1 章“范围”,第2 章“规范性引用文件”,第3 章“术语、定义、符号和单位”。 对章条结构进行了适当调整,将4 .1 和4 .2 内容合为第4 章“试验的实施”,4 .3 ~4 .8 内容合 为第5 章“测量方法和结果”。 针对电站机组在实际运行中尾水位是变化的原因,增加了变空化系数压力脉动试验的相关 内容。 尾水管固有频率相关的物理学理论相当复杂,目前处于研究之中,故将5 .i .7 .4 “尾水管水体 的固有频率”从正文中拿出,列为附录A ,作为资料性附录。 有关技术差异在它们所涉及的条款的页边空白处用垂直单线标识。在附录c 中给出了这些技术 性差异及其原因的一览表以供参考。 本部分附录A 、附录B 和附录c 为资料性附录。 本部分由中国电器工业协会提出。 本部分由全国水轮机标准化技术委员会 s A c /T c1 7 5 归口。 本部分起草单位中国水利水电科学研究院、东方电机股份有限公司、哈尔滨大电机研究所 本部分主要起草人潘罗平、温国珍、赵越、覃大清、孟晓超、胡江艺 水轮机、蓄能泵和水泵水轮机模型 验收试验第三部分辅助性能试验 G B /T1 5 6 1 3 .3 2 0 0 8 1 范围 1 .1 范围 本部分适用于在试验室条件下所试验的各种类型的冲击式和反击式的水轮机、蓄能泵或水泵水 轮机。 本部分适用于机组功率大于1 0M w 或公称直径大于3 .3m 的原型所对应的模型。如将本部分所 规定的步骤完全地应用于机组功率或直径较小的水轮机,一般来讲并不合适,但若供需双方协议认可, 也可采用本部分。 在本部分中,术语“水轮机”包括作水轮机方式运行的水泵水轮机,术语“水泵”包括作水泵方式运行 的水泵水轮机。 除了必须与试验有关的事项之外,本部分不包括纯商业利益的事项1 。 只要机械的结构或部件不影响模型的性能或模型与原型间的相互关系,本部分既不涉及机械的详 细结构,也不涉及机械部件的机械性能。 1 .2目的 本部分的主要目的是通过模型辅助性能试验获得辅助性能数据,可作为原型的设计或预测原型运 行的指导。 本部分也适用于其他目的模型试验,例如比较试验和研究及开发性的工作。 如果模型验收试验已经完成,现场试验可以仅限于进行指数试验 见G B /T2 0 0 4 3 ,第8 章 2 规范性引用文件 下列文件中的条款通过G B /T1 5 6 1 3 的本部分的引用而成为本部分的条款。凡是注日期的引用文 件,其随后所有的修改单 不包括勘误的内容 或修订版均不适用于本部分,然而,鼓励根据本部分达成 协议的各方研究是否可使用这些文件的最新版本。凡是不注日期的引用文件,其最新版本适用于本 部分。 G B /T1 5 6 1 3 .1 水轮机、蓄能泵和水泵水轮机模型验收试验第一部分通用规定 G B /T1 5 6 1 3 .1 2 0 0 8 ,I E C6 0 1 9 3 1 9 9 9 ,N E Q G B /T1 5 6 1 3 .2水轮机、蓄能泵和水泵水轮机模型验收试验第二部分常规水力性能 G B /T1 5 6 1 3 .22 0 0 8 ,I E C6 0 1 9 3 1 9 9 9 ,N E Q G B /T2 9 0 0 .4 52 0 0 6 电工术语水电站水力机械设备 I E C /T R6 1 3 6 4 1 9 9 9 ,M O D G B /T2 0 0 4 3 - - 2 0 0 5 水轮机、蓄能泵和水泵水轮机水力性能现场验收试验规程 I E C6 0 0 4 1 1 9 9 1 , M O D G B /T1 7 1 8 92 0 0 7 水力机械 水轮机、蓄能泵和水泵水轮机 振动和脉动现场测试规程 I S O3 1 3 1 9 9 2 参数和单位第3 部分机械 3 术语、定义、符号和单位 3 .1 总则 本部分中采用G B /T1 5 6 1 3 .1 中通用的术语、定义,符号和单位,特殊术语将在出现处给予解释。 G B /T1 5 6 1 3 .3 2 0 0 8 合同双方在试验前应对有异议的术语、定义或度量单位做出澄清。 3 .1 .1 试验点p o i n t 试验点是由在不改变运行条件和设置情况下,由一个或多个连续一组读数和/或记录组成,它足以 计算出在该运行条件和设置下机械的性能。 3 .1 .2 试验t e s t 试验是整个规定运行范围内足以计算出机械性能的一系列试验点和结果。 3 .1 .3 水力性能h y d r a u l i cp e r f o r m a n c e 由于流体动力作用于机械的各种性能参数。 3 .1 .4 主要水力性能数据m a i nh y d r a u l i cp e r f o r m a n c ed a t a 一组水力性能参数,如功率、流量和/或比能、效率、稳态飞逸和/或流量。这里必须考虑空化的 影响。 3 .1 .5 辅助性能数据a d d i t i o n a ld a t a 一组水力性髓数据,它可从模型试验得出 见G B /T 1 5 6 1 3 .1 中的4 .4 ,然而由于只能应用租略的 相似规则,由此得出的相应原型数据预测精度要低于由主要水力性能数据得出的结果。 3 .1 .6 保证值g u a r a n t e e s 合同中商定的规定性能数据。 32 单位 本部分采用国际单位制 S 1 ,见I S O3 卜3 。 所有术语都由s I 基本单位或由此导出的相关单位给出1 。使用这些单位的基本等式均是有效的, 如某些数据使用与s I 非相关的其他单位时也必须考虑这种情况 例如,功率中千瓦代替瓦,压力中千帕 或巴代替帕斯卡、以每分钟转速中每分钟代替每秒种等 。因为绝对温度 以凯尔文表示 很少需要,所 以温度以摄氏度给出。 仅在合同双方以书面形式同意的情况下,可以使用任何其他单位制。 3 3 术语、定义、符号和单位表 G B /T2 9 0 0 .4 5 和G B /T1 5 6 1 3 .1 中确立的术语、定义、符号和单位适用于本部分。有关振动和脉 动的术语、定义、符号以及数学术语见G B /T1 7 1 8 92 0 0 7 。 4 试验的实施 4 .1 试验数据测量介绍 4 .1 .1 概述 辅助性能试验数据 力矩、力、压力脉动等 可为水电站中的水力机械的设计和运行提供资料。目前 辅助性能数据的测量方法和评估技术发展得很快,因此,辅助性能数据的测量是必需的,且应详细加以 规定。 将辅助性能数据测量精度规定得与常规水力性能试验相同既不可能也没有必要。为了使需方可以 在必要的精度下和可比较的条件下进行测量,本部分规定了有关建议和指南。 2 1 N - - k g ·m ·s ~P a k g ·m 一1 ·S - 2J k g ·一·S 2 W - - k g ·m 2 ·s ~。 G B /T1 5 61 3 .3 2 0 0 8 水力机械的每一个工况点,不论其为稳定状态还是非稳定状态,都可以用多种机械量和水力量 通 常为脉动量 来描述。模型总是工作在稳定工况下。通常,不可能用模型模拟原型的暂态工况,仅可从 一系列稳定工况下的试验数据导出。 除G B /T1 5 6 1 3 .2 第4 章规定的之外,4 .2 还叙述了对数据采集及其处理方面的要求。 如果某些模型的辅助数据可由相同类型水力机械中具有足够精度的数据中得出,则通常不必对其 进行测量 例如,叶片和导叶力矩、径向力等 。辅助数据的测量应按专门技术步骤进行 见 6 B /T1 5 6 1 3 .1 中的2 .3 .3 。 水力机械是整个水电设施的一部分。因此,有必要对由于水力系统的固有频率激振引起的不稳定 工况进行研究,模型试验可用来验证不同工况下水力机械激振的频率和波形,见5 .1 和5 .2 。 作用在原型不同部件上的水作用力,可由模型试验数据通过原模型相应的换算程序,按比尺放大获 得。5 .3 和5 .4 介绍了为获得上述水作用力平均值和动态分量的方法和试验条件。 开机、关机和/或任何运行工况的转换都将导致机组瞬间运行时远离“正?!痹诵蟹段?。因此,在某 些情况下,要求对某些水力和机械变量在更拓展的运行范围内进行研究。5 .5 介绍了更拓展的运行范 围内的水力性能测量 即水泵水轮机的4 象限范围 。 最后,5 .6 介绍了如何根据模型试验结果对原型进行指数试验的可行性。 4 .1 .2 试验条件和试验程序 辅助性能试验通常在G B /T1 5 6 1 3 .1 和G B /T1 5 6 1 3 .2 规定的常规试验所采用的同一模型装置、 同一试验台进行。应对常规试验的试验条件进行核实或设法适应。在任何情况下,应将由振动、共振、 机械变形和漏水量增大等原因引起的干扰效应和辅助数据试验测试仪器的缺陷降至最小限度。 G B /T1 7 1 8 92 0 0 7 介绍了对测量仪器的要求和脉动量测量的方法。另外,在第5 章有关条款中 还就有关问题相应地作了介绍。 根据测量方案、试验内容及所能达到的和所需要的试验条件,来确定试验程序和试验大纲。辅助数 据的测量可分别与/或与常规水力试验同时进行。 G B /T15 6 1 3 .1 中4 .3 所述有关标定、初步试验、验收试验、检查零点读数等相同程序也可在辅助 数据试验中采用。 应在试验前商定试验条件和基本分析方法。 4 .1 .3 测量的不确定度 总地来讲,辅助试验数据测量的总不确定度大于常规试验测量的不确定度,理由如下 a 被测量偏离常规设计运行范围; b 被测量的不稳定性; c 所用测量仪器和标定程序的不完善性。 按给定目标根据双方商定的不确定度来选择测量方法。在许多情况下,不确定度可采用物理单位 P a 、N 、N ·m ?? 。 不确定度的有关特性见5 .1 ~5 .5 的有关内容。 4 .1 .4 模型与原型间的换算 根据基本相似定律,原型上的有关数据可由模型试验值经过换算得出。相应的换算程序在下面各 条中介绍。一般习惯于用无量纲量来表示模型与原型间的换算关系。 然而,应首先检查各个量是否满足水力和机械相似定律。不然,换算时就应考虑整个水力发电系统 中原型的动态结构方面的因素,这些因素包括进I l 和出口的水流情况、共振、外部振源等。 下列可能影响模型试验结果的因素应尽可能加以消除 a 流态的影响; b 机械结构的影响; c 其他。 3 G B /T1 5 6 1 3 .3 2 0 0 8 4 .2 脉动量测量的数据采集和数据处理 4 .2 .1 概述 G B /T1 5 6 1 3 .2 第4 章介绍了常规试验水力性能参数的平均值的测量方法。所用的方法也可用于 脉动量的测量。 4 .2 介绍了测定脉动量所需要的数据采集和数据处理方法。数据处理包括表示模型测量中试验结 果的计算、评估和表达方式。详细可参见G B /T1 7 1 8 9 - - 2 0 0 7 。 应在试验前就测量程序、数据采集和数据处理方法达成一致。 被测量可能是 a 具有周期性; b 具有非周期性、随机性和间歇型。 测量的脉动量 a 均值 G B /T1 5 6 1 3 .1 图7 中的x ; b 脉动分量 G B /T1 5 6 1 3 .1 图7 中的X 。 为获取脉动量的特性,测量方法应能够以足够高的分辨率记录脉动量。测量时可采用 a 压力传感器; b 加速度传感器; c 应变仪; d 其他类型的机械量传感器。 为进一步对数据进行分析,从传感器至数据存储器的整个测量系统应符合信号分析理论的有关准 则 见附录B 参考文献[ 1 ] 。测量系统应首先满足G B /Ti5 6 1 3 .2 第4 章的有关规定,在脉动量测量时 还应满足本条提出的附件要求。 4 .2 .2 数据采集 4 .2 .2 .1 信号调理 测量目的和数据采集及数据处理方法决定了与之相适应的信号调理的形式。信号调理的主要目 的为 滤掉高频噪声以防发生信号混淆现象 模拟滤波器 ; 清除不相关的信号分量 模拟、数字滤波器,或软件方法 ; 一一偏差补偿。 4 .2 .2 .2 模拟量与数字量的转换 大多数数据采集系统是基于周期采样来完成模拟量与数字量的转换的。图1 所示为一个典型的数 据采集系统。 图1典型的数据采集系统 当信号稳态值并不相关且比峰一峰值大时,偏差补偿可改善信号脉动分量的存储质量。转换器输入 的A C 耦合可降低信号的低频畸变。选择适当的直流偏差给模拟信号附加一个常量,使信号在无低频 畸变的情况下集中在A /D 转换器的范围内。 可编程增益放大器的作用是使模拟信号的范围适合于A /D 转换器的变化范围。 G B /T1 5 6 1 3 .3 2 0 0 8 模拟抗混淆低通滤波器用于周期性信号采样,采样频率取决于滤波器的特性。通过与每个测量通 道相联的采样保持放大器可实现所有信号的同步采集,采样信号可实现按顺序多路传输和转换。若信 号按顺序采集,应考虑采样结果的延迟性 见4 .2 .2 .4 。 A /D 转换器的作用是将连续的模拟信号转换为一定时间间隔的离散的数值序列,这种连续模拟信 号的离散化转换会产生不可挽回的数据损失 信号泄漏 ,应仔细对待。 模拟信号转换为数字信号的精确度取决于A /D 转换器的分辨率,分辨率通常用比特来表示。 数字信号的品质也取决于模拟信号的极值与A /D 转换器输入范围之间的匹配关系。因此,应对每 一测量通道进行调理,以使信号最适应A /D 转换器的输入范围。 4 .2 .2 .3 采样率 周期性采样要求信号的所有能量均被包含在零到一半采样频率之间 见附录B 参考文献[ 1 ] 。若 未能满足上述条件,则在所采集的信号中会产生信号混淆。 为防止发生信号混淆效应,在采样前应使用低通模拟滤波器。若该滤波器具有升至 。。的线性增 益功能,则所要求的采样频率为 2 。 ,? 式中 ,t ?。一过渡频率 见图2 。 过渡频率与下列因素有关 模拟防混淆滤波器的形式与级别; 一滤波器截断频率; ?一A /D 转换器的特性; 测量信号可能存在的高频分量; 允许噪声水平。 增益 0 d B 混淆效目啪增益 衰八// ./ / \ 滤波器增益 ,?/;频率 图2 模拟防混淆滤波器的频率响应 4 .2 .2 .4 相位信息 在某些工况下,不同脉动量之间的相位关系是很重要的。在这些工况下,应仔细对待相位移信息以 防止由数据处理系统产生的相位失真。 当数据采集系统的测量通道装有不同的信号调理器且相位差很重要时,则应考虑相位差的影响,并 加以修正。 若各通道按顺序采样,与通道0 相比,通道i i 一1 ,2 ,??,n 的相位失真△p 决于 相邻两通道采样时间A t ; 通道i 的位置 所关注的频率,。 相位失真为 △∞一2 “·A t ·i ·f 5 G B /T1 5 61 3 .3 2 0 0 8 出可为常数或等于1 / n · 。 4 .2 .2 .5 数据存储 模拟数据记录仪和数字量记录装置均可用于数据存储。 在第一种情况下,未经处理的信号被诸如磁带这样的设备记录下来,这样就可以进行信号波形重放 和对其进一步分析。磁带记录仪可认为是数据采集系统的一部分,其频率响应符合数据采集规则。 在第二种情况下,数字量用如磁盘等这样的大容量设备来存储。 4 .2 .2 .6 数据采集程序 为确定数据采集程序,应获取下列信息 一一以比特为单位的模/数转换的分辨率; 采样频率; 抗混淆滤波器的频率响应; 测量系统的频率响应; 一一记录次数和每次记录的采样数; 数据存储程序。 4 .2 .3 数据处理 在满足数据采集的规则下,为了获得信号相关信息就要进行数据处理。数据处理可采用多种转换 方法对随时间变化的信号进行分析 一一其统计特性; 其谱分量 在频域内 ; 信号间的相关性或其他关系。 时域分析的参数为 平均值; 特征峰峰值、特征幅值2 、标准偏差、均方根值 概率密度函数、概率分布; 其他。 频域分析的参数为 振幅谱 自功率谱的平方根 ; 自功率谱 有限能量信号的能量谱 互功率谱; 传递函数; 相关函数; 其他。 5 .1 .6 详细介绍了压力脉动的数据处理方法。该方法,特别是5 .1 .6 .1 中介绍的方法,也适用于主 轴扭矩脉动 见5 .2 、轴向力和径向力 见5 .3 、导叶力矩 见5 .4 .2 等脉动量的数据处理。 5 测量方法和结果 5 .1 压力脉动 5 .1 .1 概述 5 .1 .1 .1 水力机械压力脉动 压力脉动是水力机械中的自然现象。它们具有周期性或随机性。这是由水力机械流道和流场中的 2 特征峰峰值是指借助于计算出的概率分布和假定某一概率范围 例如9 7 % 内的最大值与最小值之差。国内按 9 7 %置信度进行取值。特征幅值为特征峰峰值的一半。 G B /T1 5 6 1 3 .3 2 0 0 8 叶片及导叶引起的。它们与设计、运行工况、引水钢管和转动部件的动态响应有关。压力脉动实际上是 包含不稳定压力和流速分布在内的水力一声学现象的一部分。它们也可能与主轴扭矩的机械脉动、转 速、导叶上的水力负荷及水力机械振动有关。 由于低频扰动可以传播到整个引水管和电机的转动部分,故应对其特别关注。低频扰动通常发生 在0 .2 ~3 倍转频之间。 混流式、轴流定桨式水轮机和水泵水轮机的尾水管压力脉动可能是低频压力脉动中最典型的现象。 在上述机械中,在转轮出口可能产生强烈的漩涡,从而引起压力脉动。另外,尾水管空化可改变水力系 统的固有频率。 具有双调节功能的轴流转桨式或斜流式水轮机,协联控制导叶开度和转轮叶片转角使转轮出口的 漩涡为最小,且不会发生严重的尾水管压力脉动。 对冲击式水轮机而言,转轮在恒压作用下与喷嘴是分离的。由于该原因,转轮与引水管间无相互影 响,故本条中不予讨论。 水轮机和水泵在转频乘以转轮或叶轮叶片数的频率 通常称之为叶片过流频率 下会产生激振。由 于转轮叶片与活动导叶/固定导叶/蜗壳之间的相互作用,可产生了k 倍于叶片过流频率的高频, 值对 于水轮机而言通常为1 ~2 ,而对于水泵和水泵水轮机而言通常为1 ~4 。 由于紊流性脱流和因漩涡破裂导致的间歇压力脉冲,可能在一个很大的运行范围内的多个工况下 产生随机压力脉动。 一些不同工况下的反击式水轮机的压力脉动的实例见图3 ~图6 。建议的压力传感器安装位置如 图7 所示。 零流量工况 1 0 %导叶开度 水泵工况 图3 一台h O E 0 .1 0 2 n , 1 0 6 的水泵水轮机在水泵工况及其零流量时的压力脉动 一| | 5 0 5 5 0 5 O ~一一 G B /T1 5 6 1 3 .3 2 0 0 8 E 一 I 瓦 几一 上.瓦 胁 勿W 川M .叭八N 入兀 扒研L./\山 7 y L 多 ¨ ≮ 频域幅值频率范围为3 倍转频, 全量程有效幅值为p E 的25 %。 时域信号时域范围为转轮旋转2 0 次.全量程幅值为脚的±5 %。 图4 一台n Q 。 0 .3 2 1 n 。 3 3 4 的混流式水轮机模型在部分负荷 Q n D /Q 一。t 2 0 .7 1 9 下的压力脉动 “么 撒 J 。。一 。k 一“n % 5 0 7 、\八 『/八∽/ f 少 ] 心 频域幅值频率范围为3 倍转频, 全量程有效幅值为p E 的4 %。 时域信号时域范围为转轮旋转2 0 次.全量程幅值为, o E 的±1 0 %n 图5 一台n ∞ 0 .2 2 6 n , 2 3 5 的混流式水轮机模型在较高负荷 Q n D /Q W 20 .7 6 4 下的压力脉动 8 九一._ 九..E 。l E J U ?。聊 P E 2 0 2 i 八八M 』 n / I 八/\~ 一,、八 从/ G B /T1 5 6 1 3 .3 2 0 0 8 频域幅值频率范围为3 倍转频, 全量程有效 幅值为p E 的1 %。 时域信号时域范围为转轮旋转2 0 次. 全量程幅值为p E 的±5 %。 图6 一台n 。。 0 .1 7 3 n , 1 8 0 的混流式水轮机模型在满负荷 Q m /Q Ⅲ 1 .2 1 8 下的压力脉动 图7 传感器的安装位置 5 .1 .1 .2 水力系统和机械旋转的影响 由于水力一声波受边界条件影响很大,孤立的水力机械模型试验并不能完全再现所有的原型动力 现象。 压力脉动并非仅是模型的唯一特征,而且也受试验台设备特征的影响。下列条件可能影响相似性 a 引水管 引水管长度,管壁刚度 ; b 试验流体的特性 气体含量 ; c 转动部件的动态特性; d 雷诺数和弗劳德数。 5 .1 .1 .3 测量目的 测量压力脉动通常是为了获取下列信息 ?特定运行范围内的压力脉动相对幅值; 一一周期或随机压力脉动特征; 压力脉动的主频, 如果出现的话 ; 9 2 O 2 2 0 2 G B /T1 5 61 3 .3 2 0 0 8 补气等减缓压力脉动方法的作用 效果和适当的位置 ; 与其他相同比转速模型相比模型压力脉动的强烈程度。 在与外界无显著相互作用的较好工况 见图1 2 ,模型试验的定量结果可直接转换到原型上。 原模型之间,由于其与外界间的各种相互作用或其流体特性的不同,原型压力脉动的幅值和频率可 能与直接由模型试验转换过来的值有很大差异。在目前技术水平下还无法量化原型与模型之间偏差, 但模型压力脉动的测量结果在多数情况下至少可提供定性的资料或评价压力脉动的程度。 5 .1 .2 对模型和试验台的特殊要求 模型和试验台应遵守G B /T1 5 6 1 3 .1 中2 .1 所述水力机械试验的一般要求。它应能对水力比能、 转速和低压侧的压力进行充分的调节。一旦所希望的试验工况设定完毕,应能在测量脉动量所需时间 内保持稳定。 转轮低压侧的透明部分应足够大,不仅仅能够观察到转轮叶片处的空化,还应该能观察到尾水管的 上部。 为避免试验台和模型之间发生共振,试验台的固有频率应与模型频率有很大的差异 见5 .1 .4 .1 。 由供水泵、节流装置、旁通管、弯管等引起的水力扰动在该频率范围内应不影响模型装置。 尾水管应与一个横截面积足够大的水管或水箱相连,以克服模型与试验台低压部分之间的动态 干扰。 模型结构应有足够的刚度以防变形过大。模型试验台的振动和由控制系统引起的转速脉动,应在 所测试频率带范围内不引起压力脉动。 试验台应以闭环方式运行,以使气体含量保持在较低和恒定的水平。模型进口处的水流应无移动 的气泡。 对于具有全包角的蜗壳的模型,如果可能的话,模型的高压侧应至少安装6 倍直径长的直引水管 路。允许用图7 所示的P 。和P 。压力传感器测得的信号预测压力波在蜗壳进口处的传播情况和此压力 波的水力声能情况。 5 .1 .3 仪器和标定 5 .1 .3 .1 压力脉动测量仪器 安装压力传感器时,应使传感器的膜片与流道平齐。如果达不到上述要求,应避免出现凹腔并估算 其固有频率,应不对欲测量的频带产生干扰 见5 .1 .1 .1 和G B /T1 7 1 8 92 0 0 7 中6 .3 。 测量压力脉动的传感器应具有足够的灵敏度 ±0 .1 %p E 。 测量链的最大允许误差应小于所测量程范围的土5 %。该误差可通过预先的标定程序来减小 见 5 .1 .3 .2 。 信号处理装置的最大允许误差应小于振幅的土1 %且相位差应小于±1 0 。。 图7 所示为混流式、轴流定桨式或水泵水轮机推荐的传感器安装位置。推荐对下述P ,?PP 。和 P ;点进行测量。P ,和P 点处的传感器应置于距转轮/叶轮低压侧o .3 ~1 .o 倍直径处。 P .压力传感器位于尾水锥管的下游侧; P 。压力传感器位于尾水锥管的上游侧; P 。压力传感器位于蜗壳进口。 P 。压力传感器位于转轮/叶轮和导叶问; 根据要测量的压力脉动值的情况,也可安装下列传感器 P 。另增的压力传感器置于尾水锥管处最好位于与p ,和P 相同平面上且与之相隔9 0 。,或位于肘 管段或相当于原型进入孔的位置上; P 。另增的压力传感器沿进水管布置 P ,压力传感器置于尾水管出口处。 下列力和力矩的测量也可与压力脉动测量同时进行 10 G B /T1 5 61 3 .3 2 0 0 8 _ 厂。轴向和径向力传感器位于轴一转轮联接法兰处 见5 .3 ; t 。力矩传感器位于轴上 见5 .2 。 5 .1 .3 .2 标定 应对压力测量系统进行动态标定。这包括确定输入压力信号和输出电信号问的传递函数。 通常不要求确定压力和输出信号间的绝对相位移。然而,由不同信号调理系统引起的输出信号问 的相位移应加以分辨或补偿。 在模型试验中使用的相同的频率和幅值范围内,可通过将相同的压力脉动作用于所有的传感器上 来确定的增益和相位修正。通过标定应能确保各通道间增益和相位的差值在信号处理装置的不确定度 裕度之内 见5 .1 .3 .1 。 5 .1 .4 详细步骤 5 .1 .4 .1 试验水头 水力比能 试验水头 水力比能 是按调整稳定状态的运行参数后能达到良好的运行工况下选择的。选择试验 水头 水力比能 时也可按压力脉动的频率和幅值都能落在试验仪器的限度内进行选择。 此外,如果怀疑模型和试验装置间可能发生共振,建议在不同的试验水头 水力比能 下进行试验 见5 .1 .2 。 只要可能实现,试验水头 水力比能 都应满足弗劳德数相似。对低水头 水力比能 下运行的大型 机械,弗芝德数的影响明显增加 见G B /T1 5 6 13 .1 中2 .3 .1 .5 。 5 .1 .4 .2 压力脉动测量的空化基准面 压力脉动测量在电站空化系数下进行。 如果不能实现弗芝德数相似,尾水锥管内的流场及其压力脉动将受到气体空穴变化的影响。 压力脉动试验的空化基准面参照G B /T1 5 6 1 3 .1 中5 .3 .1 .5 .1 执行,对于立式混流式机组,空化基 准面z 。为导叶中心线。 5 .1 .4 .3 模型试验工况 图8 给出了水泵或水泵水轮机的典型试验工况及试验工况的范围,而图9 中的E 。n Q 。。图则给出 了混流式或轴流定桨式水轮机的典型试验工况。 % 图8 带水泵曲线的试验途径 最大乓一。时的F ⅡD ⑤‰时的F m 虽大如?!钡摹?零流量工况”导叶开度 部分流量工况 ④一④保证运行范围 G B /T1 5 6 1 3 .3 2 0 0 8 图9 水轮机综合特性曲线中的试验途径 E ‰时的 ∞ ⑤0 山的变化 £山的变化 ④托马数的变化 在选定 的运行范围内 ④空载运行 _ 研究逢径 路缆 E 互互保证运行范屠 就水轮机而言,试验点至少应能覆盖在恒定试验水头 水力比能 下的规定流量范围,且在5I4 .2 确定的空化基准面条件下的空化系数时进行试验, 对于运行水头 水力比能 变幅较大的电站机组,应在不同的能量系数条件下进行试验,试验应在其 对应的空化系数下进行。 在部分负荷、满负荷以及有明显压力脉动发生的试验工况点,进行稍微改变试验条件的详细试验可 获得清晰的压力脉动特性, a 在恒定试验永头 水力比能 、空化系数和导叶开度的情况下改变能量系数 国内习惯采用单位 转速 。 b 改变空化系数和试验水头 水力比能 。 超出运行范围时,可能发生显著的压力脉动。该情况对水轮机是指飞逸工况,对水泵水轮机 或水 泵 是指极端的运行工况 例如水泵的逆运转方式 。 这些数据的综合对压力脉动进行分析是有益的。 5 .1 .4 .4 变空化系数压力脉动试验 尾水位变幅较大的电站可进行变空化系数压力脉动试验。 在电站确定的运行范围内,由供需双方协商选择若干工况点进行变空化系数压力脉动试验。在电 站最低尾水位和最高尾水位所对应的空化系数范围内,测量其压力脉动特性随空化系数的变化规律。 S .1 .4 .5 补气试验 可在模型上进行以减小压力脉动为目的的补气试验。由于没有足够的相似性,该类试验仅能对原 型的补气效果给出一个大致的概念。 5 ,1 .5 测量 对于每一个试验工况点,应采集记录足够时间段内的脉动信号,以满足信号分析的要求,例如研究 低频脉动。 应观察尾水管空化现象并记录气泡图形。 信号的采样和记录应符合4 .2 的规定。 】2 G B /T1 5 61 3 .3 2 0 0 8 5 .1 .6 结果的分析、显示和整理 5 .1 .6 .1 分析 按照压力脉动的周期性或非周期性特点,应选择进行频域或时域分析。 5 .1 .6 .1 .1 时域分析 时域分析对于处理随机的和断续的脉动最为有效 见图3 ~图6 。对压力脉动试验,时域分析可由 确定信号的标准偏差来实现。标准偏差与信号幅值的频域估计值的比较可表示随机脉动信号叠加于周 期信号的状况,同时由统计法确定的特征峰峰值可表示脉动的绝对值状况。 也可用于检查目的观测信号的时域波形。 5 .1 .6 .1 .2 频域分析 压力脉动的频域分析应采用富利叶分析仪或富利叶分析软件进行。由于使用了多通道分析仪,可 以同时跟踪不同频率的周期信号且确定通道间的相位移。富利叶分析仪通??捎霉こ塘勘砻髌追至康?大小。 频谱可由按一系列时问间隔测算出的离散富利叶变换的平均值来评定。为了减小由于有限时间间 隔引起的泄漏效应并最好地确定各频率成分,应采用适当的加权窗,如H a n n i n g 窗和K a i s e r - B e s s e l 窗等。 在给定的采样时间间隔内,通过离散富利叶变换获得的频谱在采样时域数值和叠加的正弦波之间 是最合适的。在一次变换中,对所有频率来讲,采样时间长度都是相同的。因此高频要较低频多出许多 个周期。由于此原因,离散富利叶变换并不适合于分析含有频率随时问变化的信号。 在小波/时频分析法中,时间加权窗是频率的函数。所有频率系数都采用相同周期数目进行计算。 这种结果精确地反映了作为时间的函数的相关信号中的频率成分。 5 .1 .6 .1 .3 无量纲频率和压力 压力脉动频率与转轮/叶轮转频,n 问引入无量纲量。 , 频率系数f 。一手 J “ 压力脉动幅值与试验水力比能p E 间引人无量纲量。 压力脉动因子加一差 5 .1 .6 .2 压力脉动的表述和解释 5 .1 .6 .2 .1 概述 用无量纲项 ,c ,P e 表示的振动值应与一试验参数建立联系,以便在所希望的原型运行工况下获 得全面的压力脉动信息。这试验参数是 a 流量系数 国内习惯采用单位流量 或因子; b 能量系数 国内习惯采用单位转速 或速度因子; c 空化系数; d 试验水头 水力比能 ; e 空气流量或其他。 极力推荐对在P ?P 和A 点测得的信号 图7 进行分析和描述。 下图给出了描述试验结果的例子。 5 .1 .6 .2 .2 瀑布图 图1 0 所示瀑布图为三维表示的幅值频率谱,作为某一选定的试验参数的函数。瀑布图可在所考 察的频带和运行范围内快速观察所有压力脉动。 】3 G B /T1 5 6 1 3 .3 2 0 0 8 2 ·0 ≮l o 2 0 ‘S f /n 图1 0 图9 所示的混流式水轮机尾水管在试验工况 b 及传感器P ,处的压力脉动瀑布图 5 .1 .6 .2 .3 汇总图 图1 1 中所示的汇总图示出了与每一测量通道主频相关的频谱数值与所选择的试验参数 以二维方 式显示 之间的函数关系。 f /n i’ 厂、 ,一 \√ j \ P E m s % 窄带 ∥ L Q dE 『Q ? 1 _ \,V P E c f f % 宽带 /7 1 , t 呱 0 山地,恤r 图1 1 图9 所示的混流式水轮机尾水管在试验工况 b 及传感器P 。处的压力脉动图 主频是指相关频带内信号具有最高频率幅值的频率。 汇总图中表示 主频; 相对于以主频为基准的相位移 一一主频的窄带幅值; 宽带幅值。 窄带有效幅值按主频处离散富利叶变换系数P 。。 , 得出的有效值计??泶行Х蛋词奔湫藕?G B /T1 5 6 1 3 .3 2 0 0 8 的标准偏差p o f r 计。 若有足够多的试验点,则可将压力脉动幅值曲线可绘在E 。o Q r - D 或n e n Q e 。曲线上,见图9 。 5 .1 .7 原型换算 5 .1 .7 .1 压力脉动幅值 在对模型试验有利的条件下 见5 .1 .1 .2 和不存在对外部系统有严重干扰的情况下,压力脉动幅 值可较好地由模型换算到原型。 当存在外部系统的干扰时,应在原型布置条件下内通过动态响应分析来预测原型的压力脉动幅值, 原型布置中包括引水管道、叉管、阀室、尾水渠道等。由于电站原型布置的复杂性,实际上很难对如图 1 2 所示的包含所有相应系统部分的综合数字模型进行此种分析。 作为此种分析的一部分,只可能检查压力脉动的主频与下列各种外部系统元件的同有频率问是否 可能发生共振 引水钢管; 尾水渠; 电气设施。 在与外部系统的共振是可预期的情况下,原型压力脉动幅值的预测不包括在模型试验的压力脉动 测量过程中。 m 水力机械的脉动频率; 。压力钢管的固有频率; ,-尾水的固有频率; k ?电机的固有频率。 图1 2 外部因素对水力发电设备压力脉动的影响 5 .1 .7 .2 脉动频率 5 .16 .1 .3 所述频率系数可由模型转换到原型的有如下 a 转轮出口处由惯性力引起的压力脉动,如螺旋涡带; G B /T1 5 61 3 .3 2 0 0 8 b 因空化或补气导致尾水管中水柱相对气体体积弹性产生的自由震荡 若存在的话 ; c 由转轮/叶轮叶片与导叶间相互作用而产生的压力脉动。 5 .1 ,7 .3 脉动量值 压力脉动的量值对压力与水轮机水力比能具有相同比值,这仅适用于脉动的辐射情况。压力波在 引水系统中传播时被反射,所观测到的幅值受驻波强烈影响。在水力与系统问的相互作用下,压力脉动 幅值丧失其相似性。 激振水平可通过估算与水力振动相关的有效水声功率来合适地确定。对给定截面处的此功率是 按瞬时压力脉动和瞬时流量波动的乘积求得的。工程中是按附录B 的参考文献[ 8 ] 中的P 。和P 。的测 量值确定的。由于有效水一声功率不受引水管中的驻波的影响,这表明扰动的辐射功率若不是来自水力 机械本身 正值 就是来自于试验台管路 负值 。 5 .1 .8 不确定度 模型试验压力脉动测量的不确定度受下列因素影响 a 仪器的不确定度; b 与试验台的交互作用; c 与电机的交互作用。 若测量条件好,则测定模型试验压力脉动时的不确定度如下 a 幅值土l O %; b 主频模型转频的士2 %; c 相位差±1 0 。。 由模型转换到原型可能因下列因素产生误差 a 弗劳德数不相似; b 与水道的交互作用; c 与电机的交互作用。 在上述各种因素可产生显著影响时,就很难精确地估计原型的值。相反,在良好的试验条件下,原 型预测值的不确定度可望达到如下 a 幅值±3 0 %; b 主频原型转频的3 - 5 %; c 相位差士3 0 。。 5 .2 主轴力矩脉动 52 .1 概述 水力机械的主轴力矩脉动可能由下列原因产生; a 作用在转轮/叶轮叶片上的压力的变化; b 作用在发电机电动机上的电磁力的变化。 力矩脉动的观测仅被认为是对压力脉动处理 见5 .1 的延伸??赡芑岱⑸煞⒌缁刂葡低巢?的力矩脉动,这可按下述方法鉴别。 5 .2 ,2 测量规则 力矩传感器应安装在发电电动机和转轮/叶轮之间的轴上。参见5 .3 和G B /T1 5 6 1 3 .2 中的图z 5 。 其频率范围应覆盖相关频率的范围 见5 .1 .1 .1 。 在所关心的频带范围内,速度控制系统、试验台的功率传输系统和模型主轴的扭转固有频率都不应 对主轴力矩频率产生显著影响。 5 .2 .3 模型试验结果分析 力矩脉动的处理和显示与压力脉动相同 见5 .1 .6 。幅值以无量纲的力矩因子或系数来表示 见 G B /T1 5 6 1 3 .1 中的3 .3 .13 .1 和3 .3 .1 3 .3 ,并以相对值表述。其参照值可以是最优效率或满负荷工 】6 ;B /T1 5 6 1 3 .3 2 0 0 8 况的力矩因数 或系数 。 若在所关心的频带范围内,发电电动机对欲考察的频率无动态影响,则力矩脉动幅值表示的是总体 作用在转轮上的脉动压力的结果。 5 .2 .4 换算到原型 力矩脉动频率可换算到原型,其条件为 a 其频率与压力脉动频率相同; b 发电电动机对欲考察的频率无动态影响。 如果电气、机械结构和引水系统等不能模拟的边界条件影响很大的话,则水轮机模型试验可能会无 法再现原型的力矩脉动幅值。 在模型控制系统的原因起明显主导作用时,如在飞逸工况或调相工况测得的力矩脉动就是与此无 关的。 5 .3 轴向力和径向力 5 .3 .1 概述 本条将涉及到作用在水力机械的转轮/叶轮上的力 推力 和力矩的稳态测量问题。 在绝大多数常规试验情况下,仅测量轴向力。要测量径向力和力矩,就需进行专门的改装。下面对 测量一个分量 轴向力 至测量六个分量 作用在转轮/叶轮上的所有力和力矩 的试验方法作了描述。 至于这些轴向力和径向力的脉动测量也属于下述测量方法和装置的组成部分。这些脉动的数据处 理方法通常与压力脉动采用同样的方法 见5 .1 .6 。 5 .3 ,1 .1 测量目的 由水力因素引起的力和力矩为水力机械转动部分全部载荷中的一部分。例如作用在轴向和径向轴 承和埋人部分上的力、主轴的应力和挠度等重要的设计参数,可由模型测量值算出和/或导出。 测量目的旨在确定不同工况下力和力矩的大小和方向。 5 .3 .1 .2 定义 作用在转轮/叶轮上的力和力矩被定义在固定笛卡尔坐标系上 见图1 3 。 Y ‘ 炎//『N ÷;\人 图1 3 坐标系定义 坐标系原点由G B /T1 5 6 1 3 .1 中1 .3 .3 .7 .6 所述的参考面确定。 F ;径向力,X 分量; F ,径向力,Y 一分量; R 轴向力 o 』瓦轴向推力 ; F ,径向力碡,奇,摩, ; M ,力矩,z 一轴 M ,力矩,Y 轴; M 力矩,z 一轴 一主轴力矩T ; M 『一径向力矩 疵一砬 窳 ; G B /T1 5 61 3 .3 2 0 0 8 径向力及其力矩的角度可在规定的坐标系中计算 F,M, %?!毙败凋蟫 ?!薄薄按?5 .3 .1 .3 影响因素 本条仅考虑由转轮/叶轮和水流问的承力相互作用引起的力和力矩。因此,还要考虑由下列因素产 生的力 转轮/叶轮的重量; 一一离心力; 静水作用力 浮力 ; 迷宫密封的水动力影响; 机械力 摩擦力 ; 共振影响。 下述各条将介绍如何在每一特殊情况下处理上述因素。 5 .3 .2 轴向力 5 .3 .2 .1 试验程序 试验应覆盖全部运行范围,并应特别留意出现最大轴向力的区域。试验应在各规定的原型运行工 况下进行。应在最小到最大水力比能和最小到最大流量间由足够的试验点来描述轴向力。建议试验范 围应延伸到合同规定的运行范围并对空化对轴向力的影响加以考虑。 除通常运行范围外,轴向力应在下列非设计工况进行测量 飞逸工况; 双调节机械的非协联工况; 一过渡工况下的可能出现大轴向力的运行工况点 例如水泵及水泵水轮机在最大导叶开度下由 水泵工况向水轮机工况过渡 ; 轴向机械中能引起向上推力的空载工况, 5 .3 .2 .2 测量方式 5 .3 .2 .2 .1 直接测量 有许多测量作用在转轮/叶轮上的轴向力的方法。一种典型方法为测量静压轴承中的油压,以此作 为参照量来推算出沿转轮/叶轮旋转中心线作用的水力 见图1 4 。 1 8 图1 4 轴向力测量的典型试验布置 G B /T1 5 6 1 3 .3 2 0 0 8 另一种典型方法为用应变仪或测距感应仪来测量导轴承与轴承座间连接部分的变形。 轴向力也可用一个可测量所有六个力和力矩分量的装置确定 见图1 7 ,d 。 与所采用的方法有关,还应对下述影响因素加以考虑 作用于主轴静水压力; 油的黏度; 重力; 其他。 5 .3 .2 .2 .2 间接法 考虑了随水流动量变化而得出的轴向推力计算值,轴向力可由沿转轮/叶轮外轮廓线的多个压力测 量值来确定。相应的压力测点见图1 6 。所有这些压力都应相对诸如机械的基准断面处的参照压力取 值 见G B /T1 5 6 1 3 .1 图1 。 5 .3 .2 .3 标定 为进行标定,在模型转轮/叶轮轴上沿轴线方向加一个力。力的大小可由下列决定 经检验的质量; 各种质量与一力传感器一起作用; 液压千斤项与一力传感器一起作用 见图1 5 ; 其他。 为了绘制标定曲线,应建立轴向力测量仪信号与作用在轴上的参照力之间的联系。 图1 5 轴向力的典型标定布置 G B /T1 5 6 1 3 .3 2 0 0 8 纛l 图1 6 作用在混流式水轮机轴向力的各分量 5 .3 .2 .4 测量前后的检查 在每一次试验前后,测量信号应在一参照状态下记录和检查 例如,在?;刺?。建议在一个工况 点检查变转速时的轴向力测量值。这种检查可表明标定、修正和评定是否正确。 5 .3 .2 .5 换算到原型 在模型上测得的轴向力F 。.。并不总能够直接换算到原型状态。为保证换算的准确性,应分别考虑 模型和原型总轴向力中的各个分量。 图1 6 和表1 所示为一台立轴混流式水轮机的总轴向力中的各轴向力分量。对去掉作用在转轮上 冠和下环上的轴向力分量后便可将该确定步骤使用于轴流式机组。 为解决模型和原型的转轮/叶轮的差异 密封几何形状、卸荷孔、平压管 ,试验数据应进行修正。值 得注意的是,即使模型和原型间完全几何相似,也无法当然地认为其流动在上述区域也相似。 模型轴向力由下列分量组成 F 且M F 1 M F 2 M F 3 M F 4 M F 5 M F B M 因此 F 1 M F a M 一 F 2 M F 3 M F 4 M F 5 M F 6 M 引入下列无量纲轴向力因子/系数 见G B /T 1 5 6 1 3 .1 中3 .3 .1 3 .2 和3 .3 .1 3 .4 FF F l r D 一西靠轴向力因子;F - n 。一西r * 轴向力系数; 可用下式计算原型的轴向力 F 1 F F Ⅲ. 赛 “E M E p ’£一F 一咖陆。E r 2 0 F 】P F 1 M · 赛 4 · 老 2 ·毒 F 1 n D ·D ;·n ;·尸P ·E F G B /T1 5 61 3 .3 2 0 0 8 因此,原型的轴向力为 F d F l P F 2
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