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GBT 15613.3-2008 水轮机、蓄能泵和水泵水轮机模型验收试验 第3部分：辅助性能试验PDF文本

ICS27.140K55中华人民共和国国家标准GB/T15613.3一2008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JZ,JModel acceptance tests of hydraulic turbines,storage pumps andpump-turbines Part 3:Additional performance test(IEC60193:1999,NEQ)2008-06-30发布2009-04-01实施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筑Z.Z0
GB/T15613.3-2008目次前言………范围……1…11.1范围…11.2目的……2规范性引用文件23术语、定义、符号和单位………………13.1总则……13.2单位…………………23.3术语、定义、符号和单位表……24试验的实施………………………………………4。。c24.1试验数据测量介绍……24.2脉动量测量的数据采集和数据处理……45测量方法和结果,444………4065.1压力脉动…………65.2主轴力矩脉动……………165.3轴向力和径向功山中=火…四n…175.4控制机构部件的水力负荷………………235.5在拓展的运行范围内进行的试验…335,6有关原型指数试验的差压测量……37附录A（资料性附录)尾水管水体的固有频率……39附录B(资料性附录)参考文献…41附录C(资料性附录)本部分与IE℃60193：1999技术性差异及其原因…42筑Z.Z0
GB/T15613.3一2008前言GB/T15613《水轮机、蓄能泵和水泵水轮机模型验收试验》分为三部分：GB/T15613.1第一部分：通用规定；GB/T15613.2第二部分：常规水力性能试验：GB/T15613.3第三部分：辅助性能试验。本部分为系列标准GB/T15613的第3部分，对应于IEC60193:1999《水轮机、蓄能泵和水泵水轮机模型验收试验》的第四章。本部分与IEC60193:1999的一致性程度为非等效，主要差异如下：一一根据GB/T1.1-2000的要求，对书写格式进行了修改；一用小数点“.”代替作为小数点的逗号；将规范性引用文件的内容进行了调整，且将原IEC标准中有对应的国家标准的均予更换；第3章的引导语按GB/T1.1一2000的要求作了修改；为保证标准的完整性，归纳IEC60193第1章总则的相关内容，规范形成第1章“范围”，第2章“规范性引用文件”，第3章“术语、定义、符号和单位”。对章条结构进行了适当调整，将4.1和4.2内容合为第4章“试验的实施”，4.3一4.8内容合为第5章“测量方法和结果”。针对电站机组在实际运行中尾水位是变化的原因，增加了变空化系数压力脉动试验的相关内容。I∠7力r?L月-尾水管固有颜释相关的物理学理论相当复杂，目前处于研究之中，故将5.1.74“尾水管水体的固有频率”从正文中拿出，列为附录A,作为资料性附录。有关技术差异在它们所涉及的条款的页边空白处用垂直单线标识。在附录C中给出了这些技术性差异及其原因的一览表以供参考。本部分附录A、附录B和附录C为资料性附录。本部分由中国电器工业协会提出。本部分由全国水轮机标准化技术委员会(SAC/TC175)归。本部分起草单位：中国水利水电科学研究院、东方电机股份有限公司、哈尔滨大电机研究所本部分主要起草人：潘罗平、温国珍、赵越、罩大清、孟晓超、胡江艺I筑Z.Z0
GB/T15613.3-2008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1范围1.1范围本部分适用于在试验室条件下所试验的各种类型的冲击式和反击式的水轮机、蓄能泵或水泵水轮机。本部分适用于机组功率大于10MW或公称直径大于3.3m的原型所对应的模型。如将本部分所规定的步骤完全地应用于机组功率或直径较小的水轮机，一般来讲并不合适，但若供需双方协议认可，也可采用本部分。在本部分中，术语“水轮机”包括作水轮机方式运行的水泵水轮机，术语“水泵”包括作水泵方式运行的水泵水轮机。除了必须与试验有关的事项之外，本部分不包括纯商业利益的事项1。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，本部分既不涉及机械的详细结构，也不涉及机械部件的机械性能。1.2目的本部分的主要目的是通过模型辅助性能试验获得辅助性能数据，可作为原型的设计或预测原型运行的指导。兴可连L杀个小闪.2○U.二本部分也适用于其他目的模型试验，例如比较试验和研究及开发性的工作。如果模型验收试验已经完成，现场试验可以仅限于进行指数试验（见GB/T20043,第8章）2规范性引用文件下列文件中的条款通过GB/T15613的本部分的引用而成为本部分的条款。凡是注日期的引用文件，其随后所有的修改单（不包括勘误的内容）或修订版均不适用于本部分，然而，鼓励根据本部分达成协议的各方研究是否可使用这些文件的最新版本。凡是不注日期的引用文件，其最新版本适用于本部分。GB/T15613.1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(GB/T15613.12008,IEC60193:1999,NEQ)GB/T15613.2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(GB/T15613.2—2008,IEC60193:1999,NEQ)GB/T2900.45一2006电工术语水电站水力机械设备(IEC/TR61364:1999,MOD)GB/T20043一2005水轮机、蓄能泵和水泵水轮机水力性能现场验收试验规程(IEC60041:1991,MOD)GB/T17189一2007水力机械（水轮机、蓄能泵和水泵水轮机）振动和脉动现场测试规程IS031-3:1992参数和单位一第3部分：机械3术语、定义、符号和单位3.1总则本部分中采用GB/T15613.1中通用的术语、定义，符号和单位，特殊术语将在出现处给予解释。1筑Z.Z0
GB/T15613.3-2008合同双方在试验前应对有异议的术语、定义或度量单位做出澄清。3.1.1试验点point试验点是由在不改变运行条件和设置情况下，由一个或多个连续一组读数和/或记录组成，它足以计算出在该运行条件和设置下机械的性能。3.1.2试验test试验是整个规定运行范围内足以计算出机械性能的一系列试验点和结果。3.1.3水力性能hydraulic performance由于流体动力作用于机械的各种性能参数。3.1.4主要水力性能数据nain hydraulic performance data一组水力性能参数，如：功率、流量和/或比能、效率、稳态飞逸和/或流量。这里必须考虑空化的影响。3.1.5辅助性能数据additional data一组水力性能数据，它可从模型试验得出（见GB/T15613.1中的4.4），然而由于只能应用粗略的相似规则，由此得出的相应原型数据预测精度要低于由主要水力性能数据得出的结果。3.1.保证值ue合同中商定的规定性能数据。3.2单位本部分采用国际单位制(SI,见IS031-3)。所有术语都由SI基本单位或由此导出的相关单位给出'。使用这些单位的基本等式均是有效的，如某些数据使用与SI非相关的其他单位时也必须考虑这种情况（例如，功率中千瓦代替瓦，压力中千帕或巴代替帕斯卡、以每分钟转速中每分钟代替每秒种等)。因为绝对温度（以凯尔文表示）很少需要，所以温度以摄氏度给出。仅在合同双方以书面形式同意的情况下，可以使用任何其他单位制3.3术语、定义、符号和单位表GB/T2900.45和GB/T15613.1中确立的术语、定义、符号和单位适用于本部分。有关振动和脉动的术语、定义、符号以及数学术语见GB/T17189-一2007。4试验的实施4.1试验数据测量介绍4.1.1概述辅助性能试验数据（力矩、力、压力脉动等）可为水电站中的水力机械的设计和运行提供资料。目前辅助性能数据的测量方法和评估技术发展得很快，因此，辅助性能数据的测量是必需的，且应详细加以规定。将辅助性能数据测量精度规定得与常规水力性能试验相同既不可能也没有必要。为了使需方可以在必要的精度下和可比较的条件下进行测量，本部分规定了有关议和指南。1N=kg·m·s2Pa=kg·m-1·s2J=kg·m2,s2W=kg·m2·s32霸Z.ZC.ET
GB/T15613.3-2008水力机械的每一个工况点，不论其为稳定状态还是非稳定状态，都可以用多种机械量和水力量（通常为脉动量)来描述。模型总是工作在稳定工况下。通常，不可能用模型模拟原型的暂态工况，仅可从一系列稳定工况下的试验数据导出。除GB/T15613.2第4章规定的之外，4.2还叙述了对数据采集及其处理方面的要求。如果某些模型的辅助数据可由相同类型水力机械中具有足够精度的数据中得出，则通常不必对其进行测量（例如，叶片和导叶力矩、径向力等）。辅助数据的测量应按专门技术步鐮进行（见GB/T15613.1中的2.3.3)。水力机械是整个水电设施的一部分。因此，有必要对由于水力系统的固有频率激振引起的不稳定工况进行研究，模型试验可用来验证不同工况下水力机械激振的频率和波形，见5.1和5.2。作用在原型不同部件上的水作用力，可由模型试验数据通过原模型相应的换算程序，按比尺放大获得。5.3和5.4介绍了为获得上述水作用力平均值和动态分量的方法和试验条件。开机、关机和/或任何运行工况的转换都将导致机组瞬间运行时远离“正常”运行范围。因此，在某些情况下，要求对某些水力和机械变量在更拓展的运行范围内进行研究。5.5介绍了更拓展的运行范围内的水力性能测量（即水泵水轮机的4象限范围）。最后，5.6介绍了如何根据模型试验结果对原型进行指数试验的可行性。4.1.2试验条件和试验程序辅助性能试验通常在GB/T15613.1和GB/T15613.2规定的常规试验所采用的同一模型装置、同一试验台进行。应对常规试验的试验条件进行核实或设法适应。在任何情况下，应将由振动、共振、机械变形和漏水量增大等原因引起的干扰效应和辅助数据试验测试仪器的缺陷降至最小限度。GB/T17189一2007介绍了对测量仪器的要求和脉动量测量的方法。另外，在第5章有关条款中还就有关问题相应地作了企绍律白去木才风7.7?CE根据测量方案，试验内容及所能达到的和所需要的试验条件，米确定试验程序和试验大纲。辅助数据的测量可分别与/或与常规水力试验同时进行。GB/T15613.1中4.3所述有关标定、初步试验、验收试验、检查零点读数等相同程序也可在辅助数据试验中采用。应在试验前商定试验条件和基本分析方法。4.1.3则量的不确定度总地来讲，辅助试验数据测量的总不确定度大于常规试验测量的不确定度，理由如下：a)被测量偏离常规设计运行范围；b)被测量的不稳定性；c)所用测量仪器和标定程序的不完善性。按给定目标根据双方商定的不确定度来选择测量方法。在许多情况下，不确定度可采用物理单位(Pa、N、Nm……)。不确定度的有关特性见5.1一5.5的有关内容。4.1.4模型与原型间的换算根据基本相似定律，原型上的有关数据可由模型试验值经过换算得出。相应的换算程序在下面各条中介绍。一般习惯于用无量纲量来表示模型与原型间的换算关系。然而，应首先检查各个量是否满足水力和机械相似定律。不然，换算时就应考忠整个水力发电系统中原型的动态结构方面的因素，这些因素包括进和出的水流情况、共振、外部振源等。下列可能影响模型试验结果的因素应尽可能加以消除：a)流态的影响；b)机械结构的影响；c)其他。3筑Z.Z0
GB/T15613.3-20084.2脉动量测量的数据采集和数据处理4.2.1概述GB/T15613.2第4章介绍了常规试验水力性能参数的平均值的测量方法。所用的方法也可用于脉动量的测量。4.2介绍了测定脉动量所需要的数据采集和数据处理方法。数据处理包括表示模型测量中试验结果的计算、评估和表达方式。详细可参见GB/T17189一2007。应在试验前就测量程序、数据采集和数据处理方法达成一致。被测量可能是：a)具有周期性：b)具有非周期性、随机性和间歇型。测量的脉动量：a)均值(GB/T15613.1图7中的X)；b)脉动分量(GB/T15613.1图7中的X).为获取脉动量的特性，测量方法应能够以足够高的分辨率记录脉动量。测量时可采用：a)压力传感器；b)加速度传感器；c)应变仪：d)其他类型的机械量传感器。为进一步对数据进行分析，从传感器至数据存储器的整个测量系统应符合信号分析理论的有关准则（见附录B参考文献[1]）。测量系统应首先满足GB/T15613.2第4章的有关规定，在脉动量测量时还应满足本条提出的附件缨筑4.2.2数据采集4.2.2.1信号调理测量目的和数据采集及数据处理方法决定了与之相适应的信号调理的形式。信号调理的主要目的为：一—滤掉高频噪声以防发生信号混滑现象（模拟滤波器）：清除不相关的信号分量（模拟、数字滤波器，或软件方法）；偏差补偿。4.2.2.2模拟量与数字量的转换大多数数据采集系统是基于周期采样来完成模拟量与数字量的转换的。图1所示为一个典型的数据采集系统。模拟信偏差可编程增抗混叠模采样/保持号输入了补偿益放大器拟滤波器放大器多路扫描器投器AC/DC采样范祸合围设置图1典型的数据采集系统当信号稳态值并不相关且比峰峰值大时，偏差补偿可改善信号脉动分量的存储质量。转换器输入的AC耦合可降低信号的低频畸变。选择适当的直流偏差给模拟信号附加一个常量，使信号在无低频畸变的情况下集中在A/D转换器的范围内。可编程增益放大器的作用是使模拟信号的范围适合于A/D转换器的变化范围。筑Z.ZC.ET
GB/T15613.3-2008模拟抗混淆低通滤波器用于周期性信号采样，采样频率取决于滤波器的特性。通过与每个测量通道相联的采样保持放大器可实现所有信号的同步采集，采样信号可实现按顺序多路传输和转换。若信号按顺序采集，应考虑采样结果的延迟性（见4.2.2.4）。A/D转换器的作用是将连续的模拟信号转换为一定时间间隔的离散的数值序列，这种连续模拟信号的离散化转换会产生不可挽回的数据损失（信号泄漏），应仔细对待。模拟信号转换为数字信号的精确度取决于A/D转换器的分辨率，分辨率通常用比特来表示。数字信号的品质也取决于模拟信号的极值与A/D转换器输入范围之间的匹配关系。因此，应对每一测量通道进行调理，以使信号最适应A/D转换器的输入范围。4.2.2.3采样率周期性采样要求信号的所有能量均被包含在零到一半采样频率之间（见附录B参考文献[1]）。若未能满足上述条件，则在所采集的信号中会产生信号混淆。为防止发生信号混淆效应，在采样前应使用低通模拟滤波器。若该滤波器具有升至∫m的线性增益功能，则所要求的采样频率为：f,>2fmu+fuans式中：f,-一过渡频率（见图2）。过渡频率与下列因素有关：摸拟防混淆滤波器的形式与级别；一一一滤波器截断频率；一-A/D转换器的特性；究体纯采装的整塑增益混滑效应的增益度减滤波器增益颊率图2模拟防混淆滤波器的频率响应4.2.2.4相位信息在某些工况下，不同脉动量之间的相位关系是很重要的。在这些工况下，应仔细对待相位移信息以防止由数据处理系统产生的相位失真。当数据采集系统的测量通道装有不同的信号调理器且相位差很重要时，则应考虑相位差的影响，并加以修正。若各通道按顺序采样，与通道0相比，通道i（i=1,2,…,n)的相位失真△p决于：一相邻两通道采样时间△；通道i的位置：所关注的频率f。相位失真为：△9=2r·△t·i·f5筑Z.Z0
GB/T15613.3-2008△t可为常数或等于1/(n·f,)。4.2.2.5数据存储模拟数据记录仪和数字量记录装置均可用于数据存储。在第一种情况下，未经处理的信号被诸如磁带这样的设备记录下来，这样就可以进行信号波形重放和对其进一步分析。磁带记录仪可认为是数据采集系统的一部分，其频率响应符合数据采集规则。在第二种情况下，数字量用如磁盘等这样的大容量设备来存储。4.2.2.6数据采集程序为确定数据采集程序，应获取下列信息：一以比特为单位的模/数转换的分辨率；采样颍率；抗混滑滤波器的频率响应；测量系统的频率响应；记录次数和每次记录的采样数；数据存储程序。4.2.3数据处理在满足数据采集的规则下，为了获得信号相关信息就要进行数据处理。数据处理可采用多种转换方法对随时间变化的信号进行分析：一一其统计特性其谱分量（在频域内）；信号间的相关性或其他关系。时域分析的参数的筑J.NE一平均值；特征峰峰值、特征幅值、标准偏差、均方根值：概率密度函数、概率分布；—其他。频域分析的参数为：振幅谱（自功率谱的平方根）；自功率谱（有限能量信号的能量谱）：互功率谱；传递函数；相关函数；一其他。5.1.6详细介绍了压力脉动的数据处理方法。该方法，特别是5.1.6.1中介绍的方法，也适用于主轴扭矩脉动（见5.2）、轴向力和径向力（见5.3）、导叶力矩（见5.4.2）等脉动量的数据处理。5测量方法和结果5.1压力脉动5.1.1概述5.1.1.1水力机械压力脉动压力脉动是水力机械中的自然现象。它们具有周期性或随机性。这是由水力机械流道和流场中的2特征峰峰值是指借助于计算出的概率分布和假定某一概率范围（例如97%）内的最大值与最小值之差。国内按97%登信度进行取值。特征幅值为特征峰峰值的一半。6霸Z.ZC.ET
GB/T15613.3-2008叶片及导叶引起的。它们与设计、运行工况、引水钢管和转动部件的动态响应有关。压力脉动实际上是包含不稳定压力和流速分布在内的水力声学现象的一部分。它们也可能与主轴扭矩的机械脉动、转速、导叶上的水力负荷及水力机械振动有关。由于低频扰动可以传播到整个引水管和电机的转动部分，故应对其特别关注。低频扰动通常发生在0.2~3倍转频之间。混流式、轴流定桨式水轮机和水泵水轮机的尾水管压力脉动可能是低频压力脉动中最典型的现象。在上述机械中，在转轮出可能产生强烈的漩祸，从而引起压力脉动。另外，尾水管空化可改变水力系统的固有频率。具有双调节功能的轴流转桨式或斜流式水轮机，协联控制导叶开度和转轮叶片转角使转轮出的漩涡为最小，且不会发生严重的尾水管压力脉动。对冲击式水轮机而言，转轮在恒压作用下与喷嘴是分离的。由于该原因，转轮与引水管间无相互影响，故本条中不予讨论。水轮机和水泵在转频乘以转轮或叶轮叶片数的频率（通常称之为叶片过流频率）下会产生激振。由于转轮叶片与活动导叶/固定导叶/蜗壳之间的相互作用，可产生了k倍于叶片过流频率的高频，值对于水轮机而言通常为1~2，而对于水泵和水泵水轮机而言通常为1~4。由于紊流性脱流和因漩涡破裂导致的间歇压力脉冲，可能在一个很大的运行范围内的多个工况下产生随机压力脉动。些不同工况下的反击式水轮机的压力脉动的实例见图3一图6。议的压力传感器安装位置如图7所示。筑素龙J零流量工况(10%导叶开度)水泵工况PE下%52.02.01.51501.01.00.00.02.012.0P..51.51.00.50.50.02.0p1.51.51.0棉0.5t.n0.050.0-51020300.00.51.01.52.001020300.00.51.01.52.0图3一台noe=0.102(n,=106)的水泵水轮机在水泵工况及其零流量时的压力脉动7興Z.ZC.ET
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