確定水輪機(jī)絕對(duì)流量和絕對(duì)效率的新方法

一種新方法可將相對(duì)指標(biāo)測(cè)試數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成絕對(duì)流量和絕對(duì)效率數(shù)據(jù)，而無需實(shí)際測(cè)量絕對(duì)流量，而且能在試驗(yàn)規(guī)范的不精確性限制內(nèi)進(jìn)行這種從相對(duì)到絕對(duì)的轉(zhuǎn)換。此外，它是一種更加精準(zhǔn)的辦法，減少了相對(duì)形式下的相對(duì)指標(biāo)測(cè)試數(shù)據(jù)。

轉(zhuǎn)換相對(duì)數(shù)據(jù)的現(xiàn)有方法是首先計(jì)算絕對(duì)效率曲線。然后，設(shè)法校準(zhǔn)相對(duì)流量測(cè)量系統(tǒng)，如溫特-肯尼迪(Winter-Kennedy)測(cè)壓計(jì)接頭，以測(cè)量絕對(duì)流量值。這種新方法的特點(diǎn)是逆轉(zhuǎn)該過程，通過先校準(zhǔn)溫特-肯尼迪接頭，將相對(duì)流量讀數(shù)轉(zhuǎn)換成絕對(duì)流量值，再用這些數(shù)據(jù)計(jì)算絕對(duì)效率。

1 指標(biāo)測(cè)試

指標(biāo)測(cè)試是水輪機(jī)的相對(duì)效率試驗(yàn)。效率是相對(duì)的，因?yàn)轶w積流量是通過測(cè)量別的參數(shù)獲得的，而該參數(shù)的測(cè)量又與實(shí)時(shí)條件或使用設(shè)備有關(guān)。這樣一個(gè)通常來用參數(shù)的測(cè)量就是采用溫特-肯尼迪測(cè)壓系統(tǒng)。

相對(duì)指標(biāo)數(shù)據(jù)可用于確定相對(duì)效率曲線，以及優(yōu)化三維(3D)凸輪表面，輸入到調(diào)速器，用以控制與導(dǎo)葉開度和水頭相對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)葉片的傾斜角度。最近，一些專家開發(fā)了負(fù)荷分配計(jì)算機(jī)程序優(yōu)化電站機(jī)組的總效率。然而，為能通過程序獲得最大效益，機(jī)組的性能數(shù)據(jù)必須基于絕對(duì)流量和絕對(duì)效率。因此，對(duì)水輪機(jī)特性數(shù)據(jù)的精確度要求大大提高。遺憾的是，特別對(duì)于轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)，絕對(duì)流量的測(cè)量技術(shù)極少，而且這些技術(shù)的使用都很昂貴和耗時(shí)。

過去，開發(fā)并使用過幾項(xiàng)技術(shù)，應(yīng)用水輪機(jī)模型數(shù)據(jù)將相對(duì)流量和相對(duì)效率數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成絕對(duì)數(shù)據(jù)。但是這些技術(shù)都沒有達(dá)到新的負(fù)荷分配計(jì)算機(jī)程序所需的精度水平。因此，作者提出了一種新方法，它使用水輪機(jī)模型綜合特性曲線(顯示水輪機(jī)的綜合性能)或其他相似的原型數(shù)據(jù)，將指標(biāo)測(cè)試數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成絕對(duì)流量和效率數(shù)據(jù)。這種方法精度高，可以降低其相對(duì)形式的指標(biāo)數(shù)據(jù)，并將相對(duì)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為絕對(duì)數(shù)據(jù)，同時(shí)還可反映每臺(tái)水輪機(jī)性能的個(gè)體差異。

2 常規(guī)的轉(zhuǎn)換方法

采用水輪機(jī)模型綜合特性曲線將相對(duì)指標(biāo)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成絕對(duì)數(shù)據(jù)的最常用方法，首先，對(duì)應(yīng)于原型測(cè)試水頭(和同步轉(zhuǎn)速)，確定圓周速度系數(shù)Φ。然后，在水輪機(jī)綜合特性曲線的X軸Φ上，模型的最高效率等于指標(biāo)測(cè)試的最高相對(duì)效率。從這一點(diǎn)來說，可將相對(duì)效率數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為絕對(duì)效率數(shù)據(jù)。同時(shí)，由于相對(duì)效率等于溫特-肯尼迪差的平方根，可確定最高相對(duì)效率點(diǎn)處差的平方根。于是，可用下式計(jì)算溫特-肯尼迪標(biāo)定常數(shù)(k)。

式中，Q為壓力管道中的體積流量;k為溫特-肯尼迪標(biāo)定常數(shù);D為兩個(gè)測(cè)壓頭之間的壓差。

當(dāng)用于單臺(tái)水輪機(jī)的數(shù)據(jù)時(shí)，此方法一般有3個(gè)偏差來源:①為了避免該方程中有兩個(gè)未知數(shù)，必須假定固定和精確的平方根，指數(shù)值為0.5;②在綜合特性曲線預(yù)測(cè)的功率下，最高相對(duì)效率可能不會(huì)出現(xiàn)，對(duì)于這種變化也沒法計(jì)算;③一般不知道效率上升是否適合于水輪機(jī)模型綜合特性曲線的效率值。

此外，由于此方法是為負(fù)荷分配計(jì)算機(jī)程序準(zhǔn)備數(shù)據(jù)，其主要缺點(diǎn)是，它計(jì)算同類機(jī)組中各機(jī)組的最高絕對(duì)效率。

其他方法也提出了從相對(duì)到絕對(duì)的轉(zhuǎn)換。然而，所有這些均為此基本方法的轉(zhuǎn)化，偏差或不確定性的來源相同。

3 改進(jìn)溫特-肯尼迪標(biāo)定方程式

開發(fā)此新轉(zhuǎn)換方法的第一步是為溫特-肯尼迪測(cè)壓計(jì)使用新的、更準(zhǔn)確的標(biāo)定方程。溫特-肯尼迪測(cè)壓系統(tǒng)的原理于1933年提出，用于曲線或圓形路徑中的流態(tài)，當(dāng)徑向距離加大時(shí)，角動(dòng)量增加，使施加于外半徑水流邊界的力或壓力因此而比施加于內(nèi)半徑邊界水流邊界上的大。

因此，蝸殼或半蝸殼外半徑上測(cè)壓計(jì)測(cè)得的壓力將高于內(nèi)半徑所測(cè)的壓力。如果這些測(cè)點(diǎn)位于液體旋轉(zhuǎn)中心相同的徑向平面上，則測(cè)壓差D將正比于重量流率的平方，因此正比于體積流量Q的平方。這些測(cè)壓計(jì)壓力將隨每個(gè)測(cè)壓計(jì)接頭孔口的速度頭減少。但因速度頭是速度平方的函數(shù)，因此也是體積流量平方的函數(shù)，測(cè)壓差的平方根實(shí)際上仍與流量成正比。這些因素的結(jié)果產(chǎn)生了典型的標(biāo)定方程Q=k(D)0.5。