水輪機模型試驗台是指為進行水輪機模型試驗專門設計的試驗裝置。進行水輪機模型試驗，需建立一套完備的水路系統提供試驗所需流量及水頭。新建或改建的試驗台多為通用試驗台，可半開敞運行，也可封閉運行。封閉式運行是指在試驗台中水流循環使用，形成閉合水路；半開敞式運行是指水源為一開放的水池，給水和排水分別由兩個閥門控制。
基本介紹
- 中文名：水輪機模型試驗台
- 外文名：Hydraulic turbine model test stand
- 學科：電力工程
- 領域：能源
- 範圍：電力系統
- 類型：試驗裝置
簡介,試驗台水力布置,整流設計,主要設備,總結,
簡介
進行水輪機模型試驗，需建立一套完備的水路系統提供試驗所需流量及水頭。新建或改建的試驗台多為通用試驗台，可半開敞運行，也可封閉運行。封閉式運行是指在試驗台中水流循環使用，形成閉合水路；半開敞式運行是指水源為一開放的水池，給水和排水分別由兩個閥門控制。在同一通用試驗台上，可完成能量試驗、空化試驗及其他各種試驗，一般精度較高、穩定性較好且自動化程度高。
試驗台水力布置
構建的試驗台用於貫流式水輪機。根據通用試驗台標準，設計使用上下游兩個大水罐，上下游兩個小水罐，軸流泵，真空泵，壓縮機等設備，組建成試驗迴路。考慮到室內結構及人員通行需要，現有試驗室可用的布置空間為8.5m×5.3m。鑒於試驗需求和試驗室空間的限制，在通用試驗台基礎上做了如下改進：
（1）將模型水輪機與主水泵的位置互換，且保持現有水流的方向；
（2）放棄開挖水池，只提供閉合水路的試驗；
（3）模型水輪機和流量計在同一段直水路上，流量計在模型水輪機上游側，其上下游側有足夠長的直管以保證測得流量的精度；
（4）除了兩個大蓄水罐，在矩形水路的另兩個拐角增加兩個一半大的小水罐，以穩定流量計和模型水輪機上下游的水流；
（5）立面上，從上游小水罐到下游小水罐之間的水路具有1:100 的坡度。
流道中採用的管件標稱直徑DN主要有150mm和200mm。管道與水罐之間、管件之間的布置及連線方式均遵循最利於穩定水流及降低水頭損失為原則，同時也考慮到經費限制，在水罐的出口處均以錐形口連線水管，除了水輪機工作流道外，管道之間以平面對焊鋼製管法蘭連線；水輪機流道各管採用凹凸面對焊鋼製管法蘭連線以保證封水和流道同軸度，保證了水輪機工作時擁有較好的流動狀態。
水輪機工作流道，即從上游小水罐起到下游小水罐為止，距離較長，為了今後清潔和維修水輪機時拆卸方便，水輪機出口和尾水管之間添置一個鬆動法蘭（或稱活套法蘭），類似工程中為方便機組安裝、檢修和拆裝採用的伸縮節裝置。此處用結構簡單的“滑動法蘭”。
整流設計
由於空間的限制，原本需要徑直的水路設計成有折彎的迴路，故為了儘量減少與水輪機本身設計無關的水力損失，在流道中添加了起整流穩定作用的部件，大小水罐內共設四個整流柵，流量計前後分別設有一根直管以保證流量的測量精度。
整流柵板的厚度約等於小孔直徑，比較小孔正方形陣列和正三角形陣列兩種排布方式，正三角陣列的小孔各孔間距完全相等，充分利用板面空間，通流面積相對較大。故大小水罐均採用正三角陣列方式。大水罐的通流比為0.52，小水罐通流比為0.54，均在可接受的範圍（≥0.5）之內。為節省空間、更充分地利用面積，在整流柵邊緣使用0.5倍半徑的小孔。
主要設備
1．主水泵
一般選擇離心泵作為主水泵，並由直流電動機驅動，通過可控矽裝置實現無級變速，以達到調節試驗水頭和試驗流量的目的。在額定工況下，流量應達到0.8~1.0m3/s 左右才能滿足貫流式水輪機模型試驗的需要。通常主水泵的安裝高程應低於尾水箱9~10m，以保證在尾水箱出現真空時，主水泵吸入端不發生空化。根據本試驗需要，上下游大水罐沒有高度差，並且試驗用水頭主要通過水位以及上下游的壓縮機和真空泵來提供，故選用流量相對較大、水頭相對較小的軸流式水泵作為回水管上的主水泵。
2．壓力計
試驗水頭分為靜水頭和動水頭，靜水頭可用壓力計測量而得。常用的壓力計有液柱式、彈簧式、活塞式和電氣式四種。前三者均是將壓力信號轉換成模擬量信號輸出，若要在上位計中使用則還需要對信號進行調節、放大、濾波並由AD轉換器轉換成數位訊號；而電氣式的可以直接輸出為可用的數位訊號。由於試驗需要，採用數字式壓力計可以實現高精度自動化測量，遂選擇電氣式壓力感測器。分別均勻地安裝於水輪機進口處和尾水管出口處斷面周長上各8個，即總計16個感測器，以便於均勻地測得斷面壓力值。
3．流量計
試驗流量常用電磁流量計、超音波流量計、葉輪式流量計、差壓式流量計等測量。綜合各種流量計的成本及對水頭的影響程度等因素，本試驗台採用電磁流量計。電磁流量計的原理是套用導電體在磁場中運動產生感應電動勢、而感應電動勢又和流量大小成正比，通過測量電動勢來反映管道流量。
為確保測量精確度，應保證感測器上游應有不小於5倍管徑長度的直管段，諸如錐管、孔板、閥門等設備，在它們距離感測器5倍管徑以上時，其影響可以忽略不計。感測器下游側應不少於3倍管徑長度的直管段。只要測量管內的流速分布對稱，電磁流量計的測量結果在原理上與流速分布無關。此時電磁流量計精度可達±0.15%。選擇電磁流量計採用公稱直徑為150mm，所以其上游側設定為不少於750mm的直管，下游側設定不少於450mm的直管。
總結
（1）根據實驗室實際情況，參考通用水輪機試驗台，構建了貫流水輪機試驗台，詳細介紹了試驗平台的設計布局；
（2）水輪機出口和尾水管之間的滑動法蘭，類似工程中採用的伸縮節裝置，但結構簡單便於拆卸；
（3）為了儘量減少無關的水力損失，在流道中添加了整流柵起到了整流穩定作用。
貫流式水輪機模型試驗台的構建，可為今後確定水輪機各工況下的能量特徵、研究水輪機過流部件的水力性能及進行水輪機水力設計奠定基礎。
