蔡尚炅，王洪杰，劉世勛，魏顯著，陳金霞

( 1. 哈爾濱工業(yè)大學，哈爾濱 150001；2. 哈爾濱大電機研究所，哈爾濱 150040 )

1 前言

現(xiàn)代水力設計方法及手段大大促進了大型水輪機的開發(fā)，然而設計結(jié)果如何，需要試驗來鑒定。原型機試驗有費用高、精度低等缺點，目前世界上已普遍采用水力機械模型試驗來評價原型機性能[1,2]。然而水力機械試驗周期長，現(xiàn)有試驗臺已不能滿足日益增長的水電市場需求，再建水力機械試驗試驗臺已成為必須。鑒于此，哈爾濱大電機研究所在高Ⅰ臺、Ⅱ臺的基礎上，采用當前最新設計思想及測試平臺，建設了哈爾濱大電機研究所水力機械Ⅲ臺、Ⅳ臺[3]。

水力機械模型試驗的質(zhì)量好壞，在很大程度上取決于其測量技術。要快速、準確地獲取試驗數(shù)據(jù)，需要一套可靠、高效的測試系統(tǒng)[4]。

美國National Instruments(NI)公司在測試測量技術上已處于世界領先地位，國內(nèi)外大多采用其產(chǎn)品實現(xiàn)了各種測試功能。日本日立公司研制的“水力發(fā)電設備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)”以及日本東京電力公司和東芝公司共同研究開發(fā)“抽水蓄能發(fā)電機組自動監(jiān)視系統(tǒng)”，均取得了良好成效[5]。

本測試系統(tǒng)選擇NI公司的數(shù)據(jù)采集設備，利用其圖形化開發(fā)軟件LabVIEW設計了一套水力機械試驗臺測試系統(tǒng)。通過本測試系統(tǒng)軟件可以在線實現(xiàn)水力機械模型的各種試驗。對混流式、軸流式、貫流式水輪機以及可逆式水泵水輪機模型實現(xiàn)實時、快速和精確數(shù)據(jù)測量。

2 測試原理

水力機械模型試驗，是在保證水輪機過流表面尺寸幾何相似的情況下，通過相似換算原理，把模型轉(zhuǎn)輪的試驗結(jié)果轉(zhuǎn)化為真實轉(zhuǎn)輪的性能數(shù)據(jù)[6]。水力機械模型試驗臺如圖1所示。

圖1 水力機械模型試驗臺

3 基于LabVIEW的測試軟件系統(tǒng)

3.1 程序結(jié)構(gòu)設計

本測試系統(tǒng)軟件任務復雜、功能齊全。采用基于事件結(jié)構(gòu)的狀態(tài)機模式來構(gòu)建程序框架。該模式結(jié)合了隊列狀態(tài)機和事件結(jié)構(gòu)，能快速準確地捕捉用戶操作指令，并使軟件穩(wěn)定運行。數(shù)據(jù)采集任務同用戶操作及參數(shù)顯示分別放置在不同的循環(huán)內(nèi)，這樣保證了數(shù)據(jù)采集的連續(xù)性，也使得用戶的操作更加準確。程序結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 程序結(jié)構(gòu)圖

3.2 測試系統(tǒng)設計

測試系統(tǒng)軟件設計包含三部分：一是傳感器率定系統(tǒng)，二是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，三是后處理系統(tǒng)。測試系統(tǒng)軟件的架構(gòu)如圖3所示。

3.2.1 傳感器率定系統(tǒng)

在進行數(shù)據(jù)采集試驗之前，為保證傳感器量值傳遞的準確性，需先對其進行率定。通過傳感器率定，也即標定，建立真實物理值與電信號之間的匹配關系。測試系統(tǒng)對各種類型傳感器的率定功能實現(xiàn)見表1。

3.2.2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

本測試系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以實現(xiàn)混流式、軸流式、貫流式水輪機以及可逆式水泵水輪機模型的效率、空化、飛逸、蝸殼壓差、軸向力、徑向力、導葉水力矩、壓力脈動、補氣、變空化壓力脈動、力矩波動、圓筒閥、成像觀測試驗，對可逆式水泵水輪機還能實現(xiàn)泵工況效率及四象限試驗?；谔摂M儀器的測試系統(tǒng)具有移植性好，通用性強，使用方便等特點。具體功能如圖4所示。

圖3 測試系統(tǒng)軟件架構(gòu)

表1 傳感器率定功能

（1）實時采集

數(shù)據(jù)采集過程中，根據(jù)率定結(jié)果，測試系統(tǒng)對傳感器實時采集來的電信號進行實時轉(zhuǎn)換，并計算出該工況下的各個特性參數(shù)，如效率等?？紤]到試驗系統(tǒng)參數(shù)運算量龐大，為方便管理，本測試系統(tǒng)采用 VC編譯運算公式，生成動態(tài)鏈接庫文件（即DLL文件）。最后采用LabVIEW中的調(diào)用庫函數(shù)節(jié)點（CLN）函數(shù)，對其進行動態(tài)調(diào)用。

（2）數(shù)據(jù)保存

數(shù)據(jù)存儲與分析過程在本系統(tǒng)中得以集成化，這使得試驗人員解脫于繁重的事務勞動，從而關注試驗本身的問題。進入試驗時，系統(tǒng)根據(jù)試驗項目內(nèi)容及日期預先自動生成數(shù)據(jù)存放目錄，并根據(jù)試驗需求設定文件名。為了預防斷電等外界不確定因素造成數(shù)據(jù)丟失，系統(tǒng)自動開辟一數(shù)據(jù)保存空間動態(tài)保存1min內(nèi)的數(shù)據(jù)，用于特殊情況下進行數(shù)據(jù)恢復。

圖4 采集試驗流程

（3）算例

為了校驗數(shù)據(jù)的準確性，在效率試驗中提供了算例功能。點擊“算例”按鈕，彈出算例電子表格文件。文件中對部分關鍵參數(shù)值進行比對，以驗證系統(tǒng)計算結(jié)果。算例如圖5所示。

圖5 算例

（4）歷史數(shù)據(jù)

為了對過往試驗數(shù)據(jù)進行查看與分析，試驗人員只需點擊“歷史數(shù)據(jù)”按鈕即可實現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)調(diào)取。調(diào)取方式可選，分別有追加、重新調(diào)取及清空三種。追加為在已有歷史數(shù)據(jù)上增加新的數(shù)據(jù)；重新調(diào)取后只顯示新的歷史值；若點擊取消將清空歷史數(shù)據(jù)。

（5）打印報表

試驗結(jié)束后，點擊“打印預覽”，系統(tǒng)彈出按預先模板生成的試驗報表。報表樣式如圖6所示。

圖6 報表預覽

（6）自動預警

為了更好地監(jiān)視水庫、尾水箱大罐、尾水箱小罐的液位，本測試系統(tǒng)啟動自動預警判斷功能，給用戶提供更好的信息及即時的反饋。如圖7所示。

圖7 自動預警

3.2.3 后處理系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集完成后，進入數(shù)據(jù)后處理系統(tǒng)，可對試驗數(shù)據(jù)進行選擇和調(diào)整，并生成相應的特性文件，以及繪制出各種特性曲線。

在效率試驗中，對轉(zhuǎn)槳式水輪機，一般需對每一槳葉開度下的數(shù)據(jù)取最優(yōu)值，生成包絡線。最優(yōu)值的選取方式有三種：取各個開度下的最高效率點；由試驗人員根據(jù)經(jīng)驗手動選取數(shù)據(jù)點；程序自動求取，并生成曲線包絡。前兩種方式易于處理，但是工作量太大、準確度較差。

在第三種情況中可采用控制誤差來求解包絡線。具體做法為先對每條曲線進行取點，然后對所選數(shù)據(jù)點進行插值，生成插值曲線。最后判別插值后的曲線是否位于所有曲線上方（即相切，這是理想時的情況），或曲線與每條曲線縱向差距不超過給定的誤差，該插值曲線即為所求包絡線。如圖8所示。

圖8 包絡線

4 結(jié)論

（1）基于美國NI公司LabVIEW軟件平臺的水力機械測試系統(tǒng)，充分利用了軟件本身的強大功能，完成了與水力機械試驗臺之間數(shù)據(jù)的實時采集、分析與處理等。

（2）本測試系統(tǒng)，自動化程度高，大大降低了試驗人員的工作強度，同時也提高了測試效率，增強了系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性。并在此測試系統(tǒng)開發(fā)中取得的經(jīng)驗，可在其他模型試驗臺的測試系統(tǒng)中推廣。

[1]趙越, 劉智良, 郭全寶. 確定模型水泵水輪機水泵工況葉片初生空化的聲學方法研究[J]. 大電機技術, 2011, (1): 39-45.

[2]陳金霞, 趙越, 覃大清. 哈電高水頭試驗臺(Ⅱ)測試系統(tǒng)的特點[J]. 大電機技術, 2002, (4)：47-50.

[3]趙越, 呂延光, 黎輝, 吳可君. 近年來水輪機模型試驗技術的發(fā)展[J]. 大電機技術, 2010, (1):41-45.

[4]黃豪彩, 楊燦軍, 陳道華, 等. 基于 LabVIEW的深海氣密采水器測控系統(tǒng)[J]. 儀器儀表學報,2011, 32(1): 40-45.

[5]彭文季.水力機組空蝕在線監(jiān)測系統(tǒng)的LabVIEW 實現(xiàn)[D]. 昆明: 昆明理工大學,2004.

[6]曹鹍. 水輪機原理及水力設計[M]. 北京: 清華大學出版社, 1991, (6): 26-106.