吳可君

（哈爾濱大電機研究所，黑龍江 哈爾濱 150040）

1 水輪機模型試驗的重要意義

1.1 水輪機相似理論

水輪機相似理論是研究相似水輪機之間存在的相似規(guī)律，并確定運行參數(shù)之間換算關系的理論。目前水輪機相似理論已經(jīng)廣泛應用于水輪機設計、制造、選型和最佳運行方案選擇上，但由于水輪機水流條件復雜性，根據(jù)水輪機模型方法研究水輪機真機的相關特性，必須在保證水流運動相似的條件下進行。

2.2 水輪機模型的重要意義

由于水輪機組的電力工程屬性普遍有著規(guī)模大、投資高、建設難的問題，水輪機試驗人員在對水輪機進行設計、制造、選型等工作時無條件用真機對水輪機運行和各項特性進行試驗和分析，導致用計算指導實踐的弊病，一旦計算與實踐脫節(jié)出現(xiàn)問題，損失不可估量。依據(jù)水輪機相似理論，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，由于模型水輪機具有運轉規(guī)模小、費用小、試驗方便的特點，不但可以隨著需要變動工況，還能在較短時間內(nèi)對水輪機運行整體特性進行分析。模型水輪機運行參數(shù)通過一定的曲線關系可指導真機運行和特性研究，利用模型水輪機運行功率和相關特性研究可在水輪機發(fā)電機組建設前提前選擇好最佳機型和運行方案，對水輪機組高效的運行提供保證。

2 水輪機模型壓力脈動測試

2.1 什么是壓力脈動測試

壓力脈動是指紊流中一點處壓強隨時間做隨機變化的現(xiàn)象，是機組產(chǎn)生振動、噪音的重要原因之一，也是衡量機組穩(wěn)定性的重要指標。想要提高系統(tǒng)的工作品質就應對水輪機組內(nèi)部的壓力脈動情況進行分析，并且通過改進相應結構和安裝技術減少壓力脈動對機組產(chǎn)生的影響，從而使機組能夠更穩(wěn)定的運行。

2.2 壓力脈動測試的幾種方法

傳統(tǒng)的壓力脈動測試主要有磁帶記錄儀記錄法、圖形記錄法、數(shù)字記錄法、計算機信息采集分析法等。在這些方法中比較常用的是磁帶記錄儀記錄法和計算機信息采集分析法。磁帶記錄儀測試法作為傳統(tǒng)方法中的常用手段，雖然能夠對壓力傳感器傳輸?shù)男盘栕龅綔蚀_記錄和自行分析，但由于計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性查、準確度低、速度慢的缺點。而隨著計算機技術發(fā)展開發(fā)的計算機數(shù)據(jù)采集分析法，通過對計算機系統(tǒng)的設計，不但可以加大試驗測試的自動化程度，還能夠提高試驗速度和增加試驗的準確性。

3 水輪機模型壓力脈動測試的方法研究

針對水輪機模型壓力脈動測試法的發(fā)展趨勢和應用前景，本文主要以計算機數(shù)據(jù)采集分析法作為主要方法對水輪機模型壓力脈動測試法進行研究。

3.1 測量設備

在計算機數(shù)據(jù)采集分析法中，應用的主要設備有壓力傳感器、信號放大器、示波器、計算機處理系統(tǒng)等。在水輪機模擬壓力脈動分析中，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行計算和優(yōu)選。

3.2 測點位置

水輪機壓力脈動主要是由水力機械流道和流場中的葉片及導葉引起的。壓力測點位置除了通常在蝸殼進口、轉輪與導葉之間以及尾水錐管的距轉輪0.3～1.0倍直徑處的上下游側設置測點外，也可在肘管的彎管處及擴散管處布置壓力測點。在條件允許的情況下盡可能多布置一些壓力測點，以便分析壓力脈動在整個流場內(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間。如果采樣頻率過低，采集的波形可能不完整并會發(fā)生畸變；如較長時間使用很高的采樣頻率會導致沒有足夠的內(nèi)存或硬盤，存儲數(shù)據(jù)慢。關于采樣時間問題，雖然說采樣時間越長所得數(shù)據(jù)越多分析結果越準確，但鑒于采樣設備的硬盤大小和考慮到分析工作的工作量問題，應將采樣時間控制在一個合適范圍內(nèi)，采用采樣時間間隔Δt乘以采樣數(shù)目N等于采樣時間t的計算方法來確定采樣時間的長短，數(shù)據(jù)采集完成后要對信號做適當處理，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間的確定，這兩個因素將直接影響水輪機模型壓力脈動分析的準確性，確定采樣頻率和時間要根據(jù)真機運行和使用特點對模型機采樣頻率和時間進行設定，使試驗結果能夠正確的指導真機的設計、安裝和運行。

4 數(shù)據(jù)分析

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

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

（2）在有效值的基礎上乘以，作為壓力脈動幅值的單向振幅值（Xrms）。

（3）在有效值的基礎上乘以2，作為壓力脈動幅值的雙向振幅值（2Xrms）。

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

（5）同時計算壓力脈動幅值的峰峰值與有效值（Pto Pand Xrms）。

（6）同時計算壓力脈動幅值的峰峰值和單向振幅值（Pto Pand Xrms）。

（7）同時計算壓力脈動幅值的峰峰值和雙向振幅值（Pto Pand 2Xrms）。

目前，在水力機械行業(yè)，關于壓力脈動幅值的取值方法還沒有一個統(tǒng)一的標準，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最惡劣的情況，所以，采用峰峰值更為合理。

結語

綜上所述，計算機技術的應用不但減少了水輪機模型壓力脈動的測試數(shù)據(jù)收集和處理難度，且由于計算機采集和分析處理數(shù)據(jù)更準確，因此水輪機模型試驗結果在水輪機組實際應用時具有更好的指導作用。

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

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