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中华人民共和国国家标准化指导性技术文件

1000MW级混流式水轮机模型验收试验导则

Guide for model acceptance tests of 1000 MW class francis hydraulic turbines

GB／Z 32585-2016

发布日期：2016年4月25日
实施日期：2016年11月1日

中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局
           中国国家标准化管理委员会                    发布

前言

    本指导性技术文件按照GB／T 1．1-2009给出的规则起草。
    本指导性技术文件由中国电器工业协会提出。
    本指导性技术文件由全国水轮机标准化技术委员会(SAC／TC 175)归口。
    本指导性技术文件主要起草单位：哈尔滨大电机研究所、中国水利水电科学研究院、东方电气集团东方电机有限公司、中国长江三峡集团公司、中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司、长江勘测规划设计研究有限责任公司。
    本指导性技术文件主要起草人：赵越、孟晓超、王亚林、戴江、李胜兵、覃大清、桂绍波、刘登峰、付长虹、胡江艺。

引言

    大型水电设备制造业的整体水平不断提高，单机容量不断增大，单机容量1000MW级水电机组的工作已获阶段性成果，需要组织开展标准制定工作，为机组投产提供技术准备。
    本指导性技术文件是在对已建、在建大型水轮机的模型试验、运行经验进行研究、归纳和总结的基础上，依据相关的现行国际、国家及行业标准或规范进行编制的。
    本指导性技术文件编制的基本原则为突出1000MW级水轮机的特点和重要关注点，是对创新产品在研制阶段的阶段性指导性文件。

1 范围

    本指导性技术文件规定了验证主要水力性能的合同保证值是否得到满足所进行的1000MW级混流式水轮机模型验收试验。
    本指导性技术文件适用于在试验室条件下所进行的1000MW级混流式水轮机模型同台对比试验和模型验收试验。
    本指导性技术文件的1000MW级混流式水轮机是指额定功率(或铭牌功率)为水轮机额定功率(或铭牌功率)为862MW～1100MW，且额定水头范围在100m～300m之间的混流式水轮机。
    只要机械的结构或部件不影响模型的性能或模型与原型间的相互关系，那么本指导性技术文件既不涉及机械的详细结构，也不涉及机械部件的机械性能。

2 规范性引用文件

    下列文件对于本文件的应用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，仅注日期的版本适用于本文件。凡是不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件。
    GB／T 10969-2008 水轮机、蓄能泵和水泵水轮机通流部件技术条件
    GB／T 15613．1-2008 水轮机、蓄能泵和水泵水轮机模型验收试验 第一部分：通用规定(IEC 60193：1999，NEQ)
    GB／T 15613．2-2008 水轮机、蓄能泵和水泵水轮机模型验收试验 第二部分：常规水力性能试验(IEC 60193：1999，NEQ)
    GB／T 15613．3-2008 水轮机、蓄能泵和水泵水轮机模型验收试验 第三部分：辅助性能试验(IEC 60193：1999，NEQ)

3 术语、定义和符号

    GB／T 15613．1-2008～GB／T 15613．3-2008界定的术语、定义和符号适用于本指导性技术文件，以下列出了一些补充术语，其中的一些和振动量有关说明如图1所示。

3．1
    模型同台对比试验 model compare test at the same test stand
    电站水轮机招标过程中，根据买方要求，为评价不同卖方投标用模型水轮机水力性能水平，在第三方同一座试验台对卖方提供的模型水轮机分别进行的水轮机模型性能试验，由第三方对试验结果进行比较。

3．2
    模型验收试验 model acceptance test
    电站水轮机签订合同后，买方对卖方最终设计完成的模型水轮机在卖方试验台或指定的第三方试验台进行的水力性能试验。

3．3
    电站空化基准面 cavitation reference level of plant
    Z_cp
    水轮机导叶中心水平面的高程，单位为米(m)。

3．4
    模型空化基准面 cavitation reference level of model
    Z_cm
    模型水轮机导叶中心水平面的高程，单位为米(m)。

3．5
    空化系数1(临界空化1) thoma number one
    σ₁
    与无空化工况下相比，水力效率下降1％时所对应的空化系数。

3．6
    初生空化系数 incipient thoma number
    σ_i
    在转轮叶片上出现可见气泡时对应的空化系数，通常以3个叶片出现可见气泡时为判断标准。

3．7
    样本总数 number of sum samples
    N
    用于计算的总样本数。

3．8
    样本数 number of samples
    N_w
    用于时间窗分析的样本数。

3．9
    97％置信度对应下的峰峰值 peak-to-peak value with a 97％ confidence interval
    △X_pp,97％
    按照概率统计分析，取置信度97％下最大值与最小值的差值。

3．10
    采样时间间隔 sampling time interval
    △t
    两次采样之间间隔的最短时间，单位为秒(s)。

3．11
    采样频率(采样率) sampling frequency(sampling rate)
    f_s
    采样时间间隔的倒数，单位为赫兹(Hz)。
  
  

3．12
    时间窗 time window duration
    t_w
    选定的用于傅里叶变换频率分析的时间段，单位为秒(s)。
    t_w＝N_w·△t

3．13
    频率分辨率 frequency resolution
    △f
    离散傅里叶变换中两个连续值之间最小频率间隔(采样频率与样本数比值)，单位为赫兹(Hz)。
  
  

3．14
    信号记录时长(采集时间) signal record time duration(Acquisition time)
    t_r
    信号总的采集时长，单位为秒(s)。

    注1：信号记录时长t_r内的压力脉动时域信号，每个t_r应至少包括5个时间窗(tw)；
    注2：采用傅里叶变换对信号进行频域分析，根据试验水轮机的旋转频率选定合适的频率分辨率△f；
    注3：使用概率统计对试验数据进行处理，表征压力脉动特性的特征值为取97％置信度下的峰峰值。

图1 压力脉动数据采集分析示意图

4 水力性能

4．1 水力效率换算
    水轮机的原型效率值根据模型试验对应的效率值换算确定，若模型试验能够在固定的雷诺数Re_M*下进行，可以直接和模型保证值进行比较。若模型试验不能在雷诺数为常数下进行，各工况点具有不同的雷诺数Re_M，则将测出的不同Re_M下的模型试验点效率值转换到固定雷诺数Re_M*下的效率值，换算式如式(1)、式(2)、式(3)所示：

    式中：
        (△η_h)_M→M*——Re_M下换算至Re_M*下的效率值；
        Re_ref——参考雷诺数；
        Re_optM——模型最优效率点的雷诺数；
        V_ref——可按比尺效应的损失与总损失的比值。
    模型试验效率值经过上述换算后，参照固定的雷诺数Re_M*，将固定雷诺数下的模型效率值η_hM*换算到原型雷诺数Re_p下，换算式如式(4)、式(5)所示：

建议取Re_M*＝7×10⁶或其他合理数值，在模型试验报告中，同时提供Re_M下和Re_M*下的效率值，和模型效率保证值的比较采用Re_M*下的效率值。

4．2 流量、水头和功率的换算
    流量、水头和功率的换算式如式(6)、式(7)、式(8)所示：

    式中：
    P_mM＝ρ_MQ_MH_Mη_hMg_M。

4．3 飞逸试验

4．3．1 飞逸试验方法取决于试验台的设计、仪器和模型设计。可以采用以下几种方法获取飞逸特性：
    a) 试验台安装了用以补偿轴的密封和轴承产生的摩擦力矩的驱动电机，通常可以保证总力矩TmM＝0，可以直接得出飞逸特性；
    b) 通过外推法(见GB／T 15613．2-2008中图52示例)或内插法插值获取飞逸特性；
    c) 通过脱离模型水轮机和驱动电机连接的联轴器，让模型水轮机处于飞逸状态来获取飞逸特性。
    飞逸试验水头不应低于10m，模型的最小飞逸转速不应低于其他性能试验时的转速。在接近飞逸转速范围内，雷诺数和弗劳德数的影响可以忽略不计。

4．3．2 飞逸试验应覆盖原型机运行最不利的参数范围，同时还可以检查空化对模型飞逸转速数据的影响(见GB／T 15613．2-2008)。检查空化影响的可行方法有：
    a) 在高空化系数下进行模型飞逸试验，在适当的飞逸转速点处，用变化空化系数的方法检查空化的影响；
    b) 条件允许情况下，在电站空化系数下进行模型飞逸试验。
    飞逸特性试验范围应包括模型最小开度(应小于空载开度)至最大可能开度。

4．4 空化性能和观测试验
    在选定的工况下，改变空化系数，同时依靠观测设备记录空化现象，分析空化对水力性能的影响，确定电站运行范围内的临界空化系数和初生空化系数。
    在电站空化系数下，观测水轮机涡带、转轮叶道涡的初生和发展、叶片头部正背面脱流(空化)、转轮出口脱流、叶片卡门涡初生等现象，记录试验工况点参数，同时采用手工绘图、拍照、录像等方式对上述现象进行记录。

4．5 压力脉动性能试验

4．5．1 应在足以反映1000MW级混流式水轮机压力脉动状态的位置如尾水锥管、肘管、转轮和活动导叶间和蜗壳进口等处布置压力脉动测点，建议位置如下：
    a) 尾水管锥管测点4个，分别为距转轮出口0．3D₂处上下游侧各一个，距转轮出口1．0D₂处上下游侧各一个；
    b) 尾水管肘管段测点2个，分别设置在肘管约45°断面内侧和外侧各一个；
    c) 转轮与活动导叶间测点2个，在＋X、＋Y、—X、—Y方向合理选取，布置在设计的额定导叶开度下，导叶出水边内切圆直径与转轮上冠外径之间的1／2处；
    d) 蜗壳进口测点1个，设置在蜗壳进口段距离X—X断面上游侧1．0D₁或1．0D₂处。
    如模型试验装置测点位置和上述测点位置出现偏差，由买卖双方协商确定。

4．5．2 除进行电站空化系数下的压力脉动试验外，还应在电站确定的运行范围内选择若干工况点进行变空化系数压力脉动试验。变空化系数压力脉动试验范围应覆盖电站最低尾水位和最高尾水位所对应的空化系数范围。

4．5．3 压力脉动试验结果以各测点的时域图、频域图及相关试验数据表格形式表示。
    经FFT分析后应至少给出最大的3个分频幅值及其对应的频率。时域图中幅值示值和取值方法采用混频双振幅幅值(峰峰值)△X_pp,97％表示。频域图中分频幅值示值和取值方法采用峰峰值表示。压力脉动时域和频域分析方法示例见图1。

4．5．4 应关注高部分负荷区域的压力脉动特性。
    针对在70％～80％额定负荷附近可能同时在活动导叶与转轮间、尾水管等测点位置出现的主频高于转频、幅值增大的高部分负荷压力脉动现象进行详细的模型试验：
    a) 在不同的原型机水头下，研究压力脉动现象随原型机负荷的变化规律；
    b) 针对上述关注区域，在不同原型机水头和原型机负荷之间适当加密试验数据点；
    c) 应考虑空化对压力脉动特性的影响。

4．6 拓展的运行范围内进行的试验
    水轮机的水力性能的全面描述用图2中象限1和象限4表示，除进行常规水力性能试验和飞逸试验外，还应进行水轮机制动、零流量和反转水泵试验。

图2 水轮机象限1、象限4运行图的示例

5 试验的执行

5．1 对试验台的要求
    模型试验台应满足以下基本要求：
    a) 试验台模型效率综合测试误差应不大于±0．25％；
    b) 压力脉动试验数据采集系统的采样频率应不小于每通道2kHz，其A／D转换器分辨率不小于16位；压力脉动传感器的频率响应范围应能覆盖被测信号的全部有用频率，分辨率应小于0．1kPa；
    c) 具备水轮机制动、飞逸、零流量和反转水泵工况特性试验的能力，在上述工况区域能够稳定的采集足够多的试验数据点；
    d) 试验台还应满足GB／T 15613．1-2008中5．1．2的要求。

5．2 模型尺寸和试验条件
    模型转轮的尺寸和试验条件应满足表1规定的模型转轮最小尺寸及最低试验参数，其他要求参照GB／T 15613．1-2008～GB／T 15613．3-2008执行。

表1 模型尺寸最小值及最低试验参数

雷诺数Re	水头H（m）	直径D2/m
4×106	30/300	0.25

6 模型同台对比试验

6．1 概述
    模型同台对比试验是由招标人组织在指定的第三方同一座试验台上进行，目的是通过模型对比试验验证模型初步试验报告结果，评价不同投标人模型水轮机水力性能。对比试验内容包括模型的各种主要水力性能的测试。用于同台对比试验的试验台应满足5．1中要求。

6．2 同台对比试验的实施
    同台对比试验按以下规则实施：
    a) 除转动部分和导水机构外，模型水轮机其他部件的安装和调试由同台对比试验方负责，投标人应派技术代表协调指导安装工作，并检查安装质量；
    b) 招标人可派代表参加同台对比试验；
    c) 投标人可派代表参与同台对比试验。

6．3 模型水轮机要求
    模型水轮机整个流道自蜗壳进口到尾水管出口应与原型水轮机几何相似。用于水头测量的蜗壳进口和尾水管出口测量断面位置应与原型几何相似，蜗壳进口测量断面应在蜗壳进口段圆断面附近，尾水管出口测量断面应放在尾水管出口附近。
    模型水轮机包括蜗壳、座环、顶盖、导叶、转轮、基础环、底环和尾水管在内的整个流道，应在模型水轮机适当位置设置窗口或透明部分。
    模型水轮机的几何尺寸偏差不得大于GB／T 10969-2008规定允许偏差的较小值。

6．4 同台对比试验内容
    在试验前应拟定同台对比试验大纲，同台对比试验应包括以下内容：
    a) 效率试验
    首先进行最优效率点的测试，在能量工况下进行，试验方应给出该工况点的算例。
    在电站空化系数下，按水轮机加权因子表所列工况点进行效率试验，并计算出加权平均效率。
    b) 出力试验
    在电站空化系数下进行水轮机功率保证值试验。
    c) 空化试验
    空化试验进行临界空化系数试验，并对初生空化进行观测和记录。
    d) 压力脉动试验
    压力脉动试验在对应原型特征水头和电站空化系数下进行，试验工况点应覆盖原型整个运行范围。
    e) 飞逸试验
    应获取原型最大稳态飞逸转速，按4．3执行。
    f) 观测试验
    在电站空化系数下对涡带、叶道涡、卡门涡和转轮叶片进口边正背面脱流等现象进行观测并记录。
    g) 其他试验
    试验大纲规定的其他试验。

6．5 同台对比试验报告
    模型同台对比试验报告参照GB／T 15613．1-2008中5．3．3．5执行，通常还包括以下内容：
    a) 分别对卖方模型水轮机同台对比试验结果和其模型初步试验报告结果进行比较；
    b) 对不同卖方模型水轮机相同试验项目试验结果进行比较；
    c) 如可能，给出参与对比的模型水轮机水力性能进一步优化的方向；
    d) 对每一个参与同台对比的卖方模型水轮机水力性能给出综合评价；
    e) 根据招标文件中性能要求，对所有参与同台对比的卖方模型水轮机水力性能给出结论性意见。

7 模型验收试验

7．1 概述

7．1．1 卖方的模型水轮机在卖方或第三方的试验台上进行有买方代表见证的模型验收试验，其目的是：
    a) 检查是否已全面完成了合同文件的规定试验项目；
    b) 根据合同要求检验必须达到的优化结果；
    c) 验证合同保证值是否得到满足。

7．1．2 在模型验收试验开始前，卖方应向买方提交初步试验报告和验收试验大纲等相关资料供买方审查，资料包括以下内容：
    a) 模型试验台的总体布置图和介绍，试验台效率综合测量误差；
    b) 模型试验计算用公式和单位，并提供至少一个效率试验测程从原始数据至最终结果的详细算例；
    c) 测量设备和仪表清单，包括设备和仪表名称、型号、测量范围和精度；
    d) 原级测试设备仪器在有效期内的检测证书，试验用设备和仪表的标定方法和标定结果；
    e) 测量模型水轮机尺寸的程序和方法，其中包括测量工具和测量误差；
    f) 试验台数据采集系统和数据处理系统描述；
    g) 合同规定的模型初步试验内容和结果；
    h) 验收试验计划及日程安排。

7．1．3 所有模型试验内容必须在同一试验台同一模型装置上进行。

7．2 模型验收试验内容
    根据买方审核确定的验收试验大纲进行模型验收试验，应包括以下试验内容：
    a) 效率试验
    首先进行最优效率点的测试，在能量工况下进行，应给出该工况点的算例。
    在电站空化系数下，按水轮机加权因子表所列工况点进行效率试验，并计算出加权平均效率。
    b) 出力试验
    在电站空化系数下进行水轮机功率保证值试验。
    c) 空化试验
    空化试验进行临界空化系数试验，并对初生空化进行观测和记录。
    d) 压力脉动试验
    压力脉动试验在对应原型特征水头和电站空化系数下进行，试验工况点应覆盖原型整个运行范围。
    e) 飞逸试验
    应获取原型最大稳态飞逸转速，按4．3执行。
    f) 观测试验
    在电站空化系数下对涡带、叶道涡、卡门涡和转轮叶片进口边正背面脱流等现象进行观测并记录。
    g) 力特性试验、指数试验和拓展的运行范围内进行的试验
    参照GB／T 15613．1-2008～GB／T 15613．3-2008相关内容执行。
    h) 其他试验
    试验大纲规定的其他试验。

7．3 模型几何尺寸检查
    模型验收试验结束并经买方确认后，进行模型水轮机所有水力通道上重要尺寸的测量和记录，测量结果作为设计和制造原型水轮机的依据，模型尺寸检查按GB／T 10969-2008适用条款进行。

7．4 模型验收试验日志和纪要
    模型验收试验日志和纪要参照GB／T 15613．1-2008中5．3．3．3．9执行。

7．5 最终模型试验报告
    最终模型试验报告参照GB／T 15613．1-2008中5．3．3．5执行。

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