CN107131917A - 一种水轮机额定导叶漏水量的测量方法及测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种水轮机额定导叶漏水量的测量方法及测量装置。该测量方法包括：基于水轮机平压设施关闭时水轮机进水管道内水体压力与尾水管道内水体压力的压力差值，确定参考压力水头；基于所述参考压力水头及水轮机进水管道斜井段的水平截面面积或水轮机通气孔的面积，确定所述水轮机额定导叶漏水量。本发明提供的水轮机额定导叶漏水量的测量方法及测量装置，算法简单且计算参数少，无需测量闸门漏水量，有效提高了水轮机导叶漏水量测试现场试验效率。

Description

一种水轮机额定导叶漏水量的测量方法及测量装置

技术领域

本发明涉及水力发电现场测试技术领域，特别涉及一种水轮机额定导叶漏水量的测量方法及测量装置。

背景技术

水轮机导叶漏水是一个普遍存在的问题，导叶漏水量过大，不但会造成水资源的浪费，而且会加剧间隙汽蚀破坏，甚至造成水轮机无法正常停机；或者，在停机状态下，导叶漏水量过大造成水轮机出现蠕动进而导致推力瓦及导瓦被烧毁。因此，一般要求水轮机在大修前后均应进行导叶漏水量的测量工作以检查其止封效果，检验导叶检修及调整质量。

现有的导叶漏水量的测量方法是将名义导叶漏水量Q表达成导叶前后压力水头H的函数：(式中，a、b、c为某时刻导叶前后压力水头H拟合曲线得到的数值)，进而计算出通过上、下游水位压差得到的当前压力水头所对应的名义导叶漏水量；待将流道消压后测得进水口闸门的闸门漏水量；当前压力水头下的导叶漏水量即为名义导叶漏水量与闸门漏水量之和。

一方面，现有的测量方法涉及的参数较多且计算复杂，利用上、下游水位压差得到的当前压力水头计算得到的名义导叶流水量存在较大误差；另一方面，现有测量方法中闸门漏水量的测量繁琐复杂，测量时间长，影响检修工期。

发明内容

为解决现有测量方法存在的由于涉及参数较多且测试过程复杂而导致测量结果误差较大、影响工期的问题，本发明实施例提供一种水轮机额定导叶漏水量的测量方法及测量装置。

一方面，本发明实施例提供一种水轮机额定导叶漏水量的测量方法，包括：

基于水轮机平压设施关闭时水轮机进水管道内水体压力与尾水管道内水体压力的压力差值，确定参考压力水头；

基于所述参考压力水头及水轮机进水管道斜井段的水平截面面积或水轮机通气孔的面积，确定所述水轮机额定导叶漏水量。

另一方面，本发明实施例还提供一种水轮机额定导叶漏水量的测量装置，包括：

第一确定单元，用于基于水轮机平压设施关闭时水轮机进水管道内水体压力与尾水管道内水体压力的压力差值，确定参考压力水头；

第二确定单元，用于基于所述参考压力水头及水轮机进水管道斜井段的水平截面面积或水轮机通气孔的面积，确定所述水轮机额定导叶漏水量。

本发明提供的水轮机额定导叶漏水量的测量方法及测量装置，通过采用水轮机平压设施关闭时参考压力水头，减少了计算工作量；并且本发明所用到的参数较少，可以减小误差，降低了计算错误的可能性；本发明无需测量进水口闸门漏水量，测量时间短，不影响检修工期；此外，本发明简化了计算模型，可以快速得到水轮机额定导叶漏水量，提高了测试现场试验效率。

附图说明

图1为本发明实施例提供的水轮机的局部结构示意图；

图2为本发明实施例提供的水轮机额定导叶漏水量的测量方法的流程示意图；

图3为本发明实施例提供的导叶前后压力水头随时间变化的数据趋势图；

图4为本发明实施例提供的水轮机额定导叶漏水量的测量装置的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1为本发明实施例提供的水轮机的局部结构示意图；如图1所示，该局部结构包括水轮机工作闸门104、通气孔102、活动导叶105、尾水管106、进水管道上平段107-1、进水管道斜井段107-2以及进水管道下平段107-3。其中，101表示水轮机额定导叶漏水量测量过程中的上游水位；103表示自由水面。需要说明的是，自由水面103也可位于通气孔内，此处并未示出。

图2为本发明实施例提供的水轮机额定导叶漏水量的测量方法的流程示意图。如图2所示，该测量方法包括以下步骤：

步骤201、基于水轮机平压设施关闭时水轮机进水管道内水体压力与尾水管道内水体压力的压力差值，确定参考压力水头；

步骤202、基于所述参考压力水头及水轮机进水管道斜井段的水平截面面积或水轮机通气孔的面积，确定所述水轮机额定导叶漏水量。

具体地，下面通过具体的测量过程说明该测量方法。首先，在开始测量水轮机额定导叶漏水量时，需关闭水轮机平压设施；然后，水轮机额定导叶漏水量的测量装置(以下称测量装置)则获取水轮机平压设施关闭时水轮机进水管道(包括通气孔102)内水体压力和尾水管道内水体压力的压力差值；之后，测量装置根据该压力差值，将压力差值换算成压力水头，从而确定参考压力水头；最后，根据水轮机进水管道中的水位下降过程，如果自由水面103位于进水管道斜井段107-2，测量装置则基于该压力水头及水轮机进水管道斜井段的水平截面面积，确定该水轮机额定导叶漏水量；如果自由水面103位于通气孔102内，测量装置则基于该压力水头及水轮机通气孔面积，确定该水轮机额定导叶漏水量。

水轮机平压设施可以包括水轮机进水口闸门104，还可以包括平压阀，例如充水阀、旁通阀等。如此，可通过提闸门或者通过平压阀使得水轮机进水口闸门前后处于基本平压状态，这样闸门漏水量近于零。因此，此时得到的参考压力水头对应于实际上通过活动导叶的漏水量，从而依据该参考压力水头得到的额定导叶漏水量是准确的。

由上述实施例可知，该测量方法通过采用水轮机平压设施关闭时的参考压力水头，减少了计算工作量；并且本发明所用到的参数较少，可以减小误差，降低了计算错误的可能性，提高了测试现场试验效率。

在上述实施例的基础上，该测量方法中的基于所述参考压力水头及水轮机进水管道斜井段的水平截面面积或水轮机通气孔的面积，确定所述水轮机额定导叶漏水量，包括：

基于所述水轮机进水管道斜井段的水平截面面积或水轮机通气孔的面积与水轮机平压设施关闭时水轮机名义导叶漏水量的预设对应关系，确定所述水轮机名义导叶漏水量。

根据所述参考压力水头、所述水轮机名义导叶漏水量和额定水头，确定所述水轮机额定导叶漏水量。

具体地，将进水口闸门104与活动导叶105之间的进水管道作为一个整体容器，该容器内的水量变化是由导叶漏水和进水口闸门漏水造成的。因此，水轮机名义导叶漏水量为单位时间内由活动导叶漏水引起的水量变化；闸门漏水量为单位时间内由进水口闸门漏水引起的水量变化。导叶实际漏水量为水轮机名义导叶漏水量与闸门漏水量之和。该水轮机名义导叶漏水量与所述水轮机进水管道斜井段的水平截面面积或水轮机通气孔的面积存在预设对应关系，测量装置根据该预设对应关系，可以确定该水轮机名义导叶漏水量。

本发明实施例提供的测量方法，当水轮机平压设施关闭时，此时水轮机进水口闸门前后基本处于平压状态，闸门漏水量为零。因此，测量装置在得到平压设施关闭时参考压力水头及水轮机名义导叶漏水量后，根据额定水头，可确定该水轮机额定导叶漏水量。其中，额定水头是水轮机的固有技术参数，可以直接读取得到。

由上述实施例可知，该测量方法通过采用水轮机平压设施关闭时参考压力水头，基于此时进水口闸门前后基本处于平压状态，从而可以避免计算闸门漏水量，简化计算步骤，可快速得到水轮机额定导叶漏水量，提高了测试现场试验效率。

在上述实施例的基础上，该测量方法中的预设对应关系如下：

Q₀＝-Ab；

其中，Q₀为水轮机平压设施关闭时水轮机名义导叶漏水量；A为水轮机进水管道斜井段的水平截面面积或水轮机通气孔的面积；b为预设常数。

具体地，通过大量的实验数据，名义导叶漏水量Q可以通过下式确定：

Q＝-A(2at+b)；

其中，a、b均为预设常数；t为时间。当平压设施关闭时，即开始测量导叶漏水量，此时t＝0,通过简化可得到下式：

Q＝-Ab，

因此，根据自由水面的所在位置，当自由水面103位于进水管道斜井段107-2，测量装置则基于水轮机进水管道斜井段的水平截面面积与预设常数b，确定水轮机平压设施时水轮机名义导叶漏水量Q₀；如果自由水面103位于通气孔102内，测量装置则基于水轮机通气孔面积与预设常数b，确定水轮机平压设施关闭时水轮机名义导叶漏水量Q₀。基于水轮机名义导叶漏水量Q₀，参考压力水头及额定水头，即可确定该水轮机额定导叶漏水量。

本发明提供的水轮机额定导叶漏水量的测量方法，所用到的参数较少，可以减小误差，降低了计算错误的可能性；此外，本发明简化了计算模型，可以快速得到水轮机额定导叶漏水量，提高了测试现场试验效率。

在上述实施例的基础上，该测量方法中的预设常数b根据所述水轮机平压设施关闭后预设时间段内的压力数据通过下式拟合得到：

H＝at²+bt+c；

其中，H为导叶前后压力水头；t为时间；a和c为预设常数，通过上式拟合得到。

具体地，现有的导叶前后压力水头H随时间变化的模型为：

H＝at²+bt+c；

其中，H为导叶前后压力水头；t为时间；a、b和c为通过拟合上述模型得到的数值。

例如，在水轮机蜗壳及尾水管出口侧分别安装量程适宜的高精度压力传感器，用于实时采集水轮机进水管道内水体压力和尾水管道内水体压力，从而得到二者的压力差值数据。或者，通过差压计直接测量得到水轮机蜗壳进口处和尾水管出口处的压力差值数据。水轮机平压设施关闭后，进水口闸门与活动导叶间的水轮机进水管道(包括通气孔)为一个整体，该压力传感器或压差计采集蜗壳及尾水管出口处的预设时间段的压力数据，例如，采集水轮机平压设施关闭后的20s内的压力数据；测量装置根据该预设时间段的压力数据即可拟合得到预设常数b，即预设常数b可以根据采集到的、平压设施关闭后的压力数据拟合得到。本发明实施例提供的测量方法，仅用到计算参数b，因此在拟合上述模型时，只需采集水轮机平压设施关闭后的一短暂时间内的压力数据即可快速拟合得到预设常数b。

本发明提供的水轮机额定导叶漏水量的测量方法，通过采集水轮机平压设施关闭后的预设时间段内的压力数据，可快速拟合得到预设常数，而无需尽可能多地采集压力数据，从而可以节约时间，提高了测试现场试验效率。

图3为本发明实施例提供的导叶前后压力水头随时间变化的数据趋势图。如图3所示，该实施例中的导叶前后压力水头随时间变化的模型为：

H＝0.00034t²-0.16871t+39.35082；

即通过拟合得到预设常数b＝-0.16871。

在上述实施例各实施例的基础上，该测量方法中的所述基于所述参考压力水头及水轮机进水管道斜井段的水平截面面积或水轮机通气孔的面积，确定所述水轮机额定导叶漏水量，包括：

根据下式确定所述水轮机额定导叶漏水量：

其中，Q_r为水轮机额定导叶漏水量；Q₀为水轮机平压设施关闭时水轮机名义导叶漏水量；H_r为额定水头；H₀为参考压力水头。

具体地，当关闭水轮机平压设施后，测量装置基于平压设施关闭时水轮机进水管道内水体压力和尾水管道内水体压力的压力差值，通过换算得到参考压力水头；根据水轮机进水管道斜井段的水平截面面积或水轮机通气孔的面积及预设常数b，得到水轮机平压设施关闭时水轮机名义导叶漏水量；额定水头H_r可以通过水轮机的技术参数直接获得。因此通过上述模型，最终可得到水轮机在额定水头H_r下的水轮机额定导叶漏水量Q_r。

本发明实施例提供的测量方法，具有算法简单，计算参数少，有效提高了水轮发电机组导叶漏水量测试现场试验效率，并且经在多台水轮机的导叶漏水量试验中应用，取得了良好的效果。

例如，某水轮机额定水头H_r为39m，额定流量为243.77m³/s，该机组存在停机状态下蠕动情况，初步判断原因为导叶漏水量偏大引起，为了消除该问题，结合检修机会调整了活动导叶立面间隙及端面间隙，同时增大了接力器压紧行程，为了检验检修效果，现场开展了导叶漏水量试验。

采用通气孔法测量水轮机额定导叶漏水量，即自由水面此时位于通气孔内，基于通气孔的面积对额定导叶漏水量进行测量。通气孔面积A为1.27235m²。通过测量压力数据可以拟合出导叶前后压力水头H随时间t变化的模型：

H＝0.00034t²-0.16871t+39.35082

由上述导叶前后压力水头H随时间t变化的模型拟合得到预设常数b为-0.16871。试验开始时刻，即当关闭平压设施时，通过将压力传感器测量得到的压力差值经过换算得到相应的参考压力水头H₀为39.36m。

通过模型Q₀＝-Ab，得到水轮机平压设施关闭时水轮机名义导叶漏水量Q₀＝0.21466m³/s。

在t＝0时刻进水口闸门前后基本处于平压状态，因此闸门漏水量为零。因此在参考压力水头下，水轮机导叶漏水量为0.21466m³/s。

根据模型可以得到额定水头H_r＝39m下的额定导叶漏水量为0.21367m³/s。

图4为本发明实施例提供的水轮机额定导叶漏水量的测量装置的结构示意图。如图4所示，该测量装置包括：第一确定单元41及第二确定单元42。其中，第一确定单元41用于基于水轮机平压设施关闭时水轮机进水管道内水体压力与尾水管道内水体压力的压力差值，确定参考压力水头；第二确定单元42用于基于所述参考压力水头及水轮机进水管道斜井段的水平截面面积或水轮机通气孔的面积，确定所述水轮机额定导叶漏水量。

具体地，例如可在水轮机蜗壳及尾水管出口侧安装量程适宜的高精度压力传感器，用于测量水轮机进水管道内水体压力与尾水管道内水体压力，从而得到二者的压力差值；或者，通过差压计直接测量得到该压力差值；第一确定单元41根据该压力差值，通过换算得到参考压力水头，例如第一确定单元可以是微处理器，根据H＝P/(ρg)换算得到参考压力水头；其中P为压力值，ρ为水密度，g为重力加速度。第二确定单元42则基于该参考压力水头及水轮机进水管道斜井段的水平截面面积或水轮机通气孔的面积，确定水轮机额定导叶漏水量；例如第二确定单元可以是微处理器；其中，水轮机进水管道斜井段的水平截面面积或水轮机通气孔的面积可以通过测量并计算得到，也可根据水轮机的固有参数直接读取得到。需要说明的是，本发明实施例提供的测量装置是为了实现上述测量方法的，其功能具体可参考上述方法实施例，此处不再赘述。

在上述实施例的基础上，该测量装置的第二确定单元42具体用于：

基于所述水轮机进水管道斜井段的水平截面面积或水轮机通气孔的面积与水轮机平压设施关闭时水轮机名义导叶漏水量的预设对应关系，确定所述水轮机名义导叶漏水量。

根据所述参考压力水头、所述水轮机名义导叶漏水量和额定水头，确定所述水轮机额定导叶漏水量。

具体地，首先，第二确定单元42根据水轮机进水管道斜井段的水平截面面积或水轮机通气孔的面积与水轮机平压设施关闭时水轮机名义导叶漏水量的预设对应关系，确定得到水轮机名义导叶漏水量；然后，并根据第一确定单元41得到的参考压力水头及额定水头，确定得到水轮机额定导叶漏水量。需要说明的是，本发明实施例提供的测量装置是为了实现上述测量方法的，其功能具体可参考上述方法实施例，此处不再赘述。

进一步地，该测量装置的第二确定单元42具体用于：

根据下式确定所述水轮机名义导叶漏水量：

Q₀＝-Ab；

其中，Q₀为水轮机平压设施关闭时水轮机名义导叶漏水量；A为水轮机进水管道斜井段的水平截面面积或水轮机通气孔的面积；b为预设常数。

需要说明的是，本发明实施例提供的测量装置是为了实现上述测量方法的，其功能具体可参考上述方法实施例，此处不再赘述。

进一步地，该测量装置的第二确定单元42具体用于：

根据所述水轮机平压设施关闭后预设时间段内的压力数据通过下式拟合得到所述预设常数b：

H＝at²+bt+c；

其中，H为导叶前后压力水头；t为时间；a和c为预设常数，通过上式拟合得到。

在上述各实施例的基础上，该测量装置中的所述第二确定单元，具体用于：

根据下式确定所述水轮机额定导叶漏水量：

其中，Q_r为水轮机额定导叶漏水量；Q₀为水轮机平压设施关闭时水轮机名义导叶漏水量；H_r为额定水头；H₀为参考压力水头。

需要说明的是，本发明实施例提供的测量装置是为了实现上述测量方法的，其功能具体可参考上述方法实施例，此处不再赘述。

本发明提供的水轮机额定导叶漏水量的测量方法及测量装置，通过采用水轮机平压设施关闭时参考压力水头，减少了计算工作量；并且本发明所用到的参数较少，可以减小误差，降低了计算错误的可能性；本发明无需测量进水口闸门漏水量，测量时间短，不影响检修工期；此外，本发明简化了计算模型，可以快速得到水轮机额定导叶漏水量，提高了测试现场试验效率。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种水轮机额定导叶漏水量的测量方法，其特征在于，包括：

基于水轮机平压设施关闭时水轮机进水管道内水体压力与尾水管道内水体压力的压力差值，确定参考压力水头；

基于所述参考压力水头及水轮机进水管道斜井段的水平截面面积或水轮机通气孔的面积，确定所述水轮机额定导叶漏水量。

2.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，所述基于所述参考压力水头及水轮机进水管道斜井段的面积或水轮机通气孔的面积，确定所述水轮机额定导叶漏水量，包括：

基于所述水轮机进水管道斜井段的水平截面面积或水轮机通气孔的面积与水轮机平压设施关闭时水轮机名义导叶漏水量的预设对应关系，确定所述水轮机名义导叶漏水量。

根据所述参考压力水头、所述水轮机名义导叶漏水量和额定水头，确定所述水轮机额定导叶漏水量。

3.根据权利要求2所述的测量方法，其特征在于，所述预设对应关系如下：

Q₀＝-Ab；

其中，Q₀为水轮机平压设施关闭时水轮机名义导叶漏水量；A为水轮机进水管道斜井段的水平截面面积或水轮机通气孔的面积；b为预设常数。

4.根据权利要求3所述的测量方法，其特征在于，所述预设常数b根据所述水轮机平压设施关闭后预设时间段内的压力数据通过下式拟合得到：

H＝at²+bt+c；

其中，H为导叶前后压力水头；t为时间；a和c为预设常数，通过上式拟合得到。

5.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，所述基于所述参考压力水头及水轮机进水管道斜井段的水平截面面积或水轮机通气孔的面积，确定所述水轮机额定导叶漏水量，包括：

根据下式确定所述水轮机额定导叶漏水量：

<mrow> <msub> <mi>Q</mi> <mi>r</mi> </msub> <mo>=</mo> <msub> <mi>Q</mi> <mn>0</mn> </msub> <msqrt> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>H</mi> <mi>r</mi> </msub> <mo>/</mo> <msub> <mi>H</mi> <mn>0</mn> </msub> <mo>)</mo> </mrow> </msqrt> <mo>;</mo> </mrow>

其中，Q_r为水轮机额定导叶漏水量；Q₀为水轮机平压设施关闭时水轮机名义导叶漏水量；H_r为额定水头；H₀为参考压力水头。

6.一种水轮机额定导叶漏水量的测量装置，其特征在于，包括：

第一确定单元，用于基于水轮机平压设施关闭时水轮机进水管道内水体压力与尾水管道内水体压力的压力差值，确定参考压力水头；

第二确定单元，用于基于所述参考压力水头及水轮机进水管道斜井段的水平截面面积或水轮机通气孔的面积，确定所述水轮机额定导叶漏水量。

7.根据权利要求6所述的测量装置，其特征在于，所述第二确定单元具体用于：

基于所述水轮机进水管道斜井段的水平截面面积或水轮机通气孔的面积与水轮机平压设施关闭时水轮机名义导叶漏水量的预设对应关系，确定所述水轮机名义导叶漏水量。

根据所述参考压力水头、所述水轮机名义导叶漏水量和额定水头，确定所述水轮机额定导叶漏水量。

8.根据权利要求7所述的测量装置，其特征在于，所述第二确定单元具体用于：

根据下式确定所述水轮机名义导叶漏水量：

Q₀＝-Ab；

其中，Q₀为水轮机平压设施关闭时水轮机名义导叶漏水量；A为水轮机进水管道斜井段的水平截面面积或水轮机通气孔的面积；b为预设常数。

9.根据权利要求8所述的测量装置，其特征在于，所述第二确定单元具体用于：

根据所述水轮机平压设施关闭后预设时间段内的压力数据通过下式拟合得到所述预设常数b：

H＝at²+bt+c；

其中，H为导叶前后压力水头；t为时间；a和c为预设常数，通过上式拟合得到。

10.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述第二确定单元具体用于：

根据下式确定所述水轮机额定导叶漏水量：

<mrow> <msub> <mi>Q</mi> <mi>r</mi> </msub> <mo>=</mo> <msub> <mi>Q</mi> <mn>0</mn> </msub> <msqrt> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>H</mi> <mi>r</mi> </msub> <mo>/</mo> <msub> <mi>H</mi> <mn>0</mn> </msub> <mo>)</mo> </mrow> </msqrt> <mo>;</mo> </mrow>

其中，Q_r为水轮机额定导叶漏水量；Q₀为水轮机平压设施关闭时水轮机名义导叶漏水量；H_r为额定水头；H₀为参考压力水头。