百龙滩水电站水轮机模型验收试验
聂启蓉，刘益祥
广西电力工业勘察设计研究院，广西 南宁 530023
1 原型水轮机的主要技术参数
水轮机型式：卧式，单转轮，轴流灯泡式水轮机；
转轮直径(转轮室内径D1)：6 400 mm；
转轮叶片数：4；
导叶数：16；
额定出力：33 000 kW；
额定流量：377.5 m3/s；
额定水头：9.7 m；
额定转速：93.8 r/min；
比转速(额定水头工况下)：995 m.kW。
运行条件：
(1)水库调节特性：径流式；
(2)上游水位：
最高水位(P=0.2%)159.2 m；
正常蓄水位136 m；
最低水位125 m；
极限最低水位(初期)121 m。
(3)下游水位：
最高水位(P=0.2%,Q=29 600 m3/s)158.7 m；
正常最低水位(Q=720 m3/s)108.1 m；
极限最低水位(Q=385 m3/s)106.3 m。
净水头：
最高净水头18 m；
最低水头 3 m。
流量：
最小发电流量720 m3/s；
极限最小发电流量(初期)385 m3/s。
多年平均水温：21.4 ℃。
水轮机中心线高程：101.9 m。
吸出高度基准线高程(水轮机中心线以上D1/4处)：103.5 m。
2 验收试验前的准备
根据协议，富士电机在模型验收试验前提供了《广西百龙滩水电站水轮机模型试验计划和程序》，其主要内容包括：
模型验收试验项目；
模型试验台；
模型水轮机的说明；
模型机组的检查及测量仪器的率定方法；
试验程序及计算方法；
模型验收初步试验报告，即各种试验过程有关的数据、图表和曲线，以及试验结果与合同保证值的比较等；
验收试验工况点的选择范围及实施计划。
3 模型试验台及试验装置
3.1 模型试验台
富士水力试验室的2号试验台的简图见图1。试验台的主要参数为：试验水头2 m～80 m，最大流量1 000 L/s，测功机功率400 kW，最高转速2 000 r/min，吸出高度Hs=+9 m～-20 m，试验数据的采集和处理全部由计算机系统完成，试验台综合效率误差小于0.3%。
图1 模型试验台简图
3.2 测量装置
3.2.1 水头测量
(1)静水头采用数字式石英差压计测量，测量范围0～13 kPa，精度±0.01%，最小增量0.001 kPa，用标准压力发生器率定；
(2)吸出水头采用绝对值数字式石英压力计测量，测量范围0～30 kPa，精度±0.01%。最小增量0.001 kPa，用标准压力发生器和水银压力计率定；
(3)速度水头根据流量测量和尺寸测量结果计算求得。
3.2.2 流量测量
通过模型水轮机的流量由1台电磁流量计测量，用质量计(秤重法)率定。
电磁流量计的规格如下：
管径：400 mm；
测量范围：10 L/s～1 000 L/s；
重复性精度：读数的±0.1%；
输出：流量为1 000 L/s时的输出电压为5.000 V；
数字式电压表：最小读数为1 mV(即0.2 L/s)，精度±1 mV。
3.2.3 水轮机的出力测量
模型水轮机的出力由1台数字式扭矩计测量主轴的扭矩后计算求得。扭矩计由一个扭矩测量单元和一个数字处理回路组成，前者将主轴的扭转角转换成一个电位差，后者又将电位差转换成扭矩值。扭矩计和数字处理回路的组成见图2和图3。扭矩计的规格如下：
最大扭矩：50 g N.m(g为重力加速度)；
最高转速：3 000 r/min；
最小刻度：0.01 g N.m(g为重力加速度)；
齿数：180(模数0.5)；
时钟脉冲频率：1 MHz。
扭矩计利用标准砝码和标准臂在模型机外率定。
3.2.4 转速测量
模型水轮机的转速用电子数字式转速表测量，测量范围为1.0 r/min～9 999.9 r/min，精度为±0.000 02(读数)±0.2 r/min。电子数字式转速表的除法回路是通过统计晶体振荡器的10 MHz基频来校准的，而晶体振荡器的频率不精确度在±5×10-3%范围内，其值很小，故电子数字式转速表不必专门校正。
图2 扭矩检测装置
1，2，3，4—齿轮 5，6—电磁探测器 7—轴 8—数字式扭矩计
图3 数字处理回路框图
3.2.5 压力脉动测量
为了测量水压脉动，在测点处安装有应变型压力变送器，用示波图录波，尾水管压力脉动测点的位置在距转轮中心约2D1处。
3.2.6 导叶水力矩和桨叶水力矩的测量
导叶和桨叶水力矩均采用应变仪测量，用作导叶水力矩测量的应变片安放在导叶拐臂上，用于桨叶水力矩测量的应变片安放在桨叶枢轴上。
3.2.7 轴向水推力的测量
模型水轮机的轴向水推力通过压差变送器测量转轮上、下游侧的压力差求得。
3.2.8 水轮机流量与压差关系的测量
为了获得水轮机流量与压差的关系曲线，在灯泡体头部和外导环处布置有压力测点，用差压变送器测量两者之间的压差。
3.2.9 气蚀观测
为了直接观察气蚀，模型水轮机的尾水管前段用透明的有机玻璃制作，利用内频仪可进行观察和摄影。
4 模型水轮机
模型水轮机的公称直径(转轮室内径)为365 mm，模、原型几何比例为1∶17.534 25，除灯泡体长度和上部固定导叶外，模型水轮机与原型水轮机保持外型及全流道的几何相似。由于灯泡式水轮机具有一个从进口到转轮室逐渐收缩的断面，并且在灯泡体处的断面流速比通过导叶和转轮室的流速小，故较长的灯泡体和较宽的固定导叶对效率的影响很小，在效率试验中对试验结果未予修正，就检验水轮机的效率是否满足合同保证值而言，这种处理是偏于安全的。
5 模型验收试验
本次试验的目的在于验证富士电机在《百龙滩水电站水轮机模型试验计划和程序》中提交的模型试验各项成果，从而对它提供的水轮机的水力性能是否满足合同要求予以确认。验收试验项目包括效率试验、气蚀试验、飞逸特性试验和压力脉动试验。此外，还复核了导叶力矩试验，桨叶力矩试验，轴向水推力试验和水轮机流量与压差关系曲线，观察了模型机在相应于原型机3 m水头工况下的运行情况，并观看了叶片应力有限元计算的计算机演示。
试验前，富士电机提交了日本国计量管理部门对水力试验室的计量系统的鉴定文件，并对水头和流量测量装置进行了率定。试验完成后，又对扭矩测量装置和水头测量装置进行了复核率定，对流道进行了复核测量，并将拆卸下来的转轮1号叶片和1号导水叶置于三维测量仪进行测量，测量和验证结果表明，模型试验台和模型验收试验装置符合IEC193中的有关规定。
5.1 效率试验
验收试验分别对桨叶开度角为30°、20°、14°和22.5°进行了试验。在桨叶开度为30°时做了导叶开度67.5°～77.50°有5种开口角度共9个工况点的试验；在桨叶开度为20°时，做了导叶开度52.5°～75°有10种开口角度共15个工况点的试验；在桨叶开度为14°时，做了导叶开度从42.5°～70°有10种开口角度共12个工况点的试验；桨叶角度为22.5°的试验是为了寻求最高效率点而增设的，在此桨叶开度角下，做了导叶开度从54°～59°有6种开口角度共16个工况点。
效率验收试验共测试了52个工况点，其成果均证明与初步试验结果具有很好的重复性。实测模型水轮机最高效率为93.84%(n1=142.66 r/min,Q1=1 789.7 L/s)，也证明了初步试验报告中提出的模型机最高效率为93.8%可信。
根据模型试验曲线，按照合同规定的效率转换公式计算，原型水轮机的最高效率为95.9%；在电站规定的水头和出力运行范围［H=3 m～18 m，N=(30%～100%)Nr，Nr——水轮机额定出力］内，原型水轮机的最高效率，额定效率和加权平均效率值均高于合同保证值，详见表1。
表1 原型水轮机效率验收值与合同保证值比较表
%
项 目
最高效率
额定效率
加权平均效率
合同保证值
95.2
92
93.44
验收值
95.5
92.2
93.9
从模型参数换算到原型参数的效率转换公式如下：
ηp=ηM+Δη
Δη=ηpmax-ηMmax
ηpmax=1-0.3(1-ηMmax)-0.7(1-ηMmax).
式中：ηp——原型水轮机效率，%；
ηM——模型水轮机效率，%；
Δη——效率修正值，%；
ηpmax——原型水轮机最高效率，%；
ηMmax——模型水轮机最高效率，%；
DM——模型水轮机公称直径，m；
Dp——原型水轮机公称直径，m；
HM——模型水轮机试验水头，m;
Hp——原型水轮机工作水头,m。
原型水轮机的加权平均效率按下式计算：
效率加权系数Wi见表2，且∑Wi=100。
5.2 气蚀试验
气蚀试验也是在桨叶开度角为30°、20°和14°下进行的。桨叶开度为30°时，做了导叶开度为72°、75°和81.5°的试验；桨叶开度角为20°时，做了导叶开度为50.5°、54°、58°、62.2°、65.5°和72.5°试验，桨叶角度为14°时，做了导叶开度为45°、48.2°、51.8°和56°的试验。每个开度测试1～2点，一个是电站装置系数工况点，另一个是“标准气蚀系数”工况点，共测试了23个工况点。“标准气蚀系数的定义详见IEC193A-1972中的有关规定。
表2 原型水轮机效率加权系数表
H
m
N/Nr
%
30
45
60
75
90
100
18
0
0
0
0
13.36
9.55
15
0
0
0
0
18.30
15.55
12.28
0
0
0
0
10.39
3.0
9.7
0
0
0
0
15.50
0
7.9
0
3.19
3.97
5.78
0
0
5
1.41
0
0
0
0
0
验收试验结果表明，验收工况点的实测参数与原提供的试验曲线基本重合；在本电站运行范围内，电站装置气蚀系数大于“标准气蚀系数”，水轮机的效率没有降低。通过闪频仪观察，在“标准气蚀系数”工况下，仅在叶片外缘和叶片根部靠近轮毂处有气泡带产生；在电站装置气蚀系数工况下，当桨叶角度为30°(即低水头)时在叶片外缘和进水侧的正压面有少量气泡产生，当桨叶角度为14°，导叶开度为45°～48°(即高水头)时叶片外缘有微量气蚀现象，其它工况很少见到气蚀泡。测试和观察、摄影结果说明，该转轮气蚀性能良好。
5.3 飞逸特性试验
该试验仅做了桨叶开度14°，导叶开度为75°、70°和45°等5个工况点的试验，试验结果与原试验成果基本吻合。富士电机在模型试验中曾做了在高气蚀系数下的飞逸特性试验和气蚀下的飞逸特性试验：在高气蚀系数下，实测协联工况下的最高单位飞逸转速为308 r/min，非协联工况下的最高单位飞逸转速为415 r/min；在本电站规定的水头、出力和尾水位的范围内，实测模型最高单位飞逸转速为460 r/min。
根据上述试验结果换算，原型水轮机的最大飞逸转速在协联和非协联情况下均不超过310 r/min，满足合同规范的要求。
5.4 压力脉动试验
压力脉动试验的测点位于转轮中心线下游733 mm(～2D1)断面上。从富士电机提供的模型试验曲线可知，在协联工况下尾水管内压力脉动双振幅较小，在水头18 m～5 m范围内其最大值不超过2.8%(n1=260.5 r/min，桨叶φ=30°，导叶α=81.5°)；在非协联情况下，当桨叶角度为-2°时，压力脉动有增加的趋势，实测最大值为4.8%(n1=187 r/min,α=12.5°)
本次验收试验，测试了桨叶开度为30°、20°、14°共13个工况点。为了进一步验证压力脉动值，验收试验时又在尾水管进口处增设了一个测点，13个工况点的实测结果与原试验曲线相吻合，尾水管进口处测得的压力脉动值约为前者的2倍，实测结果详见表3。从表3可知，尾水管压力脉动值可满足合同规定“不大于额定水头7%”的要求。
表3 压力脉动试验实测值表
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