水輪機(jī)的模型試驗(yàn)

1、水輪機(jī)的模型試驗(yàn)一、水輪機(jī)的模型試驗(yàn)的意義前面討論了水輪機(jī)相似的條件，這就從理論上解決了用較小尺寸的模型水輪機(jī)，在較低水頭下工作去模擬大尺寸和高水頭的原型水輪機(jī)。按相似理論，模型水輪機(jī)的工作完全能反映任何尺寸的原型水輪機(jī)。模型水輪機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)規(guī)模比真機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)規(guī)模小的多，費(fèi)用小，試驗(yàn)方便，可以根據(jù)需要隨意變動(dòng)工況。能在較短的時(shí)間內(nèi)測(cè)出模型水輪機(jī)的全面特性。將模型試驗(yàn)所得到的工況參數(shù)組成單位轉(zhuǎn)速和單位流量后，并分別以它們作為縱坐標(biāo)及橫坐標(biāo)，按效率相等工況點(diǎn)連線所得到的曲線圖稱為綜合特性曲線。此綜合特性曲線不僅表示了模型水輪機(jī)的工作性能，同樣地反映了與該模型水輪機(jī)幾何相似的所有不同尺寸，工作在不同水頭下的

2、同類型真實(shí)水輪機(jī)的工作特性。水輪機(jī)制造廠可從通過(guò)模型試驗(yàn)來(lái)檢驗(yàn)原型水力設(shè)計(jì)計(jì)算的結(jié)果，優(yōu)選出性能良好的水輪機(jī)，為制造原型水輪機(jī)提供依據(jù)，向用戶提供水輪機(jī)的保證參數(shù)。水電設(shè)計(jì)部門可根據(jù)模型試驗(yàn)資料，針對(duì)所設(shè)計(jì)的電廠的原始參數(shù)，合理地進(jìn)行選型設(shè)計(jì)，并運(yùn)用相似定律利用模型試驗(yàn)所得出的綜合特性曲線，繪出水電站的運(yùn)轉(zhuǎn)特性曲線。為運(yùn)行部門提供發(fā)電依據(jù)，水電廠運(yùn)行部門可根據(jù)模型水輪機(jī)試驗(yàn)資料，分析水輪機(jī)設(shè)備的運(yùn)行特性，合理地?cái)M定水電廠機(jī)組的運(yùn)行方式，提高水電廠運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和可靠性。當(dāng)運(yùn)行中水輪機(jī)發(fā)生事故時(shí)，也可以根據(jù)模型的特性分析可能產(chǎn)生事故的原因。二、水輪機(jī)模型試驗(yàn)的方法水輪機(jī)的模型試驗(yàn)主要有能量試驗(yàn)，氣

3、蝕試驗(yàn)，飛逸特性試驗(yàn)和軸向水推力特性試驗(yàn)等幾種。由于篇幅所限，本教材主要介紹反擊式水輪機(jī)的能量試驗(yàn)。反擊式水輪機(jī)的汽蝕試驗(yàn)可參閱有關(guān)參考文獻(xiàn)。能量試驗(yàn)臺(tái)分為開(kāi)敞式試驗(yàn)臺(tái)和封閉式試驗(yàn)臺(tái)，封閉式試驗(yàn)臺(tái)無(wú)需設(shè)置測(cè)流槽，故平面尺寸要比開(kāi)敞式試驗(yàn)小，而且水頭調(diào)節(jié)更加方便，但封閉式試驗(yàn)臺(tái)投資較高。1. 開(kāi)敞式能量試驗(yàn)臺(tái)（1）開(kāi)敞式能量試驗(yàn)臺(tái)水輪機(jī)效率是水輪機(jī)能量轉(zhuǎn)換性能的主要綜合指標(biāo)，因此，模型水輪機(jī)的能量試驗(yàn)主要是確立模型水輪機(jī)在各種工況下的運(yùn)行效率。水輪機(jī)的能量試驗(yàn)臺(tái)如圖3-4所示。它主要由下列裝置組成。1）壓力水箱。壓力水箱2是一個(gè)具有自由水面的大容積儲(chǔ)水箱，試驗(yàn)時(shí)保持穩(wěn)定的上游水位。水箱由水泵1供

4、水，通過(guò)高度可調(diào)節(jié)的溢流板4控制一定的水位，多余的水可從溢流板頂部排至集水池14。水流通過(guò)靜水柵3均勻而穩(wěn)定地進(jìn)入模型水輪機(jī)7。圖3-4 反擊式水輪機(jī)能量試驗(yàn)臺(tái)1水泵；2壓力水箱；3靜水柵；4溢流板；5測(cè)功裝置；6引水室；7模型水輪機(jī)；8尾水管；9尾水槽；10調(diào)節(jié)閘門；11靜水柵；12測(cè)流堰槽；13堰板；14集水池；15水位測(cè)量裝置；16水頭測(cè)量裝置2）機(jī)組段。機(jī)組段包括引水室6，模型水輪機(jī)7，尾水管8，測(cè)功器5及水頭測(cè)量裝置16。3）測(cè)流堰槽。它的作用是測(cè)量模型水輪機(jī)的流量，在槽內(nèi)首端裝有靜水柵11，以穩(wěn)定堰槽內(nèi)的水流，末端裝有堰板13，用浮筒15測(cè)定堰上水位。4）集水池。水流經(jīng)測(cè)流堰槽12

5、流入集水池14，然后再用水泵1抽送至壓力水箱2，形成試驗(yàn)過(guò)程中水的循環(huán)。（2）參數(shù)測(cè)量模型水輪機(jī)效率為 （3-36）因此，確定水輪機(jī)效率，首先必須準(zhǔn)確地測(cè)量出模型水輪機(jī)4個(gè)試驗(yàn)參數(shù)。1）測(cè)量水頭。模型試驗(yàn)水頭是上游壓力水箱水位與下游尾水槽水位之差。圖3-4中采用上、下游浮子標(biāo)尺測(cè)得。2）測(cè)量流量。能量試驗(yàn)臺(tái)通常采用堰板測(cè)量流量，堰板的形狀有三角形或矩形。為了保證測(cè)量精度，應(yīng)采用容積法對(duì)堰板的流量系數(shù)進(jìn)行校正，從而得到流量與堰頂水深的關(guān)系曲線，如圖3-5所示。測(cè)量時(shí)可從浮子水位計(jì)15測(cè)出堰頂水位，再查出流量。圖3-5 堰頂水深與流量關(guān)系曲線3）測(cè)量轉(zhuǎn)速，采用機(jī)械轉(zhuǎn)速表在水輪機(jī)軸端可直接測(cè)量轉(zhuǎn)速，

6、但精度較低。目前在模型試驗(yàn)中常采用電磁脈沖器，或電子頻率計(jì)數(shù)器，可直接測(cè)得轉(zhuǎn)速。4）測(cè)量功率。測(cè)量模型水輪機(jī)軸功率，通常采用機(jī)械測(cè)功器或電磁測(cè)功器，如圖3-6所示。測(cè)量水輪機(jī)軸的力矩與同時(shí)測(cè)出的水輪機(jī)轉(zhuǎn)速，計(jì)算功率。機(jī)械測(cè)功器一般使用在容量較小的試驗(yàn)臺(tái)上。圖3-6 測(cè)功裝置機(jī)械或電磁測(cè)功器，測(cè)量方法基本相同，都是通過(guò)測(cè)量模型水輪機(jī)的制動(dòng)力矩，然后再計(jì)算出功率。制動(dòng)力矩為： (m ) （3-37）機(jī)械測(cè)功器工作原理是在主軸上裝一制動(dòng)輪，在制動(dòng)輪周圍設(shè)置閘塊，在閘塊外圍加閘帶，閘帶可由端部的調(diào)節(jié)螺絲控制以改變制動(dòng)輪和閘塊之間的摩擦力，閘帶裝置在測(cè)功架上，在主軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)可改變負(fù)荷（拉力）使測(cè)功架保持不

7、動(dòng)，則此時(shí)的制動(dòng)力矩即為，為制動(dòng)力臂。電磁測(cè)功器是用磁場(chǎng)形成制動(dòng)力矩，基本原理與機(jī)械測(cè)功器相同。（3）綜合參數(shù)計(jì)算與試驗(yàn)成果整理綜合參數(shù)計(jì)算就是對(duì)模型水輪機(jī)的每一個(gè)工況，測(cè)出等參數(shù)后，計(jì)算出模型水輪機(jī)的值。效率 單位轉(zhuǎn)速 單位流量 混流式水輪機(jī)能量試驗(yàn)一般選用810個(gè)導(dǎo)葉開(kāi)度，分別在各個(gè)開(kāi)度下進(jìn)行若個(gè)（510個(gè)）不同工況點(diǎn)的測(cè)試。試驗(yàn)可按如下步驟進(jìn)步：1）調(diào)整上、下游水位，得到穩(wěn)定的模型試驗(yàn)水頭。2）調(diào)整導(dǎo)葉在某一開(kāi)度。3）用測(cè)功器改變轉(zhuǎn)輪的轉(zhuǎn)速，一般速度間隔為100r/min作一個(gè)試驗(yàn)工況點(diǎn)。4）待轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后，記錄各參數(shù)()于表3-1中。表3-1 能量試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄計(jì)算表導(dǎo)葉開(kāi)度(mm)工況點(diǎn)

8、試 驗(yàn)序 號(hào)試驗(yàn)水頭(m)轉(zhuǎn)速(r/min)制動(dòng)力(N)軸功率(kW)堰頂水深(m)流 量(m3/s)單位流量(L/s)單位轉(zhuǎn)速(r/min)效率(%)備注12341234（2）封閉式試驗(yàn)臺(tái)圖3-7為我國(guó)某著名研究所的高水頭水力機(jī)械模型試驗(yàn)臺(tái)，該試驗(yàn)臺(tái)是一座高參數(shù)、高精度的水力機(jī)械通用試驗(yàn)裝置。試驗(yàn)臺(tái)可按IEC193及IEC493等有關(guān)規(guī)程的規(guī)定進(jìn)行能量、空化及飛逸轉(zhuǎn)速等項(xiàng)的驗(yàn)收試驗(yàn)，也可在試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行水力機(jī)械的壓力脈動(dòng)、力特性、四象限、補(bǔ)氣及模型轉(zhuǎn)輪葉片應(yīng)力測(cè)量等各項(xiàng)其他試驗(yàn)和科研工作。圖3-7 高水頭水力機(jī)械模型試驗(yàn)臺(tái)示意圖3.1試驗(yàn)臺(tái)主要參數(shù)最高水頭：100（mH2O）最大流量：1.2（

9、m3/s）轉(zhuǎn)輪直徑：300500（mm）測(cè)功機(jī)功率：400（kW）測(cè)功機(jī)轉(zhuǎn)速：9001800（r/min）供水泵電機(jī)功率：400kW2流量校正筒容積：120（m3） 水庫(kù)容積： 750（m3）試驗(yàn)臺(tái)綜合效率誤差：0.25%3.2試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng) 試驗(yàn)臺(tái)是一個(gè)封閉式循環(huán)系統(tǒng)。整個(gè)系統(tǒng)可雙向運(yùn)行。系統(tǒng)中各主要部件的名稱、參數(shù)及功能如下：1.液流切換器：流量率定時(shí)用以切換水流，一個(gè)行程的動(dòng)作時(shí)間為0.02s，由壓縮空氣驅(qū)動(dòng)接力器使其動(dòng)作。2.壓力水罐：直徑2m的圓筒形水箱。為模型機(jī)組的高壓側(cè)。具有偏心法蘭，以適應(yīng)不同模型的安裝和調(diào)整。3.推力平衡器：由不銹鋼制造。試驗(yàn)時(shí)可對(duì)機(jī)組受到的水平推力進(jìn)行自動(dòng)平衡，

10、安裝時(shí)作為活動(dòng)伸縮節(jié)。4.模型裝置:試驗(yàn)用的水輪機(jī)模型裝置。5.測(cè)功電機(jī)：型號(hào)為ZC56/32-4，功率為400kW的直流測(cè)功機(jī)。試驗(yàn)時(shí)可按電機(jī)或發(fā)電機(jī)方式運(yùn)行。最高轉(zhuǎn)速為1800r/min。6.尾水箱：圓柱形水箱，為模型機(jī)組的低壓側(cè)。7.油壓裝置：4臺(tái)JG80/10靜壓供油裝置，其中一臺(tái)備用。供油壓力25 kgf/cm2，供油量為7 l/min。8.真空罐:形成真空壓力裝置。9.真空泵：二臺(tái)型號(hào)為H-70閥式真空泵。10.供水泵：24SA-10雙吸式離心泵。兩泵可根據(jù)試驗(yàn)要求，按串聯(lián)、并聯(lián)及單泵的方式運(yùn)行。11.電動(dòng)閥門:直徑為500mm，用以切換系統(tǒng)各管道，以實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)臺(tái)各種運(yùn)轉(zhuǎn)方式。12.

11、空氣溶解箱：溶解箱為系統(tǒng)中壓力最高區(qū)，并有足夠大的體積，提供了系統(tǒng)中游離氣泡重新溶解的條件。13.電磁流量計(jì)：用以測(cè)量流量，由上海光華-愛(ài)爾美特公司生產(chǎn)制造，型號(hào)為MS900F，其精度為0.2%，可雙向測(cè)量，輸入量程為01m3/s。14.冷卻器:當(dāng)試驗(yàn)臺(tái)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，水溫變化較大時(shí)，用以保持水溫基本不變。15.流量校正筒：直徑4.8m，高6.75m圓形鋼制水箱，有效容積為120m3。3.3 試驗(yàn)臺(tái)電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)3.3.1 電機(jī)及拖動(dòng)系統(tǒng)在試驗(yàn)臺(tái)中，電氣系統(tǒng)為試驗(yàn)臺(tái)提供動(dòng)力，通過(guò)調(diào)節(jié)#水泵電機(jī)、#水泵電機(jī)、測(cè)功機(jī)的轉(zhuǎn)速，控制各閥門的開(kāi)關(guān)來(lái)達(dá)到調(diào)節(jié)各試驗(yàn)工況的目的。為了減少能耗，保證試驗(yàn)臺(tái)滿足不

12、同形式水力機(jī)械的試驗(yàn)要求，并保證系統(tǒng)中水流的穩(wěn)定性，兩臺(tái)供水泵電機(jī)及測(cè)功機(jī)，均采用無(wú)級(jí)變速的直流電機(jī)。測(cè)功電機(jī)選擇了ZC56系列、定子懸浮立式結(jié)構(gòu)，#水泵電機(jī)選擇了GZ142系列產(chǎn)品，#水泵電機(jī)選擇了ZJD56系列產(chǎn)品。測(cè)功機(jī)、水泵電機(jī)的電樞和勵(lì)磁回路均采用晶閘管變流裝置供電。由變流直流傳動(dòng)裝置來(lái)完成測(cè)功電機(jī)、水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制。調(diào)速系統(tǒng)采用智能數(shù)字調(diào)速系統(tǒng)，智能數(shù)字調(diào)速系統(tǒng)與其它系統(tǒng)的通訊可通過(guò)數(shù)據(jù)總線或分立式的I/O通道完成。試驗(yàn)臺(tái)所選變流調(diào)速裝置為ABB生產(chǎn)的DCS500系列產(chǎn)品，它具有高性能的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩控制功能，能滿足快速響應(yīng)和控制精度的要求，具有電樞電流和磁場(chǎng)電流控制環(huán)節(jié)的自動(dòng)調(diào)諧功

13、能，具有完善的過(guò)流、過(guò)壓、故障接地等自診斷功能。另外，人機(jī)通訊方面，該系統(tǒng)有一個(gè)七段LED，驅(qū)動(dòng)狀態(tài)和故障都以代碼數(shù)字顯示，為了能得到更多的傳動(dòng)狀態(tài)信息，在調(diào)速裝置上安裝一個(gè)多功能控制盤，可以進(jìn)行故障檢測(cè)、在線修改程序和設(shè)置參數(shù)。操作控制系統(tǒng)由PLC、IPC、大屏幕顯示器等組成。系統(tǒng)在操作上有三種操作方式，它們是手動(dòng)方式、計(jì)算機(jī)方式、自動(dòng)方式。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，工控機(jī)與PLC進(jìn)行時(shí)實(shí)通訊，在工業(yè)組態(tài)軟件支持下，對(duì)試驗(yàn)臺(tái)運(yùn)行情況進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，運(yùn)用圖形界面反映各相關(guān)數(shù)據(jù)，使操作者可以選擇試驗(yàn)工況，控制閥門的狀態(tài)組合。在整個(gè)操作控制中，PLC做為整個(gè)控制系統(tǒng)的控制核心，它指揮整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，首先它與A

14、BB調(diào)速裝置聯(lián)接，負(fù)責(zé)ABB調(diào)速裝置的輸入給定，由ABB調(diào)速裝置通過(guò)I/O和A/D采樣控制水泵電機(jī)和測(cè)功機(jī)的各種試驗(yàn)工況的運(yùn)行，同時(shí)，PLC還將有關(guān)數(shù)據(jù)和診斷信息送給它的上位機(jī)IPC，IPC又通過(guò)組態(tài)軟件，為用戶提供各種可視界面、信息，同時(shí)PLC不斷從控制臺(tái)采樣，以能隨時(shí)地刷新工作狀態(tài)。3.4試驗(yàn)臺(tái)參數(shù)測(cè)量設(shè)備及校準(zhǔn)方法3.4.1流量流量是試驗(yàn)臺(tái)重要參數(shù)之一，并對(duì)測(cè)量誤差有重大影響。它的測(cè)量及校準(zhǔn)的準(zhǔn)確性直接影響到試驗(yàn)臺(tái)的綜合精度。高水頭試驗(yàn)臺(tái)采用的電磁流量計(jì)型號(hào)為MS900F。其精度為0.2%，可雙向測(cè)量，輸入量程為01m3/s。3.4.2水頭試驗(yàn)臺(tái)水頭的測(cè)量采用差壓傳感器。型號(hào)：3051C

15、D4A22A1A量程：02.07MPa精度：0.075%3.4.3力矩 模型力矩測(cè)量采用間接測(cè)法，即在長(zhǎng)度為L(zhǎng)=848.25mm的支臂上裝負(fù)荷傳感器，由該傳感器測(cè)量的力乘以力臂得出力矩。其傳感器性能如下：型號(hào)：1110-A0-1K量程：01000 Nm精度：0.02%3.4.4轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)速用磁感應(yīng)器測(cè)量。其性能如下：型號(hào)：4-0002量程：03000r/min精度：1個(gè)齒(測(cè)速齒數(shù)為120個(gè))3.4.5尾水壓力尾水壓力測(cè)量采用傳感器其性能如下：型號(hào)：3051TA1A2B21A量程：0200kPa精度：0.075%3.4.6溫度溫度(水溫、氣溫)采用鉑電阻溫度傳感器。水溫測(cè)點(diǎn)布置在壓力管道，氣溫測(cè)點(diǎn)

16、放在試驗(yàn)層。兩種溫度都可在控制室讀出，從而根據(jù)水溫修正水的密度。其性能如下：量程：0100分辨率：0.13.4.7壓力脈動(dòng)壓力脈動(dòng)測(cè)量采用傳感器的性能如下：牌號(hào)：4285A10精度：0.5%3.4.8大氣壓力 大氣壓力測(cè)量采用立柱式水銀壓力計(jì)測(cè)量，精度為0.1 mm。3.4.9空化觀測(cè)在空化試驗(yàn)中，除了確定空化系數(shù)外，試驗(yàn)臺(tái)裝備有流態(tài)觀察成像系統(tǒng)，從而可對(duì)轉(zhuǎn)輪進(jìn)出口空化氣泡、葉道渦及錐管渦帶等進(jìn)行觀察及攝像。3.5試驗(yàn)臺(tái)數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng) 試驗(yàn)臺(tái)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由兩部分組成：數(shù)采器、計(jì)算機(jī)及外設(shè)。3.5.1數(shù)采器 VXI總線系統(tǒng)。它具有數(shù)據(jù)傳輸快、可靠性高、功耗低、體積小、易于集成及可隨時(shí)擴(kuò)充等一

17、系列優(yōu)點(diǎn)。VXI采集是VXILINK集成方式。VXILINK包括一個(gè)安裝在計(jì)算機(jī)內(nèi)的ISA卡，插在VXI主機(jī)箱0號(hào)槽背板上的VXI控制卡及3米長(zhǎng)的VXI電纜。VXILINK支持I-SCPI。3.5.2 計(jì)算機(jī)及外設(shè) 工作站1：VL6-586/200 內(nèi)存器32M、硬盤2.1GB、光驅(qū)8CD，主要用于數(shù)據(jù)的采集,顯示及參數(shù)的動(dòng)態(tài)波形跟蹤。 工作站2：VL6-586/200 內(nèi)存器32M、硬盤2.1GB、光驅(qū)8CD，主要用于完成數(shù)據(jù)的處理、屏幕繪圖、歷史資料的查詢，數(shù)據(jù)重復(fù)性檢驗(yàn)，屏幕顯示當(dāng)前形成的或是歷史數(shù)據(jù)文件中的數(shù)據(jù)，打印電量及工程量數(shù)據(jù)文件中的數(shù)據(jù)等。 服務(wù)器：HP-E40 內(nèi)存器64M、

18、硬盤4GB、光驅(qū)8XCD，主要用來(lái)存儲(chǔ)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，按下工作站1主窗口界面中的“采樣工況點(diǎn)”按鈕，應(yīng)用程序向服務(wù)器寫一次數(shù)據(jù)。工作站2應(yīng)用程序從服務(wù)器檢索試驗(yàn)數(shù)據(jù)在屏幕及繪圖儀上繪圖。 打印機(jī)：HPE laserjet-4v做為試驗(yàn)數(shù)據(jù)打印輸出。3.6 試驗(yàn)軟件試驗(yàn)軟件用于高水頭試驗(yàn)臺(tái)所有試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集和處理。是用Borland C+5.0語(yǔ)言編寫,運(yùn)行于WINDOW95平臺(tái),可對(duì)所測(cè)的轉(zhuǎn)換成電量的物理量進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量和處理。由六個(gè)試驗(yàn)軟件組成一個(gè)試驗(yàn)軟件包。本試驗(yàn)軟件包功能豐富，使用靈活，窗口顯示直觀清晰，支持鼠標(biāo)操作，具有快捷按鈕，提供了詳細(xì)的在線幫助。同時(shí)支持網(wǎng)絡(luò)操作。3.7水輪機(jī)試驗(yàn)時(shí)的試驗(yàn)

19、參數(shù)定義3.7.1 水頭H (3-38) (3-39) 式中：Pd：進(jìn)出口測(cè)點(diǎn)的總壓力差（Pa）H：凈水頭（m）P1-2：壓差傳感器承受的壓差（Pa）A1,A2：模型機(jī)組進(jìn)出口的過(guò)流面面積（m2）：水的密度（kg/m3）g：重力加速度（m/s2）3.7.2 輸入功率Pi (3-40) 式中：Q：流入蝸殼的流量（m3/s）：水的比重（N/m3）3.7.3 輸出功率Pu (3-41) (3-42) (3-43) 式中：M：力矩（該力矩包括軸承端面密封摩擦力矩）(Nm)L：測(cè)功機(jī)力臂長(zhǎng)（m）K：作用于力臂上的力，即壓力傳感器上承受的力（N）n：測(cè)功電機(jī)轉(zhuǎn)速（r/min）3.7.4 效率 (3-44)

20、3.7.5 單位流量Q11 (3-45) 式中：D1：模型轉(zhuǎn)輪名義直徑（m）3.7.6 單位轉(zhuǎn)速N11 (3-46)3.7.7 空化系數(shù) (3-47) 式中：Pg：傳感器測(cè)得的絕對(duì)壓力（mH2O）V2：測(cè)點(diǎn)位置斷面水的平均流速（m/s）Hv：水的汽化壓頭（mH2O）a：傳感器中心到轉(zhuǎn)輪中心的距離，轉(zhuǎn)輪中心線下為正值（m）3.7.8 單位飛逸轉(zhuǎn)速n11p 當(dāng)軸力矩為零時(shí)，水輪機(jī)轉(zhuǎn)速為飛逸轉(zhuǎn)速np (3-48)3.7.9 壓力脈動(dòng)振幅比率 (3-49) 式中：H：測(cè)得的壓力脈動(dòng)峰-峰值(mH2O)H：試驗(yàn)水頭（mH2O）3.7.10 水的密度(g/cm3) 式中：T：水的溫度（）3.7.11 重力

21、加速度g（當(dāng)?shù)兀?g=9.80665(m/s2)三、水輪機(jī)的飛逸特性。水輪發(fā)電機(jī)組在正常情況下，總是以額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行。這時(shí)，水輪機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩和發(fā)電機(jī)的電磁力矩是平衡的。如果外界負(fù)荷突然丟掉，調(diào)速機(jī)構(gòu)失靈、導(dǎo)水機(jī)構(gòu)又不能及時(shí)關(guān)閉時(shí)，由于輸出的電磁力矩為零，因而輸入的水流轉(zhuǎn)動(dòng)力矩除了少部分消耗于機(jī)械損失外，其余大部分就使機(jī)組轉(zhuǎn)速急劇增高，并將達(dá)某一最大轉(zhuǎn)速，這時(shí)的運(yùn)行工況稱為飛逸工況，這時(shí)的最大轉(zhuǎn)速稱為飛逸轉(zhuǎn)速。水輪機(jī)飛逸轉(zhuǎn)速的大小與水輪機(jī)的飛逸特性有關(guān)，而飛逸特性一般用單位飛逸轉(zhuǎn)速表示。按轉(zhuǎn)速相似公式換算出相應(yīng)的單位飛逸轉(zhuǎn)速 （r/min） （3-50）根據(jù)各值可繪出該系列水輪機(jī)的飛逸特性曲線（圖

22、3-8、圖3-9）。 圖3-8 混流式水輪機(jī)的飛逸特性曲線 圖3-9 轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)的飛逸特性曲線 （模型直徑=460mm） （=460mm） 為協(xié)聯(lián)關(guān)系破壞；-為協(xié)聯(lián)關(guān)系保持混流式與定槳式水輪機(jī)的飛逸轉(zhuǎn)速只與導(dǎo)葉開(kāi)度和水頭有關(guān)。但對(duì)轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)，除了前兩個(gè)因素外，還與轉(zhuǎn)輪槳葉的轉(zhuǎn)角有關(guān)。因此，轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)的飛逸轉(zhuǎn)速存在兩種情況：1.當(dāng)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)輪葉片操作機(jī)構(gòu)同時(shí)失靈，且兩者的協(xié)聯(lián)機(jī)構(gòu)也遭破壞。槳葉安放角與導(dǎo)葉開(kāi)度可能發(fā)生任意組合。此時(shí)可對(duì)每一角在不同導(dǎo)葉開(kāi)度下進(jìn)行飛逸轉(zhuǎn)速實(shí)驗(yàn)，繪出非協(xié)聯(lián)工況下不同槳葉轉(zhuǎn)角的飛逸特性曲線，如圖3-9中的組曲線。這組曲線中的每一根曲線可看作是其角的定槳式水輪機(jī)的

23、飛逸特性。2.當(dāng)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)和轉(zhuǎn)輪葉片操作機(jī)構(gòu)同時(shí)失靈，但兩者之間的協(xié)聯(lián)關(guān)系仍保持。此時(shí)，可利用其模型綜合特性曲線，選擇若干個(gè)單位轉(zhuǎn)速值，對(duì)每個(gè)值找出若干個(gè)協(xié)聯(lián)工況點(diǎn)，亦即角與的關(guān)系。將角和的對(duì)應(yīng)點(diǎn)繪于上述的組線上，然后將相同的值的點(diǎn)連成曲線，即得=常數(shù)的協(xié)聯(lián)工況飛逸特性曲線（圖3-9中組曲線）。一般說(shuō)來(lái)，在同一水頭下，導(dǎo)葉全開(kāi)時(shí)飛逸轉(zhuǎn)速最高。對(duì)轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)，當(dāng)導(dǎo)葉開(kāi)度及槳角轉(zhuǎn)角的協(xié)聯(lián)關(guān)系破壞，并且在導(dǎo)葉全開(kāi)同時(shí)槳葉轉(zhuǎn)角愈小，飛逸轉(zhuǎn)速愈大。這一規(guī)律可在圖3-9中看出。已知模型水輪機(jī)飛逸特性后，即可按相似公式換算出原型水輪機(jī)的飛逸轉(zhuǎn)速。 （3-51）式中使用最大水頭是考慮到最大的飛逸轉(zhuǎn)速；單位飛逸轉(zhuǎn)

24、速與導(dǎo)葉開(kāi)度有關(guān)，對(duì)轉(zhuǎn)槳式還與槳葉轉(zhuǎn)角有關(guān)。對(duì)混流式水輪機(jī)，求原型水輪機(jī)飛逸轉(zhuǎn)速時(shí)，若原模型幾何相似，可按公式把原型水輪機(jī)導(dǎo)葉開(kāi)度換算為模型導(dǎo)葉開(kāi)度。對(duì)于轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)，可根據(jù)計(jì)算要求在飛逸特性曲線圖上選定值。例如要計(jì)算協(xié)聯(lián)工況的飛逸特性，可以在圖5-9中組曲線上找出飛逸前的值的曲線，在該曲線上根據(jù)所求的協(xié)聯(lián)工況點(diǎn)的導(dǎo)葉開(kāi)度值確定值。對(duì)未給出飛逸特性曲線的轉(zhuǎn)輪可按最大水頭和建議的最大單位飛逸轉(zhuǎn)速計(jì)算。一些轉(zhuǎn)輪的值列于表3-2中，表中對(duì)ZZ600和ZZ460分別為協(xié)聯(lián)破壞和協(xié)聯(lián)保持時(shí)的數(shù)值。表3-2轉(zhuǎn)輪的單位飛逸轉(zhuǎn)速值轉(zhuǎn)輪型號(hào)HL310-1HL310-2HL240HL230HL220HL200HL110ZZ600ZZ46016317415512813313193352/280324/240水輪機(jī)飛逸轉(zhuǎn)速與額定轉(zhuǎn)速之比稱飛逸系數(shù) （3-52）水輪機(jī)的飛逸轉(zhuǎn)速系數(shù)大致范圍如下：軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)保持協(xié)聯(lián)關(guān)系時(shí)軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)協(xié)聯(lián)關(guān)系破壞時(shí)混流式或水斗式水輪機(jī)以上值其下限適用于低比轉(zhuǎn)速水輪機(jī)，上限適用于高比轉(zhuǎn)速水輪機(jī)。水輪機(jī)的飛逸特性除與機(jī)型、水頭和導(dǎo)葉開(kāi)度等有關(guān)外，水輪機(jī)的汽蝕特性對(duì)飛逸轉(zhuǎn)速也有影響。試驗(yàn)研究表明，由于汽蝕破壞了正常流態(tài)，水力損失增加，因此水輪機(jī)的飛逸系數(shù)要降低一些，特別對(duì)軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)影響較顯著