一、水轮机的模型试验的意义
前面讨论了水轮机相似的条件，这就从理论上解决了用较小尺寸的模型水轮机，在较低水头下工作去模拟大尺寸和高水头的原型水轮机。按相似理论，模型水轮机的工作完全能反映任何尺寸的原型水轮机。模型水轮机的运转规模比真机运转规模小的多，费用小，试验方便，可以根据需要随意变动工况。能在较短的时间内测出模型水轮机的全面特性。将模型试验所得到的工况参数组成单位转速和单位流量后，并分别以它们作为纵坐标及横坐标，按效率相等工况点连线所得到的曲线图称为综合特性曲线。此综合特性曲线不仅表示了模型水轮机的工作性能，同样地反映了与该模型水轮机几何相似的所有不同尺寸，工作在不同水头下的同类型真实水轮机的工作特性。
水轮机制造厂可从通过模型试验来检验原型水力设计计算的结果，优选出性能良好的水轮机，为制造原型水轮机提供依据，向用户提供水轮机的保证参数。水电设计部门可根据模型试验资料，针对所设计的电厂的原始参数，合理地进行选型设计，并运用相似定律利用模型试验所得出的综合特性曲线，绘出水电站的运转特性曲线。为运行部门提供发电依据，水电
厂运行部门可根据模型水轮机试验资料，分析水轮机设备的运行特性，合理地拟定水电厂机组的运行方式，提高水电厂运行的经济性和可靠性。当运行中水轮机发生事故时，也可以根据模型的特性分析可能产生事故的原因。
二、水轮机模型试验的方法
水轮机的模型试验主要有能量试验，气蚀试验，飞逸特性试验和轴向水推力特性试验等几种。由于篇幅所限，本教材主要介绍反击式水轮机的能量试验。反击式水轮机的汽蚀试验可参阅有关参考文献。
能量试验台分为开敞式试验台和封闭式试验台，封闭式试验台无需设置测流槽，故平面尺寸要比开敞式试验小，而且水头调节更加方便，但封闭式试验台投资较高。
1. 开敞式能量试验台
（1）开敞式能量试验台
水轮机效率是水轮机能量转换性能的主要综合指标，因此，模型水轮机的能量试验主要是
确立模型水轮机在各种工况下的运行效率。水轮机的能量试验台如图3-4所示。它主要由下列装置组成。
1）压力水箱。压力水箱2是一个具有自由水面的大容积储水箱，试验时保持稳定的上游水位。水箱由水泵1供水，通过高度可调节的溢流板4控制一定的水位，多余的水可从溢流板顶部排至集水池14。水流通过静水栅3均匀而稳定地进入模型水轮机7。
图3-4 反击式水轮机能量试验台
1—水泵；2—压力水箱；3—静水栅；4—溢流板；5—测功装置；6—引水室；7—模型水轮机；8—尾水管；9—尾水槽；10—调节闸门；11—静水栅；12—测流堰槽；13—堰板；14—集水池；15—水位测量装置；16—水头测量装置
2）机组段。机组段包括引水室6，模型水轮机7，尾水管8，测功器5及水头测量装置16。
3）测流堰槽。它的作用是测量模型水轮机的流量，在槽内首端装有静水栅11，以稳定堰槽内的水流，末端装有堰板13，用浮筒15测定堰上水位。
4）集水池。水流经测流堰槽12流入集水池14，然后再用水泵1抽送至压力水箱2，形成试验过程中水的循环。
（2）参数测量
模型水轮机效率为
（3-36）
因此，确定水轮机效率，首先必须准确地测量出模型水轮机4个试验参数。
1）测量水头。模型试验水头是上游压力水箱水位与下游尾水槽水位之差。图3-4中采用上、下游浮子标尺测得。
2）测量流量。能量试验台通常采用堰板测量流量，堰板的形状有三角形或矩形。
为了保证测量精度，应采用容积法对堰板的流量系数进行校正，从而得到流量与堰顶水深的
关系曲线，如图3-5所示。测量时可从浮子水位计15测出堰顶水位，再查出流量。
图3-5 堰顶水深与流量关系曲线
3）测量转速，采用机械转速表在水轮机轴端可直接测量转速，但精度较低。目前在模型试验中常采用电磁脉冲器，或电子频率计数器，可直接测得转速。
4）测量功率。测量模型水轮机轴功率，通常采用机械测功器或电磁测功器，如图3-6所示。测量水轮机轴的力矩与同时测出的水轮机转速，计算功率。机械测功器一般使用在容量较小的试验台上。
图3-6 测功装置
机械或电磁测功器，测量方法基本相同，都是通过测量模型水轮机的制动力矩，然后再计算出功率。制动力矩为：
(Ｎ·m ) （3-37）
机械测功器工作原理是在主轴上装一制动轮，在制动轮周围设置闸块，在闸块外围加闸带，闸带可由端部的调节螺丝控制以改变制动轮和闸块之间的摩擦力，闸带装置在测功架上，在主轴转动时可改变负荷（拉力）使测功架保持不动，则此时的制动力矩即为，为制动力臂。
电磁测功器是用磁场形成制动力矩，基本原理与机械测功器相同。
（3）综合参数计算与试验成果整理
综合参数计算就是对模型水轮机的每一个工况，测出等参数后，计算出模型水轮机的值。
效率
单位转速
单位流量
混流式水轮机能量试验一般选用8~10个导叶开度，分别在各个开度下进行若个（5~10个）不同工况点的测试。试验可按如下步骤进步：
1）调整上、下游水位，得到稳定的模型试验水头。
2）调整导叶在某一开度。
3）用测功器改变转轮的转速，一般速度间隔为100r/min作一个试验工况点。
4）待转速稳定后，记录各参数()于表3-1中。
表3-1 能量试验数据记录计算表
导叶开度 (mm) | 工况点试 验 序 号 | 试验水头 (m) | 转速 (r/min) | 制动力 (N) | 轴功率 (kW) | 堰顶水深 (m) | 流 量 (m3/s) | 单位流量 (L/s) | 单位转速 (r/min) | 效率 (%) | 备注 |
| 1 2 3 4 | | 客流分析数据 | | | 贴膜工具 | | | | | |
| 1 2 3 4 | | | | | | | | | | |
| | | | | | | | | | | |
（2）封闭式试验台
图3-7为我国某著名研究所的高水头水力机械模型试验台，该试验台是一座高参数、高精度的水力机械通用试验装置。试验台可按IEC193及IEC493等有关规程的规定进行能量、空化及飞逸转速等项的验收试验，也可在试验台上进行水力机械的压力脉动、力特性、四象限、补气及模型转轮叶片应力测量等各项其他试验和科研工作。
图3-7 高水头水力机械模型试验台示意图
3.1试验台主要参数
最高水头：100（mH2O）
最大流量：1.2（m3/s）
转轮直径：300～500（mm）
测功机功率：400（kW）
测功机转速：900～1800（r/min）
光碟制作供水泵电机功率：400kW×2
流量校正筒容积：120（m3） 水库容积： 750（m3）
试验台综合效率误差：＜0.25%ai1986网址导航
3.2试验台系统
试验台是一个封闭式循环系统。整个系统可双向运行。系统中各主要部件的名称、参数及功能如下：
1.液流切换器：流量率定时用以切换水流，一个行程的动作时间为0.02s，由压缩空气驱动接力器使其动作。
2.压力水罐：直径2m的圆筒形水箱。为模型机组的高压侧。具有偏心法兰，以适应不同模型的安装和调整。
3.推力平衡器：由不锈钢制造。试验时可对机组受到的水平推力进行自动平衡，安装时作为活动伸缩节。
4.模型装置:试验用的水轮机模型装置。
5.测功电机：型号为ZC56/32-4，功率为400kW的直流测功机。试验时可按电机或发电机方式运行。最高转速为1800r/min。
6.物料周转箱尾水箱：圆柱形水箱，为模型机组的低压侧。
7.油压装置：4台JG80/10静压供油装置，其中一台备用。供油压力25 kgf/cm2，供油量为7 l/min。
8.真空罐:形成真空压力装置。
9.真空泵：二台型号为H-70阀式真空泵。
10.供水泵：24SA-10双吸式离心泵。两泵可根据试验要求，按串联、并联及单泵的方式运行。
11.电动阀门:直径为500mm，用以切换系统各管道，以实现试验台各种运转方式。
12.空气溶解箱：溶解箱为系统中压力最高区，并有足够大的体积，提供了系统中游离气泡重新溶解的条件。
金属化薄膜电容器
13.电磁流量计：用以测量流量，由上海光华-爱尔美特公司生产制造，型号为MS900F，其精度为±0.2%，可双向测量，输入量程为0～1m3/s。
14.冷却器:当试验台运转时间过长，水温变化较大时，用以保持水温基本不变。
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