IEC60193存在的部分问题及新国标对其的修正

徐洪泉，刘诗琪，宫让勤，梁 妍

（1. 中国水利水电科学研究院，北京100038；2. 哈尔滨大电机研究所，哈尔滨150040；3. 哈尔滨理工大学，哈尔滨 150040）

引言

IEC60193：1999《水轮机、蓄能泵和水泵水轮机模型验收试验》（Hydraulic turbines, storage pumps and pump-turbines Model acceptance tests）[1]是一个很好的国际标准，得到了普遍的国际认同，被广泛采用。但是，在应用过程中，也发现部分缺陷或不完善之处，据此修订的新国家标准中进行了部分修正。

2008年全国水轮机标准化技术委员会以IEC60193:1999为蓝本，对国家标准 GB/T 10969和GB/T 15613进行了修订，形成了GB/T 10969－2008《水轮机、蓄能泵和水泵水轮机通流部件技术条件》[2]、GB/T 15613.1－2008《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》[3]、GB/T 15613.2－2008《水轮机、蓄能泵和水泵水轮机模型验收试验第二部分：常规水力性能试验》[4]和 GB/T 15613.3－2008《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》[5]等4个标准，已于2008年6月30日发布，2009年4月1日实施。在这些国家标准的修订中，全国水轮机标准化技术委员会确定了很好的修订原则，以 IEC60193:1999为蓝本，但不拘泥于它，紧密结合中国实际，对其部分条文进行了修改完善。本文结合GB/T 10969、GB/T 15613等4个标准对 IEC60193:1999的修改，以及在新国家标准和IEC60193的使用中发现的部分问题，提出了IEC标准中其他一些需要完善和改进的问题，与大家进行交流和探讨。

1 关于公称直径

1.1 IEC标准关于转轮公称直径的定义

水轮机（包括蓄能泵和水泵水轮机，下同）转轮公称直径是计算单位参数、进行相似换算的基本参数，也是计算、换算其他几何参数的基础，也就是说，是比较和换算的基准，务必要选择好，搞明确。

就冲击式和轴流式、贯流式水轮机来说，IEC标准和我国标准历来没有分歧，其关键的区别是对混流式水轮机转轮公称直径的定义。按IEC标准，混流式水轮机转轮直径定义为D2，即转轮叶片出水边与下环相交处的直径，现在的 IEC60193:1999也是如此定义的。

1.2 我国标准关于转轮公称直径的定义

我国过去长期采用前苏联的统计、定义及设计模式，混流式水轮机的转轮公称直径一直采用D1，即转轮叶片进水边与下环相交处的直径。上世纪90年代，逐步与国际接轨，在 1995年通过的国家标准 GB/T 15466－1995《水轮机基本技术条件》[6]中，虽然仍定义 D1为转轮公称直径，但却在括弧内注明“逐步向国际标准D2过渡”。到1996年的《电工术语水轮机、蓄能泵和水泵水轮机》[7]则定义D2为公称直径，即转轮叶片出水边与下环相交处的直径。由于使用D2后遇到了一系列的问题，在2006年修订的《水轮机基本技术条件》[8]将转轮公称直径定义为D1或D2。在2008年新通过的GB/T 10969－2008《水轮机、蓄能泵和水泵水轮机通流部件技术条件》[2]中，虽然仍定义为D1或D2，但“推荐使用D1”，基本回到过去使用D1的模式。

1.3 两种定义方式的比较

比较定义混流式水轮机转轮公称直径采用的D1或D2两种模式，差别很大，统计规律也大不相同。

（1）对转轮前流道参数的影响

转轮前流道参数主要是导叶高度B0、导叶分布圆直径D0及蜗壳进口直径DS等。这些参数都是反映转轮前流道大小的参数，离转轮进水边近，和D1的关联性强，这些参数和D1的比（即B0/D1、D0/D1和DS/D1）和电站水头及机型有非常好的统计关系。

以相对导叶高度为例，如以D1为公称直径，B0/D1和电站水头H有非常好的统计关系。在电站选型设计时，电站水头越高，所选择B0/D1要越小；电站水头越低，所选择B0/D1要越大。但是，如以D2为公称直径，B0/D2和电站水头 H之间的变化规律则可能变得不确定，给选型设计带来很大的困难。

再比如导叶分布圆直径D0，如以D1为公称直径，相对值D0/D1除受导叶数Z0影响较大、受水头变化少许影响外，几乎不受其他因素影响，机型和机型之间差别不大。但是，如选择D2为公称直径，导叶分布圆直径相对值D0/D2规律性就可能变得很差。

（2）对转轮后流道参数的影响

转轮后流道参数主要指尾水管流道参数，如尾水管高度、尾水管长度、尾水管出口面积等等。尾水管从转轮出口开始，其尺寸变化也直接由D2逐渐演变，其相对值用D2进行统计或分析也应当更具规律性。但是，我国长期采用D1作为公称直径，开发出一系列以D1为基准的尾水管和水轮机模型，改为D2后也有一定的不适应，甚至会产生某些混乱。

（3）对性能参数的影响

转轮公称直径对性能参数的影响主要在单位转速和单位流量。当然，轴向水推力系数、导叶力矩系数、水力矩系数等单位参数也会因为采用不同的公称直径而产生数值变化，但由于这些都是被动型参数，很少去主动选择它们，故影响不大。

由于水轮机进水边对其转速性能（如最优工况单位转速等）影响较大，采用转轮进口直径D1作为公称直径比较合理，转轮最优工况单位转速及电站额定水头单位转速都变化不大，仅随比转速增加略有增加，统计规律性很好。但是，如采用D2作为公称直径，情况会发生根本变化，不仅转轮最优工况单位转速及电站额定水头单位转速都会随比转速增加而降低，其统计规律也会比较差，比较离散，其原因在于D2对过流能力影响比较大，对水头影响较小，按水头高低进行的统计规律性会较差。

由于水轮机的过流能力主要取决于D2，D2对单位流量影响较大，用D2统计单位流量应有好的分布规律。但是，由于过去我们长期以D1为公称直径，已总结出用D1计算单位流量随水头变化规律，也能满足要求。倒是将公称直径改为D2后，还没有统计总结出被普遍接受的规律，反而还弄出许多混乱。

（4）雷诺数计算及效率修正

如原模型效率修正采用IEC60193或IEC60995规定的方法进行，就必须采用转速雷诺数。IEC在统计分析雷诺数对效率的影响时，采用D2计算雷诺数，故我们在进行效率换算时，也应当采用D2计算雷诺数。

1.4 转轮公称直径的选择

通过如上分析，显然采用D1作为混流式水轮机公称直径更有利，更符合中国国情。但是，也不能一概而论，如计算雷诺数就应当用D2，选择尾水管参数及单位流量等D2也有一定优势。因此，在新通过的国家标准中，对公称直径采用了如下的表述：“混流式公称直径为D1或D2，推荐使用D1”。

2 关于流道测量偏差要求

GB/T 10969－2008《水轮机、蓄能泵和水泵水轮机通流部件技术条件》是根据IEC60193第2章并参考GB/T 10969－1997修订的。在IEC60193第2章中，有许多尺寸检测偏差要求的表，表1就是其中之一。在这些表中，所有的偏差允许值均要求按相对值提供。但是，在其所列出的偏差值中，却既有相对值，又有绝对值。究其原因，这不仅在于有些是以绝对值的形式给出的（如角度类），更重要的还在于许多偏差允许值用相对值难以表示清楚，因为在许多情况下，该相对值并不是相对于被测量值自身，而是相对于某一规定值。无奈之下，IEC将该相对值和规定值的乘积列入表内，又变成了绝对值。

表1 IEC 60193中测量偏差允许值表

注：表中LP为原型尺寸，LM为模型尺寸，λM为设计的原模型比例系数。

IEC标准（见表1）中另外一个错误在一致性允许偏差项内，无论是模型还是原型，在项目内容栏内均标的是“单个值与平均值之比”（Individual value to average value），是相对值，但并非偏差的概念。即使按相对值要求，正确的标注方式也应为“(单个值-平均值)/平均值”（（Individual value- average value)/ average value）。

在新通流部件标准中，没有照搬IEC的模式，而是统一采用绝对值来表示允许偏差（见表2），不仅解决了IEC标准中不一致的问题，更将偏差计算中“谁”减“谁”、和“谁”比等问题表示得清清楚楚。

表2 GB/T 10969－2008中测量偏差允许值表

叶片最大厚度T靠近出水边的叶片厚度T0进出口直径和转轮其他尺寸+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轴流式、贯流式和斜流式转轮叶片型线端部型线叶片最大厚度T接近出水边处的叶片厚度δ转轮室直径Dd转轮其他尺寸Ds型线的角度差型线的轴向调整量最大叶片角ϕ±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 关于电站托马系数

3.1 电站托马系数的定义及计算

在GB/T15613.1－2008《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》[3]中，借鉴采用了 IEC60193[1]关于电站装置空化系数的新表述－电站托马系数，和IEC193的表述有一定区别。

过去称作电站装置空化系数，符号为σP（为和现在的托马系数相区别，符号用σP’代替）。根据IEC193，其计算公式为：

式中：pa——电站大气压力，绝对压力，Pa；

Pva——电站水的汽化压力，绝对压力，Pa；

Hs——尾水吸出高度，m，Hs=Zr-Zs；

Zr——水轮机安装高程，m；

Zs——尾水位高程，m；

H——水轮机工作水头，m；

g——电站重力加速度，m/s2；

ρ——水密度，kg/m3。

现在称为电站托马系数[1,3]，符号仍然为σP。根据IEC60193和GB/T 15613.1-2008，其计算公式为：

式中：p2——尾水管出口测压断面压力，绝对压力，Pa；

Z2——尾水管出口测压断面高程，m；

V2——尾水管出口测压断面流速，m/s。

比较（1）式和（2）式，显然二者的区别在于分别将电站的尾水压力参考点选在电站尾水渠和尾水管出口测压断面。而这两个断面的能量关系如（3）式所示：

将（3）式和（1）式分别代如（2）式，可得：

显然，新托马系数 σP和老托马系数 σP’间的区别在于它们分别基于不同的断面，前者为尾水管出口测压断面，后者为尾水渠。从本质上来看，σP’是忽略了尾水渠流速及尾水管出口损失的σP。

比较新老两个托马系数，老托马系数物理意义明确，非常容易确定，因而一直使用。而新空化系数不仅物理意义不明确，电站水轮机流道参数和工况不确定则托马系数不确定，计算和使用不方便。因此，建议在修订新国家标准时，应当恢复老托马系数的定义及计算公式。在目前，则提醒大家注意新老两个托马系数的区别。

3.2 空化系数的定义问题

需要注意的是，无论是新国家标准[3]还是IEC60193，均将σP称为托马系数，而不是过去的空化系数。在这两个标准中，将空化系数定义为σnD，其计算公式为：

式中：n——s-1；

D——转轮直径，m。

NPSE——净正吸出比能，Jkg-1，其计算公式为：

比较（2）式和（5）式可知，σP和 σnD存在如下关系：

或：

式中：n11——单位转速，r/min。

显然，尽管σP和σnD都是无量纲的比例系数，但二者概念不同，数值差别也比较大，不能混为一谈。现在的问题是，过去我们称“σP”为空化系数，现在却将在水轮机试验中很少使用的“σnD”称作空化系数，势必引起混淆。

为避免在两个空化系数使用中可能引起的混乱，在重新修订国家标准时应重新定义“σP”为空化系数，其可以并称为“托马系数”；而“σnD”，则可称其为“空化比数”。

4 结束语

综合如上分析，有如下几点需着重强调：

（1）过去的国家标准曾参照IEC60193将水轮机公称直径修改为D2，由于我国过去长期采用D1，并形成了一套比较完善的体系，修改后引起了很大混乱。实践证明，还是采用D1为公称直径更符合国情，新国标对此进行了修改。

（2）新国家标准采用了IEC60193对水轮机流道原模型尺寸测量的大多数误差要求，但对部分表述不确切部分进行了修订，既全部采用了绝对误差，或为绝对数值，或为某项参数的百分比，非常明确。

（3）新国家标准和IEC60193对托马系数的定义和过去有一定差别，应引起注意，并建议在今后修订国家标准时，恢复老托马系数定义及计算公式。

（4）新国家标准和 IEC60193定义“σP”为托马系数，而定义“σnD”为空化系数，这和过去的习惯很不一致，会引起混乱。由于“σnD”很少采用，建议仍然称“σP”为空化系数，将“σnD”称为“空化比数”。

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

[2]GB/T 10969－2008, 水轮机、蓄能泵和水泵水轮机通流部件技术条件[S].

[3]GB/T 15613.1－2008, 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）[S].

[4]GB/T 15613.2－2008, 水轮机、蓄能泵和水泵水轮机模型验收试验（第二部分：常规水力性能试验）[S].

[5]GB/T 15613.3－2008, 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）[S].

[6]GB/T 15466－1995, 水轮机基本技术条件[S].

[7]GB/T 2900.45－1996, 电工术语 水轮机、蓄能泵和水泵水轮机[S].

[8]GB/T 15466－2006, 水轮机基本技术条件[S].