IEC60193存在的部分問題及新國標對其的修正

徐洪泉，劉詩琪，宮讓勤，梁 妍

（1. 中國水利水電科學研究院，北京100038；2. 哈爾濱大電機研究所，哈爾濱150040；3. 哈爾濱理工大學，哈爾濱 150040）

引言

IEC60193：1999《水輪機、蓄能泵和水泵水輪機模型驗收試驗》（Hydraulic turbines, storage pumps and pump-turbines Model acceptance tests）[1]是一個很好的國際標準，得到了普遍的國際認同，被廣泛采用。但是，在應用過程中，也發(fā)現(xiàn)部分缺陷或不完善之處，據(jù)此修訂的新國家標準中進行了部分修正。

2008年全國水輪機標準化技術委員會以IEC60193:1999為藍本，對國家標準 GB/T 10969和GB/T 15613進行了修訂，形成了GB/T 10969－2008《水輪機、蓄能泵和水泵水輪機通流部件技術條件》[2]、GB/T 15613.1－2008《水輪機、蓄能泵和水泵水輪機模型驗收試驗 第一部分：通用規(guī)定》[3]、GB/T 15613.2－2008《水輪機、蓄能泵和水泵水輪機模型驗收試驗第二部分：常規(guī)水力性能試驗》[4]和 GB/T 15613.3－2008《水輪機、蓄能泵和水泵水輪機模型驗收試驗 第三部分：輔助性能試驗》[5]等4個標準，已于2008年6月30日發(fā)布，2009年4月1日實施。在這些國家標準的修訂中，全國水輪機標準化技術委員會確定了很好的修訂原則，以 IEC60193:1999為藍本，但不拘泥于它，緊密結合中國實際，對其部分條文進行了修改完善。本文結合GB/T 10969、GB/T 15613等4個標準對 IEC60193:1999的修改，以及在新國家標準和IEC60193的使用中發(fā)現(xiàn)的部分問題，提出了IEC標準中其他一些需要完善和改進的問題，與大家進行交流和探討。

1 關于公稱直徑

1.1 IEC標準關于轉輪公稱直徑的定義

水輪機（包括蓄能泵和水泵水輪機，下同）轉輪公稱直徑是計算單位參數(shù)、進行相似換算的基本參數(shù)，也是計算、換算其他幾何參數(shù)的基礎，也就是說，是比較和換算的基準，務必要選擇好，搞明確。

就沖擊式和軸流式、貫流式水輪機來說，IEC標準和我國標準歷來沒有分歧，其關鍵的區(qū)別是對混流式水輪機轉輪公稱直徑的定義。按IEC標準，混流式水輪機轉輪直徑定義為D2，即轉輪葉片出水邊與下環(huán)相交處的直徑，現(xiàn)在的 IEC60193:1999也是如此定義的。

1.2 我國標準關于轉輪公稱直徑的定義

我國過去長期采用前蘇聯(lián)的統(tǒng)計、定義及設計模式，混流式水輪機的轉輪公稱直徑一直采用D1，即轉輪葉片進水邊與下環(huán)相交處的直徑。上世紀90年代，逐步與國際接軌，在 1995年通過的國家標準 GB/T 15466－1995《水輪機基本技術條件》[6]中，雖然仍定義 D1為轉輪公稱直徑，但卻在括弧內注明“逐步向國際標準D2過渡”。到1996年的《電工術語水輪機、蓄能泵和水泵水輪機》[7]則定義D2為公稱直徑，即轉輪葉片出水邊與下環(huán)相交處的直徑。由于使用D2后遇到了一系列的問題，在2006年修訂的《水輪機基本技術條件》[8]將轉輪公稱直徑定義為D1或D2。在2008年新通過的GB/T 10969－2008《水輪機、蓄能泵和水泵水輪機通流部件技術條件》[2]中，雖然仍定義為D1或D2，但“推薦使用D1”，基本回到過去使用D1的模式。

1.3 兩種定義方式的比較

比較定義混流式水輪機轉輪公稱直徑采用的D1或D2兩種模式，差別很大，統(tǒng)計規(guī)律也大不相同。

（1）對轉輪前流道參數(shù)的影響

轉輪前流道參數(shù)主要是導葉高度B0、導葉分布圓直徑D0及蝸殼進口直徑DS等。這些參數(shù)都是反映轉輪前流道大小的參數(shù)，離轉輪進水邊近，和D1的關聯(lián)性強，這些參數(shù)和D1的比（即B0/D1、D0/D1和DS/D1）和電站水頭及機型有非常好的統(tǒng)計關系。

以相對導葉高度為例，如以D1為公稱直徑，B0/D1和電站水頭H有非常好的統(tǒng)計關系。在電站選型設計時，電站水頭越高，所選擇B0/D1要越小；電站水頭越低，所選擇B0/D1要越大。但是，如以D2為公稱直徑，B0/D2和電站水頭 H之間的變化規(guī)律則可能變得不確定，給選型設計帶來很大的困難。

再比如導葉分布圓直徑D0，如以D1為公稱直徑，相對值D0/D1除受導葉數(shù)Z0影響較大、受水頭變化少許影響外，幾乎不受其他因素影響，機型和機型之間差別不大。但是，如選擇D2為公稱直徑，導葉分布圓直徑相對值D0/D2規(guī)律性就可能變得很差。

（2）對轉輪后流道參數(shù)的影響

轉輪后流道參數(shù)主要指尾水管流道參數(shù)，如尾水管高度、尾水管長度、尾水管出口面積等等。尾水管從轉輪出口開始，其尺寸變化也直接由D2逐漸演變，其相對值用D2進行統(tǒng)計或分析也應當更具規(guī)律性。但是，我國長期采用D1作為公稱直徑，開發(fā)出一系列以D1為基準的尾水管和水輪機模型，改為D2后也有一定的不適應，甚至會產(chǎn)生某些混亂。

（3）對性能參數(shù)的影響

轉輪公稱直徑對性能參數(shù)的影響主要在單位轉速和單位流量。當然，軸向水推力系數(shù)、導葉力矩系數(shù)、水力矩系數(shù)等單位參數(shù)也會因為采用不同的公稱直徑而產(chǎn)生數(shù)值變化，但由于這些都是被動型參數(shù)，很少去主動選擇它們，故影響不大。

由于水輪機進水邊對其轉速性能（如最優(yōu)工況單位轉速等）影響較大，采用轉輪進口直徑D1作為公稱直徑比較合理，轉輪最優(yōu)工況單位轉速及電站額定水頭單位轉速都變化不大，僅隨比轉速增加略有增加，統(tǒng)計規(guī)律性很好。但是，如采用D2作為公稱直徑，情況會發(fā)生根本變化，不僅轉輪最優(yōu)工況單位轉速及電站額定水頭單位轉速都會隨比轉速增加而降低，其統(tǒng)計規(guī)律也會比較差，比較離散，其原因在于D2對過流能力影響比較大，對水頭影響較小，按水頭高低進行的統(tǒng)計規(guī)律性會較差。

由于水輪機的過流能力主要取決于D2，D2對單位流量影響較大，用D2統(tǒng)計單位流量應有好的分布規(guī)律。但是，由于過去我們長期以D1為公稱直徑，已總結出用D1計算單位流量隨水頭變化規(guī)律，也能滿足要求。倒是將公稱直徑改為D2后，還沒有統(tǒng)計總結出被普遍接受的規(guī)律，反而還弄出許多混亂。

（4）雷諾數(shù)計算及效率修正

如原模型效率修正采用IEC60193或IEC60995規(guī)定的方法進行，就必須采用轉速雷諾數(shù)。IEC在統(tǒng)計分析雷諾數(shù)對效率的影響時，采用D2計算雷諾數(shù)，故我們在進行效率換算時，也應當采用D2計算雷諾數(shù)。

1.4 轉輪公稱直徑的選擇

通過如上分析，顯然采用D1作為混流式水輪機公稱直徑更有利，更符合中國國情。但是，也不能一概而論，如計算雷諾數(shù)就應當用D2，選擇尾水管參數(shù)及單位流量等D2也有一定優(yōu)勢。因此，在新通過的國家標準中，對公稱直徑采用了如下的表述：“混流式公稱直徑為D1或D2，推薦使用D1”。

2 關于流道測量偏差要求

GB/T 10969－2008《水輪機、蓄能泵和水泵水輪機通流部件技術條件》是根據(jù)IEC60193第2章并參考GB/T 10969－1997修訂的。在IEC60193第2章中，有許多尺寸檢測偏差要求的表，表1就是其中之一。在這些表中，所有的偏差允許值均要求按相對值提供。但是，在其所列出的偏差值中，卻既有相對值，又有絕對值。究其原因，這不僅在于有些是以絕對值的形式給出的（如角度類），更重要的還在于許多偏差允許值用相對值難以表示清楚，因為在許多情況下，該相對值并不是相對于被測量值自身，而是相對于某一規(guī)定值。無奈之下，IEC將該相對值和規(guī)定值的乘積列入表內，又變成了絕對值。

表1 IEC 60193中測量偏差允許值表

注：表中LP為原型尺寸，LM為模型尺寸，λM為設計的原模型比例系數(shù)。

IEC標準（見表1）中另外一個錯誤在一致性允許偏差項內，無論是模型還是原型，在項目內容欄內均標的是“單個值與平均值之比”（Individual value to average value），是相對值，但并非偏差的概念。即使按相對值要求，正確的標注方式也應為“(單個值-平均值)/平均值”（（Individual value- average value)/ average value）。

在新通流部件標準中，沒有照搬IEC的模式，而是統(tǒng)一采用絕對值來表示允許偏差（見表2），不僅解決了IEC標準中不一致的問題，更將偏差計算中“誰”減“誰”、和“誰”比等問題表示得清清楚楚。

表2 GB/T 10969－2008中測量偏差允許值表

葉片最大厚度T靠近出水邊的葉片厚度T0進出口直徑和轉輪其他尺寸+3%TM-6%TM±15% T0M±0.25% D2M+5%T-8%T±15% T0±0.35% D2+3%λTM-6%λTM±15%λT0M±0.25% λD2M軸流式、貫流式和斜流式轉輪葉片型線端部型線葉片最大厚度T接近出水邊處的葉片厚度δ轉輪室直徑Dd轉輪其他尺寸Ds型線的角度差型線的軸向調整量最大葉片角?±0.1% DM±0.1% DM+3% TM-6% TM±15%δM±0.1%DdM±0.25% DsM±0.25o±0.2% DM±0.25o±0.1% D±0.1% D+5% T-8% T±15%δ±0.1% Dd±0.5% Ds±0.25o±0.2% D±0.25o±0.1% λDM±0.1% λDM+3%λTM-6%λTM±15%λδ±0.2% λDdM±0.25% λDsM±0.25o±0.2% λDM≥0o

3 關于電站托馬系數(shù)

3.1 電站托馬系數(shù)的定義及計算

在GB/T15613.1－2008《水輪機、蓄能泵和水泵水輪機模型驗收試驗 第一部分：通用規(guī)定》[3]中，借鑒采用了 IEC60193[1]關于電站裝置空化系數(shù)的新表述－電站托馬系數(shù)，和IEC193的表述有一定區(qū)別。

過去稱作電站裝置空化系數(shù)，符號為σP（為和現(xiàn)在的托馬系數(shù)相區(qū)別，符號用σP’代替）。根據(jù)IEC193，其計算公式為：

式中：pa——電站大氣壓力，絕對壓力，Pa；

Pva——電站水的汽化壓力，絕對壓力，Pa；

Hs——尾水吸出高度，m，Hs=Zr-Zs；

Zr——水輪機安裝高程，m；

Zs——尾水位高程，m；

H——水輪機工作水頭，m；

g——電站重力加速度，m/s2；

ρ——水密度，kg/m3。

現(xiàn)在稱為電站托馬系數(shù)[1,3]，符號仍然為σP。根據(jù)IEC60193和GB/T 15613.1-2008，其計算公式為：

式中：p2——尾水管出口測壓斷面壓力，絕對壓力，Pa；

Z2——尾水管出口測壓斷面高程，m；

V2——尾水管出口測壓斷面流速，m/s。

比較（1）式和（2）式，顯然二者的區(qū)別在于分別將電站的尾水壓力參考點選在電站尾水渠和尾水管出口測壓斷面。而這兩個斷面的能量關系如（3）式所示：

將（3）式和（1）式分別代如（2）式，可得：

顯然，新托馬系數(shù) σP和老托馬系數(shù) σP’間的區(qū)別在于它們分別基于不同的斷面，前者為尾水管出口測壓斷面，后者為尾水渠。從本質上來看，σP’是忽略了尾水渠流速及尾水管出口損失的σP。

比較新老兩個托馬系數(shù)，老托馬系數(shù)物理意義明確，非常容易確定，因而一直使用。而新空化系數(shù)不僅物理意義不明確，電站水輪機流道參數(shù)和工況不確定則托馬系數(shù)不確定，計算和使用不方便。因此，建議在修訂新國家標準時，應當恢復老托馬系數(shù)的定義及計算公式。在目前，則提醒大家注意新老兩個托馬系數(shù)的區(qū)別。

3.2 空化系數(shù)的定義問題

需要注意的是，無論是新國家標準[3]還是IEC60193，均將σP稱為托馬系數(shù)，而不是過去的空化系數(shù)。在這兩個標準中，將空化系數(shù)定義為σnD，其計算公式為：

式中：n——s-1；

D——轉輪直徑，m。

NPSE——凈正吸出比能，Jkg-1，其計算公式為：

比較（2）式和（5）式可知，σP和 σnD存在如下關系：

或：

式中：n11——單位轉速，r/min。

顯然，盡管σP和σnD都是無量綱的比例系數(shù)，但二者概念不同，數(shù)值差別也比較大，不能混為一談。現(xiàn)在的問題是，過去我們稱“σP”為空化系數(shù)，現(xiàn)在卻將在水輪機試驗中很少使用的“σnD”稱作空化系數(shù)，勢必引起混淆。

為避免在兩個空化系數(shù)使用中可能引起的混亂，在重新修訂國家標準時應重新定義“σP”為空化系數(shù)，其可以并稱為“托馬系數(shù)”；而“σnD”，則可稱其為“空化比數(shù)”。

4 結束語

綜合如上分析，有如下幾點需著重強調：

（1）過去的國家標準曾參照IEC60193將水輪機公稱直徑修改為D2，由于我國過去長期采用D1，并形成了一套比較完善的體系，修改后引起了很大混亂。實踐證明，還是采用D1為公稱直徑更符合國情，新國標對此進行了修改。

（2）新國家標準采用了IEC60193對水輪機流道原模型尺寸測量的大多數(shù)誤差要求，但對部分表述不確切部分進行了修訂，既全部采用了絕對誤差，或為絕對數(shù)值，或為某項參數(shù)的百分比，非常明確。

（3）新國家標準和IEC60193對托馬系數(shù)的定義和過去有一定差別，應引起注意，并建議在今后修訂國家標準時，恢復老托馬系數(shù)定義及計算公式。

（4）新國家標準和 IEC60193定義“σP”為托馬系數(shù)，而定義“σnD”為空化系數(shù)，這和過去的習慣很不一致，會引起混亂。由于“σnD”很少采用，建議仍然稱“σP”為空化系數(shù)，將“σnD”稱為“空化比數(shù)”。

[1]IEC60193:1999, Hydraulic turbines, storage pumps and pump-turbines Model acceptance tests[S].

[2]GB/T 10969－2008, 水輪機、蓄能泵和水泵水輪機通流部件技術條件[S].

[3]GB/T 15613.1－2008, 水輪機、蓄能泵和水泵水輪機模型驗收試驗（第一部分：通用規(guī)定）[S].

[4]GB/T 15613.2－2008, 水輪機、蓄能泵和水泵水輪機模型驗收試驗（第二部分：常規(guī)水力性能試驗）[S].

[5]GB/T 15613.3－2008, 水輪機、蓄能泵和水泵水輪機模型驗收試驗（第三部分：輔助性能試驗）[S].

[6]GB/T 15466－1995, 水輪機基本技術條件[S].

[7]GB/T 2900.45－1996, 電工術語 水輪機、蓄能泵和水泵水輪機[S].

[8]GB/T 15466－2006, 水輪機基本技術條件[S].