水力机械综合试验台水力循环系统模块化设计

陈铁军 , 祝宝山, 王正伟 , 罗先武 , 李 辉

(1. 清华大学 水沙科学与水利水电国家重点实验室， 北京 100084；2. 清华大学 动力工程及工程热物理国家级实验教学示范中心， 北京 100084)

水力机械综合试验台水力循环系统模块化设计

陈铁军1,2, 祝宝山1, 王正伟1, 罗先武1, 李 辉2

(1. 清华大学 水沙科学与水利水电国家重点实验室， 北京 100084；2. 清华大学 动力工程及工程热物理国家级实验教学示范中心， 北京 100084)

通过水力计算、系统集成创新，模块化设计水力循环系统，在有限空间内实现了大容量、灵活使用的水力循环系统，试验台满足IEC有关规程的规定，满足不同种类、不同结构、不同功能的水力模型试验机组的科研、教学实验要求，同时可拓展完成水力学试验，试验台具有高精度、高稳定性、多功能、灵活安装、便于使用特点。

水力机械； 模型试验； 水力循环； 模块化设计

水力机械模型的水力性能试验是正确验证水力机械的一个极为重要手段,它能提供水力机械的全面特性资料,进行水力机械模型试验也是当前水力机组性能验收的主要方法。因此水力机械模型试验台在水力机械行业发展起着十分重要的作用,它是水力机械机组性能优化重要设备，是水力教学、科研必备的基础设备。

清华大学流体机械及工程实验室原有水力机械气蚀试验台为1965年建成。在此试验台上进行了多模型抽水蓄能水轮机试验研究,测定了压力脉动特性等当时国内领先的成果,在教学、科研、研究生培养中发挥很大作用。但因设备老化和空间限制,于2007年10月拆除。2011年在水沙科学与水利水电国家重点实验室与动力工程及工程热物理国家级实验教学示范中心的“985工程”三期重点资助下,启动了集教学、科研功能于一体的水力机械综合试验台的建设。

1 水力机械试验台类别

水力机械其种类、结构、功能多种多样、因此模型试验要求也各不相同,目前国内外已建成试验台数十个,其中近年来新建的大部分试验台多为水力机械通用模型试验台,也被称为水力机械多功能模型试验台或综合试验台,根据使用方向分为3个类别[1-14]：

(1) 生产研发试验台：国内外知名水电设备制造厂同时制造水泵、水轮机及水泵水轮机组,因此试验台为高精度水轮机或水力机械通用试验台。其中国际知名制造厂主要分布在德国、奥地利、法国、日本等国家。其试验台试验水头高、过流能力大、测试精度高。国内用于水力机械的试验台主要分为水轮机行业的通用水力机械试验台和水泵行业的水泵试验台,比如水电设备国家重点实验室(哈尔滨大电研究所)水轮机试验台、东方电机厂水力机械通用试验台等。

(2) 中立试验台：因水轮机比较与验收的试验需求,中立试验台为同类型试验台中精度最高的试验台。其中以瑞士洛桑理工学院流体力学和水机研究所(EPFL),水科院(IWHR)最具有代表性,效率综合误差分布在±0.2%～±0.25%之间,另外水泵行业的水泵验收试验台精度相对水轮机较低。中立试验台所属单位为科研机构,因此也从事部分科学研究工作。

(3) 科研试验台：该类型试验台主要分布在科研院校,不同试验台因为科研方向不同,关注点也各不相同。

上述3类试验台的水力循环系统共同特点为：具有较大容量水力循环系统；水力循环部件相对位置固定、试验调整能力不足；单机位功能覆盖机型有限,可拓展性不强；试验台部件非标件多,互换性差,维修、使用成本高；投资大,占地广。

本文通过系统集成创新,模块化设计水力循环系统,在有限空间内(240 m2,同类试验台≥500 m2),实现了大容量、灵活使用的水力循环系统,满足IEC有关规程的规定,满足不同种类、不同结构、不同功能的水力模型试验机组的科研试验和教学实验要求,同时可拓展完成水力学试验,试验台具有高精度、高稳定性、多功能、灵活安装、便于使用特点。

2 水力循环系统设计

2.1 稳定的大容量水力循环系统

通过对国内外同类水力机械试验台调研,任何一座高精度、高可信度和高稳定性(重复性好)的试验台,无一不是具有较大容量的水力循环系统。通过适当增大水力循环系统的有效容积,可以大大降低试验过程中循环水的温升；可以有效提高水力系统水流传输的稳定性以提高试验台的重复精度,提高测试效率，是降低系统测试随机误差的有效措施之一。

基于场地现有条件,尽量加大水力循环系统,如图1所示,水力循环系统有效容积大于50 m3。整个水力系统采用不锈钢材质以保证试验水质,并设置专门水净化装置。其中：(1)充分利用试验台现有场地,采用φ500 mm大直径试验台循环管路系统 ；(2)上下游水箱采用相同模块化结构,设计真空度10 m水柱,既保证开式试验台获得足够大的自由水面,又可用做闭式试验台时,通过进水箱设置的专门的空气压缩气垫供气系统,最大充气压力可达9.806 kPa(50 m水柱),确保水泵效率试验在无汽蚀的条件下进行,设置稳定高效的抽真空系统,提高汽蚀试验的测试精度和稳定性；(3)系统采用管道泵进行充水,保证在0.5 h内将整个系统充满；在试验变角度时,可通过高位排水阀排水,使系统水位降至水泵进出管路最低点以下,调节叶片角度；在此条件下,系统充水时间大大缩短,可在20 min内完成,提高试验效率;(4)配套蓄水池容积50 m3。

图1 水力机械综合试验台水力循环系统

2.2 灵活使用的模块化的水力循环系统

通过对水力循环系统模块化设计,以提高试验台通用性、灵活性、经济性。如图2所示，水力循环系统由以下模块组成：模型机组、液流模块、动力模块、流量测量模块、稳压模块。其中液流模块与动力模块、流测模块、稳压模块连接采用标准化、参数化接口。

图2 模块化水力循环系统框图

(1) 液流模块为水力循环系统提供完整的液流通道,切换水力循环不同液流方向,连接模型机组与其他模块。液流模块如图3所示,由阀门单元、三通单元、弯管单元、直管单元、弹性伸缩节单元组成,各单元具有相同内径尺寸,采用同规格尺寸法兰、伸缩节通过螺栓螺母结构进行组合连接。通过增加直管单元,动力模块、流量测量模块、稳流模块1、稳流模块2可根据实际试验需要进行空间大距离位移调整。通过阀门单元1—8开关切换,快速完成四象限的正、负向的水轮机试验,正、负向的水泵试验,水泵/水轮机试验同时可部分或全部屏蔽稳压模块1、稳压模块2，不让其参加水力循环系统工作,以完成流量标定试验、水工建筑物模型试验、水力学物理模型试验、水力机械过渡过程物理模型试验等。

图3 液流模块

(2) 动力模块提供水力循环动力,保证模型机组试验所需流量、水头试验条件,由至少一组泵阀单元组成,动力模块泵阀单元根据功能需求进行扩展。动力模块如图4所示,其中：泵阀单元由泵、阀门、三通及直管组成。当完成混流式水轮机模型试验时,水力循环系统需要高水头试验条件,泵阀单元串联使用,当完成贯流式或者轴流式水轮机模型试验时,水力循环系统需要大流量试验条件,泵阀单元并联使用。

(3) 流量测量模块实现水力循环系统流量测量和校验功能，由至少一个流测单元组成,根据功能需求进行扩展。流量测量单元如图5所示,由阀门、变径、直管、电磁流量计组成,直管长度大于流量计直径的10倍,可测量正负双向液流流量。流量测量单元并列布置,安装的电磁流量计直径可大小不同,也可相同。当试验要完成大流量偏工况及小流量偏工况时,采用不同直径流量计,以测量大流量工况和小流量工况流量,当校核流量计测量值时,可采用相同直径电磁流量计。

(4) 稳压模块提供大容量、稳定的水力边界条件,由至少一个压力罐单元组成。压力罐单元如图6所示,由法兰、地脚、排水管、窥视孔、传感器接口、压力帽、气体接口、罐体、罐体法兰、伸缩节法兰、伸缩节、盲板、稳流栅组成。其中：试验台架地脚架设在预埋滑轨上,可以前后大位移移动；窥视孔可观察压力罐单元内部液流状态；传感器接口连接液位计、温度计、压力传感器等测量设备；盲板为参数化、高强度圆形钢板,与模型机组连接,可根据模型机组接口形状进行开口,并通过焊接方式进行连接,更换不同模型机组时,更换盲板即可实现模型机组与稳压模块的更换连接；稳流栅为圆型高强度钢板，根据试验对流动稳定性要求,进行阵列开孔,孔大小及数量与罐体的连接位置通过水力计算确定；当完成模型机组为多机并联试验时,压力罐单元并联在模型机组一侧,当完成模型机组单机试验时,压力罐单元串联布置在模型机组两侧,压力罐首尾相对布置,与水流模块、模型机组等模块组成水力循环系统。

图4 动力模块

图5 流量测量模块系统

图6 稳压模块系统

2.3 水力循环系统水力计算

水力循环管道系统水力计算[15]的主要内容包括循环系统水流循环时间、循环系统水流阻力计算和水温变化等计算。

2.3.1 循环系统水流循环时间

循环系统水流循环时间的计算目的是保证循环系统有足够时间把在低压时从水中析出的空气重新溶解到水中。循环系统水流循环时间：

t=ΣV/Q

(1)

式中：ΣV为循环系统总容积，ΣV=V上游箱+V下游箱+V管路；Q为通过管道的流量,Q=0.1～1.0m3/s。

从而确定出最小循环时间tmin和最大循环时间tmax分别为35 s和350 s。满足汽蚀试验的要求。

2.3.2 循环系统水流阻力计算

循环系统水流阻力计算的目的是校核所选动力设备是否满足要求,以保证试验过程中能获取各种试验工况的稳定运行状态,提高试验成果可靠性。循环系统水流阻力计算为

hw=(λL/D+Σζ)V2/2g

(2)

式中：λ为管道的沿程阻力系数,g为重力加速度，L为管长,D为管径；V为管道流速,取最大值；ζ为管道的局部阻力系数,查出弯头、电磁流量计、压力箱左右端、尾水箱左右端、阀门的阻力系数[15]。

对于本装置,求得水轮机工况整个循环系统最大水力损失为7.5 m水柱。经计算分析,本模型试验台所选水泵型号能够满足要求。

2.3.3 水温变化计算

正确地计算水力循环系统的温度变化是保证水泵、水轮机汽蚀试验取得正确结果的前提。计算分为水轮机工况和水泵工况。做水轮机试验时,循环系统的发热量主要是供水水泵的输入功率与模型机组的输出功率之差,发热量中除了模型机组和供水水泵的部分机械损失可以由空气散热外,其余部分都造成水温升高。由于机械损失所占比重较小,故按照全部分差值来计算发热。

模型机组输出功率:

N1=9.81QH11

(3)

式中,Q为通过水轮机的流量；H1为模型水轮机工作水头；1为模型水轮机效率。

供水水泵的的输入功率:

N2=9.81QH22

(4)

式中，H2为供水泵扬程，2为供水泵的效率。

试验台容器及管道的自然散热能力很低,在计算水的温升时,可不考虑自然散热的作用。所以在计算最大功率差值时,可由下式求出每小时的水温升高值：

Δt=ΔN/(WCp)

(5)

式中，ΔN为供水泵与模型机功率差值，W为循环管路系统的容积；Cp为水的比热。

每小时温升应满足IEC标准(小于1.5 ℃),否则应在循环系统中加装冷却设备。经计算,本试验台每小时温升为0.5 ℃,满足要求。

3 试验台应用

该试验台(实景图见图7)已经成功投入使用2年,已有效开展基础性、前瞻性试验研究2 000机时以上,完成新型潮汐发电模型机组等水力模型研究工作。目前,在积极实施水沙科学与水利水电工程国家重点实验室的重大仪器专项——流体机械综合试验台2期的建设工作。同时,该水力循环为西藏大学等单位的同类试验台的设计提供了重要参考,由清华大学提供交钥匙工程,该试验台是目前世界海拔最高的试验台,具有制造、安装、运输、建设资金不足等难点,因此全面采用了模块化水力循环系统设计方案。

图7 水力机械综合试验台实景图

水力机械综合试验台可满足专业系列课程(流体机械原理及设计、流体机械基础、流体机械系统仿真与控制等)的实验教学任务,极大地提高了教师教学质量、增强研究生培养的创新水平,为本科生的全面、优质的教学创造了条件。试验台每年接待学生人数约200人次,实验时间约1 000人时。每年还接待一定数量的学生课外科研训练计划(SRT)、专业认识实习、学术优才计划和毕业设计,是学生进行课内课外实践学习的另一重要开放式平台。

4 结论

水力机械模型试验台是流体机械及工程二级学科的教学、科研必备的基础设备。该试验台是动力工程及工程热物理国家级实验教学示范中心的“985工程”三期、水沙科学与水利水电国家重点实验室(清华大学)重大仪器专项重点资助的重要成果。通过水力计算、系统集成创新、模块化设计水力循环系统,在有限空间内,实现了大容量、灵活使用的水力循环系统,弥补同类试验台投资大、调整能力不足、功能覆盖机型有限、部件互换性差等缺点。该试验台具有如下特点：精度高、重复性好,规模大；功能全,可完成多机型、多工况机组性能及部分流体力学试验。目前,已有效开展基础性、前瞻性试验研究，服务课程、承担教学任务逐年增加，并为西藏大学等单位同类试验台设计提供了支持。

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Modular design on hydraulic circulation system for comprehensive test rig of hydraulic machinery

Chen Tiejun1,2, Zhu Baoshan1, Wang Zhengwei1, Luo Xianwu1, Li Hui2

(1. State Key Laboratory of Hydroscience and Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China; 2. National Experimental Teaching Demonstration Center for Power Engineering and Engineering Thermophysics, Tsinghua University, Beijing 100084, China)

Through the hydraulic calculation and the system integration innovation, a hydraulic circulation system is modularly designed. In a limited space, a hydraulic circulation system with the large-capacity and flexible-application is realized. This test rig meets the relevant IEC regulations and comes up to the requirements of the research and teaching experiments for hydraulic model test units with different types, different structures and different functions. At the same time, it can extend and complete the hydraulic test, and has the characteristics of the high precision, high stability, multi-functions, flexible installation and convenient application.

hydraulic machinery；model test; hydraulic circulation; modular design

10.16791/j.cnki.sjg.2017.04.023

2016-10-13

水沙科学和水利水电工程国家重点实验室资助项目(SKLHSE-2015-E-01)

陈铁军(1981—) 男,辽宁朝阳，硕士，工程师，从事流体机械实验研究与教学.

E-mail：ctj@mail.tsinghua.edu.cn

TV131.6

A

1002-4956(2017)4-0089-05