[科普中国]-水轮机模型试验台

简介

进行水轮机模型试验，需建立一套完备的水路系统提供试验所需流量及水头。新建或改建的试验台多为通用试验台，可半开敞运行，也可封闭运行。封闭式运行是指在试验台中水流循环使用，形成闭合水路；半开敞式运行是指水源为一开放的水池，给水和排水分别由两个阀门控制。在同一通用试验台上，可完成能量试验、空化试验及其他各种试验，一般精度较高、稳定性较好且自动化程度高1。

试验台水力布置构建的试验台用于贯流式水轮机。根据通用试验台标准，设计使用上下游两个大水罐，上下游两个小水罐，轴流泵，真空泵，压缩机等设备，组建成试验回路。考虑到室内结构及人员通行需要，现有试验室可用的布置空间为8.5m×5.3m。鉴于试验需求和试验室空间的限制，在通用试验台基础上做了如下改进：

（1）将模型水轮机与主水泵的位置互换，且保持现有水流的方向；

（2）放弃开挖水池，只提供闭合水路的试验；

（3）模型水轮机和流量计在同一段直水路上，流量计在模型水轮机上游侧，其上下游侧有足够长的直管以保证测得流量的精度；

（4）除了两个大蓄水罐，在矩形水路的另两个拐角增加两个一半大的小水罐，以稳定流量计和模型水轮机上下游的水流；

（5）立面上，从上游小水罐到下游小水罐之间的水路具有1:100 的坡度。

流道中采用的管件标称直径DN主要有150mm和200mm。管道与水罐之间、管件之间的布置及连接方式均遵循最利于稳定水流及降低水头损失为原则，同时也考虑到经费限制，在水罐的出口处均以锥形口连接水管，除了水轮机工作流道外，管道之间以平面对焊钢制管法兰连接；水轮机流道各管采用凹凸面对焊钢制管法兰连接以保证封水和流道同轴度，保证了水轮机工作时拥有较好的流动状态。

水轮机工作流道，即从上游小水罐起到下游小水罐为止，距离较长，为了今后清洁和维修水轮机时拆卸方便，水轮机出口和尾水管之间添置一个松动法兰（或称活套法兰），类似工程中为方便机组安装、检修和拆装采用的伸缩节装置。此处用结构简单的“滑动法兰”。

整流设计由于空间的限制，原本需要径直的水路设计成有折弯的回路，故为了尽量减少与水轮机本身设计无关的水力损失，在流道中添加了起整流稳定作用的部件，大小水罐内共设四个整流栅，流量计前后分别设有一根直管以保证流量的测量精度。

整流栅板的厚度约等于小孔直径，比较小孔正方形阵列和正三角形阵列两种排布方式，正三角阵列的小孔各孔间距完全相等，充分利用板面空间，通流面积相对较大。故大小水罐均采用正三角阵列方式。大水罐的通流比为0.52，小水罐通流比为0.54，均在可接受的范围（≥0.5）之内。为节省空间、更充分地利用面积，在整流栅边缘使用0.5倍半径的小孔2。

主要设备1．主水泵

一般选择离心泵作为主水泵，并由直流电动机驱动，通过可控硅装置实现无级变速，以达到调节试验水头和试验流量的目的。在额定工况下，流量应达到0.8~1.0m3/s 左右才能满足贯流式水轮机模型试验的需要。通常主水泵的安装高程应低于尾水箱9~10m，以保证在尾水箱出现真空时，主水泵吸入端不发生空化。根据本试验需要，上下游大水罐没有高度差，并且试验用水头主要通过水位以及上下游的压缩机和真空泵来提供，故选用流量相对较大、水头相对较小的轴流式水泵作为回水管上的主水泵。

2．压力计

试验水头分为静水头和动水头，静水头可用压力计测量而得。常用的压力计有液柱式、弹簧式、活塞式和电气式四种。前三者均是将压力信号转换成模拟量信号输出，若要在上位计中使用则还需要对信号进行调节、放大、滤波并由AD转换器转换成数字信号；而电气式的可以直接输出为可用的数字信号。由于试验需要，采用数字式压力计可以实现高精度自动化测量，遂选择电气式压力传感器。分别均匀地安装于水轮机进口处和尾水管出口处断面周长上各8个，即共计16个传感器，以便于均匀地测得断面压力值。

3．流量计

试验流量常用电磁流量计、超声波流量计、叶轮式流量计、差压式流量计等测量。综合各种流量计的成本及对水头的影响程度等因素，本试验台采用电磁流量计。电磁流量计的原理是应用导电体在磁场中运动产生感应电动势、而感应电动势又和流量大小成正比，通过测量电动势来反映管道流量。

为确保测量精确度，应保证传感器上游应有不小于5倍管径长度的直管段，诸如锥管、孔板、阀门等设备，在它们距离传感器5倍管径以上时，其影响可以忽略不计。传感器下游侧应不少于3倍管径长度的直管段。只要测量管内的流速分布对称，电磁流量计的测量结果在原理上与流速分布无关。此时电磁流量计精度可达±0.15%。选择电磁流量计采用公称直径为150mm，所以其上游侧设置为不少于750mm的直管，下游侧设置不少于450mm的直管。

总结（1）根据实验室实际情况，参考通用水轮机试验台，构建了贯流水轮机试验台，详细介绍了试验平台的设计布局；

（2）水轮机出口和尾水管之间的滑动法兰，类似工程中采用的伸缩节装置，但结构简单便于拆卸；

（3）为了尽量减少无关的水力损失，在流道中添加了整流栅起到了整流稳定作用。

贯流式水轮机模型试验台的构建，可为今后确定水轮机各工况下的能量特征、研究水轮机过流部件的水力性能及进行水轮机水力设计奠定基础3。