Приложение А (обязательное). Методические указания по эксплуатационным энергетическим испытаниям гидроагрегатов

Приложение А
(обязательное)

Методические указания по эксплуатационным энергетическим испытаниям гидроагрегатов

В настоящем приложении установлены условия и порядок проведения эксплуатационных энергетических испытаний гидроагрегатов ГЭС абсолютным и индексным методами, применяемые средства измерений, а также порядок обработки и представления результатов испытаний. Настоящие требования распространяются на гидроагрегаты с гидротурбинами различных типов, мощности и геометрических размеров.

А.1 Общие положения

А.1.1 Основной целью натурных энергетических испытаний гидроагрегатов является уточнение энергетических характеристик, необходимых для наиболее экономичной эксплуатации гидроагрегатов. При поставке на ГЭС гидротурбинного оборудования энергетические характеристики выдают заводы-изготовители по результатам пересчета с характеристик модельной гидротурбины. Вследствие не учитываемых при расчете факторов, а также отклонений при изготовлении рабочих колес и проточной части гидротурбины фактические энергетические характеристики имеют отличия от пересчитанных с модельных и могут быть различны для отдельных гидроагрегатов той же ГЭС.

Эти различия в процессе эксплуатации могут увеличиваться вследствие неодинакового износа рабочих колес и проточной части и отклонений при восстановлении профилей лопастей при ремонтно-восстановительных работах.

Натурные энергетические испытания агрегатов могут производиться также:

- для определения эффективности модернизации и ремонтно-восстановительных работ на гидротурбинах;

- для определения ограничений максимальной мощности из-за возникновения кавитационных явлений при понижении уровня нижнего бьефа;

- для оптимизации комбинаторной связи поворотно-лопастных гидротурбин.

А.1.2 В результате испытаний можно получить следующие энергетические характеристики:

- рабочую зависимость КПД от мощности;

- расходную зависимость расхода воды через турбину от мощности;

- эксплуатационную зависимость КПД от мощности (или расхода воды) и напора;

- мощностную зависимость мощности от открытия регулирующих органов турбины.

А.1.3 В зависимости от целей испытаний может быть использован один из двух методов энергетических испытаний: абсолютный или индексный.

Абсолютный метод предусматривает определение фактических (абсолютных) значений КПД. При индексном методе определяется индексное или относительное значение КПД.

А.1.4 Известны несколько видов абсолютных методов испытаний, из которых наибольшее распространение получили метод "давление - время", метод "площадь - скорость" и термодинамический метод.

В отечественной практике испытаний гидротурбин, как правило, применяется метод "площадь - скорость". Это не исключает возможности освоения и применения других методов испытаний.

А.1.5 Метод "площадь - скорость" предусматривает измерение местных скоростей в мерном сечении. Интегрированием поля местных скоростей вычисляют среднюю скорость; ее значение умножают на площадь мерного сечения и таким образом определяют расход воды.

А.1.6 При испытаниях однотипных агрегатов в случае размещения мерного створа во входном сечении водоприемника гидротурбины может применяться упрощенный способ, представляющий собой модификацию метода "площадь - скорость". В этом случае средняя скорость определяется как среднеарифметическое значение скоростей, измеренных в отдельных точках сечения, умноженное на коэффициент коррекции, принимаемый единым для всех однотипных гидроагрегатов и определяемый по результатам испытаний одного из гидроагрегатов абсолютным методом.

А.1.7 Местные скорости измеряются гидрометрическими вертушками, которые могут быть установлены как в закрытом, так и в открытом водоводах. Для снижения погрешности измерений необходимо, чтобы поток в мерном створе удовлетворял требованиям по отсутствию в нем косоструйности, закручивания, несимметричности и повышенной турбулентности.

А.1.8 Сущность индексного метода испытаний заключается в определении условного или индексного КПД гидротурбины (гидроагрегата) путем измерения фактических значений мощности и напора и условной (относительной) величины расхода воды через гидротурбину. Вычисленный по результатам измерений КПД выражается в произвольно выбранных индексных величинах.

А.1.9 При индексном методе испытаний измеряется величина, пропорциональная фактическому расходу воды. Наибольшее распространение получил способ Винтера-Кеннеди, заключающийся в измерении перепада давления между двумя специально выбранными точками спиральной камеры турбины. При этом принимается, что расход пропорционален корню квадратному из значения перепада давления. Индексный метод не рекомендуется применять при расходах меньше половины номинального.

А.1.10 При измерении расхода по способу Винтера-Кеннеди требуется наличие двух пьезометрических выводов в одном и том же радиальном сечении спиральной камеры, расположенном между статорными колоннами. Один вывод размещается на внешнем радиусе спирали, другой - на внутреннем радиусе у статорных колонн (рисунок А.1, а и б). Для повышения надежности измерения перепада обычно размещают несколько пьезометрических выводов. Это позволяет произвести уточнение показателя степени в формуле (А.15), принимаемого обычно на нетарированном створе равным 0,5.

А.1.11 Испытания индексным методом могут быть применены самостоятельно или совместно с абсолютным методом. Применение абсолютного метода позволяет произвести тарировку расходомерного пьезометрического створа, в котором определяют индексный расход, и в последующем пересчитать индексный расход на фактический. Поэтому сочетание обоих методов весьма эффективно при неоднократных испытаниях гидроагрегата, например, в целях установления его эксплуатационной характеристики.

Индексные испытания на нетарированном расходомерном створе в сочетании с модельными испытаниями гидротурбины позволяют установить форму рабочей характеристики турбины и применяются в основном для выявления изменений КПД гидротурбины стечением времени вследствие износа рабочего колеса и проточной части, после проведения ее капитального ремонта, изменения высоты отсасывания и т.д., а также для определения оптимальной комбинаторной зависимости поворотно-лопастных гидротурбин.

а - в металлической спиральной камере ( = 45° - 90°;  =  130°;  = 0°  45°); б - в бетонной спиральной камере ( = 20° - 50°)

Рисунок А.1 - Схема расположения пьезометрических выводов 1 и 2

А.2 Организация испытаний

А.2.1 Подготовительные работы

А.2.1.1 На основании типовой технической программы (приложения Б, В, Г) должна быть составлена рабочая программа испытаний, в которой указываются:

- цель испытаний;

- объем подготовительных работ (подготовка аппаратуры, схем измерения, изготовление необходимых для испытаний приспособлений, оборудование постов наблюдений);

- режимы работы агрегатов;

- порядок производства измерений;

- данные о подготовке персонала к проведению испытаний (по производству измерений и выполнению мер безопасности);

- расчет времени, необходимого на проведение испытания, и время аварийной готовности агрегата.

Рабочую программу утверждает технический руководитель ГЭС по согласованию с заинтересованными организациями (завод - изготовитель турбины, проектная организация и др.).

А.2.1.2 В соответствии с программой испытаний и с учетом необходимости выполнения ряда подготовительных работ, требующих останова гидроагрегата, оперативный персонал ГЭС должен заблаговременно подать заявку в соответствующий диспетчерский центр.

А.2.1.3 При производстве испытаний абсолютным методом необходимо изготовить вертушечную раму. После установки вертушечной рамы в трубопроводе или перед опусканием ее в пазы водоприемника следует провести установку лопастных винтов вертушек и проверку их контактной системы.

А.2.1.4 При применении упрощенного способа испытаний нескольких гидроагрегатов должны быть соблюдены следующие условия:

- идентичность конструкции и одинаковые размеры входного сечения водоводов;

- фиксированное положение вертушек относительно потока;

- использование одних и тех же вертушек при испытании всех гидроагрегатов;

- одинаковые режимы работы соседних с испытуемым агрегатов.

Рама для упрощенного способа испытаний должна перекрыть все измерительное сечение водоприемника.

А.2.1.5 До проведения испытаний следует обмерить мерные сечения для вертушечных измерений расхода воды. Ширину прямоугольного входного сечения спиральной камеры следует измерять не менее чем на пяти горизонталях, находящихся на одинаковом расстоянии одна от другой, металлической рулеткой с миллиметровыми делениями при осушенном от воды входном сечении.

Высоту прямоугольных сечений следует измерять металлической рулеткой, штангой или тросом с грузом не менее чем на пяти вертикалях, равно отстоящих одна от другой. Если такой обмер невозможен, указанные размеры принимаются на основании строительной технической документации.

А.2.1.6 Площадь мерного сечения круглого напорного трубопровода необходимо вычислить по результатам измерений не менее чем на четырех диаметрах. Если разность между двумя измерениями оказывается более 0,5 %, число измерений следует удвоить. Диаметр трубопровода принимают равным среднему арифметическому значению этих измерений.

Погрешность измерения линейных размеров при определении площади мерного прямоугольного сечения не должна превышать 0,2 %, а круглого - 0,1 %.

А.2.1.7 Перед измерением уровней воды в бьефах должны быть проверены исправное состояние водомерных реек, правильность показаний дистанционных датчиков уровня. Значения отметок, от которых должен производиться отсчет уровней бьефов с помощью рулетки, должны быть определены нивелировкой или другими методами.

А.2.1.8 Все используемые во время испытаний отборы давления должны быть проверены и промыты водой. В необходимых случаях следует провести их продувку сжатым воздухом, а перед испытаниями провести ревизию состояния пьезометрических выводов в спиральной камере. Выводы и прилегающая к ним поверхность спиральной камеры должны быть очищены от наслоений ржавчины, грязи и заусенцев, пьезометрические отверстия должны быть откалиброваны сверлом диаметром 6 мм. После заполнения спиральной камеры водой все отборы давления должны быть промыты водой, изо всех трубок должен быть удален воздух и произведено подсоединение измерительных приборов.

А.2.1.9 На гидроагрегате, как правило остановленном, следует провести подключение ваттметра и счетчика активной энергии, а после пуска гидроагрегата необходимо проверить правильность их показаний по щитовым приборам. При последующих испытаниях следует подключать ваттметр к тем же трансформаторам, что и ранее.

А.2.1.10 После установки приборов и проверки их показаний руководитель испытаний должен произвести инструктаж всех участков испытаний, во время которого предупредить о необходимости выполнения мер безопасности, и проверить выполнение технических мероприятий в соответствии с требованиями ПТБ.

А.2.2 Порядок проведения испытаний

А.2.2.1 Руководитель испытаний непосредственно перед их началом должен согласовать с оператором ГЭС программу испытаний и уточнить все вопросы, связанные с режимами работы испытываемого гидроагрегата. В процессе испытаний необходимый режим работы гидроагрегата поддерживается строго стабильным в течение всего времени измерений.

А.2.2.2 Испытания всех типов гидротурбин проводят идентично. При этом на поворотно-лопастных гидротурбинах устанавливают комбинаторную связь, соответствующую напору, при котором проводятся испытания. При определении оптимальной комбинаторной зависимости комбинаторную связь разобщают.

Для предупреждения существенных изменений напора входе испытаний следует поддерживать постоянную нагрузку на ГЭС, для чего изменения нагрузки на испытуемом гидроагрегате следует компенсировать соответствующим изменением нагрузки на других агрегатах, по возможности наиболее удаленных от испытуемого.

А.2.2.3 При испытаниях следует устанавливать ряд режимов по нагрузке агрегата в пределах от 30-40 % до максимального значения, а при испытаниях абсолютным методом - от холостого хода. Изменение нагрузки производить ступенями через 5-7 %, в рабочей зоне нагрузок ступени должны быть меньше, чем в нерабочей зоне. Необходимую нагрузку агрегата следует устанавливать изменением положения регулирующих органов с помощью ограничителя открытия строго в направлении открытия от минимальной до максимальной нагрузок. В необходимых случаях, например для проверки наличия люфтов в регулирующих органах, следует произвести измерения при обратном ходе. При этом после установки максимальной нагрузки необходимо проводить снижение нагрузки ступенями при повороте рукоятки ограничителя открытия строго в сторону закрытия.

Для получения достаточно представительного ряда измерений следует задать не менее 10 значений нагрузки как для прямого, так и для обратного хода.

А.2.2.4 Выполнение измерений следует начинать через 2-3 мин. после установления нагрузки. При протяженном водоподводящем тракте время выдержки следует увеличить до 5-15 мин. Измерения производят в течение 1-2 мин. При этом определяют среднеинтервальное значение каждого измеряемого параметра.

А.2.2.5 Для исключения во время испытаний случайных неверных записей показаний приборов в процессе испытаний или сразу же по окончании всех измерений следует провести косвенный контроль достоверности полученных результатов. Для этого используют функциональные зависимости между измеряемыми параметрами h = f(P), h = f(S) или P = f(S), где S - ход штока сервомотора направляющего аппарата.

При отклонении измеренного значения в точке на величину, превышающую погрешность измерений, производятся повторные измерения при той же или близкой нагрузке. При этом сохраняется прежний порядок установки нагрузки.

А.3 Выполнение измерений

А.3.1 Напор

А.3.1.1 Напор гидроустановки ГЭС определяется разностью осредненных по сечению значений удельной энергии воды в верхнем и нижнем бьефах ГЭС (рисунок А.2, а):

,

(А.1)

где коэффициенты кинетической энергии и обычно принимаются равными единице, Z₀ и Z₂ - уровни воды в сечениях 0 и 2.

При измерении уровня в верхнем бьефе (ВБ) на некотором удалении от входа в водоприемник, где скоростной напор близок к нулю (сечение 0), и уровня в нижнем бьефе (НБ) на удалении от выхода из отсасывающей трубы (сечение 3), где уровень имеет максимальное значение, напор определяется выражением:

.

(А.2)

Напор гидротурбины в общем случае определяется напором ГЭС за вычетом потерь напора, т.е.:

.

(А.3)

Напор гидротурбины в низконапорных ГЭС может быть определен по измерениям уровней воды в сечениях 1 и 2 или 1 и 3 (рисунок А.2, а):

(А.4)

или

.

(А.4)

Для высоконапорных реактивных турбин напор турбины определяется выражением (рисунок А.2, б):

,

(А.5)

где - манометрическое давление с учетом отметки установки манометра.

а - для низконапорной реактивной турбины; б - для высоконапорной реактивной турбины; в - для ковшовой турбины

Рисунок А.2 - Схема определения напора

Напор ковшовой гидротурбины определяется выражением (рисунок А.2, в):

.

(А.5)

Для деривационных ГЭС, особенно с общим для нескольких агрегатов деривационным водоводом, необходимо определить напор блока, который равен напору ГЭС за вычетом потерь напора в деривации. Напор блока измеряется по уровню воды в напорном бассейне (при открытой деривации) или уравнительном резервуаре (при напорной деривации) с учетом скоростного напора в водоводе в точке измерения уровня.

А.3.1.2 Для измерения уровней в бьефах применяются водомерные рейки и дистанционные приборы пульта управления ГЭС. Рейки устанавливаются в каждом подводящем водоводе испытываемой гидротурбины. Нули реек должны быть привязаны нивелировкой к одному общему реперу ГЭС.

Для измерения уровней могут быть использованы штатные уровнемеры. В этом случае перед испытаниями они должны быть проверены в целях определения соответствия их показаний фактическим значениям уровней воды.

А.3.1.3 Для измерения давления в водоводах и проточном тракте турбин могут применяться пружинные манометры, пьезометры, дифференциальные манометры и грузопоршневые манометры.

Пружинные стрелочные манометры могут применяться для измерения давления в точках напорного тракта при отсутствии существенных пульсаций давления. Класс точности используемых приборов должен быть не ниже 0,6. Допустимо применять манометры более низкого класса точности с обязательной их проверкой по уровню верхнего бьефа на остановленном агрегате. Измеряемое давление должно находиться в диапазоне 0,5-0,8 предела измерения прибора.

При выборе мест для подключения приборов по измерению давления в водоводах необходимо придерживаться следующих рекомендаций:

- участок должен быть прямолинейным с гладкими стенками;

- неравномерность потока на данном участке должна быть минимальной;

- отбор давления следует проводить в точке на горизонтальной или вертикальной (вверху) оси водовода.

Для измерения среднего давления на входе в спиральную камеру турбины следует использовать осредняющие кольца с отверстиями, соединяющими несколько точек по окружности водовода.

Для повышения точности измерения давления при его колебаниях рекомендуется применять демпфирующие устройства, которые должны быть абсолютно симметричными, т.е. должны обладать одинаковым сопротивлением потоку в обоих направлениях.

Пьезометры для измерения давления (или разности давлений) должны выполняться с соблюдением следующих требований:

- трубки пьезометров должны иметь непрерывный подъем без петель и прогибов во избежание скопления воздуха;

- в верхней части пьезометрической системы должен быть предусмотрен клапан для выпуска скапливающегося в трубках воздуха;

- система пьезометрических измерений не должна иметь протечек.

При измерении давления с помощью дифференциального манометра одну его полость соединяют с пьезометрическим выводом испытываемой турбины, а другую - с аналогичным выводом соседней неработающей турбины. Для этой цели могут применяться как ртутные U-образные дифманометры, так и обратные U-образные водовоздушные дифманометры, а также электрические дифманометры.

Для точного измерения давления в напорных водоводах могут применяться грузопоршневые манометры МП-60. Возможны две схемы их подключения: непосредственного соединения с выводом или через дифманометр (рисунок А.3). Вторая схема соединений более предпочтительна при существенных пульсациях давления.

Рисунок А.3 - Схема соединения грузопоршневого манометра с дифманометром

А.3.2 Мощность

А.3.2.1 При энергетических испытаниях гидротурбин необходимо провести измерение мощности гидрогенератора, по которой при известном КПД генератора можно определить мощность на валу турбины.

А.3.2.2 Мощность трехфазных генераторов при возможной несимметричной нагрузке фаз может измеряться с помощью трех однофазных ваттметров. Однако более распространенной является схема измерения с помощью двух однофазных ваттметров (рисунок А.4), обеспечивающая измерение всей активной мощности трехфазной системы независимо от нагрузки фаз. Для измерения необходимы два трансформатора тока и два трансформатора напряжения, соединенные по схеме открытого треугольника. Трансформаторы должны иметь класс точности не ниже 0,5; ваттметры - 0,2. Измеренную мощность Р, Вт, определяют по формуле:

,

(А.6)

где и - коэффициенты трансформации трансформаторов тока и напряжения;

и - показания ваттметров;

n - цена деления шкалы приборов.

А.3.2.3 Для измерений может применяться трехфазный ваттметр, представляющий собой схему двух однофазных ваттметров с одной общей подвижной частью. Класс точности приборов должен быть 0,2-0,5.

Для обеспечения необходимой точности измерений необходимо следить за тем, чтобы нагрузка измерительных трансформаторов не превышала номинального значения для данного класса.

Рисунок А.4 - Схема измерения активной мощности в трехфазных цепях двумя однофазными ваттметрами

А.3.2.4 Для определения среднеинтервального значения мощности могут быть использованы трехфазные счетчики активной энергии класса точности 0,5-1,0. При этом подсчитывают количество оборотов диска за единицу времени (с), которое умножают на постоянную счетчика и коэффициенты трансформации трансформаторов тока и напряжения. При использовании электронных цифровых счетчиков приращение выработки электроэнергии определяют непосредственно по цифровому указателю.

А.3.3 Перепад давления в спиральной камере

А.3.3.1 Измерение перепада давления проводят с помощью дифманометров различных типов. При больших перепадах давления (более 3 м вод. ст.) следует применять U-образные ртутные дифманометры (рисунок А.5, а). Разность давлений Р, м вод. ст., вычисляют по формуле:

,

(А.7)

где и - плотность воды и ртути.

А.3.3.2 При перепадах давления менее 3 м вод. ст. следует применять обратные U-образные водовоздушные дифманометры (рисунок А.5, б), выполненные из калиброванных стеклянных трубок, соединенных резиновыми шлангами. Воду из верхней части трубок следует отжимать сжатым воздухом из пневмосистемы низкого давления или с помощью насоса.

При использовании водовоздушных дифманометров для измерения больших перепадов давления (5-10 м вод. ст.) целесообразно применять чашечный дифманометр (рисунок А.6). Одно колено в нем выполнено из тонкой стеклянной трубки (диаметром 10-12 мм), а другое содержит металлический сосуд (чашу), уровень воды в котором определяют с помощью стеклянной трубки. Площадь сосуда в 100 и более раз больше площади поперечного сечения трубки. Воду из верхней части сосуда с помощью сжатого воздуха отжимают таким образом, чтобы при равных давлениях в коленах уровень воды находился в средней части сосуда. С повышением расхода воды уровень воды изменяется практически только в стеклянной трубке.

a - обратный U-образный водовоздушный дифманометр; б - U-образный ртутный дифманометр

Рисунок А.5 - Схема измерения перепада давления в спиральных камерах турбин с помощью дифманометров

Рисунок А.6 - Чашечный дифманометр

А.3.3.3 Для измерения перепада давления могут быть также использованы электрические дифманометры класса точности 0,5-1,0 в сочетании со стрелочным или регистрирующим миллиамперметром класса точности 0,5. Регистрация позволяет упростить отсчет показаний и повысить точность измерений малых перепадов давления.

А.3.4 Расход воды

А.3.4.1 Определение расхода воды на ГЭС проводят методом "площадь - скорость" по измерениям местных скоростей с помощью гидрометрических вертушек.

На низконапорных ГЭС мерное сечение располагают обычно во входном сечении водоприемника турбинного водовода, на средне- и высоконапорных ГЭС - преимущественно в напорных трубопроводах.

А.3.4.2 При измерениях расхода воды в водоприемнике прямоугольного сечения мерный створ должен быть замкнутым и должен удовлетворять основным требованиям гидрометрии. Поток, проходящий через это сечение, должен быть прямолинейным и иметь направление скоростей, перпендикулярное сечению, при минимальной пульсации скорости.

1 - стеклянные трубки; 2 - металлические трубки; 3 - шкала

Рисунок А.7 - Схема дифманометра с трубами большого диаметра

А.3.4.3 Гидрометрические вертушки должны быть расположены в мерном створе таким образом, чтобы направление потока, натекающего на вертушку, не превышало 10°. Практически у порога и на верхних горизонталях углы натекания могут составлять более 10°, поэтому следует применять компонентные вертушки (ГР-21, ГР-55, ГР-99).

А.3.4.4 Для обеспечения достаточно точного измерения расхода воды через турбину необходимо определенное насыщение мерного створа гидрометрическими вертушками. Количество точек измерения в прямоугольном створе определяют из соотношения:

,

(А.8)

где F - площадь сечения, м²;

М - количество вертушек, равное количеству точек измерения.

Весь мерный створ разбивают вертикальными и горизонтальными линиями, пересечение которых определяет положение точек измерения. Крайние вертикали и горизонтали выбирают как можно ближе к стенкам водоприемника. Пример расположения измерительных точек в мерных сечениях приведен на рисунке А.8.

При упрощенном способе испытаний количество точек измерения выбирают в четыре-пять раз меньше, чем указано на рисунке А.8. Вертушки размещают равномерно по измерительному сечению.

А.3.4.5 При измерении скоростей в водоприемниках вертушки устанавливают на горизонтальной сварной раме. Рама может быть однорядной (рисунок А.9) или многорядной. Рама должна быть достаточно прочной и обтекаемой.

А.3.4.6 Рекомендуется применять точечный способ измерений, когда при каждом режиме работы турбины предусматривается последовательная установка рамы и измерение скоростей на отдельных горизонталях в пределах полной высоты мерного створа. Допускается применять и интегральный способ измерений.

Рисунок А.8 - Пример расположения мерных точек в сечении водовода турбины

Рисунок А.9 - Однорядная вертушечная рама

А.3.4.7 Для перемещения вертушечных рам используют подъемные краны ГЭС или электрические лебедки. Требуемые положения рамы должны быть заранее размечены по тросу или электрическому кабелю, связывающему вертушки с регистрирующим устройством. В качестве последнего могут применяться хронографы, шлейфовые осциллографы или специальные счетчики импульсов.

А.3.4.8 При измерении расхода воды в напорных трубопроводах круглого сечения мерный створ выбирают на прямых участках трубопровода, где измеряемые скорости находятся в пределах рабочего диапазона гидрометрических вертушек. Длина прямого участка вверх по потоку должна быть не менее 20 диаметров, а длина между мерным створом и местным сопротивлением, расположенным ниже по потоку, должна быть не менее 5 диаметров.

А.3.4.9 В круглом сечении минимальное число точек измерений должно быть 13. Точки должны быть расположены на пересечении двух взаимно перпендикулярных диаметров, проведенных под углом 45° к горизонтали. На каждом радиусе берут не менее трех точек, не считая контрольной, расположенной в центре трубопровода.

Крайние точки располагают как можно ближе к стенкам трубопровода, однако расстояние между стенкой и осью вертушки не должно быть менее 0,75 диаметра ротора вертушки. Количество точек (М) на одном радиусе определяются из соотношения:

,

(А.9)

где R - радиус трубопровода.

На рисунке А.10 показано расположение точек измерений с установкой в мерном створе круглого трубопровода вертушек ГР-55 и ГР-21 в зависимости от числа точек измерений на радиусе. В таблице А.1 приведены относительные длины радиусов измерительных окружностей при числе точек измерений на радиусе от 3 до 8. (Здесь r_м - радиус измерительной окружности вертушки, ближайшей к стенке трубопровода.)

Рисунок А.10 - Схема расположения вертушек в круглом трубопроводе

А.3.4.10 Местные скорости потока можно измерять параллельным и интеграционным способами.

При параллельном способе измерений в мерном створе устанавливают стационарную раму с гидрометрическими вертушками. В зависимости от диаметра трубопровода стационарная рама может состоять из двух или трех штанг. В качестве примера на рисунке А.11 показана стационарная рама из двух штанг.

При интеграционном способе непосредственно измеряют средние скорости на окружностях круглого сечения. Для этого применяют поворотную раму. Приводом рамы должен быть электродвигатель, который через редуктор поворачивает раму на один оборот.

А.3.4.11 Для исключения влияния пульсаций скорости на точность измерения продолжительность измерения местной скорости должна быть не менее 100 с.

Для точного отсчета временных интервалов на регистратор должны быть заведены сигналы отметчиков времени. Погрешность определения заданного интервала не должна превышать 0,2 %.

А.3.5 Положение регулирующих органов турбины

А.3.5.1 Измерение открытия направляющего аппарата и угла разворота лопастей поворотно-лопастных гидротурбин необходимо проводить по шкалам сервомоторов. При этом используют тарировочные зависимости указанных параметров отхода штока сервомотора направляющего аппарата и от указателя угла на маслоприемнике после монтажа оборудования или окончания капитального ремонта при осушенном проточном тракте турбины.

А.3.5.2 Для повышения точности отсчета к штатной шкале указателей рекомендуется поставить миллиметровую линейку или наклеить на шкалу миллиметровую бумагу. Целесообразно одновременно производить измерения открытий регулирующих органов по указателям на колонке регулятора частоты вращения.

Рисунок А.11 - Стационарная батарея

А.4 Обработка материалов испытаний

А.4.1 Вычисление расхода воды

А.4.1.1 Расход воды вычисляется как произведение средней скорости потока на площадь поперечного сечения мерного створа. При этом принимают направление скорости перпендикулярно плоскости сечения. Среднюю скорость вычисляют интегрированием поля местных скоростей, заданного в виде эпюры скоростей в сечении потока. В практике измерения расходов воды на ГЭС наибольшее применение нашел метод графоаналитического интегрирования поля местных скоростей, являющийся разновидностью метода графического интегрирования. Ниже приведена последовательность вычисления расхода воды указанным методом.

Значение местной скорости в каждой точке измерения определяют по частоте вращения вертушечной лопасти, определяемой по числу замыканий контактов вертушки в единицу времени. По частоте вращения, пользуясь градуировочной характеристикой вертушки, определяют значение скоростей в каждой точке измерения.

А.4.1.2 Вычисление расхода воды в водоводах прямоугольного сечения выполняется следующим образом.

Для каждой измерительной горизонтали строят эпюру скоростей как зависимость скорости от расстояния до стенки водовода (рисунок А.13) и подсчитывается площадь эпюры. Она состоит из двух частей, одна из которых заключена между двумя крайними измеренными скоростями, а другая образована пристеночными зонами между стенкой и крайней измеренной скоростью. Площадь пристеночных зон (S 41 0) с двух сторон измерительной горизонтали вычисляют по приближенной формуле:

,

(А.10)

где m - коэффициент, определяемый экспериментально в соответствии с ГОСТ 9.439. При отсутствии экспериментальных данных можно принимать m = 7;

- местная скорость в крайних точках измерительной горизонтали на расстоянии у от ближайшей стенки. Площадь остальной части эпюры может быть определена графически планиметром или графоаналитическим методом.

Средняя скорость на горизонтали V, м/с, определяется выражением:

,

(A.11)

где и - площади пристеночных зон.

ГАРАНТ:

Нумерация рисунков приводится в соответствии с источником

Рисунок А.13 - Эпюры скоростей в мерном створе прямоугольного сечения

Строят график зависимости V от высоты измерительного сечения (см. рисунок А.13). Площадь эпюры S₄ между крайними горизонталями определяют графоаналитическим методом, а площади пристеночных зон вычисляют по формуле:

,

(А.12)

где - средняя скорость на крайних горизонталях.

Средняя в сечении скорость V_ср, м/с, определяется выражением:

.

(А.13)

Расход воды численно равен произведению средней скорости на площадь сечения мерного створа.

А.4.1.3 При вычислении расхода воды в круглом трубопроводе средняя скорость потока V_cp, м/с, определяется суммой двух интегралов:

,

(А.14)

где - радиус окружности, на которой расположены точки измерения, ближайшие к стенке (рисунок А.14, а);

- средняя скорость на окружности радиусом r.

Средние скорости V на измерительных окружностях вычисляют как среднеарифметическое местных скоростей, определенных на каждой окружности.

Строят график зависимости V от (r/R)² от r = 0 до r = r_м (рисунок А.14, б). Площадь полученной эпюры определяют методом трапеций. Так, при установке трех вертушек на радиусе площадь эпюры до крайней измеренной точки будет равна:

,

где ; ; .

а - схема расположения измерительных окружностей; б - кривая зависимости от (r/R)²

Рисунок А.14 - Графики для определения расхода воды в круглом трубопроводе

Площадь эпюры S₂ в пристеночной зоне вычисляется по приближенной зависимости:

(А.15)

где m - коэффициент, определяемый экспериментально (m = 4 - 10); при отсутствии экспериментальных данных рекомендуется принимать m = 7;

- средняя скорость в ближайшей к стенке точке измерения.

Средняя скорость потока численно равна сумме площадей S₁ и S₂, а расход - произведению средней скорости на площадь поперечного сечения трубопровода.

А.4.1.4 Для вычисления расхода воды при упрощенном способе испытаний обязательно должен быть испытан агрегат с протарированным створом спиральной камеры. По результатам испытаний с одновременным измерением скоростей потока и перепада давления производят вычисление расхода воды в соответствии с выражением (А.15) и среднеарифметического значения скорости (V):

,

(А.16)

где - скорость в i точке измерения; М - число точек измерения.

А.4.1.5 Делением расхода воды на площадь мерного сечения вычисляют среднюю скорость v_cp, м/с, и определяют коэффициент коррекции :

.

(А.16)

Полученное значение распространяется на все агрегаты, и расход воды определяется выражением:

,

(А.16)

где F - площадь мерного сечения, м².

А.4.2 Определение параметров тарировочного уравнения расходомерного створа спиральной камеры

А.4.2.1 Связь между расходом воды и перепадом давления в спиральной камере определяется тарировочным уравнением расходомерного створа:

,

(А.17)

где К - тарировочный коэффициент;

n - показатель степени.

А.4.2.2 Определение численных значений параметров тарировочного уравнения производят по результатам одновременных измерений расходов воды и перепада давления. Для проверки постоянства параметров уравнения в диапазоне измерения расходов строят зависимость lgQ = f(lgh) (рисунок А.15), представляющую прямую линию. Точки, отклоняющиеся от прямой за пределы зоны погрешностей, должны быть исключены из дальнейшей обработки (например, точки 1 и 2 на рисунке А.15). При отсутствии разброса точек от прямой значения К и n могут быть определены непосредственно из графика.

;

.

(А.18)

Рисунок А.15 - Тарировочная характеристика расходомерного створа спиральной камеры в логарифмических координатах

,

.

(А.19)

где М - число измерений.

А.4.3 Вычисление напоров

А.4.3.1 Напор гидроустановки (напор - брутто) вычисляется как разность уровней верхнего и нижнего бьефов, и только в тех случаях, когда измерение нижнего бьефа производится непосредственно на выходе из отсасывающей трубы испытуемого агрегата, учитывается скоростной напор по формуле (А.1).

А.4.3.2 Для определения напора турбины (напор - нетто) во всех случаях рекомендуется пользоваться формулой (А.3), предварительно определив зависимость потерь напора от расхода воды. Потери напора для низконапорных турбин (см. рисунок А.2, а) определяются зависимостью:

,

(А.20)

а для высоконапорных турбин (см. рисунок А.2, б) - зависимостью:

.

(А.20)

Вычисленные значения потерь напора наносят на график в поле координат H_w - Q, по которым проводится параболическая кривая H_w = С  Q² (рисунок А.16). Значение коэффициента С определяется по методу наименьших квадратов выражением:

.

(А.21)

Рисунок А.16 - График зависимости потерь напора в турбинном водоводе от расхода воды

А.4.4 Порядок построения основных энергетических характеристик при абсолютном методе испытаний

А.4.4.1 Для окончательного расчета энергетических характеристик должны быть использованы тщательно проверенные результаты измерений, приведенные к постоянному напору и номинальному значению частоты вращения. При отклонении частоты вращения гидроагрегата от номинального значения более чем на 0,5 % производят пересчет измеренного значения напора по формуле:

,

(А.22)

где индекс "ч" относится к измеренным значениям частоты и напора, а индекс "п" - к номинальному значению частоты и приведенному к ней напору.

.

(А.23)

При отклонениях напора от среднего или заданного значений в пределах  3 % выполняют пересчет измеренных значений мощности и расхода воды по формулам подобия:

,

(А.24)

,

(А.24)

где , - расход и мощность, приведенные к постоянному напору Н_пр.

А.4.4.2 После внесения необходимых корректировок измеренных значений расхода и мощности строят контрольные графики зависимости расхода и мощности от открытия направляющего аппарата. Для дальнейших расчетов оставляют точки, не выходящие за пределы зоны максимальных погрешностей измерений.

По указанным точкам выполняют построение расходной характеристики гидроагрегата для постоянного напора ГЭС или напора гидроагрегатного блока (для деривационных ГЭС с общим для нескольких агрегатов деривационным водоводом) (рисунок А.17).

Рисунок А.17 - Расходная характеристика гидроагрегата (1) и турбины (2)

Коэффициент полезного действия гидротурбинного блока () вычисляют по формуле:

.

(A.25)

Для деривационных ГЭС с общим для нескольких агрегатов водоводом вместо напора Н_г для расчетов используют напор Н_бл, КПД гидроагрегата () вычисляют по аналогичной формуле:

.

(А.25)

Для представления рабочей характеристики гидроагрегата и турбины при постоянном напоре турбины расход и мощность должны быть приведены к этому напору по формулам (5.14) и (5.14).

Для определения характеристик турбины необходимо знать зависимость КПД генератора () от мощности для cos , при котором выполнены испытания. Указанная зависимость принимается либо по данным натурных испытаний, либо при отсутствии таковых по гарантиям завода - изготовителя генератора.

Вычисляют значения КПД и мощности гидротурбины:

;

(А.26)

.

(А.27)

По вычисленным значениям выполняют построение рабочих характеристик блока, агрегата