水輪機(jī)模型壓力脈動(dòng)的測試及方法研究

吳可君

（哈爾濱大電機(jī)研究所，黑龍江 哈爾濱 150040）

1 水輪機(jī)模型試驗(yàn)的重要意義

1.1 水輪機(jī)相似理論

水輪機(jī)相似理論是研究相似水輪機(jī)之間存在的相似規(guī)律，并確定運(yùn)行參數(shù)之間換算關(guān)系的理論。目前水輪機(jī)相似理論已經(jīng)廣泛應(yīng)用于水輪機(jī)設(shè)計(jì)、制造、選型和最佳運(yùn)行方案選擇上，但由于水輪機(jī)水流條件復(fù)雜性，根據(jù)水輪機(jī)模型方法研究水輪機(jī)真機(jī)的相關(guān)特性，必須在保證水流運(yùn)動(dòng)相似的條件下進(jìn)行。

2.2 水輪機(jī)模型的重要意義

由于水輪機(jī)組的電力工程屬性普遍有著規(guī)模大、投資高、建設(shè)難的問題，水輪機(jī)試驗(yàn)人員在對水輪機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)、制造、選型等工作時(shí)無條件用真機(jī)對水輪機(jī)運(yùn)行和各項(xiàng)特性進(jìn)行試驗(yàn)和分析，導(dǎo)致用計(jì)算指導(dǎo)實(shí)踐的弊病，一旦計(jì)算與實(shí)踐脫節(jié)出現(xiàn)問題，損失不可估量。依據(jù)水輪機(jī)相似理論，可以利用較小尺寸的模型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)，由于模型水輪機(jī)具有運(yùn)轉(zhuǎn)規(guī)模小、費(fèi)用小、試驗(yàn)方便的特點(diǎn)，不但可以隨著需要變動(dòng)工況，還能在較短時(shí)間內(nèi)對水輪機(jī)運(yùn)行整體特性進(jìn)行分析。模型水輪機(jī)運(yùn)行參數(shù)通過一定的曲線關(guān)系可指導(dǎo)真機(jī)運(yùn)行和特性研究，利用模型水輪機(jī)運(yùn)行功率和相關(guān)特性研究可在水輪機(jī)發(fā)電機(jī)組建設(shè)前提前選擇好最佳機(jī)型和運(yùn)行方案，對水輪機(jī)組高效的運(yùn)行提供保證。

2 水輪機(jī)模型壓力脈動(dòng)測試

2.1 什么是壓力脈動(dòng)測試

壓力脈動(dòng)是指紊流中一點(diǎn)處壓強(qiáng)隨時(shí)間做隨機(jī)變化的現(xiàn)象，是機(jī)組產(chǎn)生振動(dòng)、噪音的重要原因之一，也是衡量機(jī)組穩(wěn)定性的重要指標(biāo)。想要提高系統(tǒng)的工作品質(zhì)就應(yīng)對水輪機(jī)組內(nèi)部的壓力脈動(dòng)情況進(jìn)行分析，并且通過改進(jìn)相應(yīng)結(jié)構(gòu)和安裝技術(shù)減少壓力脈動(dòng)對機(jī)組產(chǎn)生的影響，從而使機(jī)組能夠更穩(wěn)定的運(yùn)行。

2.2 壓力脈動(dòng)測試的幾種方法

傳統(tǒng)的壓力脈動(dòng)測試主要有磁帶記錄儀記錄法、圖形記錄法、數(shù)字記錄法、計(jì)算機(jī)信息采集分析法等。在這些方法中比較常用的是磁帶記錄儀記錄法和計(jì)算機(jī)信息采集分析法。磁帶記錄儀測試法作為傳統(tǒng)方法中的常用手段，雖然能夠?qū)毫鞲衅鱾鬏數(shù)男盘栕龅綔?zhǔn)確記錄和自行分析，但由于計(jì)算主體仍然是憑借人力，因而受到人為影響的因素比較大，而且這種方法還存在著可重復(fù)性查、準(zhǔn)確度低、速度慢的缺點(diǎn)。而隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展開發(fā)的計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集分析法，通過對計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，不但可以加大試驗(yàn)測試的自動(dòng)化程度，還能夠提高試驗(yàn)速度和增加試驗(yàn)的準(zhǔn)確性。

3 水輪機(jī)模型壓力脈動(dòng)測試的方法研究

針對水輪機(jī)模型壓力脈動(dòng)測試法的發(fā)展趨勢和應(yīng)用前景，本文主要以計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集分析法作為主要方法對水輪機(jī)模型壓力脈動(dòng)測試法進(jìn)行研究。

3.1 測量設(shè)備

在計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集分析法中，應(yīng)用的主要設(shè)備有壓力傳感器、信號放大器、示波器、計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)等。在水輪機(jī)模擬壓力脈動(dòng)分析中，數(shù)據(jù)的采集是重中之重，因此我們可以選擇帶屏蔽屬性的傳輸電纜和精度高、穩(wěn)定性好的壓力傳感器，并且對壓力傳感器和放大器的位置進(jìn)行計(jì)算和優(yōu)選。

3.2 測點(diǎn)位置

水輪機(jī)壓力脈動(dòng)主要是由水力機(jī)械流道和流場中的葉片及導(dǎo)葉引起的。壓力測點(diǎn)位置除了通常在蝸殼進(jìn)口、轉(zhuǎn)輪與導(dǎo)葉之間以及尾水錐管的距轉(zhuǎn)輪0.3～1.0倍直徑處的上下游側(cè)設(shè)置測點(diǎn)外，也可在肘管的彎管處及擴(kuò)散管處布置壓力測點(diǎn)。在條件允許的情況下盡可能多布置一些壓力測點(diǎn)，以便分析壓力脈動(dòng)在整個(gè)流場內(nèi)的分布及傳播情況。

3.3 數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集前首先要明確采樣頻率和時(shí)間。如果采樣頻率過低，采集的波形可能不完整并會(huì)發(fā)生畸變；如較長時(shí)間使用很高的采樣頻率會(huì)導(dǎo)致沒有足夠的內(nèi)存或硬盤，存儲數(shù)據(jù)慢。關(guān)于采樣時(shí)間問題，雖然說采樣時(shí)間越長所得數(shù)據(jù)越多分析結(jié)果越準(zhǔn)確，但鑒于采樣設(shè)備的硬盤大小和考慮到分析工作的工作量問題，應(yīng)將采樣時(shí)間控制在一個(gè)合適范圍內(nèi)，采用采樣時(shí)間間隔Δt乘以采樣數(shù)目N等于采樣時(shí)間t的計(jì)算方法來確定采樣時(shí)間的長短，數(shù)據(jù)采集完成后要對信號做適當(dāng)處理，例如做傅里葉變換。

數(shù)據(jù)采集過程中尤其要注意采樣頻率和采樣時(shí)間的確定，這兩個(gè)因素將直接影響水輪機(jī)模型壓力脈動(dòng)分析的準(zhǔn)確性，確定采樣頻率和時(shí)間要根據(jù)真機(jī)運(yùn)行和使用特點(diǎn)對模型機(jī)采樣頻率和時(shí)間進(jìn)行設(shè)定，使試驗(yàn)結(jié)果能夠正確的指導(dǎo)真機(jī)的設(shè)計(jì)、安裝和運(yùn)行。

4 數(shù)據(jù)分析

壓力脈動(dòng)幅值取值的方法和準(zhǔn)確性直接影響對水輪機(jī)水力性能的評價(jià)。通常對于壓力脈動(dòng)幅值有以下幾種分析方法。

（1）將N個(gè)采樣數(shù)據(jù){x1，x2，x3，…，xN}，依據(jù)下面的公式計(jì)算，即可得到壓力脈動(dòng)幅值的有效值（Xrms）：

（2）在有效值的基礎(chǔ)上乘以，作為壓力脈動(dòng)幅值的單向振幅值（Xrms）。

（3）在有效值的基礎(chǔ)上乘以2，作為壓力脈動(dòng)幅值的雙向振幅值（2Xrms）。

（4）壓力脈動(dòng)幅值的峰峰值（PtoP）采用波形最大值與最小值的差值（置信度為97%）。

（5）同時(shí)計(jì)算壓力脈動(dòng)幅值的峰峰值與有效值（Pto Pand Xrms）。

（6）同時(shí)計(jì)算壓力脈動(dòng)幅值的峰峰值和單向振幅值（Pto Pand Xrms）。

（7）同時(shí)計(jì)算壓力脈動(dòng)幅值的峰峰值和雙向振幅值（Pto Pand 2Xrms）。

目前，在水力機(jī)械行業(yè)，關(guān)于壓力脈動(dòng)幅值的取值方法還沒有一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，一般來講，雙向振幅值比峰峰值要偏低一些，峰峰值充分考慮到了壓力脈動(dòng)最惡劣的情況，所以，采用峰峰值更為合理。

結(jié)語

綜上所述，計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用不但減少了水輪機(jī)模型壓力脈動(dòng)的測試數(shù)據(jù)收集和處理難度，且由于計(jì)算機(jī)采集和分析處理數(shù)據(jù)更準(zhǔn)確，因此水輪機(jī)模型試驗(yàn)結(jié)果在水輪機(jī)組實(shí)際應(yīng)用時(shí)具有更好的指導(dǎo)作用。

[1]鄧隱北，孫合會(huì)，蔡桓，陳芝坤.符合中國市場需求的水輪機(jī)·發(fā)電機(jī)技術(shù)[J].水利電力科技，2012（04）.

[2]吳江，段利英，賓斌，廖一衡，譚韜宇.水輪機(jī)工作密封壓力波動(dòng)缺陷處理[J].水電自動(dòng)化與大壩監(jiān)測，2011（03） .