灯泡贯流式水轮机模型测试技术研究

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1、灯泡贯流式水轮机模型测试技术研究张海平孟晓超张建光陈莹马兵全(中国水利水电科学研究院，北京100038)摘要：本文针对灯泡贯流式水轮机的结构特点，对这种机型性能测试中的一些关键技术难点包括测功系统的结构设计、模型机组变形分析、测量系统配置等问题进行了探讨，并提出了解决措施，成功地对灯泡贯流式水轮机的各项水力性能进行测试。关键词：灯泡贯流式水轮机、模型、静压轴承、测试技术MeasuringTechnologyResearchonBulbTurbineModelZHANGHaiping,MENGXiaochao,ZHANGJianguang,

2、CHENYing,MABingquan(ChinaInstituteofWaterResourcesandHydropowerResearch,Beijing100038)Abstract:Thispaperdiscussedthekeyproblemsonhowtomeasurethehydraulicperformanceofbulbturbine,includingthestructuredesignoftorquemeasuringsystem,modeldistortionanalysis,anddataacquisitions

3、ystemetc.Putforwardthemethodshowtodealwiththeseproblemsandmeasurethehydraulicperformanceofbulbturbinesuccessfully.KeyWords:BulbTurbine,Model,HydrostaticBearing,MeasuringTechnology1、前言灯泡贯流式水轮机是低水头水力资源最优的开发型式，它具有过流能力大、效率高、土建工程量少、建设周期短、投资少和见效快等诸多优点。但是由于灯泡贯流式水轮机模型机组的结构复杂，输出功率

4、较小，一直是水力机械模型中各项性能较难精确测试的一种机型。笔者结合中国水利水电科学研究院高精度水力机械试验设备及测控系统的成功建设和自己近二十年的模型试验经验，就灯泡贯流式水轮机模型性能测试中的一些关键技术问题作初步探讨。2、灯泡贯流式水轮机模型结构设计在制作灯泡贯流式水轮机模型时，虽然流道形线能够完全模拟真机流道，但是主轴系统根本无法实现和真机相似，主要由于灯泡贯流式水轮机真机的发电机是安装在灯泡体内的，而模型机组的灯泡体尺寸根本无法满足发电机的布置要求，必须将模型机组的主轴引到模型外部。2.1长轴结构采用长轴结构时，长轴需要穿过进口压

5、力水箱才能与发电机相连。这种结构的主轴特别长，还得把主轴分为两段，每段轴需要两个轴承支撑，因此对主轴同心度要求特别高，机组安装比较困难。这种结构的机组在试验过程中当试验工况发生变化时，由于进口压力水箱的变形导致主轴同心度发生变化，将会影响力矩的测量结果。另外由于长轴是从灯泡体前方伸出的，会影响到模型进口流道内的流态，与真机进口流道内的流态有一定的差别。这种结构的优点是模型机组设计简单，灯泡体内有足够大的空间布置轴承座等部件，目前有法国的Alstom试验台在使用这种结构。2.2单一伞齿轮结构单一伞齿轮结构是在模型机组的灯泡体内增加了一套伞齿

6、轮装置，将水平布置的主轴在灯泡体内通过伞齿轮转为垂直布置，然后通过灯泡体的上支墩连接到机组上方的发电机。这种结构的力矩测量必须在伞齿轮的水平轴上完成，不能在伞齿轮的垂直轴上进行测量，因此必须要求将扭矩测量的传感器安装在灯泡体内，通常采用的传感器是扭矩仪或直接贴应变片。当采用扭矩仪时，在试验前需要经常检查扭矩仪的零点电压和满量程输出电压，当这两个值发生变化时，需要拆开灯泡体进行调整或对扭矩仪进行重新标定。若采用直接贴应变片的方法，则必须用滑环和碳刷将应变片的信号从转动部件传到静止部件，这样就导致扭矩测量特别受到干扰，因为应变片的信号是特别微

7、弱的信号，抗干扰能力特别差，而且该信号在通过滑环和碳刷时将造成很大的衰减。采用单一伞齿轮结构对灯泡体的密封要求很高，当灯泡体发生泄漏时，扭矩测量仪器就会受到影响，甚至损坏。其优点是解决了长轴安装困难的问题，降低了模型机组对同心度的要求，还完全保证了模型进口流道内的流态与真机相似。目前有日本的TOSHIBA试验台在使用这种结构。2.3静压轴承结构静压轴承结构是在灯泡体内布置一套静压轴承，将水平布置的主轴在灯泡体内通过静压轴承转为垂直方向，然后通过灯泡体的上支墩连接到机组上方的发电机。这种结构的测量原理是利用作用力与反作用力，将静压轴承内水平

8、布置主轴所承受的扭矩通过力臂传递到机组外面，然后用合适量程的负荷传感器进行测量，同时还可以分别利用轴向油腔内与径向油腔内的压力差来测量水轮机的轴向力与径向力。国外在上世纪八十年代就开始应用这种