ПНСТ 47-2015 Турбины гидравлические, аккумулирующие насосы и турбонасосы. Приемочные испытания на модели

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО

ПО ТЕХНИЧЕСКОМУ РЕГУЛИРОВАНИЮ И МЕТРОЛОГИИ

ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ СТАНДАРТ

ТУРБИНЫ ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ, АККУМУЛИРУЮЩИЕ НАСОСЫ И ТУРБОНАСОСЫ

Приемочные испытания на модели

IEC 60193:1999

Hydraulic turbines, storage pumps and pump-turbines Model acceptance tests

(IDT))

Издание официальное

Москва Стандартинформ 2016

Предисловие

• 1 ПОДГОТОВЛЕН Федеральным государственным унитарным предприятием «Всероссийский научно-исследовательский институт стандартизации и сертификации в машиностроении» (ВНИИНМАШ) и Открытым акционерным обществом «Научно-исследовательский институт энергетических сооружений» (ОАО «НИИЭС») на основе собственного аутентичного перевода на русский язык международного стандарта, указанного в пункте 4

• 2 ВНЕСЕН Техническим комитетом по стандартизации ТК 330 «Процессы, оборудование и энергетические системы на основе возобновляемых источников энергии»

• 3 УТВЕРЖДЕН И ВВЕДЕН В ДЕЙСТВИЕ Приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 23 июня 2015 г. № 22-пнст

• 4 Настоящий стандарт идентичен международному стандарту МЭИ 60193(1999) «Гидравлические турбины, аккумулирующие насосы и турбонасосы. Приемочные испытания на модели» (IEC 60193:1999 «Hydraulic turbines, storage pumps and pump-turbines. Model acceptance tests»).

При применении настоящего стандарта рекомендуется использовать вместо ссылочных международных стандартов соответствующие им национальные стандарты Российской Федерации, сведения о которых приведены в дополнительном приложении ДА

• 5 ВВЕДЕН ВПЕРВЫЕ

Правила применения настоящего стандарта и проведения его мониторинга установлены в РОСТР 1.16-2011 (разделы 5 и 6).

Федеральное агентство по техническому регулированию и метрологии собирает сведения о практическом применении настоящего стандарта. Данные сведения, а также замечания и предложения по содержанию стандарта можно направить не позднее чем за девять месяцев до истечения срока его действия разработчику настоящего стандарта по адресу: 123007, г. Москва, ул. Шеногина. д. 4 ив Федеральное агентство по техническому регулированию и метрологии по адресу: Ленинский проспект, д. 9, Москва В-49, ГСП-1, 119991.

В случае отмены настоящего стандарта соответствующее уведомление будет опубликовано в ежемесячно издаваемом информационном указателе «Национальные стандарты» и журнале «Вестник технического регулирования». Уведомление будет размещено также на официальном сайте Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии в сети Интернет (gost.ru)

© Стандартинформ, 2016

Настоящий стандарт не может быть воспроизведен, тиражирован и распространен в качестве официального издания без разрешения Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии

Содержание

• 1 Общие правила

  • 1.1 Область применения и объекты

  • 1.2 Нормативные ссылки

  • 1.3 Термины, определения, обозначения и единицы измерений

  • 1.4 Характер и степень гарантий, связанных с гидравлической производительностью

• 2 Проведение испытаний

  • 2.1 Требования к испытательной установке и модели

  • 2.2 Проверка габаритов модели и опытного образца натурной машины

  • 2.3 Гидравлическое подобие, условия и порядок проведения испытаний

  • 2.4 Введение в методы измерений

  • 2.5 Физические свойства

• 3 Основные гидравлические характеристики. Методы измерения и результаты

  • 3.1 Снятие/зались и обработка данных

  • 3.2 Измерение расхода

  • 3.3 Измерение давления

  • 3.4 Измерение уровня свободной поверхности воды

  • 3.5 Определение Е и NPSE

  • 3.6 Измерение крутящего момента вала

  • 3.7 Измерение скорости вращения

  • 3.8 Обработка результатов испытаний

  • 3.9 Анализ ошибок

  • 3.10 Сравнение с гарантиями

• 4 Дополнительные данные о работе оборудования. Методы измерений и результаты

  • 4.1 Введение в измерение дополнительных данных

  • 4.2 Получение и накопление данных для измерения пульсирующих параметров

  • 4.3 Пульсации давления

  • 4.4 Пульсации крутящего момента вала

  • 4.5 Осевое и радиальное усилие

  • 4.6 Гидравлические нагрузки на испытываемые компоненты

  • 4.7 Испытание в расширенном операционном диапазоне

  • 4.8 Измерение дифференциального давления 8 пошаговых испытаниях опытного образца натурной машины

Приложение А (справочное) Безразмерные величины

Приложение В (справочное) Физические величины

Приложение С (справочное) Вывод уравнения для удельной гидравлической энергии турбины

Приложение D (справочное) Влияние плотности воды р^ на измерения и калибровку

Приложение Е (справочное) Порядок проведения испытаний и расчетов

Приложение F (обязательное) Масштабирование КПД (гидравлической эффективности)

реактивных машин

Приложение G (обязательное) Вычисление угонных характеристик опытного образца

натурной машины с учетом трения и вентиляционных потерь агрегата

Приложение Н (справочное) Пример определения оптимально плавной кривой:

метод отдельных сегментов

in

Приложение J (справочное) Примеры анализа источников ошибки и оценки погрешности

Приложение К (обязательное) Масштабированная эффективность для ковшовых турбин Пелтона

Приложение L (обязательное) Анализ случайной погрешности для испытания

при постоянных рабочих условиях

Приложение М (обязательное) Расчет числа Тома для станции а_р,

Приложение N (справочное) Детальная блок-диаграмма удельной гидравлической энергии, расхода и мощности

Приложение Р (справочное) Библиография

Приложение ДА (справочное) Сведения о соответствии ссылочных международных стандартов

национальным стандартам Российской Федерации и действующим в этом качестве межгосударственным стандартам

ПНСТ 47-2015 МЭК 60193(1999) ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ СТАНДАРТ

ТУРБИНЫ ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ, АККУМУЛИРУЮЩИЕ НАСОСЫ И ТУРБОНАСОСЫ

Приемочные испытания на модели

Hydraulic turbines, storage pumps and pump-turbines. Model acceptance tests

Срок действия — с 2016—07—01 по 2019—07—01

• 1 Общие правила

  • 1.1 Область применения и объекты

    • 1.1.2 Область применения

Настоящий стандарт применяется для лабораторных испытаний моделей любого типа активных или реактивных гидравлических турбин, насосов или насос-турбин.

Настоящий стандарт распространяется на модели машин с единичной мощностью более 5 МВт или диаметром более 3 м. Описанные в стандарте процедуры для машин с меньшей мощностью и меньшими габаритами обычно не применяются, однако по договоренности меоду покупателем и поставщиком им можно пользоваться и в этом случае.

В настоящем стандарте термин «турбина» включает насос-турбину, работающую в турбинном режиме, а термин «насос» включает насос-турбину, работающую в насосном режиме.

Настоящий стандарт не рассматривает вопросы коммерческого характера, за исключением тех, которые неразрывно связаны с проведением испытаний. Настоящий стандарт не рассматривает отдельные детали, механические свойства компонентов машин, если они не влияют на производительность модели, или соотношение производительности модельной и натурной машин.

• 1.1.3 Объекты

Настоящий стандарт содержит классификацию приемочных испытаний модели гидравлических турбин, насосов и насос-турбин, которые должны подтвердить соответствие основных гидравлических характеристик договорным условиям.

Настоящий стандарт также содержит правила проведения испытаний в случаях, если любая из фаз испытаний оспаривается сторонами договора.

Основными задачами стандарта являются:

• - определение используемых терминов и понятий;

• - описание методов испытаний и измерений в зависимости от вида гидравлических моделей;

• - описание методов численной обработки результатов и сравнения их с гарантиями (договорными условиями);

• - определение гарантий, на которые распространяется данный стандарт;

• - определение формы, содержания и структуры заключительного отчета о проведении испытаний. Гарантии могут быть предоставлены одним из следующих способов:

• - гарантии производительности опытных образцов натурной машины, рассчитанные по результатам испытаний модели с учетом масштабного эффекта;

• - гарантии производительности модели турбины.

Дополнительные данные о производительности турбин могут быть использованы при проектировании или эксплуатации натурных гидравлических машин только в качестве рекомендации или инструкции для пользователя (4.1).

Приемочные испытания модели рекомендуется проводить в том случае, если условия проведения приемочных испытаний не позволяют проверить договорные гарантии параметров опытных образцов натурной машины.

Стандарт может применяться для проведения испытаний модели и для других целей, например, для сравнительных испытаний или научно-исследовательских работ.

Издание официальное

В случае противоречия между настоящим стандартом и любым другим стандартом, предпочтение отдается положениям настоящего стандарта.

• 1.2 Нормативные ссылки

В настоящем стандарте использованы нормативные ссылки на следующие стандарты:

МЭИ 60041:1991 Турбины гидравлические, гидроагрегаты ГАЭС и турбонасосы. Полевые приемочные испытания для определения пропускной способности (IEC 60041:1991, Field acceptance test to determine the hydraulic performance of hydraulic turbines, storage pumps and pump-turbines)

МЭК 60609:1978¹ (IEC 60609:1978, Cavitation pitting evaluation in hydraulic turbines, storage pumps and pump turbines)

МЭК 60609-2:1997²» Турбины гидравлические, гидроагрегаты ГАЭС и турбонасосы. Оценка кавитационного питтинга. Часть 2. Оценка в турбинах Пелтона (IEC 60609-2:1997, Cavitation pitting evaluation in hydraulic turbines, storage pumps and pump-turbines - Pad 2: Evaluation in Pelton turbines)

МЭК 61366² Гидротурбины, гидроагрегаты ГАЭС и турбонасосы. Тендерные документы (все части) (IEC 61366 (all parts), Hydraulic turbines storage pumps and pump-turbines - Tendering Documents)

МЭК 60994:1991 Машины гидравлические (турбины, аккумуляционные насосы и турбонасосы). Руководство по эксплуатационным измерениям вибраций и пульсаций (IEC 60994:1991, Guide for field measurement of vibrations and pulsations in hydraulic machines (turbines, storage pumps and pump-turbines))

МЭК 61364:1999 Гидроэлектростанции. Номенклатура машинного оборудования (IEC 61364:1999, Nomenclature of hydraulic machinery)

ИСО 31-12:1992^{3 4 5} Величины и единицы измерения. Часть 12. Характеристические числа (критерии подобия) (ISO 31-12:1992, Quantities and units - Pad 12: Characteristic numbers)

ИСО 468:1982^4J Шероховатость поверхности. Параметры, их значения и общие правила установления технических требований (ISO 468:1982, Surface roughness - Parameters, their values and general rules for specifying Requirements)

ИСО 1438-1:1980^s) Измерение потока воды в открытых каналах с помощью водосливов и лотков Вентури. Часть 1. Тонкостенные водосливы (ISO 1438-1:1980, Waterflow measurement in open channels using weirs and Venturi flumes - Part 1: Thin-plate weirs)

ИСО 2186:1973 Измерение расхода жидкости в закрытых каналах. Соединения для передачи сигнала давления между первичным и вторичным элементами (ISO 2186:1973, Fluid flow in closed conduits - Connections for pressure signal transmissions between primary and secondary elements)

ИСО 2533:1975 Атмосфера стандартная. (От минус 2 до 32 км идентична стандартным атмосферам ИКАО и ВМО) (ISO 2533:1975, Standard atmosphere)

ИСО 4006:1991 Измерение потока текучей среды в закрытых каналах. Словарь и условные обозначения (ISO 4006:1991, Measurement of fluid flow in closed conduits - Vocabulary and symbols)

ИСО 4185:1980 Измерение потока жидкости 8 закрытых каналах. Метод взвешивания (ISO 4185:1980. Measurement of liquid flow in closed conduits - Weighing method)

ИСО 4373:1995 Гидрометрия. Приборы для измерения уровня воды (ISO 4373:1995, Measurement of liquid flow in open channels - Water level measuring devices)

ИСО 5167-1:1991 Измерение потока текучей среды с помощью устройств для измерения перепада давления, помещенных в заполненные трубопроводы круглого сечения. Часть 1. Общие принципы и требования (ISO 5167-1:1991, Measurement of fluid flow by means of pressure differential devices - Pari 1 :Orifice plates, nozzles and Venturi tubes inserfed in circular cross-section conduits running full)

ИСО 5168:1978 Измерение потока текучей среды. Методы оценки неопределенностей (ISO 5168:1978, Measurement of fluid flow - Estimation of uncertainty of a flow-rate measurement)

ИСО 6817:1992 Измерение потока электропроводящей жидкости в закрытых каналах. Метод с применением электромагнитных расходомер (ISO 6817:1992, Measurement of conductive liquid flow in closed conduits - Method using electromagnetic flow meters)

ИСО 7066-2:1988¹> Оценка погрешности при калибровании и использовании приборов для измерения потока. Часть 2. Нелинейные калибровочные зависимости (ISO 7066-2:1988, Assessment of uncertainty in the calibration and use of flow measurement devices - Part 2: Non-linear calibration relationships)

ИСО 7066-1:1997²>- ³> (ISO 7066-1:1997, Assessment of uncertainty in the calibration and use of flow measurement devices - Part 1: Linear calibration relationship)

ИСО 8316:1987 Измерение потока жидкости в закрытых каналах. Метод сбора жидкости 8 мерных резервуарах (ISO 8316: 1987, Measurement of liquid flow in closed conduits - Method by collection of the liquid in a volumetric tank)

ИСО 9104:1991 Измерение потока текучей среды в закрытых каналах. Методы оценки рабочих характеристик электромагнитных расходомеров для жидкостей (ISO 9104:1991, Measurement of fluid flow in closed conduits - Methods of evaluating the performance of electromagnetic flow-meters for liquids)

ИСО31-3⁴* Величины и единицы. Часть 3. Механика (ISO 31-3, Quantities and units. Part 3. Mechanics VIM:1993, International vocabulary of basic and general terms in metrology (BIPM-IEC-ISO-OIML)

• 1.3 Термины, опредепения, обозначения и единицы измерений

• 1.3.1 Общие термины

В настоящем стандарте применены следующие общие термины с соответствующими определениями:

• 1.3.1.1 режимная точка (А): Наборов параметров, характеризующих один эксплуатационный режим при заданных параметрах настройки, который позволяет определить гидромашины соответствующую этому эксплуатационному режиму производительность при заданных параметрах настройки.

• 1.3.1.2 испытание: Измерение параметров в различных режимных точках для определения производительности машины в определенном диапазоне условий эксплуатации.

• 1.3.1.3 гидравлическая производительность: Все параметры производительности, зависящие от гидродинамических условий.

• 1.3.1.4 основные гидравлические характеристики: Подмножество основных взаимосвязанных гидравлических параметров машины (мощность, расход, значения энергии. КПД. разгонная скорость, коэффициент кавитации и т.д.).

• 1.3.1.5 дополнительные гидравлические характеристики: Подмножество параметров гидравлических характеристик, которые могут быть определены в ходе модельных испытаний.

• 1.3.1.6 гарантии: Характеристики машины, согласованные условиями договора.

Специализированные термины указаны в соответствующих разделах.

• 1.3.2 Единицы измерения

В качестве единиц измерения в стандарте используется международная система единиц (СИ см. ИСО 31-3). Все термины даны в единицах СИ или производных согласованных единицах. Основные уравнения учитывают использование этих единиц. Кроме единиц СИ в стандарте для определения данных используются киловатт вместо ватта для мощности, килопаскаль или бар вместо Паскаля для давления, мин*¹ вместо с*¹ для скорости вращения, и т.д. Температура задается в градусах Цельсия, так как абсолютная температура (в Кельвинах) требуется редко. При письменном согласии сторон договора может использоваться любая другая система единиц.

• 1.3.3 Термины, определения, подстрочные индексы и символы

1.3.3.1 Подстрочный индекс или символ

¹> В тексте оригинала стандарта ссылка не использована.

²> В тексте оригинала стандарта ссылка не использована

³> Стандарт отменен.

⁴> Стандарт заменен на ИСО 80000-4:2006 «Величины и единицы. Часть 4. Механика».

Входное/выходное сечение

✓

Контрольное сечение высокого давления

Измерительное сечение высокого давления

Турбина

машина

Насос

/

7

Контрольное сечение низкого давления '

/ г' /

Измерительное сечение низкого давления ^z

Входное/выходное сечение

Рисунок 1 - Схематическое представление гидравлической машины

Направляющий аппарат закрыт при а = 0° или а = 0 мм Рисунок 2 - Величина и угол открытия направляющего аппарата (НА)

1.3.3.2 Термины в области геометрических параметров

Детализация X

I

в) ж)

а) Радиальные машины: радиально-осевые турбины, радиальные (центробежные) насосы и насос-турбины; многоступенчатые машины: ступень низкого давления; Ь) Диагональные машины с неподвижными лопастями рабочего колеса и ободом;

с) Диагональные машины с неподвижными лопастями рабочего колеса без обода; d) Диагональные машины с регулируекыми лопастями рабочего колеса; е) Осевые машины: пропеллерные турбины, прямоточные турбины, осевые насосы и насос-турбины с неподвижными лопастями рабочего колеса: f) Осевые машины: поворотно-лопастные турбины, прямоточные турбины, осевые насосы и насос-турбины с регулируемыми лопастями рабочего колеса; д) Ковшовые турбины Рисунок 3 - Диаметр рабочего колеса и ширина ковша

1.3.3.3 Физические параметры и характеристики

1.3.3.4 Термины в области расхода и скорости

1.3.3.5 Термины в области давления

1.3.3.6 Специальные термины в области энергии

В международной системе единиц масса (кг) является одной из основных величин. Энергия, отнесенная к единице массы, известная как удельная энергия, используется в этом стандарте в качестве основного термина. Она заменяет термин напор - удельная (отнесенная к единице веса) энергия потока жидкости в данной точке. У термина «напор» есть недостаток, связанный с тем, что вес- это сила, которая зависит от значения ускорения силы тяжести g в данной точке, которое изменяется в зависимости от широты и высоты. Однако, термин «напор» все еще применяется вследствие своего широкого распространения.

b)

С)

<*пЫ ^anD

Ф

Рисунок 4 - Определение о₀ и о.

1.3.3.7 Термины в области напора и уровня

1.3.3.8 Термины в области мощности и крутящего момента

а) b) с)

□)

Рисунок 5 - Контрольный уровень машины

Турбина насос

P

ⁿ⁼^

Рисунок 6 - Диаграмма мощности и расхода

Примечание - В приведенных формулах:

• не учитывается сжимаемость воды;

- потери трения и объемные потери обозначаются как гидравлические потери

1.3.3.9 Термины в области эффективности

1.3.3.10 Термины в области колебательного процесса

МЭК 60994 содержит условия, касающиеся этих величин. В следующей таблице перечислены условия, соответствующие этому стандарту, некоторые из которых представлены на рисунке 7.

1.3.3.11 Термины в области соотношения сил и чисел подобия (см. ИСО 31-12)

1.3.3.12 Работа машины может характеризоваться безразмерными параметрами, отнесенными к удельной гидравлической энергии и величине диаметра, равной единице (т.е. Е=1. D=1 и р=1 или на n=1, D=1 и р=1). Другие безразмерные параметры см. в приложении А.

Коэффициенты (безразмерные параметры, см. ИСО 31-12)

Примечание - Механическая энергия машины обычно измеряется на модели.

1.3.3.13 Для представления и анализа параметров, подверженных колебаниям, рекомендуется использовать безразмерные критерии, определенные в дальнейшем и в 4.3-4.6. Они обозначаются символом измеренного параметра с нижними индексами, обозначающими компонент машины и величинами, принятыми за единицу; например T_{G ED} будет означать крутящий момент НА, т.е. момент, действующий на НА. при гидравлической энергии машины и контрольном диаметре, равном единице. Символы, используемые для определения измерения, перечислены ниже.

Измеренные величины:

• - F-сила/ усилие;

• - М - момент;

• - р-давление;

• - Т - крутящий момент.

Подстрочные индексы для компонентов машины:

• - В - лопасть рабочего колеса;

• - О - отражатель ковшовой турбины Пелтона;

• - G - НА;

• - N - игла ковшовой турбины.

Подстрочные индексы для компонент силы и крутящего момента:

• - а - осевой;

• - г - радиальный:

• - х, у, z-декартовы координаты.

В следующей таблице приводится перечень терминов, определяющих безразмерные параметры, подверженные колебательным процессам.

• 1.4 Характер и степень гарантий, связанных с гидравлической производительностью

• 1.4.1 Общие положения

1.4.1.1. Расчетные параметры и согласование

Покупатель несет ответственность за указание данных, на которых базируются гарантии, включая контрольные сечения, уровень воды, удельную гидравлическую энергию и гидравлические потери. Покупатель также отвечает за согласование проточной части с электрическими и механическими деталями машины. Покупатель должен принять меры, чтобы поставщик машин имел точные и подробные данные, необходимые для оценки таких параметров, как:

• - рабочий уровень воды во всех резервуарах;

• гидравлические потери в каждом элементе проточной части;

• - конструктивные параметры проточной части (рабочие чертежи), включая расстановку и параметры клапанов и затворов;

• - информация о результатах испытаний трубопроводов и т.д.;

• - ограничения параметров существующего оборудования (например, открытия).

Основное внимание должно уделяться параметрам потока во входном и выходном сечениях модели. Обычно достаточно рассмотреть контрольные сечения высокого и низкого давления. Если параметры модельного эксперимента не полностью соответствуют параметрам опытных образцов натурной машины, в контракте должны быть указаны все элементы водопроводящего тракта, которые должны быть смоделированы. В некоторых случаях покупатель должен проверить правильность предложения, проведя испытания модели станции, предшествующие испытаниям модели машины.

• 1.4.1.2 Определение гарантий гидравлической производительности

Контракт для регулируемых и нерегулируемых машин должен содержать гарантии мощности, расхода и/или удельной гидравлической энергии, КПД. максимальное мгновенное превышение скорости, максимальное/минимальное мгновенное давление и максимальную установившуюся угонную скорость (обратную угонную скорость для насоса), а так же гарантии по кавитации. Для насоса гарантия также устанавливаются на максимальную удельную гидравлическую энергию (напор) и мощность холостого хода при вращении рабочего колеса в воде и/или в воздухе. Гарантии должны быть даны для одной или более рабочих точек характеристики производительности машины, которая представляется поставщиком. В некоторых случаях (например, для малых ГЭС), достаточно привести характеристику в табличной форме. Некоторые из этих гарантий для опытных образцов натурной машины могут быть проверены с помощью испытаний, в то время как другие могут быть проверены испытаниями модели, и оценены как характеристика ожидаемой работы опытных образцов натурной машины.

• 1.4.1.3 Гарантии по взаимосвязанным параметрам

Рекомендуется устанавливать в контракте одну гарантию на связанные параметры, например, для регулируемых турбины гарантируется КПД в зависимости от расхода или мощности, но не от обоих параметров.

• 1.4.1.4 Форма гарантий

Гарантии производительности опытных образцов натурной машины на основе испытания модели, могут иметь следующие формы:

• a) Гарантии опытных образцов натурной машины пересчитываются с результатов испытания модели с учетом масштабного эффекта. Для реактивных турбин масштабный эффект определяется в соответствии с правилами обработки результатов испытаний, приведенных в 3.8. Для активных турбин, если это согласовано в контракте, масштабный эффект учитывается в соответствии с приложением к.

• b) В контракте должны быть определены гарантии модели для различных значений числа Рейнольдса (числа Рейнольдса, Фруда и Вебера для активных турбин).

В любом случае должны быть соблюдены критерии гидравлического подобия.

• 1.4.2 Основные гарантии производительности, которые могут быть даны на основе испытаний модели

• 1.4.2.1 Гарантируемые параметры

Основными гарантиями опытных образцов натурной машины или модели, которые могут быть проверены испытанием образца, являются гарантии по мощности, расходу, КПД. угонной скорости, условиям безкавитационной работы.

• 1.4.2.1.1 Мощность

Термин «мощность» относится к механической энергии рабочего колеса/импеллера. Гарантия механической энергии опытных образцов натурной машины должны учитывать потери механической энергии.

• 1.4.2.1.2 Расход и/или удельная гидравлическая энергия

Это относится к расходу в контролируемом сечении при заданной удельной гидравлической энергии, или к удельной гидравлической энергии при заданном расходе.

• 1.4.2.1.3 Эффективность

Термин эффективность относится к гидравлическому КПД, если иное не указано. При гарантии эффективности натурной машины должны быть учтены потери механической энергии или механический КПД. В реактивных машинах зависимость гидравлического КПД модели и натуры с учетом масштабного эффекта и числа Рейнольдса хорошо известна в окрестности точки максимального КПД. В настоящее время эта зависимость распространяется на весь диапазон гарантируемых КПД (см. приложение F).

• 1.4.2.1.4 Угонная скорость и/или расход

Необходимо задавать гарантию для угонной скорости или для обратной угонной скорости для насосов. Могут потребоваться дополнительные гарантии для максимального расхода при разгоне. Расход холостого хода в турбинном режиме должен быть определен как часть кривой разгона (см. рисунок 55).

• 1.4.2.1.5 Влияние кавитации на гидравлическую производительность

Контракт должен содержать условия, для которых должны быть гарантированы гидравлические параметры (удельная гидравлическая энергия и чистая положительная удельная энергия). Влияние кавитации на гарантии опытных образцов натурной машины в настоящее время определяется модельными испытаниями. Применение пересчета с учетом масштабного эффекта и числа Рейнольдса ограничивается диапазоном изменения числа Тома (коэффициента кавитации) с. Контракт должен определить процедуру, которая будет использоваться, если о_р| выходит из этого диапазона. В некоторых случаях 8 контракте следует дополнительно оговорить, что измеренное значение числа Тома, выбранное в качестве критерия (c_d), будет меньше, чем значение числа Тома Opi для натурных условий с заданным запасом. Критерий и величина запаса должны быть определены в контракте.

• 1.4.2.2 Применение

• 1.4.2.2.1 Регулируемая турбина

Мощность достигается при определенной гидравлической энергии. Расход достигается при определенной гидравлической энергии. Эффективность (КПД): гарантии задаются для одного или более значений удельной гидравлической энергии:

• - как одно или более значений удельной мощности или расхода;

• - как средневзвешенное значение КПД для заданного диапазона изменения мощности или расхода;

• - как среднеарифметическое значение КПД для заданного диапазона изменения мощности или расхода.

При этом зависимость от средневзвешенной и среднеарифметической величины не могут требоваться одновременно. Угонная скорость гарантируется не превышение заданной угонной скорости при работе с максимальным или иным значением удельной гидравлической энергии. Для машин двойного регулирования необходимо заявить к какому условию работы относится гарантия: к оптимальному соотношению открытия НА и угла разворота лопасти (положение кулачка концевика «вкл») или/и максимальная к худшим условиям работы (положение кулачка концевика «выкл»). Кавитация: гарантии, как сказано в 1 42 1 5, могут задаваться для удельной гидравлической энергии, расхода или мощности, обычно при минимальном значении о^.

• 1.4.2 2.2 Нерегулируемые турбины

Мощность не должна выходить за заданный диапазон удельной гидравлической энергии. Расход не должен выходить за заданный диапазон удельной гидравлической энергии. Эта гарантия обычно заменяется соответствующей гарантией по мощности.

Могут потребоваться следующие гарантии КПД:

• - при одном или более значений удельной гидравлической энергии;

• - при средневзвешенном КПД в заданном диапазоне удельной гидравлической энергии;

• - при среднеарифметическом КПД за пределами заданного диапазона удельной гидравлической энергии.

Гарантируемая угонная скорость не должна быть превышена при максимальной удельной гидравлической энергии. Кавитация: гарантии могут требоваться для одного или более значений удельной гидравлической энергии (обычно для минимального значения о_р|).

• 1.4.2.2.3 Нсрсгулирусмый/рсгулирусмый насос

Мощность не должна быть превышена в заданном диапазоне значений удельной гидравлической энергии или расхода. Расход и/или удельная гидравлическая энергия: не превышение расхода в заданном диапазоне значений удельной гидравлической энергии или не превышение удельной энергии в заданном диапазоне значений расхода, в том числе значений, которые должны быть достигнуты и/или не могут быть превышены. Гарантии эффективности (КПД) для одного или более заданных значений удельной гидравлической энергии или расхода:

• - как значение для одного или более заданных значений удельной гидравлической энергии или расхода;

• - как средневзвешенное значение для заданного диапазона значений удельной гидравлической энергии или расхода;

• - как среднеарифметическое значение для вышеопределенного диапазона значений удельной гидравлической энергии или расхода.

Гарантируется не превышение максимальной обратной угонной скорости при максимальной удельной гидравлической энергии. Для машин двойного регулирования должно быть указано сохраняется ли гарантия при оптимальном соотношении открытия НА и угла разворота лопасти рабочего колеса (положение кулачка концевика «вкл.») или/и при худших условиях (положение «выкл.» кулачка концевика). Гарантии кавитации могут требоваться для одного или более значений удельной гидравлической энергии (обычно для минимального значения

• 1.4.3 Гарантии, не подлежащие проверке при модельных испытаниях

Существуют определенные гарантии, которые не могут быть проверены при испытаниях модели.

• 1.4.3.1 Гарантии по кавитационной эрозии

Величина кавитационной точечной эрозии должна быть гарантирована только для опытных образцов натурной машины. Оценка этой гарантии на натурной машине осуществляется в соответствии с рекомендациями МЭК 60609. При испытании модели путем визуального осмотра можно выявить некоторые потенциальные области кавитационной эрозии.

• 1.4.3.2 Гарантии по максимальному мгновенному превышению скорости и максимальному мгновенному повышению давления

Мгновенное превышение скорости (в том числе угонной скорости) и давления в переходных режимах зависит, в первую очередь, от геометрии водовода (длины напорного трубопровода, расширительного бака и др.), инерции вращающихся частей агрегата и закона регулирования НА. Они не могут быть определены испытаниями переходных режимов на модели, если она не воспроизводит, либо производит не в полной мере, проточную часть, инерцию агрегата или характеристики системы регулирования. Тем не менее, путем испытания модели можно получить параметры установившегося режима, значения которых позволят провести расчет переходных режимов опытных образцов натурной машины с достаточной точностью.

• 1.4.3.3 Гарантии по шуму и вибрации

Определение параметров шума и вибрации при испытаниях модели лежит вне рамок настоящего стандарта. Рекомендуется использовать в качестве руководства при моделировании гидравлического источника этих явлений (при определении колебаний давления или других динамических нагрузок).

1.4.4 Дополнительные сведения о производительности

При испытаниях модели могут быть получены дополнительные данные для оценки ожидаемых параметров опытных образцов натурной машины:

• a) колебания давления (4.3);

• b) колебания крутящего момента на валу агрегата (4.4);

• c) гидравлические усилия (радиальные и осевые) (4.5);

• d) гидравлический крутящий момент на лопатках НА и регулируемых лопастях рабочего колеса реактивных или гидравлические силы на игле и отражателе активных машин во всем диапазоне изменения параметров режима (4.6);

• e) эксплуатационные характеристики в четырех квадрантах работы, в том числе мощность и удельная гидравлическая энергия при нулевом расходе (условия закрытой задвижки) насоса с вращением рабочего колеса в воде или в воздухе (4.7);

• f) измерения перепада давления для испытаний опытных образцов натурной машины индексным методом (4.8);

д) положение кулачка концевика для достижения оптимальной производительности турбин двойного регулирования (соответствие открытия НА и угла разворота лопасти рабочего колеса) (3.8).

Могут быть определены и другие данные, например, распределение скорости или давления в различных компонентах машины и др.

• 2 Проведение испытаний

  • 2.1 Требования к испытательной установке и модели

• 2.1.1 Выбор лаборатории

Любая лаборатория, удовлетворяющая изложенным в настоящем стандарте критериям в отношении размещения, количества и качества аппаратуры считается пригодной для испытаний. При сравнительных испытаниях моделей различных производителей предпочтительнее проведение испытаний в независимой лаборатории.

• 2.1.2 Испытательная установка

• 2.1.2.1 Общие характеристики испытательного контура

Испытательный контур установки должен быть таким, чтобы возникновение кавитации не влияло на нормальное функционирование модели или правильность измерений. Любые воздушные пузырьки, возникшие в результате кавитации, не должны влиять на функционирование аппаратуры, особенно приборов для измерения расхода и давления. Испытательный контур должен быть спроектирован таким образом, чтобы исключить протечку или приток воды между местом установки аппаратуры измерения расхода и моделью. Эти требования должны быть легко проверяемыми.

• 2.1.2.2 Параметры испытательной установки

Параметры испытательной установки (мощность, давление, удельная гидравлическая энергия, расход и чистая положительная удельная энергия NPSE) должны удовлетворять требованиям к минимальным размерам модели и обязательным условиям испытаний, которые перечислены в 2.3.2.2. Работа установки должна обеспечивать минимизацию возникновения случайных или периодических колебаний параметров (2 3 2 3)

• 2.1.2.3 Качество воды

Вода в испытательном контуре должна быть чистой и свободной от твердых частиц, суспензии и химических примесей, которые могут влиять на свойства воды, такие как вязкость и давление пара. Газы и пузырьки воздуха должна быть устранены до начала испытаний. Состав газа (2.3.1.6.2). в том числе растворенного в воде, в испытательном стенде, должен быть измерен на входе модели (2.5.3.2) и зафиксирован перед испытаниями, так как он может влиять на повторяемость результатов испытания при кавитации.

Опыт работы в напорных контурах указывает на то, что растворенный в воде воздух создает условия для образования ядер кавитационных пузырьков, играющих важную роль в развитии кавитации, а также влияет на характер кавитации и результирующие кавитационные характеристики (2.3.1.5,

• 2.3.1.6.2 и рисунки 71 и 72). Сходство кавитации при проведении испытаний должно обеспечиваться соответствием заданных значений гидравлической энергии или/и путем инъекции ядер. Температура воды не должна превышать 35 °C и не должна существенно изменяться в ходе испытаний (не более 5 °C вдень). Большей разницы между температурой воды и температурой среды, окружающей измерительную аппаратуру, следует избегать, так как это влияет на точность измерений.

Примечание - Ядра - маленькие пузырьки воздуха или газа с диаметром менее 50 мкм. Развитие кавитации связано со способностью пузырьков двигаться вместе с потоком. Это явление является типичным на выходе радиально-осевых турбин см. [1J.

• 2.1.2.4 Условия течения жидкости

Испытательная установка должна обеспечивать отсутствие вихрей, излишней турбулентности и неустойчивости потока на входе модели. Течение жидкости на выходе модели не должно искажаться конструкцией или расположением установки.

• 2.1.2.5 Измерительная аппаратура

Измерительная аппаратура, используемая для определения основных параметров, должна соответствовать требованиям настоящего стандарта. Должна быть обеспечена наблюдаемость каждого устройства, определенного национальным или международным стандартом. Все инструменты должны быть откалиброваны на месте установки, особенно приборы измерения расхода и крутящего момента. Измерительная аппаратура должна обеспечивать прямое считывание показаний, независимость сбора данных и возможность легкой проверки измерений.

2.1.3 Требования к модели

Модель должна удовлетворять следующим условиям:

• 2.1.3.1 Размер модели

Минимальные значения для размера модели приведены в 2.3.2.2. Как правило, модели должны быть настолько большими, насколько это возможно из практических соображений, но не менее установленных размеров. Для всех испытаний, связанных с основными гарантиями гидравлической производительности и влиянием кавитации, должны использоваться одинаковые модели (1.4.2). Сравнительные испытания модели должны проводиться с моделями одного и того же размера.

• 2.1.3.2 Требования к конструкции модели

Конструкция модели должна соответствовать задачам испытаний.

При проектировании должны быть учтены следующие моменты:

• - выбор материал и конструкции должен минимизировать деформации, которые могут возникнуть при заданном напоре;

• - элементы, изменяющие геометрию модели (лопасти рабочего колеса, лопатки НА. сопло), должны быть обеспечивать возможность повторной установки в ранее использованные положения;

• - подшипники, вал и неподвижные части агрегата должны иметь достаточную жесткость, чтобы не допустить механическое соприкосновение элементов модели при работе. По этой причине зазор между концом лопасти и лабиринтным уплотнением должен быть не менее 0.15 мм;

• - поверхность водопроводящего тракта должна быть гидравлически гладкой, особенно в местах соединения его частей, что уменьшит местные потери энергии;

• - материалы должны быть выбраны так. чтобы избежать окисления и электрохимической коррозии. Поверхности трубопроводов водопроводящего тракта должны оставаться в хорошем состоянии в течение всего времени испытаний;

• - конструкция должна позволять легкую чистку или ремонт частей водопроводящего тракта;

• - для визуального наблюдения потока в рабочем колесе и в прилегающей части напорного трубопровода (на низкой ступени давления в случае многоступенчатой машины) должен быть предусмотрен прозрачный корпус или смотровые окна;

• - при сравнительных испытаниях модели уплотнения и подшипники вала должны иметь одинаковую конструкцию;

• - для сравнительных испытаний одной и той же модели, но с разными рабочими колесами или НА, все испытания должны быть проведены с одинаковыми значениями открытия;

• - модель должна позволять легко устанавливать и проверять дополнительную измерительную аппаратуру. которая может понадобиться для получения дополнительных данных (колебания давления, крутящий момент НА, скорость распространения);

• - способы и процедуры учета конструктивных различий модели и проектируемого натурного рабочего колеса, (например, в ободе рабочего колеса, толщине ступицы, уплотнениях и др.) должны быть согласованы заранее.

• 2.1.3.3 Размеры модели

В контракте должны быть четко определены положение контрольных сечений и расстояние от входа до выхода модели (по крайней мере, между контрольными сечениями высокого и низкого давления, как показано на рисунке 1 и в качестве примера рисунке 44). В модель должны быть включены все элементы проточной части, которые могут влиять на производительность опытных образцов натурной машины. Для турбин с низкой удельной гидравлической энергией рекомендуется включать в модель сечения от входа опытных образцов натурной машины до выхода из отсасывающей трубы. Затворы выше или ниже турбины могут не включаться в модель, если они не расположены между измерительными или контрольными сечениями. Влияние затворов на гидравлические характеристики машины могут быть получены путем испытаний, дополнительных к приемочным испытаниям модели.

• 2.1.3.4 Геометрическое подобие модели и опытных образцов натурной машины

• 2.1.3.4.1 Общие требования

Основным требованием к определению производительности опытных образцов натурной машины на основе испытаний модели является геометрическое подобие (гомология) модельной и натурной машин. Поэтому необходимо сравнение геометрических размеров обеих машин и качества поверхностей ягжх кпмгюняитпя. находящихся я контакте с потоком Геометрическое подобие модепьной и натурной машин проверяется в соответствии с правилами проверки их габаритов (2.2).

Модель должна быть геометрически подобна (гомологична) натурной машине во всех деталях в пределах ограничений, определенных в 2.1.3.3. Это касается всех элементов, которые могут оказать заметное влияние на производительность машины. Незначительные расхождения параметров модели и опытных образцов натурной машины должны быть согласованы независимо от того будут скорректированы результаты испытаний или нет. При проведении приемочных испытаний на модели и натуре необходимо использовать одни и те же измерительные сечения. При сравнительных испытаниях модели должны вращаться в одном и том же направлении.

• 2.1.3.4.2 Многоступенчатые машины

Модельные испытания должны проводиться с таким же числом ступеней, как и испытания опытных образцов натурной машины. Для опытных образцов натурной машины с четырьмя или более ступенями модель может быть испытана с пониженным числом ступеней, например, трехступенчатая модель для четырехступенчатой опытных образцов натурной машины.

• 2.1.3.4.3 Лабиринтные уплотнения и балансировочные устройства

Для крупных машин геометрическое подобие или гидравлическая эквивалентность модели и на* туры трудно достижимы из-за различия элементов, таких как уплотнения между валом и рабочим колесом, балансировочные тяги и т.д. В этих случаях протечки через лабиринтные уплотнения и осевое усилие у модели и натуры будут отличаться. Эти отличия должны быть незначительными или должны быть так точно оценены, чтобы гидравлический КПД и осевое усилие натурной машины могли быть определены расчетным путем. Соглашение об определении и измерении протечек q' (см. рисунок 6) должно быть достигнуто до испытаний и должно определять следует ли их учитывать при оценке производительности машины.

• 2.2 Проверка габаритов модели и опытного образца натурной машины

• 2.2.1 Общее

Как сказано в 2.1.3.4, необходимо добиться геометрического подобия модели и опытных образцов натурной машины или ее опытного образца натурной машины. Ниже описаны процедура проверки и допуски. Эти правила применяются даже в случае, если модель изготавливается для существующей машины.

• 2.2.1.1 Термины, относящиеся к модели и натурной машине

• a) Измерения - значение, полученное в результате:

• - измерения одного и того же параметра одного и того же компонента, сделанных в разных местах (например, диаметр рабочего колеса);

• - измерение одного и того же параметра различных компонентов, сделанное в одном и том же месте (например, максимальная толщина лопаток НА).

• b) Среднее значение - среднеарифметическое нескольких собственных значений.

• c) Теоретическое значение - значение, указанное на рабочем чертеже машины в проекте.

Проектные размеры модели и опытных образцов натурной машины или ее опытного образца натурной машины L_M и L_p связаны масштабным коэффициентом X_L.

• 2.2.1.2 Цель проверки габаритов

Проверка габаритов:

• a) определяет основные размеры модели и опытных образцов натурной машины;

• b) подтверждает единообразие модели и опытных образцов натурной машины по повторяющимся значениям сравнения относительного отклонение измерений от соответствующих средних значений. Предельные допустимые отклонения приведены в колонке «Допуск по единообразии» в 2.2.2.1.7 и 2.22.2.5;

• c) проверяет геометрическое подобие модели и опытных образцов натурной машины путем сравнения относительного отклонения среднего значения для опытных образцов натурной машины от соответствующего пересчитанного с помощью масштабного коэффициента X_L среднего значения для модели. Максимально допустимые отклонения приведены в колонках «Допуск по подобию» в 2.2.2.1.7 и 2.2.2.25.

• 2.2.1.3 Процедура

На рисунке 8 схематично показано применение геометрических допусков, определенных настоящим стандартом, в отношении собственных и средних значений для модели и опытных образцов натурной машины.

а) Проверка единообразия компонентов модели и опытных образцов натурной машины

Сравнивая измеренные собственные значения с соответствующим средним значением, можно определить, выполняется ли требование единообразия. Если требование единообразия не выполнено. следует определить какие компоненты должны быть откорректированы или повторно изготовлены. Если разница между средним значением и теоретическим значением выходит за пределы допуска по единообразию, необходимо определить, что должно быть исправлено: теоретическое значение или геометрия компонента. При проведении выборочного контроля компонентов или размеров следует согласовать сравнение собственных значений непосредственно с теоретическими.

> t

Рисунок 8 - Процедура для проверки габаритов, сравнения результатов и допусков для модели и натуры

Примечание - Численные значения допусков по подобию и допусков по единообразию приведены в 2 2 21.7 и 2 2.2 2.5

Ь) Проверка геометрического подобия опытных образцов натурной машины и модели

Удовлетворение критериев геометрического подобия определяется путем сравнения соответствующих средних значений для модели и натуры с точностью до величины допуска, определенной данным стандартом. В этом случае соответствующие теоретические значения могут быть заменены средними значениями. Если отклонения оказываются больше, чем допуски по подобию, то следует согласовать дополнительные меры, которые могут включать в себя проведение нового испытания исправленной модели. В отношении некоторых размеров, которые трудно измерять и на модели, и на натуре, для сравнения модели и опытных образцов натурной машины можно использовать теоретические значения вместо средних при условии, что сумма технологических и/или монтажных допусков будет меньше допусков по подобию.

• 2.2.1.4 Применение допусков для различных типов машин

В стандарте указаны допуски по размерам для радиально-осевых Френсиса, поворотно-лопастных Каплана и ковшовых Пелтона турбин. Допуски для радиально-осевых турбин применимы также в отношении диагональных машин с неподвижными лопастями. Допуски для поворотно-лопастных турбин применимы также к диагональным машинам с регулируемыми лопастями и осевым машинам с неподвижными или регулируемыми лопастями (пропеллерные, прямоточные машины и т.д.). Допуски для ковшовых турбин могут применяться к наклонно-струйным активным машинам (S-образные турбины). Для насосов и насос-турбин размерные допуски приведены для центробежных и диагональных осевых машин.

• 2.2.1.5 Методы измерений

Для измерения конфигурации лопастей рабочего колеса, лопаток НА и колонн статора используются измерительные приборы с трехмерной системой координат, оптические измерительные системы, шаблоны и т.д. Проверка подобия гидравлических профилей с применением измерительных приборов с трехмерной системой координат или оптических систем может проводиться либо по точкам линии, либо по точкам поверхности:

• - сравнение по линии является естественным эквивалентом механических шаблонов, их использование и интерпретация аналогичны практике использования механических шаблонов;

• - точки на поверхности должны быть расположены либо в геометрически аналогичных точках натуры и модели, либо произвольно разбросаны по поверхности, а их число должно быть достаточно для определения профиля в целом. Для минимизации ошибки измерения по всей поверхности используются специальные компьютерные алгоритмы. Количественно ошибки ограничены допусками, приведенными в 2.2.2.1.7 и 2.2.22.5.

Изготовитель должен по согласованию с заказчиком предложить наиболее подходящий способ демонстрации геометрического подобия опытных образцов натурной машины и модели, учитывая способ изготовления и измерения рабочего колеса. На рисунках 9-19 приведены примеры, схематично показывающие место и объем проверки геометрического подобия. В некоторых случаях не представляется возможным измерить соответствующий размер непосредственно, например, если точка пересечения перекрывается буртиком (закраиной). В подобных случаях измерение выполняется в ином согласованном месте, в целях защиты прав производителя сравнительная информация должна представляться не фактическими значениями координат профиля, а в виде разницы между измеренным и теоретическим профилем. Для проверки измеряются абсолютные координаты профиля, представленные производителем.

Рисунок 9 - Пример спиральных камер и распределение размеров, необходимых для проверки

Рисунок 10 - Пример размеров отсасывающей трубы, необходимых для проверки

Рисунок 11 - Пример размеров, необходимых для проверки на уровне капсулы

Рисунок 12 - Пример размеров для проверки радиального потока в рабочем колесе

CLD - Центральная линия слирали распределителя Рисунок 13 - Рабочее колесо машины радиального потока. Примеры расположения измерительных сечений или измерительных точек для профиля лопасти

Рисунок 14 - Проверка межлопастного зазора и толщины лопасти посредством шаблонов или системы координат для радиально-осевого рабочего колеса

Рисунок 15 - Проверка зазоров в районе входной и выходной кромки лопасти (пример рабочего колеса насос-турбины)

Рисунок 16 - Примеры расположения измерительных сечений или измерительных точек для профиля лопасти осевой машины

Рисунок 17 - Определение регулирования лопасти и допуски профиля лопасти рабочего колеса осевой машины

Рисунок 18-Турбина Пептона. Пример размеров, которые должны быть проверены на распределителе и корпусе машин с вертикальным и горизонтальным расположением вала

Ось струи

Рисунок 19 - Турбина Пелтона Пример размеров, которые должны быть проверены на ковшах и соплах ковшовых турбин

• 2.2.2 Проверяемые размеры модели и опытных образцов натурной машины

Размеры всех существенных компонентов проточной части должны проверяться в той степени, в какой это согласовано сторонами. Размеры и допуски по турбинам, насосам и насос-турбинам определены в 2.2.2.1 и 2.2.2.2. Если та или иная позиция определяется более чем одним размером, то допуск применим только в отношении одного размера.

Проверка геометрического подобия включает в себя:

• a) проверку по гомологии отдельных компонентов перед сборкой. Исходя из практических соображений, размеры должны быть отнесены к самой компоненте;

• b) проверку по гомологии машины в целом, т.е. в сборе со всеми компонентами. Соответствующие габаритные размеры обычно приводятся по отношению к оси рабочего колеса и/или центральной линии спиральной камеры. Для элементов проточной части, конфигурация которых определяется переходными участками между соседними компонентами - как неподвижными, так и вращающимися, допуски в настоящем стандарте не заданы.

Меридиональный контур рабочего колеса должен проверяться с помощью шаблонов или посредством других средств измерений, таких как трех координатные измерительные машины или оптические измерительные системы. Должен быть правильно определен профиль и геометрическое положение лопастей рабочего колеса, углы профиля. Используемые далее допустимые максимальные отклонения относятся либо к соответствующим образом пересчитанному среднему значению для модели, либо к следующим контрольным (справочным) размерам:

Т - с максимальная толщина направляющих лопаток, статорных колонн или лопастей рабочего колеса в каждом мерном сечении;

D - контрольный диаметр (см. рисунок 3);

Pi, - шаг установки лопастей на входе рабочего колеса радиально-осевых турбин (см. рисунок 14);

D - диаметр отверстия сопла (см. рисунок 19);

В - максимальная внутренняя ширина ковша рабочего колеса (см. рисунок 19);

a_t. а₂- открытие между двумя соседними лопастями на стороне высокого и низкого давления рабочего колеса (см. рисунок 14 и 15). Открытие может быть определено либо по измеренному сечению профиля лопасти, либо по расстоянию от заданной точки на кромке лопасти до поверхности соседней лопасти. Термины, используемые в последующих подпунктах для обозначения различных компонентов гидравлических машин, определены в МЭК 61364.

• 2.2.2.1 Турбины

• 2.2.2.1.1 Основные компоненты

• a) Реактивные турбины:

• - основные размеры спиральной камеры (или статора для прямоточных турбин), статора, распределителя, отсасывающей трубы и, если необходимо, расстояние между рабочим колесом и крышкой турбины (см. рисунок 9 и 10);

• - основные размеры рабочего колеса, включая входной и выходной диаметры, высоту входа, обода и ступицы рабочего колеса и корпуса рабочего колеса (для поворотно-лопастных турбин);

• - число лопастей рабочего колеса, лопаток НА и статорных колонн;

• - конфигурация проточной части рабочего колеса, НА и статорных колонн, включая максимальную толщину статорных колонн, лопаток НА и лопастей рабочего колеса;

• - зазоры в уплотнениях, на конце лопасти рабочего колеса и по торцам лопаток НА;

• - шероховатость всех компонентов машины;

• - волнистость лопастей рабочего колеса, направляющих лопаток и статорных колонн (для опытных образцов натурной машины).

• b) Активные турбины:

• - основные размеры рабочего колеса, напорного коллектора, корпуса и сопел (см. рисунок 18);

• - число ковшей;

• - форма ковша, сопел и игл (см. рисунок 19);

• - положение струй по отношению к рабочему колесу;

• - шероховатость и волнистость ковшей, сопел и игл (для опытного образца опытных образцов натурной машины).

• 2.2.2.1.2 Рабочие колеса радиально-осевых турбин

Входной профиль лопасти должен быть проверен не менее чем в двух сечениях для турбин малой быстроходности и в трех сечениях для турбин большой быстроходности. Входное сечение должно охватывать входную кромку лопасти на расстояние 0,15 контрольного диаметра на стороне высокого давления или разрежения. Профиль лопасти в целом (от входной кромки до выходной кромки) должен бьпь измерен (в зависимоои oi быс1роходноои рабочею колеса) не менее чем а одном сечении или выборочно по всей поверхности (см. рисунки 13 и 14).

Входные углы лопасти должны быть проверены в тех же сечениях, что и входные профили. Входной угол измеряется с помощью шаблона, наложенного на участок от носовой части лопасти на расстояние в 0.15 (в некоторых случаях 0,1) контрольного диаметра вдоль обеих сторон лопасти, и расположенного таким образом, чтобы обеспечивалось его оптимальное прилегание одновременно к обеим сторонам лопасти (см. рисунок 14). Выходные профили лопасти должны измеряться не менее чем в трех сечениях. Выходное сечение должно охватывать выходную кромку лопасти на расстояние в 0,15 (в некоторых случаях 0,1) контрольного диаметра по обеим сторонам лопасти (см. рисунок 14).

Положение входной и выходной кромок лопастей рабочего колеса должно проверяться, не менее чем в двух или трех точках в зависимости от быстроходности (см. рисунок 12). Зазор между лопастями должен проверяться не менее чем в четырех точках на каждой лопасти (см. рисунки 14 и 15).

Для рабочих колес опытных образцов натурной машины в сборе (путем сварки предварительно изготовленных компонентов) можно согласовать проверку профилей лопастей до сборки, т.е. после завершения механической обработки отдельных лопастей. После сборки достаточно проверки положения лопастей (см. рисунок 12), штапиков и межлопастного зазора.

• 2.2.2.1.3 Рабочие колеса поворотно-лопастных турбин

Профили лопастей должны измеряться не менее чем в трех сечениях вдоль профиля (либо вдоль цилиндрических или плоских сечений) как на стороне высокого давления, так и на стороне разрежения или произвольно по всей поверхности (см. рисунок 16). В каждом из мерных сечений должна быть проверена входная часть профиля. Входной профиль должен охватывать входную кромку лопасти на расстояние в 0,1 D вдоль лопасти. При выполнении этих проверок оптимальная подгонка лопасти к каждому контрольному профилю может быть достигнута путем проворачивания контрольного профиля, если угловая и осевая настройка при сравнении с правильным положением исходного профиля не превышают значений, определенных в 2.2.2.1.7. Такие настройки (перемещения) допускаются только по одному разу для каждого сечения, и все контрольные измерения должны выполняться в этом положении, как на стороне высокого давления, так и на стороне разрежения в рассматриваемом сечении (см. рисунок 17). При установке лопасти на корпусе рабочего колеса нужно проверить угол поворота лопастей по отношению друг к другу. Для этого нужно сравнить его с углом наклона измеренных периферийных профилей. Разница между углами установки лопастей не должна превышать ±0,25°.

• 2.2.2.1.4 Рабочие колеса ковшовых турбин

Профиль каждого ковша должен быть проверен не менее чем в четырех поперечных и четырех продольных сечениях или произвольно по всей поверхности. Выходной угол р каждого ковша должен проверяться в четырех точках с каждой стороны. На каждом ковше должны быть проверены форма контура, угол у у тыльной стороны контура, нож ковша и угол наклона ковша а (см. рисунок 19). Должны быть проверены внутренний профиль и ширина ковша с внутренней стороны. Для того чтобы удостовериться. что потери при взаимодействии потока и ковша на опытном образце меньше, чем на модели, должен быть проверен задний профиль ковша. Допуски на задний профиль аналогичны допускам, применяемым к изготовлению переднего профиля внешней стороны ковша (2.2.2.1.7).

• 2.2.2.1.5 Направляющие аппараты

Для радиального (цилиндрического) НА профиль лопатки должен измеряться не менее чем в одном сечении, для конического НА - не менее чем в двух сечениях.

• 2.2.2.1.6 Зазоры

Необходимо проверить зазоры уплотнений рабочего колеса, периферийные зазоры лопастей и торцевые зазоры лопаток НА реактивных турбин. Зазоры опытного образца натурной машины не должны превышать зазоры, пересчитанные с модели. Для модели и опытного образца натурной машины должно учитываться влияние давления на торцевой зазор НА. Длина уплотнений рабочего колеса опытного образца натурной машины не должна быть меньше, чем у модели с учетом масштабного коэффициента.

2.2.2.1.7 Максимально допустимые по критериям геометрического подобия отклонения опытного образца натурной машины и модели турбин

Продолжение таблицы

Окончание таблицы

2.2.22 Насосы и насос-турбины

• 2.2.2.2.1 Основные компоненты

Должны быть проверены на соответствие требованиям по допускам:

• основные размеры спиральной камеры, диффузора, всасывающего патрубка и, при необходимости, пространство между рабочим колесом и крышкой турбины (см. рисунки 9 и 10);

• - основные размеры рабочего колеса, включая входной и выходной диаметры, обода и ступицы рабочего колеса (см. рисунки 12 и 15);

• - число лопастей рабочего колеса, колонн диффузора/лопаток НА и статорных колонн;

• - форма элементов водных проходов на участке рабочего колеса и форма колонн диффузора/ лопаток НА и статорных колонн, включая максимальную толщину статорных колонн, колонн диффузора и лопастей рабочего колеса;

• - зазоры в уплотнениях, на периферийных кромках лопастей рабочего колеса и торцевые зазоры лопаток НА;

• - шероховатость поверхности всех компонентов проточной части машины (2.2.3.3);

• - волнистость колонн диффузора, НА и лопастей рабочего колеса (для опытного образца натурной машины).

• 2.2 2.2.2 Центробежные и диагональные рабочие колеса

Требования к центробежным и диагональным рабочим колесам для удобства выражены в терминах для одноступенчатой машины. Для двух- и многоступенчатых машин на всех входах и ступенях преобразования должны быть проведены дополнительные измерения.

Входные профили лопастей дол>киы измеряться не менее чем в трех сечениях. Входное сечение должно охватывать область от кромки лопасти на расстояние в (0,1-0,15) контрольного диаметра D по обеим сторонам лопасти (см. рисунок 14).

Выходные профили лопастей должны проверяться не менее чем в двух сечениях для машин малой быстроходности и в трех сечениях для машин большой быстроходности. Выходное сечение должно охватывать область от выходной кромки лопасти на расстояние в (0,1 -0,15) контрольного диаметра по обеим сторонам лопасти, как со стороны высокого давления, так и со стороны разряжения. Весь профиль лопасти (от входной кромки до выходной кромки) должен измеряться в зависимости от быстроходности рабочего колеса в одном сечении или произвольно по всей поверхности (см. рисунки 13 и 14).

Входные углы лопастей должны измеряться в тех же сечениях, что и входные профили. Например, входной угол с помощью шаблона можно измерить при оптимальном прилегании одновременно к обеим сторонам лопасти от входной кромки лопасти на расстояние в (0,1 - 0,15) контрольного диаметра. Положение входной и выходной кромок лопастей рабочего колеса должно проверяться в двух или трех точках в зависимости от быстроходности турбины (см. рисунок 12). Расстояние между входными кромками лопастей должно проверяться не менее чем в четырех точках каодой лопасти (см. рисунок 15).

Для выходного сечения рабочего колеса рекомендуется следующая процедура (см. рисунки 13 и 15):

• - измерение выходных профилей лопасти в двух или более сечениях в зависимости от быстроходности турбины;

• - измерение высоты b отверстий между лопастями рабочего колеса;

• - определение ширины на выходе в точке а, где максимальная вписанная окружность проходит по касательной к плоскостям давления и разрежения на выходе.

Для собранных рабочих колес опытных образцов натурной машины (собранных путем сварки предварительно изготовленных компонентов) можно согласовать проверку профилей лопастей до сборки, т.е. после завершения механической обработки отдельных лопастей. После сборки достаточно будет проверить положения лопастей (представлено на рисунке 12). штапиков и ширину на входе.

2.2.2.2.3 Рабочие колеса осевых турбин

Профили лопасти осевых турбин должны проверяться с использованием той же процедуры, что и профили лопастей рабочих колес поворотно-лопастных турбин, как указано в 2.2.2.1.3.

• 2.2 2.2.4 Направляющие лопатки и зазоры

профили и зазоры направляющих лопаток проверяются в соответствии с 2.2.2.1.5 и 2.2.2.1.6.

• 2.2.2 2.5 Максимально допустимые отклонения по геометрическому подобию между опытным образцом натурной машины и моделями насосов/насос-турбин

  Параметр	Максимально допустимые отклонения. %
  Допуск по однородности (отношение измеренного значения к среднему)	Допуск по подобию (отношение среднего значения опытного образца к среднему значению модели) (1₽-\_Ц|) / (контрольное значение)1)
  Модель	Опытный образец	Опытный обраэец/модель
  Основные размеры проточной части Элементы проточной части из металла или бетона (спиральная камера, отсасывающая труба и т.д.)	±2	±2	±1
  Диаметр статора	±1
  Длина колонн диффузора/статорных колонн	±2
  Максимальная толщина направляющих лопаток Т*	+5
  Максимальная толщина статорных колонн Т*	±5 | ±8 ] ±5
  Высота статорного кольца/диффузора	±2
  Высота распределителя	±0,3 | ±0.3 ±0.2
  Диаметр окружности НА	±0,2
  Относительное положение статорных колонн по отношению к направляющему аппарату (выражаемое, к примеру, как угол)	±Г
  Профиль НА / статорной колонны/диффузора	±3% Т	±5% Т	±3% Т
  Максимальное открытие НА	±1.5	±2	>0

Рисунок 20 - Определение волнистости и шероховатости поверхности

• 2.2.3.1.2 Шероховатость поверхности

Шероховатость поверхности представляет собой характерный показатель качества поверхности, обусловленный небольшими отклонениями от ее теоретической конфигурации, абразивной шероховатостью, возникающей при обработке поверхности абразивными инструментами, подачей инструмента, нанесением покрытия или окраской, ошибками предшествующих этапов изготовления (сварки).

Шероховатость характеризуется критерием R_a (среднеарифметическое отклонение от средней линии профиля), как это определено в ИСО 468.

• 2.2.3.2 Требования к волнистости

Вся поверхность лопастей, включая обозначенные участки профиля, ступицы рабочего колеса и обода, должна быть проверена на гладкость, волнистость не должна превышать ± 0,02. В качестве эталона можно использовать гибкий стержень. На поверхностях, подверженных кавитации, волнистость должна быть не более ± 0,01.

• 2.2.3.3 Требования к шероховатости опытного образца натурной машины

Шероховатость поверхности элементов проточной части модели и опытного образца натурной машины снижает КПД машины. Модель должна обеспечивать ламинарное течение жидкости см. [2], даже если в наиболее важных узлах опытного образца натурной машины условия ламинарности не выполняются.

Для перерасчета КПД условно применяются формулы пункта 3.8, хотя они применимы только для ламинарных потоков. Для опытного образца натурной машины шероховатость должна быть указана с учетом экономичного значения КПД, производственных затрат, типоразмера машины, вероятности быстрой потери под воздействием эрозии или коррозии в период эксплуатации первоначального класса чистоты поверхности и т.д. В таблице 1 приведены ориентировочные значения шероховатости поверхности для опытного образца натурной машины. Исходя из выше изложенного, рекомендации по значениям шероховатости поверхности разделены на две группы. Группы определяются величиной удельной гидравлической энергии Е (напором) для различных типов машин с быстроходностью от низкой до средней (средне- и высоконапорные машины) и машинам с более высокой быстроходностью (низконапорные машины), рекомендации по значениям шероховатости для машин различного типа приведены в таблице 1.

Значения шероховатости поверхности опытного образца натурной машины задаются для реального состояния их поверхности. Это означает, что, если омываемые водой компоненты окрашены или на них нанесено защитное покрытием, то класс чистоты (шероховатости) этих компонентов должен быть обязательно проверен. На некоторых участках с целью повышения кавитационной стойкости или усталостной прочности класс чистоты выбирается вне зависимости от геометрического подобия модели и опытного образца натурной машины.

При определении шероховатости поверхности изготовленных компонентов проточного тракта на входе и выходе спиральной камеры, конуса отсасывающей трубы и входной камеры прямоточных турбин сварные швы не должны включаться в объем проверки поверхности в связи с их небольшой долей в общей проверяемой поверхности. Тем не менее, предполагается, что сварные швы являются чистыми, без кромок. Это также означает, что для низконапорных машин (левая колонка таблицы 1) эти сварные швы могут не зачищаться.

Таблица 1- Рекомендуемая шероховатость поверхности R_a для опытных образцов натуркой машины (поверхности с чистовой доводкой и покраской)

Примечание - Приведенные значения представляют собой значения, усредненные для всей поверхности рассматриваемого компонента. С учетом местных условий в отдельных зонах могут быть приняты отклонения вплоть до ± 1, класс R_a (например, R_a = 3,2 мкм до R_a = 12,5 мкм вместо рекомендованного среднего значения R_a = 6,3 мкм для лопастей рабочего колеса радиальной турбины) См. схему.

• 2.3 Гидравлическое подобие, условия и порядок проведения испытаний

• 2.3.1 Гидравлическое подобие

• 2.3.1.1 Основные теоретические требования и числа подобия

Теоретически для достижения гидродинамического подобия между двумя гидромашинами А и В (где А - это модель, а В - опытный образец натурной машины) следует выполнить условия:

• a) геометрическое подобие между машинами А и В;

• b) идентичность отношения сил, действующих на компоненты каждой из машин со стороны обтекающей их жидкости.

Эти отношения определяются безразмерными параметрами и называются числами подобия. Основные числа подобия представлены в таблице 2.

Таблица 2 -Критерии подобия

Выбрать условия, которые удовлетворяли бы всем критериям подобия, крайне затруднительно, поэтому выбираются критерии (числа), которые оказывают наибольшее влияние. В большинстве испытаний модели невозможно достичь подобия опытному образцу натурной машины. Тогда результаты испытания модели преобразуются к условиям опытного образца натурной машины с помощью соответствующих поправок. Использование таких поправок необходимо в случае отличия числа Рейнольдса при определении КПД модели от заданного числа Рейнольдса для опытного образца.

• 2.3.1.2 Условия гидравлического подобия, используемые в стандарте

Две машины А и В эксплуатируются при гидравлически подобных эксплуатационных условиях, если выполняются:

• a) требования геометрического подобия между А и В, предусмотренные в 2.1.3.4 и в 2.2;

• b) условие идентичности соответствующих компонент скорости потока в любой подобной точке обеих машин, что делает соответствующие треугольники скорости рабочего колеса (определяются абсолютными, окружными и относительными составляющими скорости) геометрически подобными. Это значит, что обе машины в соответствующих рабочих точках имеют идентичные значения коэффициента расхода, энергии и кавитации:

• - коэффициент расхода (On_D)_A = (Q_nD)_B

• - коэффициент энергии (Е^д = (E_nD)_B.

• • коэффициент кавитации (о_по)д⁼(°по)в ^или

одинаковые коэффициенты расхода, скорости и число Тома:

• - коэффициенты расхода (Q_Bd)a ⁼ (^ed)b •

• • коэффициенты скорости (п_Е0)_А=(п_£0)_в;

и значения числа Тома о_А= ст_в.

Равенство этих коэффициентов и факторов характеризует гидравлическое подобие обеих машин. Это условие относится к гидравлическим характеристикам и/или их гарантиям.

Другие условия подобия, которые важны для механического аспекта (например, гидроупругость и др.) настоящим стандартом не рассматриваются.

• 2.3.1.3 Требования подобия для различных типов модельных испытаний

В таблице 3 дан краткий обзор условий подобия, которые должны соблюдаться при проведении испытаний модели, результаты которых связаны с опытным образцом машины.

Для достижения гидравлического подобия модели и опытного образца натурной машины должны быть соблюдены независимые от типа испытаний условия (2.3.1.2 Ь) подобия по расходу, удельной гидравлической энергии или скорости и кавитации (если имеется кавитационное влияние).

Ниже приведена информация о влиянии различных условий подобия, учитываемых стандартом.

Таблица 3 - Требования подобия для различных типов модельных испытаний

Примечание - Предполагается, что есть минимальный предел для о, ниже которого влияние числа Рейнольдса на производительность вследствие доминирования влияния двухфазового потока не рассматривается (3.82.4.2).

• 2.3.1.4 Подобие по Рейнольдсу

• 2.3.1.4.1 Реактивные машины

Потери на трение при условии гидравлически плавного обтекания зависят преимущественно от числа Рейнольдса. Поскольку отношение числа Рейнольдса модели к контрольному диаметру машины (или к характерной длине компонента) обычно меньше, чем для опытного образца натурной машины, то отношение потерь на трение к полным потерям для модели больше, чем соответствующее соотношение для опытного образца натурной машины. Поэтому в большинстве случаев КПД модели оказывается несколько ниже, чем КПД опытного образца натурной машины.

В пределах диапазона гарантий, где важную роль играет отношение потерь трения к общим потерям, значения КПД модели и коэффициента или фактора мощности должны корректироваться, если они получены для значений числа Рейнольдса, отличающихся от величины, имевшей место во время испытаний (например, для данных, полученных пересчетом с модели на натуру, как показано 8 3.8). Не принимают во внимание влияние числа Рейнольдса в следующих случаях:

• - в диапазоне гарантированных значений КПД, если влияние кавитации вызывает падение КПД более чем на 0.5 % (3.8.2.4.2);

• - за пределами диапазона гарантии, т.е. при эксплуатации в экстремальных нерасчетных условиях, когда отношение потерь трения к общим потерям становится очень малым. Это относится к следующим ситуациям:

• - разгон машины;

• - остановка насоса;

• - четырехквадрантная эксплуатация насос-турбины (за исключением работы в пределах гарантированного рабочего диапазона).

• 2.3.1.4.2 Активные турбины

Влияние числа Рейнольдса на гидравлический КПД принимается во внимание в соответствии с приложением К и 3.8.2.4.

• 2.3.1.5 Подобие по Фруду и кавитационные испытания

Подобие по Фруду должно учитываться во время модельных испытаний, проводимых в следующих условиях:

• - двухфазный поток (большие зоны кавитации на лопастях рабочего колеса, вихри в отсасывающей трубе или в водоотводе ковшовой турбины);

• - безнапорный поток (водозабор насоса с возникновением поверхностных вихрей).

Влияние числа Фруда особенно важно для активных турбин и низконапорных реактивных турбин вследствие возникновения вихря в отсасывающей трубе турбины. Для кавитационных испытаний подтверждение подобия по Фруду необходимо учитывать при сравнимости расстояния от верхней до нижней кромки лопасти полноразмерного рабочего колеса с напором турбины/насоса. Это возможно для горизонтальных осевых машин большого диаметра, работающих при низком напоре.

• 2.3.1.5.1 Кавитационные испытания реактивных машин

а) Высота отсасывания (контрольный уровень)

Высота отсасывания (всасывания для насоса) z_c выбирается в зависимости от места возникновения кавитации. Контрольный уровень кавитации (3.2) не совпадает с контрольным уровнем z_r машины, потому что место с максимальной кавитацией не обязательно расположено на уровне z,. Геометрическое соотношение между z_r, которое определяет настройки системы регулирования машины и z^ показано на рисунке 21, и соотношение соответствующих о-значений определяется следующей формулой, которая применяется и к модели, так и к опытному образцу натурной машины.

<*с= °г”

Возникновение кавитационных пузырьков

Рисунок 21 -Соотношение между уровнем z_r радиально-осевой турбины и контрольным уровнем кавитации (высотой отсасывания) z_c

• b) Кавитационные испытания с применением критерия подобия Фруда

Если договор не определяет иного, кавитационные испытания проводятся на крупной модели с осью вращения, направленной как у натурной машины (горизонтально или вертикально) и с удельной гидравлической энергией (напором), выбранным с учетом подобия Фруда. Для любых соответствующих уровней модели и натурной машины, если контрольный уровень кавитации z_c соответствует показанному на рисунках 21 и 22. число Тома или коэффициент кавитации совпадают.

• c) Кавитационные испытания без полного подобия по Фруду

Если размеры опытного образца натурной машины несравнимы с напором натурной турбины/на-соса, для достижения подобной кавитационной картины на модели и в опытном образце достаточно использовать о_р|. При этом на модели и опытном образце должны использоваться подобные контрольные уровни кавитации (значения высоты отсасывания) z_c (см. рисунки 21 и 22). Критерий подобия по Фруду не применяется, если это требует использования чрезмерно больших моделей и/или малой удельной гидравлической энергии (напора) по сравнению с минимальными значениями (2.3.2.2).

Во всех случаях, когда подобие по Фруду не соблюдается, равенство числа Тома о не может быть достигнуто одновременно для всех подобных выпуклостей модели и опытного образца. Рекомендуется выбирать и согласовывать до испытаний подобные контрольные уровни и z^ в опытном образце и модели, для которых соблюдается равенство чисел Тома о_сР = (см. рисунок 22).

Рисунок 22 - Зависимость с-значений на уровне z для модели и опытного образца натурной машины

Если:

• a) подобие по Фруду соблюдается тогда о_м= а_р;

• b) подобие по Фруду не соблюдается F^ > F_rP, тогда о'_м*о_Р

Значение а для модели и опытного образца натурной машины между самой низкой о^пот и самой высокой Q_top точками прямоточных турбин с горизонтальным валом, как показано на рисунке 22. определяется следующим образом

_ 3 '(^zbottom ~^zc) _ 9 ‘^bottom

® bottom ~ °с ~ °с

9'[^ztop~ ^zc) _ 9‘^top Gfop “°C £ “°C £

Если критерий подобия Фруда между моделью и опытным образцом соблюдается,

т.е. F_rM=F_rP, то на всех гомологичных уровнях соблюдаются соотношения или и, следова

тельно, значения а одинаковы.

Если критерий Фруда между моделью и опытным образцом натурной машины не соблюдается, т.е. Fr_M t Frp то на всех гомологичных отметках z t z_c значения (o_p-cf _м)

(^г~²с)р'

Ер

При кавитационных испытаниях, когда подобие по Фруду не выполняется, чистая положительное удельная энергия или число Тома должны быть подобраны так. чтобы охватить все условия, оговоренные в договоре (изменение уровня нижнего бьефа), и определить предел безопасности между минимальным значением о_р| и оговоренным в договоре значением с учетом разницы (ср—о_м), как показано на рисунке 22.

Во всех случаях может использоваться более чем один контрольный уровень кавитации. Например, для большой горизонтальной прямоточной турбины с горизонтальным валом рабочие характеристики можно получать при натурном (эксплуатационном) числе Тома для высотной отметки, расположенной на 0,20 ниже верхней точки рабочего колеса, в верхней точке рабочего колеса или в верхней точке корпуса рабочего колеса. В договоре должен быть оговорен конкретный способ выполнения работ и последующей интерпретации результатов.

с) Кавитационные испытания насос-турбин

Насос-турбины в турбинном и насосном режимах имеют одно и то же число Тома или один и тот же коэффициент кавитации.

• 2.3.1.5.2 Эксплуатационные испытания активных турбин

На КПД активных турбин ковшового типа число Фруда оказывает большое влияние вследствие наличия в кожухе турбины двухфазного потока. Поэтому при проведении модельных испытаний активных турбин удельную гидравлическую энергию (напор), рекомендуется выбирать так, чтобы подобие по Фруду соблюдалось.

• 2.3.1.6 Прочие критерии подобия

• 2.3.1.6.1 Число Вебера

В данном стандарте, за исключением приложения К, влияние числа Вебера не рассматривается, однако нужно упомянуть, что число Вебера играет важную роль для описания динамики двухфазного потока в кожухе активных турбин, так как от числа Вебера зависит степень атомизации капель, влияющая на величину вихревых потерь и/или возмущения в потоке жидкости. Для модельных испытаний активных турбин обычно невозможно соблюдать подобие по Фруду и Веберу одновременно. Подобие по Фруду сохраняется в большинстве случаев, потому что эффекты, зависящие от числа Фруда, превалируют над эффектами подобия по Веберу.

Примечание - Если удельная гидравлическая энергия Е_м при испытаниях больше, чем это требуется по критерию Фруда, тогда (z - z_c)_M/E_M<(z - z_c)p/Ep, и, следовательно, <5’_м>о_р для всех уровней выше контрольного уровня кавитации (на модели обеспечиваются более благоприятные кавитационные условия, чем на опытном образце). Для всех уровней ниже отобранного контрольного уровня кавитации наблюдается обратная картина

• 2.3.1.6.2 Влияние кавитационных ядер на картину кавитации и энергетические характеристики

Согласно [1] и [3] оцениваемое невооруженным глазом появление кавитационных пузырьков и получаемые кавитационные характеристики в значительной степени зависят от количества в воде кавитационных ядер (невидимых пузырьков воздуха или газа с радиусом менее 50 мкм). В настоящее время не представляется возможным установить минимальное количество ядер и содержание растворенного в воде газа, пока не определено влияние таких параметров машины, как ее тип, удельная гидравлическая энергия и т.д.

Определение количества ядер описывается в 2.5.3.2. Появление кавитации и возможность наблюдения за ней зависят от вида кавитации, который связан с типом гидромашины. При кавитационных испытаниях (определение о) рабочих колес радиально-осевых турбин средней или большой быстроходности, в которых кавитация возникает обычно на выходе рабочего колеса, важно, чтобы в воде содержалось достаточное количество ядер, рост которых можно было бы активировать в зонах, где давление становится равным давлению парообразования. Испытания опытного образца натурной машины показывают, что количество ядер во всех зонах рабочего колеса, в которых давление парообразования превалирует, достаточно для возникновения кавитации. Однако в испытательных установках с замкнутым водооборотом количество и размер ядер в ходе испытаний уменьшаются вследствие деаэрации воды. При определенных значениях о (например, при о реальной станции) количество ядер становится недостаточным для активации их роста в зоне низкого давления, что уменьшает размер видимой кавитации.

При кавитационных испытаниях качество воды опытного образца натурной машины и модели одинаковы. если количество ядер в модели способно поддерживать процесс кавитации во всех зонах, где местное давление равно или меньше давления парообразования. Это означает, что протяженность зон с видимой кавитацией и вызванное этим падение эффективности (КПД) не зависят от условий проведения испытаний. Это может быть проверено путем изменения количества ядер, вводимых перед рабочим колесом или при увеличении удельной гидравлической энергии, которые нарушают подобие по Фруду.

• 2.3.2 Условия испытаний

• 2.3.2.1 Определение условий испытаний

Условия, выбираемые для различных видов испытаний, зависят:

• - от мощности испытательной установки и ее контрольно-измерительной аппаратуры;

• - от размера и механической конструкции модели машины;

• - от гарантированного и/или заданного рабочего диапазона.

Для проведения эксплуатационных и кавитационных испытаний должна использоваться одна и та же модель. Если для опытного образца натурной машины даны гарантии или заданы определенные характеристики, то требуемые параметры испытания модели могут быть определены из условий гидравлического подобия в соответствии с 2.3.1.2 Ь). применяя формулу, представленную в 3.8.5.2. Необходимо, чтобы выполнялись следующие условия:

• - минимальные допустимые значения параметров из таблицы 4 не должны быть превышены;

• - должны быть проверены механические ограничения в проекте модели;

• - ограничения, вытекающие из конструкции и правил эксплуатации испытательного стенда и измерительной аппаратуры должны выполняться.

Модели, используемые для сравнительных испытаний, должны быть одного и того же размера и должны испытываться при примерно равных значениях числа Рейнольдса (2.1.3.2). При эксплуатационных испытаниях для получения более высоких значений числа Рейнольдса (для активных турбин - числа Фруда) и уменьшения относительной погрешности измерений рекомендуется выбирать удельную гидравлическую энергию несколько больше минимального значения, которая ближе к соответствующему значению для опытного образца натурной машины. Нет необходимости выдвигать требование относительно того, чтобы кавитационные испытания модели проводились с удельной гидравлической энергией, равной опытному образцу натурной машины. Нежелательно испытывать модель с очень низкими значениями удельной гидравлической энергии, что объясняется снижением точности измерений и вероятностью деаэрации в зоне низкого давления. Исходя из вышеизложенного. для каждого типа испытаний должен быть задан диапазон абсолютных значений следующих параметров модели:

• - скорость или удельная гидравлическая энергия (напор);

• - расход;

• - мощность и/или крутящий момент;

• - чистая положительная удельная энергия (для реактивных машин).

• 2.3.2.2 Минимальный размер модели и условия испытаний

В дополнение к требованиям по геометрическому подобию и шероховатости поверхности модели и опытного образца натурной машины, как сказано в 2.1.3.4 и 2.2, нужно обеспечить гидравлическое подобие модели и опытного образца, для чего необходимо определить минимальные значения размеров модели, числа Рейнольдса и удельной гидравлической энергии, как указано в таблице 4. Это необходимо для того, чтобы:

• - обеспечивалась требуемая точность измерений в процессе изготовления машины;

• - результаты испытаний были достаточно точными даже при недопустимых отклонениях от условий испытаний (например, выделения воздуха или газа во время кавитационных испытаний);

• - уменьшить влияние масштабного эффекта между моделью и опытным образцом натурной машины путем проведения испытаний при соответствующих числах Рейнольдса и Фруда.

Минимальные значения различных параметров не зависят друг от друга, и все они должны быть соблюдены. Модели иметь максимально возможный размер, но не меньший, чем задано (табличных) значений.

Таблица 4 - Минимальные значения размеров модели и параметров испытаний

Примечания:

• 1 По критерию подобия Фруда удельная гидравлическая энергия для кавитационных испытаний может выбираться таким образом, чтобы число Re было меньше заданного значения.

• 2 £„^,=20 Дж/кг при О> 0.4 м.

• 3 Для насосов и насос-турбин с низкой быстроходностью и наружным диаметром не менее 0,5 м контрольный диаметр может иметь размер в диапазоне 0,20 м <D< 0,25 м.

• 2.3.2.3 Стабильность условий испытаний

Колебаний измеряемых величин избежать невозможно. Они могут иметь периодический или случайный характер с большим разбросом по частоте, могут порождаться компонентами испытательного стенда (бустерным насосом, дроссельными устройствами, системой управления малым давлением и т.д.) и модельной машиной (жгутом 8 отсасывающей трубе, срывом потока и т.д.). Во время испытаний модели важно, чтобы во всех точках обеспечивались устойчивые воспроизводимые условия работы, особенно в пределах действия гарантий опытного образца натурной машины.

• 2.3.2.3.1 Стабильность и колебания параметров во время измерений

Стабильность испытательного стенда должна быть такой, чтобы повторные измерения одной и той же рабочей точки не выходили из согласованного диапазона погрешности измерения различных величин (например, в пределах ± 0,3 % для КПД в зоне, близкой к оптимуму). Влияние колебаний расхода, удельной гидравлической энергии, скорости и чистой положительной удельной энергии не должно выходить за пределы заданного диапазона погрешности (например. ± 0,3 %). Колебания обычно вносят систематическую погрешность, поэтому они должны быть исключены.

Колебания показаний в рабочей точке следует проверять с помощью стандартного отклонения измеренной величины или определенной произвольной погрешности, если испытательный стенд укомплектован соответствующей системой регистрации показаний измерительных приборов. Если колебания параметров существенно влияют на результаты, нужно применить линейное гидравлическое демпфирование (3.3.3.4) и фильтрацию электрических сигналов (3.1.4.3.2), настройку условий испытаний или иные средства исключения колебательного процесса, не искажающие наблюдаемый процесс.

• 2.3.2.3.2 Регулировка рабочей точки

Если рабочие точки, в которых проводятся измерения, оговорены в договоре в виде безразмерных параметров (фактор скорости, коэффициент расхода, число Тома и др.), то отклонения измеренных безразмерных параметров от заданных значений не должны превышать ± 0,5 % для скорости, расхода или коэффициента мощности и ± 3 % для коэффициента кавитации или числа Тома.

• 2.3.3 Порядок проведения испытаний

• 2.3.3.1 Организация испытаний

При планировании испытаний модели заинтересованные стороны должны согласовать подготовку, организацию и процедуру проведение испытаний.

• 2.3.3.1.1 Технические условия (ТУ) на испытания модели

ТУ на испытания модели представляют собой основу для планирования и подготовки приемочных модельных испытаний, и служат для разработки подробной технической программы испытаний (2.3.3.3.2). ТУ на модельные испытания являются частью общих технических и/или коммерческих ТУ для всего проекта (например, поставка и изготовление турбины или замена рабочего колеса), которые выдаются заказчиком или его инженером.

ТУ на модельные испытания должны определять:

- цель, объем и длительность модельных испытаний;

• - ссылку на гарантируемые и заданные характеристики работы станции;

• - ссылку на стандарты испытаний;

• - масштаб и/или размер модели;

• - место, где изготавливают модель (и) или соответствующие компоненты;

• - место, где испытывают модель (и);

• - вид документирования результатов (отчеты об испытаниях);

• - календарный график с указанием сроков начала и окончания модельных испытаний.

• 2.3.3.1.2 Календарный график

В согласованном календарном графике должны быть указаны работы и сроки и/или продолжительность их выполнения:

• - передача чертежей модели (в частности, чертежей, на которых представлена конструкция и основные размеры модели со стороны высокого и низкого давления на участках сопряжения с испытательным стендом);

• - представление описания испытательного стенда (включая способы калибровки, расчета и представления результатов, предполагаемых погрешностей измерений);

• - калибровка контрольно-измерительных приборов;

• - проверка геометрии модели;

• - разработка программы предварительных и приемочных испытаний (или испытаний в присутствии наблюдателей), а также последовательность испытаний моделей в случае проведения сравнительных модельных испытаний;

• - представление отчетов об испытаниях.

Изготовитель должен иметь достаточное время на изготовление модели, проведение необходимых проверок размеров и выполнения собственных предварительных стендовых испытаний в лаборатории или где-либо еще. В случае обнаружения дефектов испытательного оборудования или дефектов модели машины в процессе предварительных или приемочных испытаний необходимо согласовать внесение изменений в календарный график и/или программу испытаний.

• 2.3.3.1.3 Персонал и ответственность

Назначение ответственных представителей заказчика и/или его инженера, поставщика и независимой лаборатории (если используется) должны быть сделаны до начала испытаний. Их ответственность и полномочия должны позволять быстро решать любые проблемы, возникающие во время подготовки и проведения испытаний.

Для проверки соответствия настоящему стандарту и другим соглашениям заказчик и поставщик вправе направить своих представителей для участия во всех испытаниях, которые должны проводиться по договору, проверке размеров модели и опытного образца натурной машины. Для проведения испытаний в соответствии с 2.3.3.3.1 должен быть назначен руководитель испытаний. Руководителем испытаний назначается эксперт из числа технического персонала лаборатории, в которой испытывается модель, или (по отдельной договоренности сторон) - независимый эксперт. Руководитель испытаний принимает на себя полную ответственность за правильность калибровки контрольно-измерительных приборов, выполнение программы испытаний и обработку результатов, включая определение погрешностей измерений и документальное оформление результатов в итоговом отчете. Руководитель испытаний принимает к рассмотрению любые замечания или предложения, вносимые тем или иным официальным представителем сторон, участвующим в испытаниях.

Fr.nM модельные испытания пройодятся я независимой или сторонней лаборатории, поставщик может присутствовать при всех операциях по испытанию его модели, включая ее установку и любые подготовительные операции. Испытания должны проводиться персоналом, имеющим опыт работы с испытательным оборудованием.

• 2.3.3.1.4 Разработка модели и подготовка испытательной установки

В ТУ на модельные испытания (2.3.3.1.1) должны быть предусмотрены все условия проектирования и изготовления модели машины, такие как:

• - длина элементов проточной части, со стороны высокого и низкого давления;

• - расположение сечений измерения давления;

• - число и расположение наблюдательных окон;

• - меры по замене и/или настройке компонентов модели;

• - меры, предусматриваемые для проведения специальных испытаний (видеозапись явлений кавитации, пульсации давления, крутящего момента на лопатках НА, осевого или радиального гидравлического усилия, поля скоростей и т.д.);

• - условия проведения всех предусмотренных типов испытаний;

• - диапазон регулирования для геометрических параметров (например, максимальное открытие НА и т.д.).

Должны быть приведены данные, определяющие объем и условия испытаний, изготовление и подготовку модели в соответствии с современным уровнем техники. На их основе выбирается испытательное оборудование и проверяется расположение модели на испытательном стенде, модифицируется компоновка компонентов испытательного стенда. Рекомендуется заблаговременно (на стадии проектирования модели) согласовать узлы (части) входа и выхода потока, а также окончательное расположение сечений и число точек замера давления.

• 2.3.3.1.5 Контрольно-измерительные приборы и обработка результатов испытаний

Лицо, ответственное за выбор лаборатории, или руководитель испытаний должно предоставить заказчику или его инженеру техническое описание стандартных контрольно-измерительных приборов, устанавливаемых на испытательном стенде, способы измерения и калибровки, обработки результатов испытаний и документального оформления результатов.

Если в лаборатории имеется два или более контрольно-измерительных приборов, постоянно установленных для измерения одного из параметров, для измерений в процессе испытаний и последующей обработки результатов должен быть выбран один из них, а другой должен использоваться для сравнения результатов и функциональной проверки.

Если обработка результатов испытаний проводится в несколько этапов с использованием более чем одной компьютерной системы, порядок обработки величин должен бьггь определен в деталях. Необходимо согласовать, какие величины будут обрабатываться во время замеров (он-лайн) и представляться сразу же в виде регистрационных записей и/или диаграмм, а какие результаты испытаний должны обрабатываться и документироваться позже.

• 2.3.3.1.6 Контроль габаритов

Необходимо указать те компоненты, которые должны проверяться до, во время или после приемочных испытаний. Методы, используемые для проведения габаритного контроля, и соответствующий объем и число контролируемых параметров (2.2) должны быть заблаговременно согласованы, заранее должны быть подготовлены соответствующие документы и измерительная аппаратура. При согласии сторон приемочные испытания могут ограничиваться выборочной проверкой контролируемых параметров или режимов работы.

• 2.3.3.2 Проверка и калибровка

Перед началом предварительных и/или приемочных испытаний модели, испытательный стенд, контрольно-измерительные приборы и система снятия и обработки данных должны быть проинспектированы представителями сторон и руководителем испытаний, чтобы убедиться в отсутствии механических, конструкционных или иных дефектов модели или испытательного оборудования, влияющими на достоверность результаты испытаний.

Все измерительные приборы должны быть калиброваны сравниванием их показаний с данными первичных методов измерения (как это разъяснено в 3.2 - 3.7) перед испытаниями, а также после завершения испытаний, если того пожелает одна из сторон. Если в процессе испытаний возникают серьезные проблемы со стандартной измерительной аппаратурой (дефект контрольно-измерительного прибора или измерительной цепи, систематическое значительное отклонение измеряемого параметра от нуля или базовых значений) необходимо провести калибровку приборов повторно.

Используемые меюды, обьем калибровки (выборочная или полная калибровка) и порядок их проведения должны быть согласованы сторонами до начала предварительных или приемочных испытаний. По взаимному согласию сторон можно не проводить дополнительную калибровку приборов, на которые имеются заверенные начальником лаборатории или руководителем испытаний сертификаты соответствия последней выполненной калибровки.

• 2.3.3.2.1 Проверка модели машины

Необходимо проверить и/или документировать:

• - обозначение компонентов модели на основе соответствующих чертежей модели (особенно если планируется заменять или модифицировать определенные компоненты во время испытаний);

• - геометрические размеры, перечисленные в 2.2;

• - характерные параметры, используемые при обработке результатов испытаний (например, места расположения измерительных сечений со стороны высокого и низкого давления);

• - зазоры уплотнений и/или периферийные зазоры лопастей;

• - индивидуальные и средние значения углов открытия НА или игл, открытия лопастей рабочего колеса;

• - качество поверхности различных компонентов, включения и местные дефекты;

• - сопряжение компонентов в местах соединений;

• - согласование с контрольными размерами модели, указанными на чертежах.

Если в процессе (2.3.3.4) или в конце испытаний, проводимых в присутствии представителей заинтересованных сторон, были замечены механические повреждения или дефекты, испытания должны быть повторены. Подобные испытания являются частью официальных приемочных испытаний.

• 2.3.3.2.2 Проверка испытательного стенда

Должны быть выполнены следующие проверки:

• - отсутствия протечек воды между моделью и сечением, в котором измеряется расход;

• - отсутствия протечек в системе измерения давления (включая пьезометрические трубки) на стороне низкого давления и отсутствие подсоса воздуха в напорный контур при понижении давления ниже давления окружающей среды;

• - ламинарности потока перед входным и после выходного сечения модели вблизи сечений измерения расхода. В элементах проточной части не должно быть помех, а смачиваемые водой поверхности должны иметь малую шероховатость;

• - правильности работы бустерных насосов и регулирующих механизмов (клапанов подачи воды, сжатого воздуха и т.д.);

• - постоянства качества и температуры воды (2.1.2.3).

При необходимости некоторые проверки могут быть повторены в конце приемочных испытаний в присутствии всех заинтересованных сторон.

• 2.3.3.2.3 Калибровка контрольно-измерительных приборов и проверка системы записи данных Заинтересованные стороны должны согласовать;

• - условия тарировки или выборочной проверки контрольно-измерительных приборов;

• - калибровку или выборочную проверку контрольно-измерительных приборов до и после приемочных испытаний;

• - условия повторной калибровки контрольно-измерительного прибора во время или после приемочных испытаний;

• - диапазон калибровки и число точек калибровки или контроля для различных контрольно-измерительных приборов;

• - основные данные и порядок оценки систематической погрешности, имеющей отношение к данной калибровке и к каждой измеряемой величине.

До и после приемочных испытаний должны быть выполнены:

• - проверка используемых контрольно-измерительных приборов и/или оснастки;

• - проверка дрейфа нуля, т.е. проверка эффекта смещения считываемых показаний в определенных условиях для различных контрольно-измерительных приборов;

• - проверка системы снятия данных путем повторных измерений в заданных эксплуатационных условиях. Расчеты по выполненным вручную замерам должны продемонстрировать надлежащее функционирование аппаратуры (обычно автоматической) записи, передачи и обработки результатов испытаний;

• - измерение механического трения в подшипниках и уплотнениях вала и внесение, если необходимо, дополни юльных поправок,

• - дрейф нуля обычно проверяют во время предварительных и приемочных испытаний. Остальные проверки и калибровки повторяются при необходимости в конце приемочных испытании в присутствии всех заинтересованных сторон.

Если расхождения между двумя поверками или калибровками менее систематической погрешности, определенной в начале испытаний, результаты испытаний считают достоверными. Если расхождение между двумя калибровками или поверками в некоторых точках оказалось более систематической погрешности, испытание должно быть аннулировано и повторено. Для признания результатов калибровки следует поддерживать внешние параметры (температура окружающей среды, влажность, напряжение питания, электромагнитное поле и т.д.) во время калибровки и испытаний (3.9.2.1.2) в пределах допустимого диапазона.

Любая из заинтересованных сторон может потребовать повторной калибровки любого средства измерений в процессе испытаний, если она может представить для этого обоснованные доводы.

• 2.3.3.3 Проведение испытаний

• 2.3.3.3.1 Типы испытаний

Для успешного и эффективного проведения приемочных испытаний необходимо провести основательную подготовку к ним с помощью наладочных подготовительных испытаний. В зависимости от результатов предварительных и приемочных испытаний иногда возникает необходимость в проведении дополнительных испытаний.

Настоящий стандарт определяет следующие типы испытаний.

• a) Подготовительные испытания

Часто эти испытания не уточняются в деталях, однако они обеспечивают качество последующих испытаний. Они включают:

• - проверки и испытания для определения отсутствия механических дефектов изготовления модели и кавитационного образца, испытательного стенда и измерительной аппаратуры;

• - проверку функционирования измерительной аппаратуры и системы сбора и накопления данных. Один из способов - систематическое изменение скорости (изменение Е) при постоянном а и изменение NPSE (изменение о) при постоянном Е хотя бы для одной рабочей точки.

Результаты этих испытаний обычно используются для внутреннего пользования поставщика или испытательной лаборатории.

Примечание - По взаимной договоренности поставщику может быть выделено дополнительное время на окончательный отбор компонентов или иных уточнений испытаний, однако они не включены в рамки данного стандарта.

• b) Предварительные испытания

Эти испытания определяются ТУ (2.3.3.1.1) или технической программой (2.3.3.3.2) и зависят от способа использования результатов. Стороны должны до начала испытаний согласовать:

• - способ использования результатов. Если результаты используются только для информации, и не влияют на стоимость контракта, то предварительные испытания для согласованных пунктов определяют только общее поведение или некоторые предельные значения параметров модели;

• - если результаты будут использоваться в качестве официальных данных, и влияют на стоимость контракта, эти результаты являются частью официальных результатов испытаний, которые будут проверены во время приемочных испытаний. Например, результаты могут использоваться для оценки повышения КПД, как показано в 3.8.2.4, и оценки систематической и случайной погрешностей, как показано в 3.9.2. Эти данные должны быть подтверждены во время приемочных испытаний.

• c) Приемочные испытания (или испытания в присутствии наблюдателей)

При этих испытаниях определяют или проверяют все параметры модели, которые определены ТУ (2.3.3.1.1) или технической программой (2.3.3.3.2) как данные для сравнения с гарантируемыми или иными оговоренными договором данными. Использование результатов: все результаты имеют контрактное значение и должны быть в сводном виде представлены в итоговом отчете об испытаниях (2.3.3.5).

• d) Дополнительные испытания

Эти испытания дополняют результаты предварительных и приемочных испытаний и могут включать испытания для получения дополнительных данных. Подобные испытания могут проводиться (могут не проводиться) в присутствии наблюдателей.

Результаты должны быть представлены в сводном итоговом отчете об испытаниях (2.3.3.5). Однако их контрактное значение должно быть согласовано

• 2.3.3.3.2 Техническая программа

Техническая программа, имеющая отношение к техническим условиям (2.3.3.1.1) и соответствующим контрактным гарантиям и характеристикам, должна определяться и согласовываться сторонами заранее. Программа испытаний определяет цель и объем различных испытаний, проводимых на стадии предварительных и/или приемочных испытаний, если иное не оговорено в договоре. Для обеспечения достаточной результативности испытаний и их документального оформления, для каждого типа испытаний (основные гидравлические эксплуатационные испытания, кавитационные испытания, испытания крутящего момента на направляющих аппаратах и т.д.) должны быть заданы:

• - диапазоны изменяемых гидравлических параметров и их соответствующие приращения для определения числа и распределения испытательных точек (режимов);

• - постоянные условия испытаний, например, испытательная скорость (или удельная гидравлическая энергия) и число Тома (испытания при или более высоких значениях о);

• - число и тип снимаемых замеров/результатов испытаний и метод их регистрации;

• - определения, формулы и процедуры (3.8.1 и рисунок 62), используемые для расчета;

• - результатов испытаний модели и/или опытного образца натурной машины:

• - руководящие принципы для графического представления результатов испытаний.

При проведении приемочных испытаний, техническая программа может быть дополнена:

• - объемом и последовательностью проверок, калибровок и испытаний, проводимых в присутствии наблюдателей;

• - регистрацией и/или графическим представлением результатов испытаний, подписываемых сторонами, участвующими в испытаниях;

• - числом измеряемых точек для простого расчета и расчета систематических, случайных и суммарных погрешностей;

• - подготовкой ежедневного журнала и итогового протокола (2.3.3.5).

• 2.3.3.3.3 Данные, используемые для вычислительной обработки результатов

Перед началом предварительных и/или приемочных испытаний должны быть проверены и согласованы данные и формулы, используемые для вычислительной обработки результатов модели и опытного образца натурной машины:

• - расположение измерительных сечений со стороны высокого и низкого давления;

• - геометрические и гидравлические контрольные параметры и характеристики модели и опытного образца натурной машины;

• - физические константы и свойства для модели и опытного образца натурной машины;

• - момент трения модели (если автоматически не компенсируется);

• - данные калибровки для всех соответствующих контрольно-измерительных приборов;

• - протечки через лабиринтные уплотнения, если они принимаются в расчет (2.1.3.4.3);

• - методика пересчета КПД.

На примере простого расчета необходимо продемонстрировать правильное использование этих данных и разъяснить порядок расчета.

• 2.3.3.3.4 Подписание и передача записей испытаний

Полные записи измерений и соответствующие данные в нулевых или контрольных условиях, а также примечания о проверках и калибровках, снятии показаний и проведении наблюдений во время приемочных и/или предварительных испытаний должны быть согласованы и подписаны непосредственно после завершения каждой фазы испытаний присутствующими представителями сторон и руководителем испытаний, и должны храниться в полном комплекте у каждой из сторон.

• 2.3.3.3.5 Эксплуатационные испытания

Сначала рекомендуется определить оптимальное значение КПД HhoptM (Д^ля насос-турбины в обоих режимах работы) в безкавитационных условиях как основу для расчета S_ref (3.8.2.2) и поправки КПД HhoptM-

В диапазоне гарантий эксплуатационные испытания должны проводиться при постоянной скорости или при постоянном напоре. Для удобства обработки результатов испытаний (3.8) их предпочтительно проводить при постоянной скорости и температуре воды (если это возможно) таким образом, чтобы результирующее число Рейнольдса было примерно постоянным. Если по ограничения модели и/ или испытательной установки не позволяют поддерживать постоянные условия испытаний, то обработка результатов подобных испытаний проводится в соответствии с 3.8.2.2. В том же пункте приведены некоторые варианты графического представления результатов испытаний для различных типов машин (см. рисунки 55 — 61).

а) Реамивные машины, влияние кави>ации

Эксплуатационные испытания могут проводиться при одном из двух следующих условий:

• - при числе Тома натурной турбины (в условиях эксплуатации) о_м= о^;

• - при отсутствии кавитации, при о_м^>ар<

В первом случае (особенно для машин с высокой быстроходностью) кавитация, влияющая на величину КПД, может возникнуть в диапазоне гарантированного КПД. Ее возникновение можно оценить по значениям о в зоне влияния кавитации, как показано в 2.3.3.3.6.

Во втором случае число Тома о_м достаточно велико, чтобы исключить любую кавитацию. При этом необходимо оценить возможное влияние кавитации на эксплуатационные характеристики в условиях эксплуатации по значениям о в зоне влияния кавитации, как показано в 2.3.3.3.6. Если испытания обнаруживают влияния кавитации в диапазоне гарантий, то для измеренной при о_м > 0^. рабочей характеристики (для кривой КПД) необходимо ввести поправочный коэффициент, способ определения которого приведен в 3.8.2.3.7 и на рисунке 70.

b) Активные турбины: влияние уровня нижнего бьефа

Для активных турбин рекомендуется определить отметку нижнего бьефа, которая оказывает влияние на характеристики. Эта проверка проводится в рабочих точках при полной нагрузке путем изменения уровня нижнего бьефа.

• 2.3.3.3.6 Кавитационные испытания реактивных машин

Кавитационные испытания, т.е. систематическое изменение числа Тома о с одновременной регистрацией кавитационного процесса, проводятся в выбранных рабочих точках. Результаты испытаний представляются в виде, приведенном на рисунках 71 и 72. При конкретных значениях с (например, при ОрР можно показать влияние кавитации на характеристики (КПД, расход или удельную гидравлическую энергию, мощность). Это единственный способ проверки запаса значений о в эксплуатационных (станционных) условиях и <7_d - значением, при котором производительность изменяется или начинает подвергаться влиянию кавитации (см. рисунок 70).

При каждом изменении о важно, чтобы выбранные геометрические параметры модели оставались неизменными. В начале испытаний нужно согласовать какой из параметров — коэффициент энергии (коэффициент скорости), или коэффициент расхода (или фактор расхода) - должен поддерживаться постоянным. Если модель оснащена смотровыми окнами или прозрачными частями, то при конкретных значениях с, используя стробоскопическое освещение, можно наблюдать картину кавитации на рабочем колесе/импеллере и/или в отсасывающей трубе (где становится видимым вихревой жгут под рабочим колесом радиально-осевой турбины с частичной нагрузкой). За картиной кавитации можно также наблюдать, введя в модель эндоскоп. Обычно картина кавитации регистрируется вручную в виде эскизов, фото- или видеосъемки.

Результаты кавитационных испытаний могут использоваться для выяснения других явлений, связанных с кавитацией, таких как шум, вибрация и пульсация давления. Последствия несоблюдения подобия по Фруду для больших машин с низкой удельной гидравлической энергией описаны в 2.3.1.5.1 с).

Стороны должны согласовать различные контрольные уровни и соответствующие используемые значения Gp| (2.3.1.5.1 и приложение М), а также способ, которым оценивается влияние кавитации на энергетические характеристики при переносе результатов на условия работы опытного образца натурной машины (3.8.2.4.2).

• 2.3.3.3.7 Разгонные испытания

Метод разгонных испытаний зависит от устройства испытательного стенда, контрольно-измерительных приборов и конструкции модели. Если испытательный стенд оснащен или может быть оснащен двигателем для компенсации момента трения, вызванного подшипниками и уплотнениями, то можно поддерживать Р_тМ=0, и, таким образом, определять точки разгонной характеристики. Если такая процедура невозможна, то разгонные условия могут определяться с помощью экстраполяции (в качестве примера см. рисунок 76) или с помощью интерполяции.

В большинстве случаев удельную гидравлическую энергию (напор) уменьшают, чтобы не превышать наибольшую скорость, которую может выдержать модель и/или испытательное оборудование. Как бы то ни было, минимальная разгонная схорость модели не должна быть ниже, чем скорость при эксплуатационных испытаниях. Предполагается, что влияние чисел Рейнольдса и Фруда пренебрежимо мало в близком к разгонной диапазоне скорости.

Разгонные испытания должны проводиться при достаточном изменении геометрических параметров модели машины, чтобы можно было исследовать наименее благоприятную комбинацию параме-|ров и все заданные условия. В случае с мниюшруйными вшивными iурбинами (ковшовыми |урбина-ми) максимальная устойчивая разгонная скорость должна измеряться с учетом наименее благоприятной комбинации рабочих сопел.

В 3.8.3.1 приведено разъяснение того, как определяют угонные характеристики модели для различных типов машин, а на рисунках 74-76 приводятся некоторые примеры графического представления коэффициента угонной скорости n_EDR. Для реактивных машин должно быть проверено влияние кавитации на угонные характеристики модели (3.8.3.2). Сначала должно быть согласовано соответствующее значение о_р|; оно должно быть связано с наименее благоприятными станционными условиями, которые могут быть в режиме разгона (часто при максимальной удельной гидравлической энергии). Имеются два возможных способа проверки влияния кавитации:

а) выполнить разгонные испытания модели при достаточно большом значении числа Тома, затем в выбранных критических рабочих точках проверить влияние кавитации путем изменений о, т.е. определить кривые n_ED р(а) и Q_{E0 R}(a) для каждой из этих точек;

Ь) провести разгонные испытания модели при о_м = 0р| и при о_м>о_р|.

• 2.3.3.3.8 Испытания для проверки дополнительных характеристик

Во время испытаний определяют:

• - пульсации давления;

• - крутящий момент НА;

• - четырехквадрантные характеристики производительности;

* осевое/радиальное гидравлическое усилие и т.д.

Детали дополнительных испытаний описаны в пункте 7.

• 2.3.3.3.9 Ежедневный журнал и итоговый протокол приемочных испытаний

Ежедневный журнал должен каодый день отражать в сводном виде:

• - фамилии лиц. принимающих участие в испытаниях;

• - операции, такие как проверки, калибровки, серии испытаний, обсуждения:

• - соглашения, решения и нерешенные вопросы, касающиеся результатов испытаний;

• - изменения технической программы и/или программы испытаний.

В конце приемочных испытаний должен быть составлен итоговый протокол, содержащий:

• - цель приемочных испытаний;

• - место и время проведения испытаний:

• - фамилии лиц, принимавших участие в них;

• - данные замеров модели и/или компонентов модели;

• - комментарии и/или заключения, касающиеся:

проверки испытательного стенда, контрольно-измерительных приборов и установки модели; калибровки приборов;

системы записи данных (пример расчета);

контроля геометрии модели;

• - обсуждение результатов и их сравнение с гарантированными и/или заданными характеристиками, полученными при эксплуатационных, кавитационных и разгонных испытаниях;

• - заключения о выполнении гарантий и требований заказчика и полноте результатов испытаний по условиям технической программы или технических условий на модельные испытания;

• - соглашения по:

дополнительным испытаниям (если проводятся);

документальному оформлению результатов испытаний;

отгрузке или хранению модели.

• 2.3.3.4 Ошибки и повторение испытаний

• 2.3.3.4.1 Виды ошибок и их последствия

Во время приемочных испытаний могут наблюдаться такие погрешности модели, испытательного стенда, контрольно-измерительных приборов и систем обработки данных, как:

• a) механические дефекты модели:

• - неисправности в подшипнике или уплотнениях модели, которые влияют на изменение потерь механического трения. Замененные подшипники и/или уплотнения необходимо подгонять, однако при этом механические потери трения могут измениться;

• - могут изменяться рабочие зазоры и/или условия дросселирования в разводке труб для отвода протечек, вызывая изменение энергетических характеристик:

• - рассогласование лопаток НА и/или лопастей рабочего колеса, что повлияет на энергетические характеристики и/или явление кавитации;

-механический дефект рабочего колеса/импеллера и/или других компонентов модели.

• b) неполадки в испытательном стенде или контрольно-измерительных приборах:

• - нетипичные изменения скорости, удельной гидравлической энергии или расхода в результате неисправности системы управления вспомогательным оборудованием испытательного стенда или в результате сбоя в работе его компонентов;

• - дополнительные протечки вследствие того, что открыт клапан, или возник дефект в проводниках пьезометров;

• - обнаружено чрезмерное различие нулевых показаний контрольно-измерительных приборов до и после серии испытаний.

• c) сбои в обработке данных:

• - сбой функционирования системы записи/съема данных может приводить к ошибкам в результатах испытаний;

• - ошибочные результаты испытаний получены в результате ошибки в контрольных данных и данных калибровки.

Исправление подобных ошибок должно происходить под непосредственным надзором руководителя испытаний и всех заинтересованных сторон. Во время сравнительных испытаний особое внимание должно уделяться обеспечению того, чтобы ни одна из сторон не могла использовать полученные результаты в свою пользу. Проточная часть стенда и модели во время испытаний не могут изменяться.

После исправления ошибок должны быть проведены несколько подготовительных испытаний и/ или предварительных испытаний, чтобы удостовериться, что модель функционирует так же, как перед появлением дефекта. Если окажется, что ее производительность изменилась, то по согласованию сторон предыдущие серии испытаний должны быть либо:

• - приняты без дополнительных испытаний;

• - объявлены недействительными, что потребует проведения ряда дополнительных испытаний.

• 2.3.3.4.2 Порядок повторения испытаний

Каждая из сторон вправе потребовать прекращения и/или повторения испытаний при условии, что руководитель испытаний сочтет выдвинутые причины обоснованными, например:

• - неудовлетворительная степень совпадения результатов калибровки до и после испытаний;

• - сбои в работе испытательного стенда, контрольно-измерительных приборов или системы обработки данных:

• - механические дефекты модели:

• - несоответствие испытаний настоящему стандарту, за исключением случаев, когда иное оговорено заблаговременно.

В подобной ситуации другая сторона (ы) и/или руководитель испытаний может (могут) потребовать повторения испытаний. Предмет повторных испытаний и калибровок, а также ответственность за связанные с этим затраты должны быть заблаговременно согласованы в письменном виде.

Если стороны не достигли соглашения о проведении повторных испытаний или ответственности за дополнительные затраты, разрешение споров осуществляется в арбитражном порядке.

• 2.3.3.5 Итоговый отчет об испытаниях

После завершения всех испытаний в соответствии с техническими условиями модельных испытаний (2.3.3.1.1) и технической программой испытаний (2.3.3.3.2) в соответствии с правилами, определенными данным стандартом и подписанными руководителем испытаний, должен быть подготовлен итоговый отчет об испытаниях. Стороны должны согласовать необходимость утверждения проекта отчета в целом или только его избранных разделов.

В итоговом отчете в первую очередь должны быть отражены:

• 1) предмет и назначение испытаний со ссылкой на ТУ проведения модельных испытаний, включая соответствующие гарантии и прочие договорные условия;

• 2) записи обо всех соглашениях и других существенных документах, касающихся испытаний;

• 3) персонал, принимавший участие в испытаниях;

• 4) техническое описание модели машины с чертежами, показывающими, главное сечение модели и схему ее размещения на испытательном стенде;

• 5) техническое описание испытательного стенда и измерительной аппаратуры, включая способы калибровки и методы обработки данных;

• 6) расчет результатов модельных испытаний и их перенос на натурную машину и/или ее опытный образец (в юм числе с умеiом масел абных эффекюв, если 1аковые имеемся),

• 7) данные калибровки и отчеты по проверкам;

• 8) порядок проведения различных типов испытаний;

• 9) журнал регистрации операций, имеющих отношение к конкретным испытаниям и их последовательности;

• 10) записи соответствующих испытаний и протоколы измерений и наблюдений во время испытаний, графическое представление результатов испытаний;

• 11) расчет погрешности измерений по данным калибровки, измерений и дополнительных наблюдений;

• 12) интерпретация результатов испытаний, сравнение с гарантиями и другими договорными условиями;

• 13) заключение о выполнении гарантий и договорных условий, о полноте и соответствии техническим условиям.

• 2.4 Введение в методы измерений

Ни одна из физических величин не может быть измерена без погрешностей. Результат измерения заслуживает доверия, если оценен его доверительный уровень. Правила анализа и оценки погрешностей приведены в 3.9.

Величины, измеряемые во время испытаний модели для подтверждения гарантий по основным энергетическим характеристикам, требуют высокой точности. Поэтому для оценки соответствия проведенных испытаний настоящему стандарту должны быть выполнены все правила, изложенные в разделе 3 настоящего стандарта. Правила расчета параметров (мощность, КПД см. 2.4.1), которые являются производными от базовых величин (расход, удельная гидравлическая энергия, крутящий момент на валу, скорость вращения). Гидравлические параметры, такие, как NPSE и о, связанные с влиянием на энергетические характеристики кавитации, определяются на основе тех же физических измерении и. следовательно, стой же точностью, что и вышеупомянутые базовые параметры. Другие параметры определяются, главным образом, для руководства, даже если некоторые из них могут представлять интерес по предмету договоря (раздел 4)

• 2.4.1 Измерения, связанные с гарантиями основных гидравлических характеристик

• 2.4.1.1 Гидравлический КПД

Назначение модельных приемо-сдаточных испытаний гидравлической машины в соответствии с настоящим стандартом заключается в сравнении полученных гидравлических характеристик, полученных либо прямыми измерениями на модели, либо путем пересчета на характеристики опытного образца натурной машины, с гарантиями, данными поставщиком.

В связи с отсутствием методики пересчета механических потерь модели (потери мощности в направляющих подшипниках, подпятниках и уплотнениях вала) в соответствующие потери опытного образца машины, в расчете следует использовать механическую мощность рабочего колеса/импеллера Р_т и гидравлический КПД г|_л, а не на механическую мощности машины Р и КПД ц. Гидравлический КПД Л/, определяется по механической мощности Р_т, передаваемой через соединение рабочего колеса/ импеллера и вала, и гидравлической мощности P_h подводимого потока. Он выражается как

Р

г|_Л = — - для турбины и

^рь р

= — - для насоса. ^Рт

Необходимо отметить, что в соответствии с этими определениями дисковые потери на трение и потери на протечки (объемные потери) в настоящем стандарте рассматриваются как гидравлические потери, и поэтому поправка на них не вводится.

В основу метода положено измерение расхода Q, удельной гидравлической энергии Е, крутящего момента Т и частоты вращения п.

Непосредственное определение гидравлического КПД посредством термодинамического метода для приемочных испытаний модели не рекомендуется.

• 2.4.1.2 Гидравлическая мощность

Определение гидравлической мощности требует знания удельной гидравлической энергии машины и массового расхода через контрольное сечение на стороне высокого давления модели. Формула выглядит следующим образом

P_h=E(pQ\.

Необходимо учитывать подвод воды в систему или отвод из нее между контрольным сечением и сечением измерения расхода. Измерение объемного расхода должно учитывать значение плотности воды при давлении и температуре в сечении измерения расхода.

Определение значений таких физических величин, как ускорение силы тяжести, плотности воды и т.д. с помощью непосредственного измерения или по признанным формулам или таблицам приводится в 2.5. Методы измерения расхода описываются в 3.2. Методы определения удельной гидравлической энергии на основе измерения давления в соответствии с 3.3 (или на основе измерения уровня воды в соответствии с 3.4) описано в 3.5.

• 2.4.1.3 Механическая мощность

Для приемочных испытаний модели не рекомендуется расчет механической мощности на основе измерения электрической мощности на клеммах электродвигателя/генератора и на основе КПД последнего. Определение механической мощности рабочего колеса/импеллера требует знания крутящего момента, передаваемого от или прилагаемого к рабочему колесу, и частоты вращения

Рщ ^_ япТн)

Методы измерения крутящего момента описаны в 3.6. Методы измерения частоты вращения описаны в 3.7.

• 2.4.1.4 Вычисление эффективности

Исходя из определений, приведенных ранее, гидравлический КПД модели в рабочих условиях, имеющих место на данном режиме, можно определить по формуле

^(РО)!

п_л =------- - для насоса.

2япт_т

Если гарантии связаны схарактеристиками опытного образца натурной машины, то гидравлический КПД и механическая мощность рабочего колеса/импеллера опытного образца натурной машины должны определяться на основе соответствующих величин для модели с помощью формулы пересчета, как это показано в 3.8.2.4. После этого для определения механической мощности машины Р (мощность, передаваемая валом турбины или передаваемая на вал насоса) и общего КПД гидравлической машины П = Пь Пт' Должны использоваться механические потери опытного образца.

2.4.2 Измерения, связанные с дополнительными характеристиками

В дополнение к подтверждению гарантий по основным гидравлическим эксплуатационным характеристикам модельные испытания могут использоваться для определения некоторых дополнительных характеристик. Это касается измерения стационарных и/или переменных составляющих различных гидравлических или механических величин.

• 2.4.3 Снятие и обработка данных

Для получения действительного среднего значения физической величины при измерениях особое внимание должно уделяться способу осреднения переменного сигнала, для чего следует определить частоту и амплитуду его колебаний. В 3.1 и 4.2 приводятся общие требования к системе измерений и обработки данных для получения средних значений таких параметров.

• 2.5 Физические свойства

• 2.5.1 Общие положения

Термины и определения большинства из рассматриваемых параметров приведены в 1.3.3.3. Формулы для расчета этих величин приведены ниже. Таблицы числовых значений, выведенных из этих формул, приведены 8 приложении В.

• 2.5.2 Ускорение силы тяжести

Ускорение силы тяжести g задается как функциональная зависимость широты и высоты g = 9.7803 (1+0,0053 sin² 9) - З Ю*⁶ z, где <р - широта,...’; z - высота, м. Значения g приведены в таблице В.1 и представлены на рисунке 23. Стандартное значение g составляет 9,80665 м с‘². Местное значение g может определяться с помощью маятника или свободного падения в вакууме. Если имеются измеренные значения д, то их использование предпочтительно.

Рисунок 23 - Ускорение силы тяжести g (м/с²)

• 2.5.3 Физические свойства воды

• 2.5.3.1 Плотность воды

• 2.5.3.1.1 Использование плотности воды

При испытаниях гидравлических машин должна быть известна плотность воды р, которая используется для:

• * определения удельной гидравлической энергии машины Е на основе измерений давления;

• - определения массового расхода pQ, необходимого для расчета гидравлической мощности;

• - определения давление на основе измерений водяным манометром;

• * определения расхода для испытаний или калибровки методом взвешивания (3.2.2.1 и 3.2.2.2).

• 2.5.3.1.2 Плотность воды

Вода, используемая для лабораторных испытаний модели, в зависимости от местных гидрологических условий содержит небольшие количества растворенных в ней веществ. Ее фактическая плотность р^уа выше, чем плотность дистиллированной воды р^ (2.5.3.1.3). Однако значение p_wa в оборудовании для испытаний модели отличается от плотности дистиллированной воды p_wd меньше, чем на 0,05 %.

При расчете гидравлического КПД это отличие считается пренебрежимо малым, если удельная гидравлическая энергия машины Е определяется на основе измерения давления (см. приложение D). Поэтому в большинстве случаев достаточно использовать значения плотности дистиллированной воды. Если необходимо определить плотность используемой воды p_wa точно, можно воспользоваться несколькими методами:

• - опосредованным методом с использованием калиброванного манометра, соединенного уровнем свободной поверхности воды, как это описано в 3.3.5.2;

• - непосредственными методами, измерением прецизионным ареометром (например, пикнометром) или иными поплавковыми устройствами.

Отношение плотности используемой и дистиллированной воды, практически, является постоянным вне зависимости от давления и температуры. При плотности используемой воды р^,., заданной при определенных давлении и температуре, значение плотности для других значений давления и температуры может быть рассчитано по формуле

где p_wd и p_{wd c} определены в соответствии с 2.5.3.1.3.

• 2.5.3.1.3 Плотность дистиллированной воды

Формула плотности p_wd дистиллированной воды в зависимости от температуры и давления выведена Хербстом и Регенером см. [4] из эмпирического уравнения состояния свободной энтальпии (теплосодержания) дистиллированной воды. При определении приводимых ниже коэффициентов были использованы результаты экспериментов Келла, МакЛарена и Уэлли см. (5,6].

/ о/о

где:

Р = А(₽аМ*200 Ю⁵) ир’=10⁵Па;

р ' ’

« = ^-(0-0,) и0'= 1°С;

0^0 °C - в диапазоне температуры от 0 °C до 20 °C;

0₅=2О °C - в диапазоне температуры от 20 ’С до 50 ^вС.

Формула действительна в диапазоне давления p_abs= (0 - 15010^s) Па.

Для расчета на компьютере вместо формул Хербста и Регенера (4] можно воспользоваться формулами Бореля и Лана см. [7] или Хаара, Галлагера и Келла см. [8].

Авторы [5.6] приняли за основу экспериментальные данные. Значения контрольных величин вписываются в тот же диапазон точности ±0,01 % и относятся к тому же диапазону изменения температуры и давления, что упоминался выше. Для численных расчетов можно использовать упрощенное эмпирическое уравнение Вебера см. [9]. Значения, рассчитанные для температуры до 35° С и давления до 150-Ю⁵ Па. вписываются в тот же диапазон точности, что и упомянутый выше.

Если v= 1/р = v₀[(1 -А ^ + в Ю-б-СО-В + С рр-бЮ^Че-В + С р)³], где v - удельный объем, м³/кг; р = p_abs. Па; 0 - температура. °C,

то при v₀ = 1 -10‘³м³/кг;

А= 4,6699-Ю'¹⁰, В= 4,0 и С= 2,1318913 10'⁷.

В таблице 5 приведены значения коэффициента Rg, м³/кг.

Таблица 5-Коэффициенты для формул Хербста и Регенера

Значения для дистиллированной воды на основе формулы Хербста и Регенера [4] см. в таблице В.2 приложения В и на рисунке 24.

Рисунок 24 - Плотность дистиллированной воды pwd (кг/м³)

• 2.5.3.2 Состояние воды во время испытаний

• 2.5.3.2.1 Определение содержания ядер и газа в воде

Как изложено в 2.1.2.3 и 2.3.1.6.2. для определения влияния кавитации на характеристики маши* ны кроме давления и температуры необходимо знать другие свойства воды, проходящей через машину. К ним относятся:

• - содержание кавитационных ядер (2.1.2.3), выраженное в количестве ядер на единицу объема воды. Содержание ядер приблизительно соответствует содержанию в воде нерастворенного газа (воз* духа), выраженное в долях их объема в единице объема воды;

• - содержание растворенного газа, выраженное долей его объема в единице объема воды.

Возможны следующие экстремальные состояния воды:

• - полностью деаэрированная вода (вода с нулевым содержанием ядер и нулевым содержанием газа);

* полностью насыщенная вода (вода, насыщенная растворенным газом, однако с низким содержанием ядер в воде);

• - вода с высоким содержанием ядер, введенных извне путем искусственной инъекции, независимо от содержания растворенного газа.

В настоящее время заранее определить содержание ядер в зависимости от масштаба модели, вида испытаний и прочих факторов не представляется возможным.

Для изучения влияния свойств воды (содержания ядер, содержания газа) по ходу модельных ис* пытаний см. 2.3.1.6.2, [1] и [3].

• 2.5.3.2.2 Определение содержания ядер и газа (воздуха) в воде

• 2.5.3.2.2.1 Содержание ядер в воде

Определение содержания ядер в воде требует измерения количества ядер и их критического давления.

В [11 и [3] приводится описание специального счетчика кавитационных ядер. В этом счетчике поток ускоряется в ограниченном сечении для создания взрывообразного роста ядер.

Ввод ядер может осуществляться с помощью инжекторов, описанных в [1] и [3]. Эти инжекторы работают на принципе резкого расширения насыщенной воздухом воды в диафрагме.

• 2.5.3.2.2.2 Содержание газа (воздуха) в воде

Вода обычно содержит газы в растворенном или нерастворенном виде. Этими газами могут быть воздух или другие вещества, такие как двуокись углерода СО₂ и т.д.

а) Содержание растворенного газа

Количество растворенных газов зависит от давления и температуры воды, поэтому нужно измерять фактическое содержание газа. Можно применять два основных метода измерений:

• - метод диффузии кислорода через политетрафторэтиленовую мембрану с использованием электрического анализатора для измерения содержания растворенного в воде кислорода (например, прибор Бекмана см.[10]);

• - физического разделения (метод Ван Слайка см. (11]). Этот метод позволяет определять общее содержание воздуха, как растворенного, так и свободного, путем распыления насыщенной воздухом воды в вакууме. Этот метод относительно быстрый, однако работает с образцами малого объема.

Примечание - Также может использоваться йодометрический метод: он точнее, но его применение труднее

Ь) Содержание нерастворенного газа

Газ. полностью растворенный на стороне высокого давления гидравлической машины, может высвобождаться при движении со стороны высокого давления к стороне низкого давления, изменяя при этом режим работы машины. Следовательно, должны быть определены содержание не только для растворенного, но и нерастворенного в воде газа. Такой метод с использованием извлекающего сосуда описан в [13].

В [12] приводится сравнение аппарата Ван Слайка и Бранда см. [13] и прибора для измерения растворенного кислорода, включая измерение растворенных и нерастворенных газов.

• 2.5.3.3 Кинематическая вязкость

Кинематическая вязкость воды v зависит от ее температуры 9 и абсолютного давления p_abs, она выводится из основного физического свойства - динамической вязкости ц используя v = ц / р .

Формула определения ц приведена 8 [14].

Однако, исходя из практических соображений, приблизительное значение v можно рассчитать с использованием следующей формулы

1-16.921+396.13/(107.41+0)]

V о

При использовании этого уравнения осредненное отклонение от стандартных значений, приведенных в [15], составляет 10,05%, а максимальное отклонение составляет 10,09 %. Влияние давления является пренебрежимо малым. Отклонение р = 10-10⁵ Па в сравнении с контрольным давлением р = 10⁵ Па составляет примерно — 0,05 %. Значения для v приведены в таблице В.З.

• 2.5.3.4 Давление парообразования

Давление водяного пара p_va между значениями температуры О = 0 °C и 0 = 40 °C может быть рассчитано с использованием следующей эмпирической формулы

_ lot²-^7862-0’^03120-0’^00010403)

Результирующая погрешность составляет менее ± 7 Па. Значения p_va приведены в таблице В.4, см. [8]. На давление пара могут влиять растворенные в воде химические вещества.

• 2.5.4 Физические свойства атмосферы

• 2.5.4.1 Плотность сухого воздуха

Плотность воздуха р_а в зависимости от p_abs и температуры воздуха 9 может быть рассчитана по следующей формуле (см. ИСО 2533)

Ра= (Pahs' 3,4837 10 ³)/( 273,15 + 9).

Значения р_а приведены в таблице В.5. Влияние влажности на плотность воздуха для определения Е является пренебрежимо малым.

• 2.5.4.2 Давление окружающей среды

Давление окружающей среды p_amb представляет собой барометрическое давление, измеренное в лаборатории барометром. Для преобразования результатов испытаний к условиям работы опытного образца натурной машины (пересчет NPSE или о) давление окружающей среды должно быть рассчитано с использованием стандартной атмосферы, определенной по ИСО 2533. При линейном изменении температуры в зависимости от высоты равном 6.5-10*³ К/м, окружающее давление может быть вычислено по следующей эмпирической формуле

p_amb = 101 325 (1 -2.2558-10'S-z)⁵’²⁵⁵,

где z — высота, м.

Результирующая погрешность составляет менее ±15 Па. Значения для p_amt> приведены в таблице В.6.

• 2.5.5 Плотность ртути

Плотность ртути р_Нд используемой в жидкостных манометрах, рассчитывается для чистой ртути при р₀=101 325 Па (стандартное давление окружающей среды на уровне моря) по следующему уравнению

Рнд = (13.595 - 2,46 6) [1+3,85-10'¹¹ (р - р₀)].

Значения р_Нд приведены в таблице В.7. см. [16]. Ртуть, используемая для практического применения, может быть загрязнена примесями металлов или другими элементами. Чтобы измерения считались действительными, ртуть должна быть чистой.

• 3 Основные гидравлические характеристики.

Методы измерения и результаты

• 3.1 Снятие/запись и обработка данных

  • 3.1.1 Введение и определения

Снятие и обработка данных включают в себя преобразование измеренных сигналов в соответствующие технические единицы через измерительную цепь из нескольких компонентов, таких как датчики-преобразователи. мультипликаторы, преобразователи или приборы предварительной обработки сигналов, аппаратура хранения данных и компьютеры. Итоговый результат - это представление параметров в виде характеристик модели. Измеряемые значения являются переменными величинами. Основными данные для определения основных гидравлических характеристик модели являются их ос-редненные значения.

Датчик-преобразователь - измерительный прибор, обеспечивающий сигнал на выходе с известным отношением к величине на входе.

Датчик-преобразователь с цифровым выходом - измерительный прибор со встроенной электроникой для выдачи на выходе цифрового значения параметра (например, серийный порт RS 232).

Мультипликатор (MUX) - прибор для передачи двух или более сигналов, с одним и тем же преобразователем аналоговых сигналов в цифровые, счетчиком частоты или кабельным устройством.

Преобразователь аналоговых сигналов в цифровые (преобразователь A/D) - прибор, который непрерывно преобразует аналоговые сигналы в дискретные цифровые сигналы.

Счетчик - прибор, который измеряет частоту, продолжительность периода поступления или число импульсов.

Преобразователь напряжения в частоту (преобразователь V/F) - прибор, который с заданным отношением преобразует напряжение в частоту.

Алиасинг - неправильная дискретизация аналогового сигнала приводит к тому, что его высокочастотные составляющие накладываются на низкочастотные, что искажает сигнал. При дискретизации аналогового сигнала потерь информации не будет только в том случае, если максимальная частота полезного сигнала будет равна или меньше половины частоты дискретизации (частота Найквиста)

Интерфейс компьютера - устройство связи, позволяющее компьютеру осуществлять управление и коммуникацию с другими совместимыми приборами.

• 3.1.2 Общие требования

На выходе системы сбора и обработки данных должна отображаться истинная измеряемая величина. Для всех используемых контрольно-измерительных приборов должен быть официальный порядок калибровки. Должны также быть в наличии все стандарты на методы измерений и оборудование, позволяющее установить соответствие их требованиям. При наличии параллельного соединения контрольно-измерительных приборов в измерительной цепи для проверки соблюдения допусков записи измеряемых параметров должна быть обеспечена возможность их единообразной калибровки. Это означает, что для калибровки и испытаний должны использоваться один и тот же путь сигнала и одна и та же конфигурация аппаратного и программного обеспечения.

Во время эксплуатационных испытаний осреднение значений измеряемых параметров должно делаться для одного и того же промежутка времени. Для обеспечения возможности проверки всей измерительной цепи следует иметь параллельный контур контрольно-измерительных приборов. Целесообразно предусмотреть возможность сравнения результатов измерений во время испытаний сданными измерений в период эксплуатации оборудования.

• 3.1.3 Снятие/запись данных

Система записи данных может быть построена различными способами (включая ручные методы) в зависимости от имеющегося аппаратного обеспечения и выбранного метода осреднения. Имеются всевозможные схемы компоновки и примеры различных систем снятия данных. Обычно используется комбинация различных систем.

• 3.1.3.1 Система мультиплексирования

Мультиплексирование —уплотнение канала, передача нескольких потоков данных с меньшей скоростью по одному физическому каналу. В системе мультиплексирования (см. рисунок 25) измеряемые величины проходят через мультиплексоры - устройства, имеющие несколько сигнальных входов, несколько управляющих входов и один выход. Мультиплексирование по времени предусматривает передачу сигналов по каналу последовательно определенное число раз за заданный промежуток времени.

Значение измеряемой величины, осредненное в процессе вычисления, используется для последующей обработки.

Формирование

сигнала

Рисунок 25 - Система сбора и накопления данных

• 3.1.3.2 Система параллельного измерения

В системе параллельного снятия показаний (см. рисунок 26) соответствующие величины измеряются компьютером, собирающим данные из каждого канала. Такая схема обеспечивает высокоскоростную обработку данных и одновременную запоминание данных из всех каналов (3.1.4.4).

Рисунок 26 - Система параллельного снятия показаний с управляемой шиной

• 3.1.4 Требования к компонентам

Компоненты измерительной цепи должны обрабатывать интересуемый диапазон частот. Устройства передачи информацию от датчика к преобразователю, например, данные о давлении, могут вносить ошибки и являться причиной ошибочных измерений. В отношении всех компонентов измерительной цепи необходимо помнить, что изменения температуры окружающей среды создают условия для появления ошибок, выводящих значения параметров за заданные границы. Такие свойства компонентов, как линейность и гистерезис, должны быть документально зарегистрированы во время калибровки.

3 1 4 1 Датчик-преобразователь

Датчики-преобразователи, используемые для измерения показаний во время испытаний, должны работать при постоянной температуре окружающей среды. Они должны располагаться там, где они не будут испытывать воздействия со стороны температурных изменений, например, прямого воздействия солнечного света, нагревательных приборов, вентиляционных каналов и т.д.

Для всех измеряемых величин должны быть известны диапазоны изменения измеряемых величин, так как датчики-преобразователи работают только в том диапазоне частот, для которого они предназначены. Следует проявлять осторожность при использовании датчиков со встроенным сглаживанием или регулируемым временем отклика, а также преобразователей с большой чувствительностью. Такие датчики могут порождать ошибки измерений мгновенных значений колебательных процессов и их осреднения.

• 3.1.4.2 Кабели и клеммные выводы

Путь прохождения сигнала между датчиками-преобразователями и усилителем должен быть спроектирован таким образом, чтобы внешнее влияние на сигналы (например, наводки от силовых кабелей или колебаний температуры) сводились к минимуму. Для этого должно быть выполнено правильное экранирование и заземление. Присоединения и клеммные выводы должны быть устойчивыми и надежными механически и электрически. Даже если все вышеуказанные меры предосторожности соблюдены, необходимо удостовериться в отсутствии помех в сети измерений.

• 3.1.4.3 Формирование сигнала

Выходные сигналы датчиков-преобразователей с аналоговым выходом часто усиливаются и фильтруются в блоке формирования сигналов.

• 3.1.4.3.1 Усилитель

Чтобы пользоваться разрешающей способностью преобразователя АЦП, выходной диапазон усилителя должен соответствовать диапазону преобразователя. Усилитель должен располагаться в максимальной близости к преобразователю, чтобы свести к минимуму влияние шумовых помех, наводимых в кабельной сети.

• 3.1.4.3.2 Фильтр

При выборе фильтров внимание обращают на такие свойства, как:

• - частота отключения, затухание сигнала и задержка - для сигналов переменного тока;

• - смещение, температурный дрейф и линейность - для сигналов постоянного тока.

При анализе, когда роль играет одновременное измерение двух или более измеряемых величин, необходимо проверить задержки в системах сбора и обработки данных. Задержки (сдвиг по фазе) зависят от типа фильтра и частоты отключения (см. рисунок 27). Чтобы исключить влияние ложных низкочастотных эффектов, частота отключения низкочастотного фильтра должна составлять максимум половину частоты измерений. Этот момент проиллюстрирован на рисунке 28. Однако на практике используется частота отключения, равная одной трети или менее частоты измерений.

f_m- максимальная частота; f_c-частота отключения низкочастотного фильтра; f_s- частота дискретизации Рисунок 28 - Частоты фильтрации и дискретизации

Условие получения нужной частоты — f_c > f_m. Условие исключения помех в полосе пропускания — fs2 2f_c

• 3.1.4.4 Мультиплексор

Эффективная скорость передачи сигнала мультиплексора должна сравниваться с требованиями, предъявляемыми к каждой измеряемой величине, поскольку аналогово-цифровой преобразователь осуществляет одновременно передачу по нескольким каналам, скорость передачи по каждому каналу уменьшается пропорционально числу каналов. Система коммутации в большинстве случаев делается релейного типа, либо с твердотельной коммутацией. Релейная коммутация обычно оказывается более точной, чем твердотельная коммутация, однако имеет более низкую скорость соединения.

При переключении различных уровней напряжения нужно удостовериться, что эффекты взаимных помех между соседними каналами отсутствуют. Как правило, эти погрешности возрастают в зависимости от скорости передачи сигнала.

• 3.1.4.5 Преобразователь аналоговых сигналов в цифровые

Важными параметрами преобразователей аналоговых сигналов в цифровые являются время преобразования, разрешающая способность, класс точности, выходной диапазон, температурный дрейф и линейность.

Разрешающая способность аналогово-цифрового преобразователя (АЦП) определяется числом битов, используемых преобразователем для описания аналогового сигнала. Преобразователь, рассчитанный на 3-бит, разделяет диапазон на 2³ - 1 =7 частей. При эксплуатационных испытаниях по определению характеристик минимальным требованием является наличие разрешающей способности в 14 бит. При проведении динамических измерений допустима более низкая разрешающая способность. Для одновременных измерений с преобразованием аналоговых сигналов в цифровые может использоваться один АЦП или аппаратура одновременной выборки и хранения данных.

• 3.1.4.6 Компьютер

Контроллером в системе сбора и обработки данных является компьютер. Он должен обеспечивать конфигурацию и синхронизацию регистраторов данных, управление передачей данных, связи с периферийным оборудованием, проведение расчетов и представление результатов. Интерфейс компьютера должен обеспечивать такую скорость передачи данных (скорость передачи данных информации в бит/с), которая будет достаточна для связи и управления различными приборами, установленными на шине.

• 3.1.4.7 Обработка данных

Задачами программного обеспечения являются:

• - управление системой сбора и обработки данных;

• - расчет коэффициентов калибровки;

• - преобразование электрических величин в технические единицы измерения:

• - расчет осредненных значений и других статистических параметров;

• - расчет данных:

• - оценка случайных погрешностей;

• - представление результатов;

• - хранение данных.

Проверка компьютерной программы выполняется методом контрольного ручного расчета каждого параметра, проверяемого в ходе приемочных испытаний, для чего должны иметься соответствующие исходные данные но каждой проверяемой испьпа1ельной ючке. Во время испьпаний основные характеристики должны непрерывно выводиться на монитор, обеспечивая наблюдаемость характеристик модели и гидравлической системы, с которой она связана. Число контрольных замеров и частота дискретизации должны характеризовать измерительную цепь в целом, обеспечивая:

• - точность определения средних значений во время проведения измерений;

• - удовлетворительность определения характеристик пульсирующих параметров.

3.1.5 Проверка системы сбора и обработки данных

Каждая измерительная цепь должна иметь полную принципиальную схему с указанием ее основных компонентов. Это дает возможность сторонам при возникновении конкретных проблем определить в где должна бьггь выполнена проверка, или когда нужно проводить более тщательное измерение пульсирующих сигналов. На рисунке 29 показаны некоторые типичные измерительные цели с предполагаемыми испытательными и контрольными точками.

• 3.1.5.1 Датчик-преобразователь с аналоговым выходом

Точка 1 на рисунке 29 показывает испытательную точку для определения динамики измеряемого параметра.

Точность формирования сигналов можно установить путем сравнения сигналов в точке ввода А и испытательной точке 3. Точность функционирования усилителя можно установить путем сравнения сигналов в точке ввода А и испытательной точке 2. Точности функционирования фильтра можно установить путем сравнения сигналов в точке ввода В и испытательной точке 3. Для проверки Правильность работы мультиплексора и АЦП можно проверить приложив контрольный сигнал в точке С и сравнить его с выходом в точке 5.

• 3.1.5.2 Датчик-преобразователь с частотным или масштабируемым импульсным сигналом на выходе

Для проверки правильности срабатывания счетчика нужно проконтролировать сигнал в точке 4. Контрольный сигнал следует приложить в точке D (см. рисунок 29) для проверки развертки счетчика.

• 3.1.5.3 Датчик-преобразователь с цифровым выходом

Датчик-преобразователь и измерительную цепь подобного типа лучше всего проверять во время калибровки.

• 3.1.5.4 Проверка на предмет помех

Чтобы проверить, что система формирования сигналов не создает побочных эффектов (помех), сигнал на выходе системы следует сравнить с входным сигналом. На вход можно подать контрольный сигнал от отдельного электрического источника. Контрольные точки на рисунке 29 обозначены как А и 3.

• 3.1.5.5 Программное обеспечение

Программное обеспечение можно проверить посредством альтернативной (другими средствами, например, вручную) обработки необработанных данных, считанных в контрольной точке 5, и сравнения ее результатов с результатом, полученным при помощи компьютера.

Алгоритм расчета характеристик может быть проверен посредством ввода числовых значений при значениях Е с известным из эксплуатации результатом. Эквивалентность алгоритмов, использованных для калибровки измерительной цепи, и алгоритмов, которые используются для вычислительной обработки и построения характеристик, должны быть зафиксированы документально.

Контрольная точка / выход сигнала

Рисунок 29 — Измерительные цепи и рекомендуемые контрольные точки

Контрольный сигнал/ вход моделирования

• 3.2 Измерение расхода

• 3.2.1 Общие положения

Протечки или добавления воды на участке между машиной и прибором для измерения расхода должны быть исключены. В случае невозможности их исключения следует предусмотреть их независимое измерение.

• 3.2.1.1 Выбор метода измерения

Методы, которые могут использоваться для измерения расхода во время модельных приемочных испытаний, можно разделить на первичные и вторичные.

• 3.2.1.1.1 Первичные методы, которые необходимы только для измерения основных параметров: длины, массы и времени. Первичными методами, которые могут использоваться применительно к настоящему стандарту, являются:

во

• - метод взвешивания;

• - объемный метод;

• - метод подвижного экрана.

Эти методы являются наиболее точными. По этой причине, несмотря на присущие им недостатки (громоздкое оборудование, длительность измерений и т.д.) на любой установке для модельных испытаний используется один из них. Но для удобства первичные методы дополняются так называемыми вторичными методами измерений.

• 3.2.1.1.2 Вторичные методы, которые используются для измерения расхода во время испытаний модели, основаны на различных принципах. Некоторые из них стандартизированы, однако высокая точность, требуемая в настоящем стандарте, обусловливает обязательную калибровку всего измерительного оборудования по месту установки (на испытательном стенде) с помощью одного из вышеупомянутых первичных методов. От калиброванных приборов, использующихся для измерений вторичными методами, не нужно требовать соответствия каким-либо иным стандартам. Основным требованиям к их качеству является повторяемость измерений прибора, используемого в рамках вторичного метода. Устройства, необходимые для выполнения периодической калибровки должны включаться в состав постоянного оборудования испытательного стенда, чтобы не нарушить гидравлического подобия проточной части включением дополнительных устройств.

Основными вторичными методами для измерения расхода являются:

• - метод измерения скорости с помощью вертушек или трубок Пито, индикаторные методы используются при модельных испытаниях редко, и в последующем не рассматриваются;

• - тонкие водосливы и устройства дифференциального давления (диафрагмы, сопла и трубки Вентури), даже если они разработаны, установлены и используются в соответствии со стандартами ИСО. не обеспечивают точность, требуемую при модельных испытаниях, поэтому периодическая калибровка этих устройств на месте установки является обязательной:

• - различные типы расходомеров, такие как турбинные, электромагнитные, акустические или вихревые расходомеры; они особенно удобны в применении, потому что обеспечивают быстроту измерений. их выходные сигналы можно легко вводить в систему сбора данных, большинство из них вносит лишь небольшие искажения в гидродинамическую картину потока. В настоящее время влияние условий монтажа на характеристику и точность для этих приборов не устанавливается. Следовательно, периодическая калибровка этих устройств на месте установки является обязательной.

• 3.2.1.2 Точность измерений

• 3.2.1.2.1 Использование действующих стандартов

Метод измерений детально описывается только тогда, когда отсутствует стандартная процедура его проведения. Насколько это возможно должна делаться ссылка на существующие стандарты.

• 3.2.1.2.2 Оценка погрешностей

Числовые значения систематических погрешностей, указанные в следующих пунктах, должны использоваться только в качестве руководства. Они действительны только:

• - для оптимальных условий измерений;

• - при выполнении всех требований, изложенных в настоящем стандарте и в других соответствующих стандартах;

• - выполнении испытаний и анализа их результатов квалифицированным и опытным персоналом.

Если эти условия не выполняются, то они могут приводить к непредсказуемому увеличению си-С1ема1ических и случайных ошибок измерения расхода. В каждом конкрешом случае фаюические значения систематических и случайных погрешностей должны оцениваться пользователем с учетом измерительной системы в целом и условий работы испытательного оборудования. Способ объединения случайных и систематических погрешностей, связанных с конкретными источниками ошибок, описывается в 3.9.2.2.4. Окончательный результат выражается затем как погрешность с достоверностью приблизительно 95 %.

• 3.2.1.2.3 Стабильность потока

Какой бы метод ни использовался, измерение расхода при приемочных испытаниях модели считается удовлетворительным, если расход постоянен или почти не изменяется в каждой режимной точке.

Большинство первичных методов требуют большого времени измерений, и позволяют получить только среднее значения расхода за это время. Таким образом, можно заметить факт изменения расхода между двумя замерами, но не величину этого изменения (2.3.2.3). Большинство вторичных методов, перечисленных в 3.2.1.1.2, дает псевдо-мгновенные считываемые показания, которые должны усредняться для получения среднего значения расхода в точке, и которые могут обрабатываться графически и статистически для получения оценки характера и степени пульсации потока (3.1 и 4.2). Это еще одна причина того, что испытательный стенд должен предусматривать использование и первичных, и вторичных методов.

• 3.2.2 Первичные методы

• 3.2.2.1 Метод взвешивания

• 3.2.2.1.1 Принцип, положенный в основу метода

В ИСО 4185 излагаются требования, касающиеся измерительной аппаратуры, порядка применения, способа определения расхода и погрешностей, связанных с измерением. Из двух обычно использующихся методов - статического и динамического - настоящим стандартом рекомендуется статический метод взвешивания, заключающийся в отведении потока во взвешиваемую емкость в течение заданного интервала времени с последующим взвешиванием отведенного объема жидкости.

Метод взвешивания, который дает только осредненное значение расхода за интервал времени накопления соответствующего объема воды, может рассматриваться как наиболее точный метод измерения расхода. Калибровка взвешивающего устройства должна производиться периодически, но не реже одного раза в два года для механической взвешивающей балки и одно раза в год для взвешивающего механизма. Интервалы между калибровками могут быть увеличены, если при различных испытаниях устройство показывает стабильные результаты.

• 3.2.2.1.2 Погрешность измерений

Ошибка при методе взвешивания порождается процессами взвешивания, измерения времени наполнения мерного объема, определения плотности в зависимости от температуры жидкости, измерения температуры и перемещения отклонителя потока. При измерениях должна делаться поправка на плавучесть, учитывающая разницу между атмосферным давлением на взвешиваемую жидкость и контрольный груз, используемый для калибровки взвешивающего механизма. При качественном изготовлении, правильной эксплуатации и обслуживании оборудования системы измерения расхода систематическая погрешность измерения с надежностью 95 % должна лежать в пределах от ± 0,1 % до ± 0,2 %.

• 3.2.2.2 Объемный метод

• 3.2.2.2.1 Принцип, положенный в основу метода

В ИСО 8316 изложены требования, касающиеся измерительной аппаратуры, порядка измерений, способа расчета расхода и погрешностей, связанных с измерениями. Из двух обычно использующихся методов - статического и динамического — настоящим стандартом рекомендуется статический метод. Объемный метод имеет такую же точность, что и метод взвешивания, и так же позволяет получить только среднее значение расхода за интервал времени, отведенного для сбора соответствующего количества воды. Калибровка резервуара для измерения объема должна производиться периодически, но не реже, чем один раз в пять лет для бетонных резервуаров и один раз в три года для металлических резервуаров. Интервалы между калибровками могут быть увеличены, если при различных испытаниях устройство показывает стабильные результаты.

• 3.2.2.2.2 Погрешность измерений

Ошибка объемного метода порождается калибровкой резервуара, измерением уровня жидкости, измерением времени заполнения мерного объема (резервуара) и перемещением отклонителя. Резервуар проверяется на герметичность и, в случае ее нарушения, следует пользоваться поправками на протечки. При качественном изготовлении, правильной эксплуатации и обслуживании оборудования системы измерения расхода систематическая погрешность измерения с надежностью 95 % должна лежать в пределах от ± 0,1 % до ± 0,2 %.

• 3.2.2.3 Метод подвижного экрана

• 3.2.2.3.1 Принцип, положенный в основу метода

Принцип этого метода в определенной степени аналогичен объемному методу, потому что основан на определении перемещения объема воды в канале между поперечными сечениями А и В с помощью экрана, перемещающегося вместе с водой (см. рисунок 30). Расход рассчитывается по следующей формуле V = h.d.l

Поперечные сечения и

1 - выправляющие устройства; 2 - подвижные экран и тележка; 3 - измерение уровня воды; 4 - измерительный колодец;

5 - измерение времени перемещения; 6 - циркулярный насос испытательного контура; 7- тарируемый расходомер испытательного стенда; 8 - пластинчатая крышка для уменьшения свободной водной поверхности; 9 - перфорированная пластина, заделанная в стене

Рисунок 30 - Метод измерения с помощью подвижного экрана

• 3.2.2.3.2 Измерительное оборудование

• 3.2.2.3.2.1 Канал

Измерительный канал должен быть прямым горизонтальным с прямоугольным сечением, точно калиброванным по всей длине перемещения экрана. Ширина и глубина канала должны быть такими, чтобы для диапазона измеряемого расхода скорость находилась в пределах 0.05-1 м/с. Водоснабжение канала должно гарантировать постоянное распределение скорости, свободное от водоворотов, асимметрии и чрезмерной турбулентности. Это может быть достигнуто посредством стабилизирующих устройств (перфорированные пластины, соты, и т.д.). В общую длину канала включаются:

• - входное сечение, где экран вводится в воду, и достигается равномерность его перемещения;

• - измерительное сечение, длина которого определяется очень точно;

• - выходное сечение, где экран извлекается из потока.

Площадь поперечного сечения канала, соответствующая заданному уровню воды, определяется с помощью геометрических измерений. Все измеряемые размеры, должны периодически проверяться (рекомендуется делать это каждые пять лет). В экстремальных ситуациях нужно учитывать также изменения размеров в результате теплового расширения и напряжения под действием веса воды.

• 3.2.2.3.2.2 Экран

Экран, как правило, подвешивается к несущей платформе, перемещающейся по рельсам, установленным вдоль канала, или опирается на направляющие блоки, погруженные в жидкость. К использованию плавающего экрана желательно не прибегать. Экран изготавливается из легкого жесткого материала, устанавливается на легкой монтажной раме. Несущая платформа и экран в собранном виде должны быть максимально легкими, а трение должно быть сведено к минимуму или компенсировано с помощью двигателя таким образом, чтобы скорость экрана могла быстро сравняться со средней

скоростью воды, и чтобы экран перемещался плавно даже при наименьшей скорости. Введение экрана в канал не должно вызывать существенных ошибок измерения из-за появления ряби или волн, возникающих при погружении экрана в воду. Одним из способов решения этой проблемы является задание экрану при помощи электропривода скорости, равной скорости воды, прежде, чем экран будет опущен в воду. Зазор между экраном, стенками и основанием должен быть как можно меньше для минимизации утечки. Рекомендуется устанавливать гибкие монтажные уплотнения экрана при условии, что их трение незначительно или компенсируется двигателем.

• 3.2.2.32.3 Измерение времени перемещения

Время перемещения экрана должно быть измерено между двумя фиксированными точками, установленными в начале и конце мерного сечения. Проходя эти точки, экран приводит в действие электронный таймер через электромеханические, оптические или магнитные контакторы.

• 3.2.2.3.2.4 Измерение уровня воды

Уровень должен измеряться с помощью измерительных колодцев, расположенных в стенках с каждой стороны выше и ниже по течению мерного сечения до, во время и после перемещения экрана. Измерительные колодцы должны быть укомплектованы точечными измерительными приборами или высокоточными датчиками-преобразователями давления (для измерительной аппаратуры, 3.4).

Очень важно, чтобы на участке между передней и задней стороной экрана уровень воды поддерживался постоянным (например, в пределах 0.5 мм). Это показывает, что скорость перемещения экрана равняется скорости течения воды. Для повышения точности измерений нужно уменьшить колебания массы (например, в результате регулирования расхода) в калибровочном канале. Наблюдать такие колебания можно при максимальном уменьшении свободной поверхности воды ниже по течению мерного сечения. Тогда за колебаниями массы можно наблюдать как за изменениями уровня воды, который, таким образом, может использоваться в качестве индикатора стабильности условий измерения.

• 3.2.2.3.2.5 Контрольные проверки до и во время измерений

Перед началом измерений необходимо проверить постоянство уровня воды в канале. Постоянная скорость перемещения экрана является существенным условием исключения зыби и волн, которые могут существенно увеличивать погрешность измерений. Постоянство скорости перемещения экрана можно проверить с помощью нескольких вспомогательных реле, равномерно расположенных вдоль пути движения экрана для определения времени перемещения экрана внутри мерного сечения.

Проверка наличия протечек может бьггь сделана с помощью впрыскивания около уплотнений стенки и основания окрашенной жидкости. Незначительные возмущения потока перед и за экраном или малые протечки, особенно вблизи свободной поверхности, наблюдаются часто и не указывают на функциональный сбой аппаратуры. Интервал времени между двумя последовательными замерами должен быть достаточно большим, чтобы демпфировать возмущения в канале, вызванные предыдущим замером.

• 3.2.2.3.3 Погрешность измерений

Если установка изготовлена, обслуживается и эксплуатируется надлежащим образом, и если выполняются вышеизложенные требования, то можно добиться величины систематической погрешности измерения расхода (с надежностью 95 %) в пределах от ± 0,2 % до ± 0,3 %.

• 3.2.3 Вторичные методы

• 3.2.3.1 Общие требования

По согласованию сторон для измерения расхода могут использоваться различные типы расходомеров при соблюдении условий:

• - выбранный прибор должен быть лучшего качества из имеющихся по повторяемости измерений и чувствительности к внешним факторам (окружающая температура, частота и напряжение питания и т.д.):

• - расходомер и связанная с ним измерительная система должны быть калиброваны первичным методом в рабочих условиях (2.3.3.2.3 и 3.2.3.8);

• - повторяемость измерений должна проверяться во всем диапазоне изменения расхода.

Для улучшения подготовки и проведения испытаний целесообразно использовать соответствующие стандарты и инструкции изготовителя, хотя их применение и не является обязательным. Типы наиболее часто используемых расходомеров описываются в 32.32-32.3.7.

• 3.2.3.2 Мерные водосливы

В стандарте рассматриваются только прямоугольные или треугольные остроконечные тонкопластинчатые мерные водосливы. Конструкция мерного водослива, его установка и условия измерения напора на водосливе опубликованы в ИСО 1438-1, однако при нормативных коэффициентах расхода требуемая точность (измерений) не достигается (3.2.1.1.2). Кроме того, мерные водосливы очень чувствительны к любому изменению распределения скорости и состояния пластины (шероховатости входного торца, чистоте и заостренности кромки и т.д.).

Мерный водослив располагается на стороне низкого давления машины, поэтому необходимо следить за тем, чтобы в подводящем канале обеспечивалось стационарное течение жидкости (свободного от завихрений, возмущений на поверхности или значительного количества растворенного воздуха). Когда мерный водослив располагается на выходной стороне испытываемой машины, он должен быть достаточно удален от машины выхода канала, чтобы пузырьки воздуха успели выйти из воды прежде, чем вода дойдет до измерительного водослива. Иногда для обеспечения равномерного распределения скорости по всему поперечному сечению потока используются успокоительные решетки и отражатели. Возмущение поверхности или подводные течения и асимметрия любого вида должны быть устранены с помощью соответствующих экранов.

• 3.2.3.3 Приборы для измерения разности давления

В испытательных установках, в частности, тех. которые работают в замкнутом цикле без свободной поверхности воды, для измерения расхода используются диафрагмы, сопла или трубы Вентури. Устройство приборов измерения разности давления, его установка и эксплуатационные режимы описаны в ИСО 5167-1. однако при нормативных коэффициентах расхода требуемая точность (измерений) не достигается (3.2.1.1.2). Приборы дифференциального давления характеризуются высокой надежностью, однако очень чувствительны и создают значительные потери давления, особенно диафрагмы и сопла. Дифференциальное давление, созданное устройством, должно измеряться в соответствии с 3.3.4. Соединительные трубки между первичным прибором и манометром должны отвечать требованиям ИСО 2186. Необходимо обеспечить отсутствие кавитации.

• 3.2.3.4 Турбинные расходомеры

Турбинные расходомеры, в состав которых, как правило, входит выпрямитель потока, требуют наличия прямолинейного участка со стороны верхнего и нижнего бьефов, и вызывают незначительное возмущение потока, однако создают определенные потери высокого давления. Выходной сигнал, который представляет собой измерение частоты, прост для измерения, и достаточно точно измеряем, необходимо следить за тем, чтобы подшипники поддерживались в хорошем состоянии, а лопасти турбины были чистыми. Калибровка должна проводиться не реже, чем после каждого технического обслуживания. Поскольку в условиях низкого давления на лопастях рабочего колеса может возникать кавитация, калибровка должна выполняться при самом низком испытательном давлении (3.2.3.8).

• 3.2.3.5 Электромагнитные расходомеры

Электромагнитные расходомеры являются предметом рассмотрения ИСО 6817 и ИСО 9104. Основные преимущества электромагнитных расходомеров заключаются в том, что они не создают возмущение потока, потерю давления и мало чувствительны к износу. Они выдают мгновенные значения расхода и, таким образом, особенно удобны для наблюдения пульсаций расхода. Для обеспечения точности измерений необходимо тщательно отслеживать любые сдвиги выходных сигналов электронных контуров и следить за состоянием поверхности электродов. Калибровка должна проводиться не реже, чем после каждого технического обслуживания.

• 3.2.3.6 Акустические расходомеры

Имееюн несколько способов акус1ическою измерения расхода. Для насюяще1О шандар1а предпочтителен метод, основанный на измерении разности времени прохождения акустических колебаний по направлению потока и против потока измеряемого вещества, желательно по нескольким параллельным траекториям. Система сбора и обработки данных должна подтверждать правильность работы оборудование (отдельные измерения осредненной скорости вдоль каждой конкретной траектории, проверка скорости распространения звука, контроль пропорционального соотношения потерянных импульсов и т.д.). Более подробная информация об этом методе приведена в МЭК 60041. Могут использоваться и другие виды акустических расходомеров: фазовые, частотные, времяимпульсные. с колебаниями перпендикулярными потоку жидкости, допплеровские расходомеры и т.д. Достоинство акустических расходомеров - они не вызывают возмущений потока или потери давления, однако они чувствительны к распределению скорости, наличию в жидкости пузырьков газа и акустическим шумам. Их чувствительность к турбулентности и ограниченность возможности снятия мгновенных значении скорости не позволяют использовать их показания для оценки колебаний расхода.

• 3.2.3.7 Вихревые расходомеры

В основе принципа действия вихревого расходомера лежит явление образования вихря за препятствием, стоящим на пути потока. Частота образования вихрей при этом прямо пропорциональна скорости потока. В диапазоне чисел Рейнольдса коэффициент пропорциональности между частотой образования вихрей и скоростью потока практически не зависит от числа Рейнольдса. Хотя в распоряжении имеется много приборов подобного типа, однако практический опыт использования этого метода для измерения расхода все еще остается ограниченным, и этот метод должен использоваться с определенной осторожностью. На вихревые расходомеры влияет любая вибрация, что неизбежно приводит к ошибке в измерении частоты. Так как на теле вихревого расходомера возможно возникновение кавитации, его калибровка должна проводится при минимально возможном испытательном давлении (3.2.3.8).

• 3.2.3.8 Порядок калибровки

Любой прибор, используемый для измерения расхода вторичным методом, должен быть калиброван одним из первичных методов, описанных в 3.2.2. Калибровка должна проводиться без изъятия расходомера из испытательного контура или изменения условий потока на входе расходомера. Калибровка должна распространяться на расходомер и связанную с ним измерительную систему: диафрагму, соединительные трубки, датчик-преобразователь давления, силовое питание и систему сбора данных. Калибровка обычно должна проводиться в фактических рабочих условиях (давление, температура. качественный состав воды и тд), характерных для проведения испытаний. Если давление во время испытаний оказывается ниже, чем минимальное давление, развиваемое в разомкнутом контуре, используемом для калибровки, то следует показать, что калибровка расходомера не зависит от кавитации при данном пониженном давлении. Этого можно сделать, воспользовавшись двумя последовательно расположенными расходомерами, один из которых не воспринимает воздействие кавитации. Не разрешается проводить измерение расхода с помощью расходомера в условиях кавитации, даже если он калибрирован в тех же рабочих условиях, поскольку возникающие в потоке явления не воспроизводятся одинаково.

Калибровка должна проводиться по достаточному числу измеряемых точек, равномерно распределенных по всему диапазону изменения расхода, измеряемого во время испытаний. Это делается для более точной оценки разброса значений измеряемого параметра.

В большинстве случаев результат калибровки представляется в диапазоне Q=CR^a, где R - выходной сигнал, выдаваемый вторичным расходомером; а - показатель степени, который известен из теории (а=1, если R - частота турбинного расходомера; а = 1/2, если R - дифференциальное давление трубы Вентури; а=3/2, если R - напор на прямоугольном мерном водосливе и т.д.);

С — коэффициент расхода, который может бьггь постоянным или переменным в метровом диапазоне колебаний.

Коэффициент расхода зависит от расхода, замеренного с помощью первичного метода, или в зависимости от соответствующего безразмерного коэффициента, свойственного тому или иному типу расходомера (число Рейнольдса для расходомеров в замкнутом контуре, число Фруда для мерных водосливов). Аппроксимация зависимости, заданной последовательностью точек измерений, определяется методами регрессионного анализа, например, методом наименьших квадратов. Руководство по построению калибровочной кривой и оценке связанных с этим погрешностей имеется в ИСО 7066, см. также приложение Н.

Вторичный расходомер обычно должен быть калиброван до и после испытаний (3.3.3.1.5). Если между двумя калибровками наблюдается значительная разница, то расходомер и связанная с ним измерительная система должны быть тщательно проверены на предмет обнаружения причины подобного расхождения, иначе испытание нужно будет забраковать.

Примечание - Стороны могут договориться считать относительное отклонение параметра 2(Q₁ - Q₂) / (Q₁ + Q₂). где Q₁ и Q₂ - измерения no вторичному расходомеру до и после испытаний одного и того же расхода, заданного на основании калибровки первичным методом, меньше допустимого значения, установленного перед испытаниями (например, 0.1 %).

Для проведения проверки и анализа данных нужно иметь хронологические записи о проведении калибровки расходомера. Если устойчивая тенденция не проявляются, то среднее значение всех измерений может оказаться лучшим приближением к истинному значению, чем среднее из значений до и после испытаний.

3.3 Измерение давления

• 3.3.1 Общие положения

В настоящем разделе рассмотрено только определение осредненного во времени значения давления. Измерения давления в гидравлическом оборудовании выполняются для того, чтобы определить:

• a) гидравлические эксплуатационные характеристики, такие как:

• - удельная гидравлическая энергия Е (3.5.2 и 3.5.3);

• - чистая положительная удельная энергия NPSE (3.5.4);

• b) манометрическое давление или дифференциальное давление в различных точках проточной части модели для различных целей, например, для измерения расхода с использованием датчиков дифференциального давления (3.2.3.3) или для получения информации о:

• - местном давлении;

• - распределении давления;

• - индексных испытаниях (значениях, которые должны быть пересчитаны на условия места).

Давление р измеряется как единичное манометрическое давление или дифференциальное давление в установившихся условиях.

• 3.3.2 Выбор сечения для измерения давления

Измерительные сечения обычно совпадают с контрольными сечениями. Возмущение потока в них должно быть минимальным. Контрольные сечения 1 и 2 на сторонах высокого и низкого давления, заданные в договоре, обычно отвечают этим требованиям. Однако 8 исключительных случаях, если распределение скорости в контрольном сечении значительно искажено, измерительное сечение должно быть перенесено в другое, максимально приближенное к контрольному сечению место, но с более равномерным полем скоростей. Плоскость измерительного сечения рекомендуется располагать перпендикулярно направлению потока. Его площадь, требуемая для расчета средней скорости воды, должна легко измеряться. Водовод, в котором располагается измерительное сечение, должен быть прямолинейным, хотя может слегка сужаться или расширяться.

• 3.3.3 Места отбора давления и соединительные линии

• 3.3.3.1 Число и расположение мест отбора давления

Для любой конфигурации сечения должны использоваться не менее двух пар противоположно расположенных мест отбора давления (четыре места отбора давления). Для круглого сечения четыре места отбора давления должны располагаться на двух взаимно перпендикулярных диаметрах. Места отбора давления не следует располагать вблизи наивысшей точки измерительного сечения (для исключения образования воздушных пузырей) и его низшей точки (для избегания влияния скопления грязевых наносов). Для некруглых сечений (в большинстве случаев - прямоугольных) места отвода не должны располагаться вблизи углов профиля. При расположении в верхней или нижней части сечения нужно избегать, как и для круглых сечений, образования воздушных пузырей или грязевых наносов.

Если режим течения жидкости не выдерживается или поле скоростей в сечении асимметрично, нужно предусмотреть использование более чем четырех мест отбора давления. Отдельные измерения средней величины давления, в одном и том же измерительном сечении, не должны отличаться друг от друга более чем на 0,5 % удельной гидравлической энергии машины, а для низконапорных машин, более чем на 20 % удельной кинетической энергии, рассчитанной по средней скорости о измерительном сечении (3.5.2.4) При этом оба рассмотренных случая относятся к режиму работы близкому к оптимальному. Если указанное требование не выполняется, то стороны должны договориться о необходимости:

• - выбора другого места для расположения сечения;

• - выполнять оценку распределения удельной кинетической энергии в измерительном сечении в соответствии с 3.5.2.4:

• - принятия этого отклонение и арифметически прибавлять эту дополнительную погрешность к измеренной погрешности в удельной гидравлической энергии Е (3.5.2.5 и J.2.3).

• 3.3.3.2 Подготовка мест измерения давления

Места отбора давления должны быть оснащены вставками из некорродирующего материала. На рисунке 31 показаны типовые вставки, которые должны быть установлены заподлицо со стенкой трубопровода. Цилиндрическое отверстие отвода давления должно иметь диаметр от 2 до 4 мм и минимальную длину I, равную не менее двум диаметрам. Она должна быть перпендикулярна стенке трубопровода, и лишена заусенцев или неровностей, которые могут создавать местные потери. Края отверстий

должны быть острыми или скругленными с радиусом г < d/4. Цель скругления состоит в устранении возможных заусенцев. Поверхность трубы должна быть гладкой и не изогнутой в направлении потока на расстоянии не менее 100 мм вверх и вниз по течению от отверстия.

I

Рисунок 31 - Примеры мест отбора давления

З.З.З.З Датчик трубопроводов

Отводы для отбора давления могут выполняться в виде коллекторов (см. рисунок 32), однако каждый отвод должен быть укомплектован отдельным клапаном, чтобы можно было считывать отдельные показания приборов. Диаметр соединительных трубок должен составлять не менее двух диаметров отверстия отвода и быть не менее 6 мм. Диаметр коллектора (или кольцевого коллектора, см. рисунок 32Ь) должен составлять минимум три диаметра отвода. Соединительные трубки должны иметь одинаковую длину с уклоном в сторону пьезометра или манометра без промежуточных изгибов, в которых может скапливаться воздух. Для удаления воздуха во всех верхних точках должны быть предусмотрены клапаны с газо-коллекторной камерой. Рекомендуется использовать прозрачные пластиковые трубки, в которых легко увидеть пузырьки воздуха, предназначенные для измерения давления в широком диапазоне его значений. Однако в случае пульсаций давления следует учесть демпфирующий эффект, присущий пластиковым трубкам (3.3.3.4). Протечки в манометрических соединениях не допускаются.

А - Индивидуальное. В - Присоединение к кольцевому присоединение к коллектору коллектору

1 - вентиль: 2 - патрубок для измерения давления; 3 - коллектор. 4 - кольцевой коллектор; 5 - слив. 6 - газосборная камера Рисунок 32 - Типы коллекторов измерения давления

• 3.3.3.4 Демпфирующие устройства

Все измерения проводят при установившихся условиях.

В некоторых диапазонах изменения параметров режима (низкие значения Q, о и т.д.) колебаний избежать нельзя. Тогда необходима установка демпфирующих устройств при условии, что проходящий через него поток ламинарен и имеет одинаковое сопротивление в обоих направлениях, чем гарантируется линейность изменения вязкого сопротивления. Это можно обеспечить при помощи капиллярной трубы определенной длины с отверстием диаметром 1 мм или специально разработанного клапана. Демпфирующие устройства могут быть изготовлены из длинных пластмассовых труб. Дополнительное демпфирование достигается в воздушном или уравнительном резервуаре, присоединенном к линии передачи давления. Не рекомендуется пользоваться для этих целей диафрагмой, потому что это может внести ошибку вследствие нелинейности демпфирования. Вокруг любого дроссельного устройства должен быть предусмотрен байпас, клапан которого должен быть открыт все время, кроме промежутка времени, в течение которого снимаются показания. Не разрешается изгибать, зажимать соединительные трубки или вставлять любые асимметричные дроссельные устройства (например, клапаны).

• 3.3.4 Аппаратура для измерения давления

• 3.3.4.1 Типы аппаратуры

Аппаратуру измерений давления можно разделить на:

• - контрольно-измерительную аппаратуру первичного измерения - жидкостные манометры (3.3.4.2), грузопоршневые манометры (3.3.4.3) и манометры с нажимными коромыслами (3.3.4.4), ведущую измерения первичных физических величин (длины, массы и тд.) и не нуждающуюся в калибровке;

• контрольно-измерительную аппаратуру вторичных измерений - датчики давления (3.3.4.5). пружинные манометры (3.3.4.6) и другая аппаратура, которая должна калиброваться по аппаратуре первичного измерения, используемой в качестве эталона.

Современная измерительная аппаратура интегрирована в автоматическую систему сбора и накопления данных, что требует учета качества ее работы. Иногда аппаратура первичных и вторичных измерений используется совместно. Физические принципы работы и примеры испытательных систем с разными контрольно-измерительными приборами описываются в последующих разделах.

• 3.3.4.2 Жидкостные манометры (первичная аппаратура)

Жидкостные манометры используются для измерения низкого давления или небольших перепадов давления (примерно до 5-Ю⁵ Па. если в качестве рабочей жидкости используется ртуть). В основном используются водяные или ртутные манометры (см. рисунки 33а, ЗЗЬ и 33с). В некоторых случаях используются другие жидкости с известной плотностью. Давление, измеренное жидкостным манометром, определяется следующим образом р = р- g h, где h - высота столба жидкости; р - плотность жидкости в манометре, определенная при температуре этой жидкости. Для снижения влияния капиллярных эффектов внутренний диаметр трубки водяного манометра должен быть не менее 12 мм. Для ртутных манометров диаметр трубки должен быть не менее 8 мм. Распространенными типами жидкостных манометров для измерения давления или перепада давления (дифференциального давления) являются:

• a) манометр с одной шкалой (напорная трубка)

• - чашечный ртутный манометр с трубкой (рисунок 33а). Если манометр калиброван для изменения уровня h₁ 8 чашке, то нужно считывать только высоту h₂ по отдельной шкале;

• - уровень воды (напорная трубка) (рисунок ЗЗЬ).

• b) обычная U-образная трубка (рисунок ЭЗс).

Высота столба жидкости в двух коленах должны записываться одновременно посредством оптического считывания. Какая бы комбинация жидкости ни использовалась, надо учитывать точные значения плотности обеих жидкостей в манометре; значения р, и р_а приведены в приложении В.

Рисунок 33 - Жидкостный манометр (пример экспериментальной установки). Лист 1

Контрольный уровень инструмента z_M

Рисунок 33 - Жидкостный манометр (пример экспериментальной установки). Лист 2

• 3.3.4.3 Грузопоршневые манометры (первичная аппаратура)

Грузопоршневые манометры (также называемые поршневыми манометрами) могут быть простого или дифференциального типа. Область их применения зависит от эффективной площади поршня А_е и чувствительности механической части поршневой системы, передающей измеряемое давление. Для низкого давления или малого перепада давления, используются поршни с большой эффективной площадью А_е (например. А_е* 0.0005 м², для давления менее 3-10⁴ Па) и наоборот (например, А^О,0001м² для давления более 2-10⁵ Па). Эффективный диаметр поршня d_e может быть определен как среднеарифметическое значение диаметра d_p поршня и диаметра отверстия d_b: d_e=(d_b+dp)/2. Этот манометр может использоваться для определения давления без калибровки, если (d_b-dp)/(d_b+ dp < 0,001. Давление р, измеренное в нижней части поршня грузопоршневого манометра, загруженного массой m определяют по следующей формуле

(9^m) (4gm)

^Ае М)'

Грузопоршневые манометры должны отвечать следующим основным требованиям:

• - эффективный диаметр поршня d_e должен определяться с относительной погрешностью f_de<5xio*⁴;

• - трение поршня и цилиндра должно быть исключено за счет медленного поворачивания поршня (0,25 с'¹ <п< 2 с’¹), а цилиндр должен быть наполнен соответствующей жидкостью, обычно маслом малой вязкости (v = 10’⁵ м²С’¹);

• - ось поршня должна располагаться вертикально. Масса всех частей манометра (грузы, поршень, взвешивающая платформа и тд.) должна быть калиброваны. При использовании системы получения и накопления данных рекомендуется применять схему, в которой объединены грузопоршневой манометр сдатчиком давления или силы (см. рисунок 34).

Корректирующая кривая для этих схем должна определяться либо с помощью их контрольной проверки в сравнении с калиброванным грузопоршневым манометром без компенсирующих приспособлений, либо с помощью загрузки взвешивающей платформы при постоянном давлении дополнительными небольшими грузами, имеющими калиброванную массу, при условии, что индикатор компенсатора показывает ноль. Грузопоршневые манометры вышеописанного типа совместно с датчиками или взвешивающими элементами предпочтительны для применения в автоматической системе сбора и накопления данных. В нормативных условиях чувствительность грузопоршневого манометра составляет менее 0,002 кг, т.е. менее (0,02/Ag) Па (например, при Ag= 0,0002 м². чувствительность составляет 100 Па).

h, = г, -г_м;/)2 = z₂ -z_M;p = (4mg)/(«/²_e];d_e = (d_b +dp)/2

1 - фактическая масса; 2а - датчик дифференциального давления; 2Ь - датчик силы; 3- вода; 4- масло Рисунок 34 - Грузопоршневой манометр с компенсацией датчика давления или датчика силы

Случай а: компенсация за счет датчика дифференциального давления

Рм = Pi ⁺ P9^i =P + fbtf9(p2-^/’i) ⁺ P9M^AP.

Случай b: компенсация за счет датчика силы

Рм -Pi+pg-Pi =Р^РЫЭ(^Л2-^) ⁺ Р9Ь1+(4Р)Дя</²_в)

3.3.4.4 Манометры с нажимными коромыслами (первичная аппаратура)

Модифицированный грузопоршневой манометр-манометр с нажимным коромыслом, который состоит из весоизмерительного коромысла, установленного на гладком стержне, и подшипника на одном или более поршневом манометре или дифференциальном поршневом манометре. Сила, действующая со стороны поршня манометра, уравновешивается бегунком, двигающимся вдоль весоизмерительного коромысла (рисунок 35). Управление весоизмерительным коромыслом и бегунком может быть ручным или автоматическим. Манометры с нажимными коромыслами, хотя и относятся к первичной аппаратуре. но в отдельных случаях требуют калибровки.

1 - весоизмерительное коромысло. 2 - гладкий стержень; 3 - бегунок (масса, кг); 4 - винтовой нутромер; 5 - сервомотор; 6.7 и 8 - электрические контакты. 9 - счетчик оборотов для определения l; p=(mgLy(ALp); А - площадь сечения поршня; р-измеряемое давление; F = рА-усилие, действующее на измерительное коромысло

Рисунок 35 - Манометр с нажимными коромыслами (пример экспериментальной установки)

• 3.3.4.5 Датчики давления (вторичные)

Датчики давления представляют собой электромеханические устройства, в которых механическое усилие, создаваемое давлением, преобразуется в электрические сигналы. Хотя датчики давления используются также и для измерения пульсаций давления, в настоящем подпункте рассматриваются только измерения статического давления в установившихся условиях для получения среднего значения. В зависимости от измеряемого давления выбирается соответствующий диапазон для датчика давления. Некоторые преимущества использования датчиков давления:

• - простота присоединения к электронной системе сбора и накопления данных;

• - малый расход жидкости через точки отбора давления и быстрый и точный отклик;

• - средние значения пульсирующего давления или дифференциального давления, а также записи переходных процессов легко регистрируются благодаря использованию имеющегося электронного оборудования.

Датчики давления должны иметь следующие характеристики:

• - достаточную устойчивость калибровки;

• - высокую степень повторяемости измерений, пренебрежимо малый гистерезис;

• - малый дрейф нуля и низкую температурную чувствительность;

• - отсутствие искажения при отборе давления.

Для того чтобы при включении фильтра удостовериться в отсутствии искажения, следует провести проверку работы электронного оборудования с фильтром и без него. Система датчиков давления в целом должна быть калибрована в условиях, совпадающих с условиями испытаний. Точность датчика определяется, главным образом, точностью калибровки. Калибровка выполняется с использованием первичной аппаратуры, например, посредством грузопоршневого манометра, который позволяет проверять измерения датчика в любое время в ходе испытаний. Для уменьшения систематической погрешности рекомендуется установить две аналогичные системы датчиков и во время испытания снимать показания с обеих одновременно. Системы датчиков должны быть проверены до и после испытаний, и. если эти системы будут давать отсчеты, которые различаются больше, чем на величину их систематической погрешности, нужно провести их проверку на первичной аппаратуре.

• 3.3.4.6 Пружинные манометры (вторичные)

В качестве чувствительного элемента в пружинных манометрах используются трубчатые одно-витковые или многовитковые пружины, гармониковые (сильфонные), коробчатые и плоские мембраны. Тип пружинного манометра выбирается в зависимости от величины измеряемого давления. При выборе согласуются условия его использования: точность, измерительный диапазон (обычно от 60 % до 100 % полной шкалы) и калибровка по первичной аппаратуре до и после испытаний.

• 3.3.5 Калибровка аппаратуры для измерения давления

• 3.3.5.1 Общая процедура калибровки

Как уже говорилось, давление, измеряемое с помощью вторичных приборов (пружинных манометров или датчиков), должно быть калибровано. Эта процедура выполняется путем сравнения показаний поверяемой аппаратуры сданными первичных приборов (3.3.4.2 и 3.3.4.3) или сравнением со

статическим давлением, создаваемым столбом воды со свободной поверхностью, как это описывается в 3.3.5.2. или на основе действующего стандарта. Для подтверждения отсутствия влияния помех на усреднение значений измеряемого давления проводится калибровка при помощи генератора пульсирующего давления переменной частоты и известного осредненного значения давления.

• 3.3.5.2 Сравнение манометрического давления со статическим давлением, создаваемым столбом воды со свободной поверхностью

До, после или во время приемочных испытаний показания датчика давления р_м могут сравниваться со статическим давлением столба воды со свободной поверхностью с учетом веса воды в воздухе при нулевом расходе p=(p-p_a)g*Az.

• 3.3.6 Вакуумные измерения

• 3.3.6.1 Общие требования

Для измерений уровня вакуума могут использоваться правила 3.3.2-3.3.4, за исключением положений, изложенных в 3.3.6.2.

• 3.3.6.2 Жидкостные вакууметры

В жидкостных вакуумметрах в измерительном колене применяется жидкость с известной плотностью и малым давлением пара с тем, чтобы не нарушать вакуум Трубка должна быть либо полностью заполнена водой или должна быть прозрачной для наблюдения за уровнем воды. Заполненные водой трубки между измерениями должны тщательно и часто промываться, чтобы удалить любой воздух, проходящий через зазоры или через место отбора давления, а температура воды в колене должна быть такой же, как в трубопроводе. Весь трубопровод и его соединения должны быть воздухонепроницаемыми (лишенные утечки). В качестве труб могут использоваться гибкие шланги, если они достаточно тверды, чтобы избежать искажения от действия давления внешней среды. Прозрачный пластмассовый шланг очень удобен для наблюдения воздушных пузырей.

• 3.3.7 Погрешности при измерении давления

Ожидаемые оценки абсолютных систематических погрешностей е_р с вероятностью 95 %:

• - для жидкостных манометров:

ртуть/вода - от ± 50 до ± 300 Па, вода/воздух - от ± 10 до ± 50 Па;

• - грузопоршневые манометры - ± (1-3) 10*³ р;

• - манометры с нажимными коромыслами - ± (2 - 5)10*³р;

• - пружинные манометры - ±(3-10)*10*³р_гпах (максимальное показание прибора);

• - датчики давления - ±(1- 5) 10‘³р_тах

3.4 Измерение уровня свободной поверхности воды

• 3.4.1 Общие положения

Определение удельной гидравлической энергии модели турбины в соответствии с 3.5.1.2 зависит от давления 8 проточной части. На испытательных стендах со свободным и постоянным уровнем воды удельная гидравлическая энергия определяется на основе уровня свободной поверхности воды (3.5.5.3.3). Измерение уровня свободной поверхности воды необходимо также для некоторых методов измерения расхода (3.2.2.2, 3.2.2.3 и 3.2.3.2)

• 3.4.2 Выбор измерительных сечений уровня воды

Измерительное сечение уровня свободной поверхности воды должно удовлетворять следующим требованиям;

• a) при отсутствии особых условий подобия модель необходимо расположить так, чтобы поток не имел возмущений. Свободная поверхность воды в измеряемых сечениях должна быть спокойной;

• b) область определения средней скорости потока должно быть четко установлена, чтобы ее можно было легко измерить.

• 3.4.3 Число точек в мерном сечении

Измерение уровня свободной поверхности воды должно быть сделано не менее чем в двух точках в каждом измерительном сечении или в качестве свободного уровня воды принимается среднего значение замеров, сделанных в связанных с ней резервуарах.

во

• 3.4.4 Измерительная аппаратура

Обычно уровень свободной поверхности воды измеряется с контрольного уровня прибора, который посредством высокоточного измерительного устройства устанавливается относительно других контрольных уровней. Уровень свободной поверхности воды не измеряется непосредственно, а измеряется в успокоительном колодце, соединенном с измерительным сечением, как показано на рисунке 36.

• 3.4.4.1 Точечный манометр

Точечные манометры (см. рисунок 37) могут использоваться для определения уровня спокойной воды, предпочтительно в успокоительных колодцах или непосредственно в потоке (если свободный уровень воды не изменяется). Для индикации контакта с водой могут использоваться электрические, оптические или другие датчики, если они калиброваны по прямому визуальному методу.

• 3.4.4.2 Поплавковый указатель уровня

Поплавковые указатели применяются тогда, когда уровень воды сильно колеблется. Диаметр поплавка должен быть не менее 150 мм. Минимальный диаметр успокоительного колодца должен составлять 200 мм Чувствительность манометров должна быть в пределах 1 мм при ручной подстройке с разрешением ± 0,001 м.

• 3.4.4.3 Устройства измерения давления

Для измерения уровня свободной поверхности воды могут использоваться погружные датчики давления и другие устройства, включая жидкостные манометры (напорные трубки). Показания приборов необходимо проверять вне измеряемого потока.

• 3.4.4.4 Барботер со сжатым воздухом

Уровень свободной поверхности воды может также быть определен посредством давления внутри трубки, заполненной сжатым воздухом, так называемой газовой продувки.

• 3.4.4.5 Другие методы

Могут использоваться и другие методы, например, ультразвуковые и емкостные, если они обеспечивают необходимую точность измерения (3.4.5).

1 - перфорированная пластина, заделанная заподлицо со стенкой; 2 -разъединительный клапан. 3- промывочный клапан; Ар - общая площадь поперечного сечения перфорации Рисунок 36 - Успокоительный колодец

• 3.4.5 Погрешности измерения уровня свободной поверхности воды

Ниже приводится величина абсолютной систематической погрешности е₂, на доверительном уровне 95 %, которые допускаются в спокойной воде и скорости менее или равной 1.0 м/с (нижнее значение погрешности относится к скорости, близкой к нулю):

• - точечные манометры ± (0,001 - 0,003) м;

• - поплавковые указатели уровня * (0.001 - 0,003) м;

• погружные датчики давления ±(0,5 - 5) Ю"³^*, где максимальное значение измеряемого параметра;

• - барботер со сжатым воздухом ± (0,001 - 0,003) м;

• - ультразвуковые устройства ± (0,002 - 0.010) м.

В местах с высокой турбулентностью потока и скоростью v> 1,0 м/с например на выходе отсасывающей трубы турбины, погрешности могут быть значительно больше.

• 3.5 Определение Е и NPSE

• 3.5.1 Общие положения

• 3.5.1.1 Предмет

Удельная гидравлическая энергия Е турбины определяется в ходе каждого модельного испытания, а чистая положительная удельная энергия NPSE определяется при необходимости. Данными для определения Е и NPSE являются средние значения измерений при стационарном течении жидкости. Формулы для их расчета приведены в 1.3.3.6. В приложении С приведен вывод формулы для определения Е.

• 3.5.1.2 Метод определения

Для определения удельной гидравлической энергии, действующей на модель машины, необходимо оценить удельную энергию воды в контрольных сечениях высокого и низкого давления. Для чистой положительной удельной энергии удельная энергия воды оценена в контрольном сечении низкого давления относительно заданного уровня. Абсолютное давление, средняя скорость и уровень должны быть определены в контрольном сечении, в особенности на стороне низкого давления, где давление должно быть измерено в пределах отсасывающей трубы. В некоторых видах специального модельного испытательного оборудования можно согласовывать выбор измерительных сечений, расположенных близко насколько возможно к соответствующему контрольному сечению, или даже заменить измерения давления измерениями уровня свободной поверхности воды. Измерение давления описано в 3.3, измерение уровня свободной поверхности воды, хотя оно редко используется для модельных испытаний, описано в 3.4.

• 3.5.1.3 Установившийся режим и число измерений

Измерения, необходимые для определения удельной энергии, должны быть сделаны равномерно и в установившемся режиме, как сказано в 2.3.2.3.1. Число показаний и интервалы между ними должны давать достаточно хорошее приближение к среднему значению, принимая во внимание производительность системы сбора и накопления данных (2.3.2.3 и 3.1).

• 3.5.2 Определение удельной гидравлической энергии Е

• 3.5.2.1 Измерительные сечения

• 3.5.2.1.1 Общие положения

Основные условия получения точного значения удельной гидравлической энергии указаны в 3.5.1.2. Требования к выбору сечения для измерения давления можно найти в 3.3.2.

• 3.5.2.1.2 Сдвиг измерительных сечений

При приемочных испытаниях модели измерения обычно проводятся в контрольных сечениях машины, указанных в договоре. В исключительных случаях измерительные сечения могут отличаться от контрольных сечений. К таким случаям относится нарушение сплошности течения жидкости, вызванное режимом работы машины или гидравлическими условиями в контрольном сечении. Перенос измерительного сечения определяется в договоре по соглашению сторон. В таких случаях компоненты, влияющие на поток, могут быть смоделированы, если это согласовано в договоре.

Примеры

• 1 Для насосов измерительное сечение высокого давления должно быть перенесено, если давление и распределение скорости в этом сечении таковы, что вычисление среднего значения удельной гидравлической энергии приводит к существенным ошибкам. Измерительное сечение, находящееся в нескольких диаметрах от насоса увеличит надежность измерения.

• 2 Для турбин измерительное сечение требует переноса, если оно находится вблизи дискового затвора, который установлен близко к контрольному сечению высокого давления.

• 3.5.2.1.3 Поправка удельной гидравлической энергии для сдвинутых измерительных сечений

Если измерительное сечение не совпадает с контрольным сечением, следует учитывать потери удельной гидравлической энергии между ними, а также направление течения жидкости относительно этих сечений. Оценка потерь может быть основана на теоретических знаниях и/или на практическом опыте. Решение о переносе измерительного сечения должно быть принято в случае, если погрешность, вносимая вычислением потерь, будет меньше, чем погрешность измерения, вносимая неудовлетворительными условиями измерений в контрольном сечении.

• 3.5.2.2 Контрольные уровни

• 3.5.2.2.1 Контрольный уровень

Все высоты должны быть отнесены к одной опорной величине, например, контрольный уровень испытательного стенда или контрольный уровень машины. Пример главных возвышений и высот показан в рисунке 38.

• 3.5.2.2.2 Разница высот

Очень важно установить точную разницу возвышений. Самая важная разница возвышений для модельных испытаний - разница между контрольным уровнем машины z_r и контрольным уровнем давления измерительного прибора z_M Z^ = tf-z^ Если контрольный уровень всех измерительных приборов давления является тем же самым и если оно взято в качестве контрольной величины, тогда = Zj.(cm. рисунок 38).

Контрольный уровень испытательной установки Специальная камера:

*М1=0 и ⁼0. тогда Z^Z^z,

Рисунок 38 - Основные уровни измерений и контрольные уровни испытательной установки и модели машины

• 3.5.2.3 Плотность воды (2.5.3)

Из определения удельной гидравлической энергии машины плотность воды р олжна быть вычислена как среднее значение плотности, измеренной в двух контрольных сечениях. Так как разница температуры между входным и выходным сечениями машины невелика, то для вычисления плотности р может использоваться температура воды в контрольном сечении низкого давления. Для определения Е или Н=Е/д значения плотности дистиллированной воды (2.5.3.1.3 и таблица В.2) могут использоваться в качестве плотности воды p_w, потому что:

• a) плотность воды p_wa в модельном испытательном оборудовании мало отличается от плотности дистиллированной воды p_wd (отклонение менее чем 0.05 % (2.5.3.1.3));

• b) гидравлическая мощность P_h=E(pQ)₁, как главный гидравлический показатель для определения эффективности, только во вторую очередь зависит от плотности, если удельная гидравлическая энергия модели машины рассчитана на основе измерения давления (см. упрощенные формулы в 3.5.3.2.1 и 3.5.3.2.2 и объяснение в приложении D). В особых случаях плотность р^ используемой воды необходимо определить (3.5.3.1.2).

• 3.5.2.4 Удельная кинетическая энергия

В соответствии с соглашением удельная кинетическая энергия 8 контрольном сечении определяется средней по скорости воды, перпендикулярной плоскости сечения, и определяется как e_c=v²/2. Средняя скорость v является фактическим расходом, проходящим через контрольное сечение, разделенное на область того же самого контрольного сечения⁶). Эта область должна быть измерена после

проверки подобия модели. То же самое соглашение применяется, когда измерительное сечение отличается от контрольного сечения в пределах машины.

• 3.5.2.5 Погрешность при определении удельной гидравлической энергии Е

Определение Е должно проводиться для каждого метода в соответствии с описанными в 3.5.3 примерами. В J.2.3 рассматривается относительная систематическая погрешность f_E (см. рисунок 39).

Чтобы объяснить эффект неравномерного распределения давления в измерительных сечениях (3.3.3.1), общая погрешность ^fAE арифметически прибавляется к общей относительной погрешности ^fE^{: f}Ecorr^{= f}E ^{+ f}AE.

3.5.3 Упрощенные формулы для расчета Е

• 3.5.3.1 Общие положения

Как показано в приложении С, общая формула, приведенная в 1.3.3.6 - это удобное приближение точного выражения для удельной гидравлической энергии машины. В каждом конкретном случае возможны дальнейшие упрощения, также могут применяться приближения, когда, например, сжимаемость воды или разница в внешнем давлении между сечениями 1 и 2 ничтожно малы.

Можно предположить, что ускорение свободного падения и давление окружающей среды являются постоянными в течение всего периода испытаний

9 ⁼ 91 ⁼ 92 ⁼ 9 ^и РатЫ ⁼ Pamb2 ⁼ РатЬ-

В этом пункте рассматриваются только упрощенные формулы, которые характерны для описанных измерительных установок. Однако упрощенные формулы не должны использоваться для различных установок без тщательного изучения возможности их использования.

• 3.5.3.2 Определение Е по измерению давления (3.3)

• 3.5.3.2.1 Измерение перепада давления

Рисунок 39 схематически представляет измерительное оборудование для определения удельной гидравлической энергии машины при измерении перепада давления. Это решение особенно подходит для модельных испытаний с низким напором, где приборы достаточно точны.

Е = gH = (p_abs1 - p_abs2) / р * (V? - vj) / 2 + д (z, - z₂) С помощью измерения перепада давления, получим (Pabsi - Раьзг^Р = ^P⁷? ⁺ 9«^z2-^zm) Рг⁷?” (^zi’^zm) Pi⁷?!

Для модельных испытаниям с низким напором (Др< 400 000 Па, т.е. Н< 40 м), сжимаемостью воды пренебрегаем, предполагая, что р = р_х = р^. Поэтому упрощенная формула имеет вид

Ь = Лр/р₂ * (vf - v|) / 2

Рисунок 39 - Определение удельной гидравлической энергии измерением перепада давления

• 3.5.3.2.2 Раздельное измерение давления

а) Реактивные турбины

Давление измеряется отдельно в каждом сечении. В связи с тем, что перепад давления не превышает 400000 Па (около 40 м водяного столба), сжимаемостью воды можно пренебречь. Если аппаратура измерения давления позволяет измерить абсолютное давление (например, датчик давления), то давление окружающей среды не учитывается. Если измерительная аппаратура обеспечивает измерение манометрического давления (например, пружинный или жидкостной манометр), необходимо проверить отстроена ли она от атмосферного давления (см. рисунок 40 [незначительное влияние] и рисунок 41 [принятое во внимание влияние]). Дальнейшее упрощение может быть представлено установкой измерительных инструментов давления на том же контрольном уровне. Этого, как правило, легко достичь (см. рисунок 40. упрощение).

ее

Манометрическое давление применяется в точках 1 и 2. Разница атмосферного давления между z_M1 и ничтожно мала, потому что (z_M1 - z^) мала по сравнению с Н, следовательно

PambMI “ РатЬМ2 “ РатЬ

Р»Ьа1 = ₽М1 ⁺ р<9 «Чи - ²1> ⁺ Рать

РаЬз2_= Рм2 * р₂9 Ъ»2_- ^z2> * Рать

Если р, = р₂ = р, тогда (р_аЬа1 - p_abs2) / р = (р_м, - р^) / р + g (z_M1 - z, - z_M2 - z₂)

Дальнейшее упрощение

E = gH = (рм, - _Рм2) / р + (V? - v?) / 2 + д (z_M1 - z^)

Если аппаратура измерения давления находятся на той же высоте z_M1=z_M2. тогда

E = gH = (р_М1 -Pm2)/p + (v^-vJ)/2

Рисунок 40 - Определение удельной гидравлической энергии машины на основании измерений манометрического давления

Z = z_r-z_z Е = gH = (p_abs1 - p_ate2) / р + (V? - v|) / 2 + д (Z! - z₂)

Манометры с водяным столбом устанавливают в сечениях 1 и 2.

Сжимаемостью воды можно пренебречь с учетом небольшой разницы между сечениями 1 и 2.

Тогда р₁ = р₂ = р = р.

Следовательно

Pabsi ⁼ Р9 (^zr“^zl) ⁺ РатЬГ Pabs2 ⁼ PQ (^z2 ~^z2) ⁺ Pamb2' РатЫ ’ “ РатЬ2’ Ра 9 (^Т “ ^2’)

Упрощенная формула

Е = g(z₁ ■ - z₂) (1 - р_а/р) + (v? - Ч) / 2 = g Z (1 - р^р) + (v? - v|) / 2

Рисунок 41 - Определение удельной гидравлической энергии машины на основании раздельных измерений давления манометром с водяным столбом

Ь) Активные турбины Пелтона

Если на корпус ковшовых турбин действует атмосферное давление, необходимо измерение давления р₁ в контрольном сечении высокого давления. Это значит, что возможны дальнейшие упрощения, если общая формула применима к ковшовым турбинам (см. рисунки 42 и 43). Условно скорость v₂ принимают равной нулю, а уровень Z2 контрольного сечения принимают за среднюю величину всех точек соприкосновения оси струи с окружностью ковшевой турбины, при этом давление внутри корпуса равно давлению окружающей среды, если корпус не находится под давлением и в него поступает достаточно атмосферного воздуха. Если же корпус находится под давлением, то давление среды в корпусе должно быть измерено и подсчитано при определении Е (Р_ать2^Раты)-

3.5.3.3 Определение Е при измерении уровня воды

При проведении модельных приемочных испытаний следует избегать измерений уровня воды (3.4). При договоренности определять Е потребуется замерять уровень свободной поверхности воды, особенно на стороне низкого давления, и при этом применять методы, описанные в пункте 3.4. Требования к состоянию потока в измерительных сечениях рассмотрены в 3.4.2.

На рисунке 44 показано определение удельной гидравлической энергии на основе измерений уровней воды для низконапорной машины. Измерительное сечение низкого давления 2* должно находиться как моюю ближе к выходу отсасывающей трубы. Для подобных измерений уровень воды необходимо замерять непосредственно над 2'. Для вычисления средней скорости потока, предполагается, что стены отсасывающей трубы достигают сечения 2'. очерчивая площадь этого сечения.

• 3.5.4 Определение чистой положительной удельной энергии NPSE

• 3.5.4.1 Определение

Чистая положительная удельная энергия NPSE определяется на стороне низкого давления машины. Ее определение и общая формула вычисления приведены в 1.3.3.6.

На результаты измерении, как и на саму удельную гидравлическую энергию Е турбины могут повлиять условия испытаний. Для определения чистой положительной удельной энергии нужно также учитывать подпункт 3.5.2.

вб

• 3.5.4.2 Упрощенная формула

При измерении давление в контрольном сечении на стороне низкого давления общая формула применима и для насосов, и для турбин. На рисунке 45 показаны три случая определения NPSE.

^z = z_Mi-2₂

Считается, что контрольное сечение низкого давления - это средняя плоскость рабочего колеса на высоте z₂ Для корпуса, не находящегося под давлением, давление внутри него принимается равным давлению окружающей среды.

Е = gH = (p_abs1 - p_ab$2) / р ♦ (V? - v|) / 2 + д {Zy - z₂)

Разница давления среды в Z^ и Z₂ ничтожна, так как z мала по сравнению с Н.

Следовательно

PambM! “ РатЬ2 ~ РатЬ¹ а при

Z p,/p = Z

получаем

₽abs1 ⁼ РМ1 ^{+ Z} Pl 9 ⁺ РатЬ-

где р_М1 - манометрическое давление, измеряемое при z_M1 Pabe2 ” РатЬ

Так как z₁=z₂, при v₂=0 упрощенная формула выглядит следующим образом Е = р_М1 / р + g (z_M1 - z₂) + v? / 2 = p_M1 / р + g Z + V? / 2

Рисунок 42 - Горизонтальные ковшовые турбины с вертикальной осью Определение удельной гидравлической энергии машины

Примечание - При разветвленных патрубках высота z₂ контрольного сечения высокого давления определяется как среднее значение высот точек контакта (точки 2А и 2В на рисунке). Для корпуса, не находящегося под давлением, давление внутри него принимается равным давлению окружающей среды.

Е = gH = (p_abs1 - p_abs2) / р * (v? - v£) / 2 + д - z₂)

Разница давления среды в Z_M1 и ничтожна, так как z мала по сравнению с Н. Следовательно

PambMI ~ РэтЬ2 ” Pamb-

а при

Z p,/p = Z

получаем

Pabsl ⁼ РМ1 ⁺ <^ZM1 “ ^Z1 > Pl 9 * Pamb

где p_M1 - манометрическое давление, измеряемое при z_M1

Pabs2 “ Pamb

Принимая v₂=0, упрощенная формула выглядит так

^{E =} PMi^/P ⁺ g(^zMi-²2) ^{+ v}?^{/2 =} PMi^/P ⁺ 9 ^{z + v}?/2

Рисунок 43 - Ковшовые турбины с горизонтальной осью, определение удельной гидравлической энергии

E = gH = (p_abs1-p_abs2)/p + (v?-v|)/2 + g(z₁ -Zj)

Сечения V и 2' выбраны в качестве измерительных сечений

Е = дн = (P_ate1. - P_abs2.) I р + (4 - vj) / 2 + д (z _v - z_z) + E_L1. _, ± E_u _ ₇

Потери E_Lr>1 между Г и 1 и Е^-.г» между 2 и 2’ вычитаются для турбины и прибавляются для насоса в случае, показанном на рисунке выше.

Сжимаемостью воды пренебрегают, так как разница давления между Г и 2* мала.

Следовательно: р_г = р? = р ⁼ р

Упрощенная формула приобретает следующий вид (см. рисунок 41)

E = g(z_r-z_r)(1-p_a/p)-(v?--4)/2±E_L,._₁±E_L2_₂.

где - манометрическое давление, измеряемое при z_M|.

Примечание - Определить методы расчета потерь энергии E_Lr_₁ и в частности, в несимметричном или закрученном потоке (высокие значения коэффициента кинетической энергии а), которые бы позволили дать в настоящем стандарте четкие рекомендации, весьма затруднительно. Метод оценки этих потерь должен быть согласован до испытаний, особенно если впускные и выпускные устройства смоделированы не полностью.

Рисунок 44 - Определение удельной гидравлической энергии турбины с измерением уровня воды для низконапорных машин

Zs = Zr-z₂-(Z* положительна, когда уровень z_? меньше контрольного уровня машины z_r и наоборот).

NPSE = g NPSH = (p_abs2 - _Pva) / р₂ + v| / 2 - g (z_r - z₂) Случай а) Жидкость (водяной столб) манометра в точке 2/

Pabs2 ⁼ Рг - Z₂) ⁺ Pamb Упрощенная формула

NPSE = (p_amb - р„) / р₂ ♦ vj / 2 - g (z, - z_z) = (P_arnb-Pv_a)'P2 ^{+ v}2^/2-9 Zs

Случай b) Манометрическое давление на уровне z^. измеренное в точке 2. Pabs2 ⁼ Рм2 ⁺ 9 ' Р2 (^ZM2 ” ²2> ⁺ Pamb

Упрощенная формула NPSE = (p_M2+p_amb-p_va)/p₂tvp2-g(z_r-z_M2)

Случай с) Дифференциальный манометр, соединенный с емкостью, установленной на контрольном уровне

машин

Упрощенная формула:

NPSE = (Др * p_amb - р_та) / р₂ + ф 2 Рисунок 45 - Определение чистой положительной удельной энергии NPSE и напора положительного сечения NPSE

3.6 Измерение крутящего момента вала

• 3.6.1 Общие положения

Для расчета механической мощности рабочего колеса Р_т требуется определить крутящий момент, действующий на рабочее колесо Т_т

Р_т-2кпТ_т

+ для направления вращения турбины; -для направления вращения насоса.

где T_Lm - момент трения в зависимости от расположения уплотнения и подшипника.

При измерении крутящего момента применяются главным образом две измерительные системы:

• a) приборы, в которых T_Lm - так называемый «внутренний крутящий момент», т.е. учитывается самой системой (в дальнейшем это описано как «приведение вращающихся частей в равновесие», см. рисунки 46 и 47).

• b) приборы, в которых Т и T_Lm измеряются отдельно (описанные 8 дальнейшем как «несбалансированные вращающиеся части подшипника», см. рисунок 49).

Крутящий момент вала рабочего колеса Т может поглощаться либо создаваться:

- электрическим устройством, обычно мотором/генератором, работающим с различной скоростью, или поглощаться разнообразными тормозными приспособлениями;

• - индукционным тормозом;

• - гидравлическим тормозом;

• - механическим тормозом.

• 3.6.2 Методы измерения крутящего момента

• 3.6.2.1 Первичный метод

В первичном методе крутящий момент Т определяется как произведение силы F на плечо или радиус г. к которому она прилагается Т = F-r. Сила, уравновешивающая силу F. может быть создана и измерена;

• a) с помощью калиброванных грузов, действующих на калиброванное плечо рычага. Это основной первичный метод;

• b) датчиками силы;

• - манометрами (с вращающимся поршнем);

• - механическими балансирами, которые проверяются на месте с помощью основного первичного метода.

Для увеличения точности определения действующей силы рекомендуется уравновесить силу действующую на плечо, с помощью калиброванных грузил.

• 3.6.2.2 Вторичные методы

Для использования прибора измерения крутящего момента нужно, чтобы он во всех частях имел достаточную точность, и был калиброван первичным методом. Приборы, измеряющие крутящий момент путем определения деформации вала, возникающей в результате его вращения, и преобразующей ее в электроэнергию - оптическими, электрическими или другими средствами. Конструкция и установка прибора должны гарантировать отсутствие влияния на измеряемую величину скорости, температуры, осевого или радиального усилия.

3.6.3 Методы потощения/выработки мощности

• 3.6.3.1 Мотор/генератор с переменной скоростью

Этот метод распространяется на машины, способные поглощать и вырабатывать электроэнергию. Такие машины устанавливаются таким образом, чтобы гарантировать измерение механического крутящего момента. Указанное устройство может быть использовано для модели турбины и насоса без различия.

• 3.6.3.2 Индукционный тормоз

Действие электромагнитного тормоза ограничивается поглощаемой мощностью.

• 3.6.3.3 Гидравлический тормоз

Этот тормоз поглощает гидродинамическую мощность. Его нельзя использовать при низкой скорости, т.к. поглощаемая им мощность колеблется в пределах п³.

• 3.6.3.4 Механический тормоз

Механический тормоз поглощает мощность за счет трения, и имеет то преимущество, что большой крутящий момент может наблюдаться при низкой скорости, даже при скорости близкой к нулю. Приложенный крутящий момент должен быть устойчивым, а механическая система не должна быть подвержена вибрации.

• 3.6.4 Схема расположения

• 3.6.4.1 Общая часть

На рисунках 46-54 показаны различные конструкции устройств, использующих первичные и вторичные методы измерения крутящего момента. Все они могут быть использованы в испытательных стендах с горизонтальной и вертикальной осью вращения. На рисунках 46 и 47 показано равновесное положение установки. Крутящий момент, действующий на рабочее колесо, измеряют на плече крутящего момента качающейся рамки. Если качающаяся рамка, как показано на рисунке 48, образована двумя отдельными рамками, крутящие моменты, действующие на каждую из рамок, определяют алгебраическим суммированием.

Рисунок 49 показывает не полностью равновесную конструкцию, поэтому потери в подшипниках и уплотнениях должны быть измерены отдельно. На рисунке 50 показан вариант модели с установкой вала в колене отсасывающей трубы. Такая конструкция не полностью сбалансирована, имеют место потери. Особые условия, как показано в рисунке 51, требуются для испытания многоступенчатых насосов или насос-турбин. Особое внимание должно быть обращено на механические потери P_Lm, которые во время испытания должны быть определены во всем диапазоне изменения скорости и давления. Рисунок 52 иллюстрирует расположение, использующее прибор для измерения крутящего момента. Рисунки 53 и 54 показывают измерения с дополнительным уравновешенным или нет подшипником.

На рисунках 46-54 показаны следующие конструктивные элементы:

• 1 - вращающаяся часть:

• 2 - качающаяся рамка;

• 3 - неподвижная часть;

• 4 - подшипник вращающейся части в состоянии равновесия;

• 5 - механическое уплотнение в состоянии равновесия;

• 6 - низкофрикционный подшипник качающейся рамки;

• 7 - лабиринтное уплотнение, мембрана;

• 8 - подшипник вращающейся части в состоянии нарушения равновесия;

• 9 - механическое уплотнение вращающейся части в состоянии нарушения равновесия;

• 10 - устройство измерения крутящего момента;

• 11 - подпятник;

— - контрольное сечение для измерения крутящего момента.

Рисунок 46 - Равновесное расположение

Рисунок 47 - Равновесное расположение с передачей

Рисунок 48 - Равновесное расположение с двумя отдельными рамками

Рисунок 50 - Не равновесное расположение с нижним подшипником и уплотнением

Рисунок 51 - Не равновесное расположение с промежуточным подшипником и уплотнением

Рисунок 52 - Расположение, в котором используется устройство измерения крутящего момента

Рисунок 53 - Равновесно» расположение машины (с подшипниками и уплотнениями) с устройством для измерения крутящего момента

Рисунок 54 - Не равновесное расположение машины с подшипниками, уплотнениями и устройством для измерения крутящего момента

• 3.6.4.2 Подвес качающейся рамки

Для поддержания погрешности измерений в допустимом диапазоне для подвеса качающейся рамки требуются специальные низкофрикционные подшипники, например, масляные или водяные гидростатические подшипники. Качающаяся рамка должна быть идеально уравновешенной.

• 3.6.4.3 Вентиляционные потери

Какова бы ни была скорость вращения мотора/генератора сопротивление воздуха или порывы ветра не должны создавать дополнительный крутящий момент. Если же он возник, его следует учитывать.

• 3.6.4.4 Подключение охлаждающей жидкости

Прибор измерения крутящего момента должен быть устроен таким образом, чтобы охлаодающая жидкость поступала и выходила из него, не создавая погрешности от тангенциальной составляющей скорости. Гибкие трубы (если они используются), особенно под давлением, не создают ограничения по тангенциальной скорости. Гасители гидроудара (если используются) должны обеспечивать равное сопротивление движения жидкости в любом направлении. Кроме того, сальник вала, содержащий жидкость, не должен оказывать воздействия на крутящий момент или должен быть обеспечен прибором измерения этого крутящего момента.

• 3.6.4.5 Уплотнения

Если кольцевые или мембранные уплотнение между качающимися и неподвижными частями вызывают трение, они должны быть калиброваны.

• 3.6.4.6 Электрические контакты

Электрические соединения не должны оказывать существенного влияния на тангенциальное торможение. Для этой цели подходят многожильные медные провода или ртутные тигели.

• 3.6.5 Проверка системы

Проверки, описанные ниже, рекомендуются для проверки правильности работы устройств измерений крутящего момента, тем не менее, измерительный прибор должен быть калиброван.

• 3.6.5.1 Испытание на чувствительность

Чувствительность измерительной системы определяется минимальной разностью значений измеряемых крутящих моментов. Чувствительность сильно зависит от конструкции измерительного устройства. Снижение чувствительности указывает на неправильное функционирование устройства. В зависимости от схемы и возможностей конструкций, чувствительность может колебаться в пределах от 0,05 до 0,5 Н м, при этом нижнему значению соответствует T_{m тах}< 500 Н м.

• 3.6.5.2 Испытание скорости

Испытание проводят после демонтажа рабочего колеса или после отсоединения вала. Система работает нормально, если механический крутящий момент Т_т остается на нуле во всем диапазоне изменения скорости.

• 3.6.5.3 Балансировка счетчика

В процессе испытаний крутящий момент, усилие или их часть балансируется эталонным грузом. Система работает правильно, если при уменьшении балансировочной массы, уменьшается показание на дисплее прибора.

• 3.6.6 Калибровка

• 3.6.6.1 Первичный метод

В процессе калибровки измеряют:

• - длину тормозного рычага;

• - усилие на тормозном рычаге;

• - вес рычага тормоза, в случае необходимости;

Усилие, действующее на тормозной рычаг, должно быть проверено с помощью эталонных масс, как в сторону увеличения, так и уменьшения. Для балансировки масс крутящего момента должны использоваться металлические ленты и безфрикционные ролики.

• 3.6.6.2 Вторичный метод

Используя этот метод, калибровка должна быть выполнена по основному методу.

• 3.6.6.3 Крутящий момент торможения T_Lm

Если часть подшипника/уплотнения не включена в качающуюся рамку, суммарный крутящий момент T_Lm определяют в процессе соответствующего испытания в зависимости от скорости и давления в уплотнении вала.

• 3.6.7 Погрешность при измерении крутящего момента

Ожидаемая относительная систематическая погрешность с вероятностью 95 % описана ниже.

• 3.6.7.1 Погрешность при измерении крутящего момента на валу (первичным методом)

• 3.6.7.1.1 Длина плеча рычага г

Длину плеча рычага г измеряют как f_rs= ± (0,05 - 0,1) %.

• 3.6.7.1.2 Усилие F

Усилие F. действующее на плечо рычага, измеряют как F_Fs= ±(0,05-0,1) %.

• 3.6.7.2 Погрешность при измерении крутящего момента на валу (вторичным методом)

Систематическая погрешность измерения крутящего момента на валу зависит от конструкции. Ожидаемая погрешность определяется как f_Ts = ± (0,15 - 0,25) %.

• 3.6.7.3 Погрешность при измерении фрикционного крутящего момента T_Lm

Если расположение подшипника/уплотнения не предусмотрено в системе качающейся рамки, определяется как f_{TLm s}= ± (0,02-0,05) % T_{m max}.

• 3.6.7.4 Систематическая погрешность при измерении крутящего момента рабочего колеса

С использованием вышеупомянутых погрешностей (3.6.7.1 и 3.6.7.3) относительная систематическая погрешность крутящего момента рабочего колеса может быть рассчитана:

• a) для первичного метода при Т^, измеренным на общей качающейся рамке (см. рисунки 46 и 47)

  
  
  

Ч.

• b) для вторичного метода (см. рисунок 52) Гтт5⁼*Тз определенному в 3.6.7.2;

• c) по первичному методу с T_Lm, не измеренным на качающейся рамке (см. рисунки 49. 50 и 51) абсолютная систематическая погрешность определяется по формуле тогда относительная систематическая погрешность будет равна f

  

  9

  
  

• d) по вторичному методу с T_Lm не 1. измеренному на качающейся рамке (см. рисунок 54) абсолютная систематическая погрешность составит

е = /т²4² + Т² Л²

^eTLm “ \/ ¹ ’Тз ’im •

е_т

тогда относительная систематическая погрешность будет равна \ ⁼ y^£L-

• 3.7 Измерение скорости вращения

• 3.7.1 Общие требования

Для определения механической мощности рабочего колеса, необходимо знать скорость вращения вала рабочего колеса.

• 3.7.2 Методы измерения скорости

Скорость вращения модели турбины/насоса может быть измерена одним из следующих методов:

• - определением числа пульсаций, создаваемых валом модели, используя временной электросчетчик. Генератор пульсаций может быть электрическим или оптическим;

• - прибором для измерения частоты электрического тока (частотомером) генератора, скорость вращения которого совпадает со скоростью вращения вала модели;

• - электротахометром высокой точности с постоянным магнитом, приводимым в движение валом модели.

• 3.7.3 Проверка

Обычно устройство для измерения скорости не поддается точной калибровке, и для него предусматривается следующая проверка:

• - сравнение его показаний с другим устройством измерения скорости;

• - отдельная от испытаний проверка числа пульсаций и точности отсчета времени устройством.

При плохой работе устройства возможны следующие ошибки:

• - пропуск части пульсаций;

• - неверное измерение временной базы.

• 3.7.4 Погрешности измерений

При использовании вышеуказанных измерительных приборов, предполагается систематическая погрешность f_{n s} = ± (0,01 - 0,05) %.

• 3.8 Обработка результатов испытаний

• 3.8.1 Общие требования

В ходе испытаний проверяются такие гарантируемые гидравлические характеристики и параметры, как мощность, расход и/или удельная гидравлическая энергия, КПД, установившаяся угонная скорость и/или установившийся расход. Результаты модельных испытаний должны быть переведены в единицы, которые можно сравнить сданными спецификации или гарантируемыми договорными данными. Методика расчета этих показателей, которая должна быть согласована сторонами договора, описана ниже, и представлена в виде сводной таблицы на рисунке 62.

В 3.8.2 описывается расчет механической мощности рабочего колеса, расхода и/или удельной гидравлической энергии, гарантированного КПД и кавитации (3.8.2.3.7 и 3.8.2.4.2).

В 3.8.3 дано описание расчета установившейся угонной скорости, расхода и кавитации (3.8.3.2).

В 3.8.2.5 и 3.8.3.4 приведены используемые для расчетов формулы. В приложении Е приведены выдержки из испытаний и методики расчета.

В таблице 6 приведены параметры гидравлических машин:

• - геометрические параметры;

• - независимые гидравлические параметры;

* зависимые гидравлические параметры.

Примеры диаграмм производительности для радиально-осевой и поворотно-лопастной турбины, радиального насоса, насоса двойного регулирования (осевого) и ковшовой турбины приведены на рисунках 55-60. Для турбин одинарного регулирования приведены два примера универсальных эксплуатационных характеристик, в которых строятся зависимости КПД от расхода и скорости (см. рисунок 55). или КПД от расхода и удельной энергии (напора) (см. рисунок 56). Пример четырехквандрантной диаграммы для насос-турбины одинарного регулирования (радиальной) показан на рисунке 61.

КПД. измеренный на двух геометрически подобных реактивных машинах в любых гидравлически подобных режимных точках (2.3.1.2) гарантируемого диапазона эффективности, отличается в различных испытаниях вследствие различия значений числа Рейнольдса, которое влияет на гидравлическую эффективность и, следовательно, механическую мощность рабочего колеса, как показано в приложении F.

Для сравнения с гарантиями, данными для модели, все значения гидравлической эффективности, вычисленные во время испытаний на данной модели, должны быть приведены к постоянному числу Рейнольдса, обычно заявленному в договоре, при помощи формул пересчета с учетом масштабного эффекта (3.8.2.2). Соответствующие символы заменяются на Льм* ^{и p}ed* ^{или p}nD*- ® случаях, когда модельные испытания могут быть выполнены при определенном в договоре числе Рейнольдса, пересчет с учетом масштабного эффекта не требуется.

Таблица 6 - Переменные, определяющие режимную точку машины

На опытном образце число Рейнольдса Re_& обычно легко определяется. КПД. полученный на модели реактивной машины, пересчитывают в КПД опытного образца натурной машины с учетом масштабного эффекта из-за числа Рейнольдса. Из-за числа Рейнольдса не учитывается масштабный эффект для п, Q, Е и соответствующих безразмерных показателей, если иное не оговорено в договоре (3.8.2.5.1). Поэтому n_EDM = n_EDP и Q_EDM = Q_EDP (или E_nDM = E_nDP и Q_nDM = Q_nDP). Для многоступенчатых машин при проведении модельных испытаний с меньшим числом ступеней (2.1.3.4.2) необходимо использовать такой метод расчета параметров модели, который учитывал бы эффект уменьшения числа ступеней (протечки на лабиринтных уплотнениях и потери мощности), а также необходимо их пересчитывать на параметры опытного образца натурной машины (должны быть согласованы).

Для активных ковшовых турбин пересчет КПД не делается, если иное не оговорено в договоре (3.8.2 2Ь).

а₁₍ Oj ■■■ <*_п-постоянные углы открытия НА

Рисунок 55 - Модель радиально-осевой турбины с одинарным регулированием, универсальная характеристика (КПД ст расхода и скорости)

a_1t 02 ... постоянные углы открытия НА

Рисунок 56 - Модель радиально-осевой турбины с одинарным регулированием. Характеристика эксплуатационная (КПД от удельной энергии и расхода)

а₁. aj... а_п-постоянные углы открытия НА; 0₂ Рл“ постоянные углы разворота лопастей рабочего колеса Рисунок 57 - Модель поворотно-лопастной турбины с двойным регулированием. Эксплуатационная

сц, <12... а_п-постоянные углы открытия НА Рисунок 58 - Модель радиального насоса с одинарным регулированием. Характеристика производительности

Рисунок 60 - Модель ковшовой турбины. Эксплуатационная характеристика (пример для машины с шестью соплами)

оц, 02... a_rt- постоянные углы открытия НА Рисунок 61 - Модель радиальной насос-турбины Четырехквадрантная диаграмма

• 3.8.2 Расчет мощности, расхода и КПД в гарантируемом диапазоне

• 3.8.2.1 Расчет параметров модели в точке

Для каждой точки используется набор из одного или большего числа отсчетов и/или записей значений параметров для определения гидравлической характеристики модели (2.4). Средние значения Ем- ^1М- ^пм- RmM ^и NPSE_M вычисляются по формулам (см. 3.1), гидравлическая эффективность Ним определяется по формулам (см. 2.4.1.4). Число Рейнольдса Re_M определено по формуле в 1.3.3.11.

• 3.8.2.2 Расчет характеристик модели на основании постоянного Re_M-

а) Реактивные машины

Обычно, модельные испытания проводятся при постоянном числе Рейнольдса Re_M. Если гарантии даны на модели при указанном числе Re_Msp, то выбирают Pe_M.=Re_Msp. Если модельное испытание не может быть выполнено при постоянном числе Рейнольдса, гидравлическая эффективность вычисляется для каждой точки с различным числом Re_M, а затем масштабируется к Re_M. (см. рисунки 62 и 63).

Применяется следующая формула при с = о_р)

l>_Re V¹’¹⁶

< ^ReM ,

R^eoptM ~ ^числ0 Рейнольдса, при котором замерен оптимальный КПД Hhopt⁸ каждом эксплуатационном режиме модели (3.8.2.2 1); значение V_refвзято из 3.8.2.2.2.

Рисунок 62 — Реактивные машины. Процедура оценки результатов испытаний в сравнении с гарантиями

Рисунок 63 - Масштабированная кривая для оптимальной точки КПД

Ь) Активные турбины

Практическим опытом многих изготовителей подтверждено влияние на ковшовые турбины чисел Фруда, Рейнольдса и Вебера. Методика учета этого влияния предложена в приложении К и может быть использована по взаимному соглашению.

• 3.8.2.2.1 Определение гидравлической эффективности (КПД)

Серия испытаний, проведенных в соответствии с 2.3.3.3.5, обеспечивает оптимальное значение гидравлической эффективности модели Пьорем ^и соответствующего числа Рейнольдса Re_optM в условиях отсутствия кавитации. Используя эти значения на основании уравнении 3.8.2.2, могут быть подсчитаны <5_ref и (ДПь)м^м* ^^см- рисунок 63 и приложение F). Для насос-турбины эта процедура применяется отдельно для турбины и насоса. Для осевых или диагональных машин, с неподвижными лопастями рабочего колеса и/или неподвижными углами НА (см. таблицу 7) HhoptM является оптимальным КПД испытываемой модели с таким же открытием, как у опытного образца.

Таблица 7-Значения

Окончание таблицы 7

• 3.8.2.2.2 Назначение коэффициента распределения потерь V_re(

Значения V_ref, перечисленные в таблице 7. относятся к Re_ref=7 10⁶. Они представляют собой отношение относительных масштабируемых потерь к относительным общим потерям (1-q_h-_pt)^{для точки} оптимальной гидравлически и эффективной для заданного числа Рейнольдса Re_ref=7 10° для различных типов реактивных машин (см. приложение F).

• 3.8.2.2.3 Расчет фактора механической мощности ^PED* (или коэффициента P_nD*), относящегося к постоянному значению Re_M* для реактивных машин

Когда Re_M # Rew**^то следует исправить P_ED к P_ED. или P_nD к P_nD. на следующее:

Турбины Насосы:

• 3.8.2.3 Презентация производительности модели

Три основных типа гидромашин:

• - машина одинарного регулирования;

• - машина двойного регулирования;

• - нерегулируемая машина с ними имеют дело отдельно. Каждый тип машин подразделяют на турбины (или насос-турбины, работающие как турбины) и насосы (или насос-турбины, работающие как насосы).

Так как эффективность модели гарантируется для заданного значения Re^ обычно заявляют в зависимости от данных о прототипе Е_Р и Q_1P (или Р_тР) для турбин; Q_P или Е_Р для насосов, модельные характеристики преобразованы в данные о прототипе, используя соответствующие формулы (3.8.2.5). Влияние кавитации на производительность модели и на масштабируемую эффективность описывается в 3.8.2.3.7 и 3.8.2.4.2. Для всех следующих случаев первый шаг - это определение iihoptM- 8^_ef и 4q_h (3.8.2.2).

• 3.8.2.3.1 Машина одинарного регулирования (рисунок 64)

Процедуру применяют к любому типу активных или реактивных гидромашин. Гарантируемая эффективность обычно дается для одной определенной скорости и одной или более удельным гидравлическим энергиям. В результате необходимо получить из данных испытаний модели достаточное число точек или кривых, чтобы покрыть гарантии. Если испытания выполнены, выбирая энергетические коэффициенты, или факторы скорости почти равняются заданным, то возможно получить ряд точек или кривых⁷^ Пьм’( ^по)^или Пьм*< ^qed> возможно использовать для сравнения с гарантиями.

Поскольку испытание при факторе постоянной скорости не возможно, рекомендуется следующая процедура:

• - измерение ряда точек, достаточных, чтобы нарисовать трехмерную поверхность (диаграмма возвышения): n_hM-(E_nD, Q_nD) или n_hM-(n_ED, Q_ED);

• - разделить на секции трехмерную поверхность, представляющую гидравлическую эффективность при энергетических коэффициентах или заданных факторах скорости. Рисунок 64 показывает трехмерную представительную поверхность n_hM*' нарисованную в сравнении с коэффициентами энергии и расхода и сечением в указанных значениях Е_п0 = E_nDsp. Определение трехмерной поверхности (диаграмма возвышения) необходимо, если гарантии основаны на ежегодной выработке энергии. Для каждых E_nDps (или n_EDsp) значений ri_hM.. полученных после одной из вышеупомянутых процедур, должен быть вычислен коэффициент механической мощности Р_п0. (или фактор P_ED.) для сравнения с модельными гарантиями.

  
  
  

  ReM = Re»r

  ЕгЮ ⁼ ЕгСбо

  
  

Рисунок 64 - Турбина ординарного регулирования. Трехмерная поверхность гидравлического КПД и кривые эксплуатационных характеристик при постоянном

• 3.8.2.3.2 Насос одинарного регулирования (рисунок 65)

Гарантированный КПД и расход обычно выдают для определенной скорости и для ряда значений гидравлической энергии. В результате при проведении соответствующих модельных испытаний необходимо получить достаточное число точек или кривых для покрытия гарантий. Для разных открытий НА построены кривые¹^ Пьм’^по) ^и ^по^по) ^или Л_пм*^по) ^или ^по^по) ^и определены основные коэффициенты механической мощности Р_п0. (см. рисунок 65). Открытия НА выбирают с учетом гарантированных расходов и КПД и предельных значений мощности.

Рисунок 65 - Насос одинарного регулирования Кривые производительности

• 3.8.2.3.3 Турбина двойного регулирования (рисунок 66)

Гарантируемая эффективность обычно дается для одной определенной скорости и одной или более удельной гидравлической энергии. В результате необходимо получить из данных модельных испытаний достаточное число точек или кривых, чтобы покрыть гарантии.

Если испытания проводятся, выбирая коэффициенты энергии или коэффициенты скорости, равные заданным, тогда можно получить ряд точек или кривых¹) T]_hM.(Q_nn) или n_hM.(Q_Fn) для сравнения с гарантиями: испытания обычно проводятся, рассматривая турбины двойного регулирования, как набор турбин одинарного регулирования, имеющих различные постоянные углы лопасти рабочего колеса.

Рисунок 66 показывает кривую производительности, нарисованную для модели поворотно-лопастной (Каплан) турбины, измеренную числом точек при шести различных углах лопасти рабочего колеса р₂ ^{и тд и}< сохраняя E_nD постоянным (равным E_nDsp): в положении «вкл.» кулачка концевика кривая гидравлической эффективности r|_hM. есть огибающая линия, определяющая оптимальное отношение НА и лопасти рабочего колеса¹).

Огибающая кривая

Диапазон гарантий

Диапазон испытаний

Рисунок 66 - Турбина двойного регулирования Кривые производительности при постоянном Е_п0

Так как невозможно выполнить испытание при постоянном энергетическом коэффициенте или факторе скорости, рекомендуется следующая процедура:

- измерить достаточное число точек, чтобы нарисовать трехмерную поверхность (диаграмму возвышения): q_hM.(E_nD, Qno) ^или Пьм*(^пЕО’ ^qed> ^для выбранных углов наклона лопастей рабочего колеса;

* разбить на части диаграмму возвышения, представляющую гидравлическую эффективность при энергетических коэффициентах или определенных факторах скорости.

Таким образом, значение Лим* ^в положении «вкл » кулачка концевика определено рисунком 66 Определение диаграммы возвышения необходимо, если гарантии определяются на основании годовой выработки.

Для каждого E_nDsp или n_EDsp полученное значение r|_hM. ^на основании одного из выше указанных методов, дает возможность сосчитать кривую коэффициента мощности механического рабочего колеса Р_п0. или фактора P_ED. для сравнения с гарантиями модели.

• 3.8.2.3.4 Насос двойного регулирования (рисунок 67)

КПД гарантий и расход обычно выдаются на одну из определенных скоростей и заданный ряд гидравлической энергии. В результате при необходимости получить из данных модельных испытаний достаточное число точек или кривых для покрытия гарантий.

Процедура та же. что и для турбин двойного регулирования (3.8.2.3.3). На рисунке 67 показана кривая рабочей производительности, построенная для модели насоса двойного регулирования, сохраняя E_nD постоянным EnQsp-

Для каждого E_nOsp или n_EDsp значения q_hM. получают на основании одного из вышеуказанных методов, что позволяет определить кривую коэффициента мощности P_nD. или фактора P_CD. для сравнения с гарантиями модели.

Рисунок 67 - Насос двойного регулирования. Кривые производительности при постоянном Е_пр

• 3.8.2.3.5 Нерегулируемая турбина (рисунок 68)

Гарантированный КПД и расход обычно выдаются для одной из определенных скоростей или заданного диапазона гидравлической энергии. Есть только одна независимая переменная: E_nD (или Q_nD) или n_ED (или Q_ED) см. таблицу 6.

Кривые производительности¹), в том числе коэффициент механический мощности P_nD. или фактор P_ED., вычисляемые с помощью гидравлической эффективности n_hM., показаны на рисунке 68. Они непосредственно используются для сравнения с гарантией модели²).

Рисунок 68 - Нерегулируемая турбина. Кривые производительности

Диапазон гарантий

Диапазон испытаний

Q«i»

Рисунок 69 - Нерегулируемый насос. Кривые производительности

• 3.8.2.3.6 Нерегулируемый насос (рисунок 69)

Гарантированная эффективность и расход, как правило, дается для одной определенной скорости и заданного ряда гидравлической энергии. Есть только одна независимая переменная: Е_п0 (или Q_nD).

Кривые производительности⁸), в том числе коэффициент мощности механического рабочего колеса P_nD.. вычисляемые через гидравлический КПД ц_ьм., показаны на рисунке 69. Они непосредственно используются для сравнения с гарантиями модели.

• 3.8.2.3.7 Влияние кавитации на мощность модели, расхода и/или удельную гидравлическую энергию и эффективность

Рекомендуется проверить влияние кавитации, характеризуемой числом Тома (или коэффициентом кавитации), на модель производительности⁸). В 2.3.3.3.5 и 2.3.3.3.6 описана процедура испытаний.

Если при проведении испытаний будет выявлено влияние в пределах выданных гарантий, на рисунке 70 показана процедура корректировки кривой КПД, определенной при о_м=*о_рР при достаточном числе предварительно согласованных рабочих точек. Влияние кавитации на расход и эффективность при Ср] переносят на кривые производительности, определенные при 0м^>ор1- Значения характеристик, которые должны быть приняты во внимание при сравнении с гарантированными, должны учитывать влияние кавитации в условиях станции.

На рисунке 71 показаны кривые Р_Е0, Q^qH л_ьм, построенные для одной измеренной точки при изменении числа Тома о для модели радиально-осевой турбины или насоса-турбины, работающего, как турбина. Кривые на рисунке 72 построены для модели насоса, или насос-турбины, работающего, как турбина. 8 последнем случае кривая Q_ED замещена на кривую E_nD, которая больше отвечает характеристикам насоса. В случае насоса, o_nQ перемещает о поскольку Е является величиной переменной при проведении кавитационных испытаний⁹).

Число Тома, измеренное на модели, передается опытному образцу натурной машины NPSE_p используя формулы, данные в 3.8.2.5.3.

Рисунок 70- Поправка кривой КПД с учетом влияния кавитации (например, при работе прямоточной машины с перегрузкой)

Рисунок 72 - Модель насоса. Кривые кавитации

3.8.2.4 Расчет характеристик опытного образца натурной машины

• 3.8.2.4.1 Пересчет КПД

Для реактивных машин, если гарантии выдаются на прототип, пересчет КПД модели ц_ьм, измеренный при разных числах Рейнольдса Re_M, пересчитывают на число опытного образца натурной машины Re_p по формуле

(^дПл)_м^р =bref

Значение Re_ref и формула для расчета 8_ref даны в 3.8.2.2а.

Если КПД модели измерен при постоянном числе Рейнольдса Re_M. или пересчитан на постоянное число Reivfep. ДИи тоже будет постоянным в пределах гарантированных КПД, если, как это обычно происходит, Пр и следовательно Re_p будут постоянными (см. рисунок F.3).

Если КПД модели было определено при разных значениях числа Рейнольдса, то Ar|_h должно быть рассчитано отдельно для каждой измеряемой точки, с учетом соответствующего Re_M (см. рисунок F.4).

По активной турбине это оговаривается в контракте, поскольку при разработке проекта необходимо учитывать результат пересчета КПД; (ДПь)м .р определяют в соответствии с приложением К.

Другие основные гидравлические характеристики опытного образца натурной машины (расход, удельная гидравлическая энергия и мощность рабочего колеса/импеллера) определяются, используя формулу из 3.8.2.5, с учетом пересчета КПД.

Метод построения¹⁰) кривых производительности опытного образца натурной машины и определения кривых для сравнения с гарантиями опытного образца натурной машины тот же, что и для модели (3.8.2.3).

• 3.8.2.4.2 Влияние кавитации на применение формулы пересчета

Несмотря на то, что в мире не существует никакой теории пересчета при существовании условий кавитации, пришли к соглашению, что пересчет для условий работы машины при отсутствии кавитации может быть использован при значениях а, где на производительность не влияет кавитация. По договоренности этот пересчет может быть применен и в случае уменьшения или роста гидравлической эффективности при условии, что уменьшение числа Тома о не превысило 5 %, если не оговорено обратное (см. рисунок 73).

В случае превышения вышеуказанных 5 %, взаимодействие между производительностью модели и опытного образца натурной машины, меньше и требует предварительного согласования сторон. Значение Р_тР определяют на базе значений n_hP, Q_p, Ер при а^. В больших прямоточных турбинах, если подобие Фруда не может быть выполнено (2.3.1.5.1), в методе пересчета характеристик кавитации от модели до опытного образца натурной машины должно быть принято во внимание вертикальное распределение кавитации, например, показанное в [17].

Рисунок 73 - Модель радиально-осевой турбины: кривые кавитации Примеры пределов для применения формулы пересчета

3.8.2.5 Формула расчета характеристик опытного образца натурной машины в пределах гарантированного диапазона КПД

Результаты испытаний, полученные для каждой точки, расход Q_1P, удельная гидравлическая энергия Е_Р и механическая мощность рабочего колеса/импеллера Р_тР, геометрически подобного опытного образца натурной машины и работающего в аналогичных условиях (2.3.1.2), пересчитывают по формуле. приведенной ниже.

• 3.8.2.5.1 Реактивные машины

Эффект пересчета, обусловленный влиянием числа Рейнольдса на КПД, взят в расчет для мощности механического рабочего колеса/импеллераЧ Хотя данные для пересчета расхода и удельной гидравлической энергии не показывают заметных отклонений, принято считать, что только КПД и мощность (в силу увеличения эффективности) подвержены влиянию эффекта пересчета^{11 12}^. Можно использовать два метода:

а) Прямой расчет, на базе замеров на модели Льр⁼Пьм⁺(^дЛн)м »р» где >р определяют по

формуле 3.8.2.4.1.

Для турбины - РтР= pypQ\_PE_PT]_hp = Р_тМ ВД ]

PM) {Ем)

существующий Р_тМ = Рим^м^мЛлм I

a P[pQjpEp г-> Р1Р I &Р для насоса - Р_тР = ^н

4hP P\M\^DM )

существующий P_mM = Рш^мЕм

Плм

Ь) Пересчет из безразмерных (факторов) коэффициентов предварительно полученных из модельных измеренных данных n_hP= п_ьм⁺(Дп_ь>м >р

Qys = Qg^DpEp¹⁵ = Q_nD^DPⁿP >

Е_р = D_pn_p = Е_п0С)рПр

"ED

Для турбины - P_mp = PedPip^dP^Ep’¹⁵ — = ^PnDPiP^DPⁿP — :

Лим Пьм

для насоса - ^Ртр ^{= p}edPip^dp^ep¹⁵ = ^pnDPiP°PⁿP ~~ . Пьм Пъм

Вышеуказанные формулы могут также применяться, когда измеренные КПД модели относятся к постоянному числу Рейнольдса n_hM. (3.8.1).

• 3.8.2.5.2 Активные турбины Пелтона

Формулу 3.8.2.5.1 применяют в следующих случаях:

• - если эффект масштаба в расчет не принимают, тогда Пьр^=т1ьм>

• - если же в контракте оговорено обратное, тогда (Ат]_ь)_м .р может быть рассчитан согласно приложению К.

• 3.8.2.5.3 Формула расчета опытного образца натурной машины NPSEp

Чистая положительная удельная энергия опытного образца натурной машины определяется по формуле NPSE_p = о Е_р= o_nD n²_pD²_p

• 3.8.3 Вычисление установившейся угонной скорости и расхода

• 3.8.3.1 Определение модели установившихся разгонных кривых

Масштабный эффект числа Рейнольдса принят за ноль в диапазоне близком к операции разгона. Эффект числа Тома на разгонные кривые может быть существенным (3.8.3.2). В случае модели машины одинарного регулирования, для ка>кдой точки ряда чтений и/или показаний физических величин раньше определяли модельную установившуюся скорость угона и расход при Т_тМ ~ 0 (2.3.3.3.7).

Затем рассчитывают средние значения Е_м, Q_1M, п_м и NPSE_M; и, наконец, получаются n_EDR и ^qed,r <^EnD,R ’^QnD.R)’ используя формулу 1.3.3.12.

Кривая разгона¹⁶) построена для разных углов а или s (см. рисунок 74) для получения максимальной скорости угона n_{ED Rmax} и расхода Q_{ED Rmax}.

При испытании модели турбины двойного регулирования кривая разгона обычно рисуется для каждого угла лопасти рабочего колеса/импеллера р. Чтобы определить максимальную угонную скорость и расход строят огибающую кривую (см. рисунки 78 и 79). В случае модели нерегулируемой машины, кривая разгона сокращается до точки применения безразмерных коэффициентов или факторов. Угонные испытания проводят при разном открытии лопаток НА, угле лопасти рабочего колеса/импеллера, ударе иглы выше гарантированного диапазона.

При испытании ковшовых турбин Пелтона максимальную угонную скорость определяют, принимая во внимание влияние числа насадок (см. рисунок 75).

Если при проведении испытаний невозможно достичь Т_тМ= 0, то условия угонной скорости могут определяться экстраполированием (см. рисунок 76).

• - измеренные точки

Т_Ео = 0

Рисунок 74 - Кривые разгона для турбины Френсиса одинарного регулирования

Рисунок 75 - Кривые разгона для турбины одинарного регулирования (6 сопел Пелтона)

Рисунок 76 - Угонная скорость, определенная с помощью экстраполяции. Пример для турбины Френсиса одинарного регулирования

• 3.8.3.2 Влияние кавитации на угонную скорость и расход

Рекомендуется проверить влияние числа Тома на рабочие характеристики модели в условиях угонной скорости. В 2.3.3.3.7 дано подробное описание процедуры проведения испытания. Рисунок 77 показывает влияние кавитации на среднюю скорость модели радиально-осевой турбины при открытии НА а_тах.-Кавитация оказывает значительное влияние на кривые разгона поворотно-лопастной турбины. Рисунок 78 показывает кривые кавитации n_{ED R} и Q_{ED R} при различных открытиях НА а и для разных углов лопастей рабочего колеса [}. То же самое явление представлено на рисунке 79, которое показывает кривые n_{ED R}(Q_E0 r) ^пР^и высокой с и 0=0^.

Число Тома или коэффициент кавитации, определенные на модели, обычно пересчитывают на прототип NPSEp по формуле 3.8.2.5.3.

При больших прямоточных турбинах, когда невозможно применить сходство Фруда (2.3.1.5.1), конверсионный метод пересчета характеристик кавитации с модели на прототип должен учитывать вертикальное распределение кавитации, как, например, в [19].

• - измеренные точки а ^{= а}тах

T_ED = О

Рисунок 77 - Влияние числа Тома на угонную скорость и расход турбины Френсиса одинарного регулирования

Рисунок 78 - Влияние числа Тома на угонную скорость и расход турбины Каплана двойного регулирования

СИ

Рисунок 79 - Влияние числа Тома на разгонные кривые (при положении «выкл.» кулачка концевика) турбины Каплана двойного регулирования

• 3.8.3.3 Определение установившихся разгонных кривых опытного образца натурной машины

Если угонные гарантии выдают для опытного образца натурной машины, эффект пересчета обычно в расчет не принимается; это значит, что P_{ED M}=P_ED р ^в Диапазоне, близком к угонной точке. Угонные характеристики опытного образца натурной машины определяют при ^pi на базе результатов испытания модели по формуле, в основу которой заложены правила подобия (3.8.3.4) при этом определяют точки максимальной угонной скорости и расхода. Согласно приложению G, в случае необходимости, учитывают потери трения в уплотнениях подпятника, направляющих подшипников и уплотнении вала, а также механические и вентиляционные потери машины, если не оговорено обратное.

• 3.8.3.4 Формула для расчета угонных характеристик опытного образца натурной машины Возможны две процедуры:

а) Прямой пересчет с измеренных данных модели

<W=Qu™(g) [g] .

Формула | [ Ер. I используется для построения кривой Р_тР(п_р),

Р|М {О_и) \Ем)

необходимой для учета потерь трения и вентиляционных потерь на уплотнениях подшипников и вала (см. приложение G).

Ь) Расчет с безразмерных коэффициентов, полученных в результате пересчета с измеренных данных модели

£0.5

ⁿRP = ⁿEDR Q.RP = °E£>.RpP ^р⁵ .

Up

Формула Pfnp = Ped pip Op Ej⁵ используется для построения кривой P_mP(n_p), необходимой для учета потерь трения и вентиляционных потерь на уплотнениях подшипников и вала (см. приложение G). Чтобы определить NPSE_p см. 3.8.2.5.3.

3.9 Анализ ошибок

• 3.9.1 Основные принципы (см. ИСО 5168)

Начиная с измерений, проводимых на модели, должны быть исследованы различные источники погрешностей, для определения соответствующих погрешностей.

• 3.9.1.1 Определение ошибки

Ошибка в измерении - различие между измеренным и истинным значением величины. Ни одно измерение физических величин не свободно от систематических и случайных погрешностей.

Систематические погрешности невозможно сократить повторением измерений, поскольку они заложены в характеристиках измерительных приборов или условий их установки, или работы. Что касается случайных погрешностей, то их можно сократить в результате повторных измерений, поскольку случайная погрешность отдельных средних л независимых измерений есть 4п раз меньше случайной погрешности отдельного измерения (см. приложение L).

• 3.9.1.2 Определение погрешности

Диапазон, в котором с высокой вероятностью предполагается получить не точные значения измеренных величин, определяют границы погрешностей измерений. В соответствии с настоящим стандартом. точность измерений должна составлять 95 %.

Погрешность измерения величины X может быть выражена абсолютным значением е_х или относительным значением f_x=e_x

• 3.9.1.3 Типы ошибок

Учитывают три типа ошибок:

• - ложные ошибки (3.9.1.3.1);

• - случайные ошибки (3.9.1.3.2);

• систематические ошибки (3.9.1.3.3).

• 3.9.1.3.1 Ложные ошибки

Это ошибки по вине персонала, по причине плохой работы приборов, когда полученные результаты признают не действительными. Так, например, такие ошибки возможны при записи результатов или при наличии воздушных карманов в водоводах манометра.

Такие ошибки отбрасывают, не учитывая их в статистической обработке. Если же ошибка не настолько велика, чтобы признать результат не действительным, замер в соответствующей точке можно повторить или пренебречь этой точкой (в качестве примера см. [20]).

• 3.9.1.3.2 Случайные ошибки и соответствующая неточность измерений

Случайные ошибки вызваны многочисленными, незначительными, независимыми влияниями, которые предотвращает система измерения (повторяемость), когда значения параметров и характеристик будут измерены с той же самой входной величиной.

Измерения отклоняются от их среднего значения в соответствии с законами случайностей, так что их распределение обычно приближается к нормальному (гауссовому) распределению, так как число измерений увеличено.

На случайную ошибку оказывают влияние осторожность, предпринимаемая во время измерений, число измерений и операционные условия. Разброс показаний, наблюдаемый во время испытаний, имеет результатом комбинацию случайной ошибки, являющейся результатом инструментовки и влияния эксплуатационных условий.

Повторение точек в данном эксплуатационном режиме дает значения погрешности, связанные со случайными ошибками, установленными статистическими методами (3.9.2.2.1 и приложение L).

Когда объем выборки (то есть число измерений) мал, необходимо исправить статистические результаты. которые основаны на предположении о нормальном распределении, посредством значения Стью-дента, как объяснено в приложении L. Коэффициент Стьюдента t, компенсирующий погрешность в увеличении стандартного отклонения, для данного доверительного уровня, так как размер образца уменьшен.

• 3.9.1.3.3 Систематические ошибки и соответствующая погрешность

Систематическая ошибка - та, у которой неизменно есть та же самая величина и тот же самый знак под те же самые условия измерения. Поэтому она не может быть уменьшена увеличением числа измерений, если оборудование и условия измерений остаются неизменными.

Систематические ошибки не затрагивают повторяемость измерений во время испытания. Погрешность, связанная с систематическими ошибками, не может быть оценена экспериментально без изменения оборудования или условий измерений.

Единственный способ проверить основную измерительную систему и получить порядок систематической ошибки - измерить каждую основную величину двумя различными системами, если они доступны. Альтернатива - выдвинуть субъективное суждение на основе опыта и соображений о вовлеченном оборудовании.

Если ошибка имеет уникальную известную величину, тогда она должна быть добавлена или вычтена из результата (ов) измерения и более не будет систематической погрешностью измерения из-за этого источника.

Если систематическая ошибка измерительного прибора неизвестна, но его ошибочные пределы (класс точности) определены, интервал между ними может быть принят как систематическая погрешность этого устройства с доверительным уровнем более, чем 95 %.

Несмотря на различие, показанное выше между систематической и случайной погрешностями, распределение вероятности значений погрешностей каждого систематического компонента есть по существу гауссово и принятое соглашение, вычисляющее полную систематическую f_s погрешность из отдельной систематической погрешности (метод квадратного корня из суммы квадратов).

• 3.9.1.4 Полная погрешность

Полная hoiрешнос!ь измерения получена, объединением сис!ема1ической Г₅ и случайной Г_г погрешностей (3.9.1.3.3 и 3.9.1.3.2). Это определяет диапазон, в пределах которого истинное значение, как предполагается, лежит с вероятностью 95 %, и любая точка в этом диапазоне одинаково действительна.

Учитывая тот же самый тип вероятностного распределения систематической и случайной погрешностей, погрешности могут быть объединены методом квадратного корня из суммы квадратов. Подпункт 3.9.2.2.4 объясняет, как определить общую погрешность в модельных испытаниях.

• 3.9.2 Определение погрешности в модельных испытаниях

• 3.9.2.1 Источники ошибок

В таблице 8 представлено резюме самых важных источников ошибок, которые могут произойти во время модельных испытаний. В J.1 дан пример анализа источников ошибки и оценки погрешности при измерении величины вторичным электронным устройством.

• 3.9.2.1.1 Погрешности в результате калибровки вторичных приборов

Помимо возможных ложных ошибок, которые должны быть устранены, систематические и случайные ошибки могут произойти во время калибровки вторичного измерительного прибора.

Смещение¹⁷* первичного метода и вторичного инструмента и ошибки в физических свойствах является систематическими ошибками, тогда как повторяемость основного метода и вторичного инструмента являются случайными ошибками; ошибки из-за физических явлений и влияния величин может иметь частично систематическую и частично случайную природу.

Полная погрешность в калибровке вторичного инструмента может быть вычислена объединением (метод квадратного корня из суммы квадратов) составная погрешность (см. таблицу 8 и J.1 приложения J), насколько каждый из них может быть оценен.

Практически, результат калибровки, представленный примером на рисунке 80, может использоваться для оценки ошибок в перечислениях Ь) - е) таблицы 8.

Перечисление f) вообще незначительно, перечисление а) (уклон основного метода) должен быть получен из более высокого уровня в цепи калибровки (отслеживаемость первичного метода), или сертифицированный нейтральным специалистом.

Максимально допустимая погрешность

Рисунок 80 - Пример калибровочной кривой

к) Ошибки из-за физических явлений и влияния величин ¹)

мати веская

Случай-

Случайная ошибка в из--

мерении f_r

мента

Влияние величин величина, которая не подлежит измерению, но влияет на результат измерения. Примечание - Перечисления а) - I) содержат перекрестные ссылки с приложением J.

• 3.9.2.1.2 Ошибки, возникающие во время испытаний

Безотносительно природы ее отдельных компонентов, общая ошибка в калибровке (перечисление д), описанная в 3.9.2.1.1, становится систематической ошибкой измеренной величины, когда калибровка используется для последующих модельных испытании. Ошибками из-за физических явлении или влияния внешних факторов во время испытаний (перечисление к) можно пренебречь, если условия измерения (температура окружающей среды, напряжение и частота потребляемой электроэнергии, форма потока и т.д.) поддерживаются в приемлемых пределах во время калибровки и испытаний.

Так как ошибка в определении физических свойств (перечисление j) вообще мала, то систематической ошибкой в основном управляют выбором метода калибровки, особенностями измерительных приборов, установкой и эксплуатационными режимами. Например, значение кинетической энергии, вычисленной со средней скоростью, отличается от ее истинного значения, если скорость распределения в измеряемом сечении не однородна (3.5.3.1, примечание 1). Повторяемость вторичного инструмента появляется еще раз во время испытаний (перечисление I) и в результате случайной ошибки, которая может быть охарактеризована, как заявлено в 3.9.2.2.1.

• 3.9.2.2 Оценка погрешности

• 3.9.2.2.1 Погрешность, связанная со случайными ошибками

До испытания соглашение между сторонами определяет максимально допустимое значение погрешности, f_p для каждой гарантируемой величины. В отсутствие такого соглашения, максимальное допустимое значение случайной погрешности в гидравлической эффективности должно быть около оптимума (f_nh)_r = ± 0,1 %.

Фактическое значение случайной погрешности должно быть оценено во время испытания при некоторых оперативных точках в диапазоне, в котором модель работает в стабильных состояниях (например, в диапазоне рядом сточкой максимальной эффективности). Для каждой из этих точек измерения должны быть повторены достаточное число раз (по крайней мере пять) для того, чтобы применить процедуру, описанную в приложении L.

Если в этих контрольных точках наблюдаемая случайная погрешность ниже, чем ранее согласованные значения, максимальные допустимые уровни случайной погрешности считают удовлетворенными в целом гарантируемом операционном диапазоне, даже, если прямая оценка случайной погрешности в оперативных точках с нарушенными условиями дает более высокие значения, чем согласованные значения. В нарушенных эксплуатационных режимах (например, турбина Френсиса, работающая

в частичной нагрузке), разброс измерений может быть очень увеличен; эти более высокие значения могут быть принятыми, поскольку они являются результатом модели, а не из-за инструментовки.

Если в контрольных точках более чем 5 % результатов находятся вне согласованного диапазона, точный анализ условий измерения должен быть сделан и измерения должны быть повторены или согласованная полоса пропускания погрешности из-за согласованных случайных ошибок.

• 3.9.2.2.2 Погрешность, связанная с систематическими ошибками

Первый шаг в оценке этой погрешности должен идентифицировать каждый компонент, влияющий на его значение. Второй шаг должен выделить пределы погрешности для учета каждого из компонентов. Это может быть сделано, по крайней мере, частично, статистическим анализом (см. ИСО 5168).

Систематическая ошибка измерения дана, главным образом, систематической ошибкой из-за калибровки вторичного инструмента, и ошибками в физических свойствах. Следующие соображения могут быть полезными для оценки систематической погрешности (согласно таблице 8 и приложению J).

• a) В соответствии с 3.9.2.1.2, почти все источники систематических ошибок обусловлены калибровкой вторичного инструмента. В большинстве случаев систематическая погрешность при измерении может быть принята равной общей погрешности калибровки вторичного инструмента, используемого во время испытаний f_s=f_tca|, но должно быть принято во внимание, что следует учитывать и другие источники ошибок.

• b) В зависимости от метода измерения и используемого инструмента систематическая погрешность может включать следующие компоненты:

• - общая погрешность f_t1, свойственная первичному методу, должна быть определена перед калибровкой (3.9.2.1.1);

• - погрешность f_d, обусловленная случайной ошибкой вторичного инструмента при его калибровке и разбросом калибровки, выполненным в разные периоды, если не появляются систематические тенденции. Например, если для коэффициента калибровки, использованного при определении результатов испытаний, из среднего числа калибровок п, характерно стандартное отклонение s_c, то этот компонент погрешности может быть принят равным

  

где t - коэффициент Стьюдента при (п-1) степени свободы (см. таблицу L.2);

• - погрешность от влияния внешних факторов на вторичный инструмент, покрывают за счет калибровки. при этом остаточной неточностью, используемой при корректировке, можно пренебречь:

• - при незначительных ошибках физического характера погрешность f_p в плотности воды составляет менее ± 0,05 %;

• - дополнительная погрешность может возникнуть из процесса регрессии, который используется для определения кривой калибровки, и может давать дополнительную погрешность. Несмотря на то, что указанную погрешность можно определить по ИСО 7066, допускается увеличение/уменьшение ее условного значения на ± 0,05 %.

с) Систематическую погрешность ^fs2 при измерении вторичным методом получают объединением этих отдельных погрешностей методом квадратного корня из суммы квадратов, см. таблицу 8.

Каждый раздел, где предусмотрено измерение значений показателей, необходимых для определения гидравлических характеристик модели, оговаривает относительную систематическую погрешность.

Заданные значения применяют в случае проведения измерения в нормальных условиях, опытными специалистами, высококачественной аппаратурой в соответствии с нормативными требованиями; ими можно руководствоваться при определении значения систематической погрешности. До испытания соглашение между сторонами должно определить полосу систематической погрешности для различных величин, включая гидравлическую эффективность. Фактическое значение систематической погрешности, так же из случайной погрешности, зависит от многих факторов, некоторые из которых могут только быть оценены после завершения испытания. Обзор этих факторов будет сделан и соглашение установлено относительно того, должна ли ожидаемая погрешность быть измененной на технических основаниях или нет.

• 3.9.2.2.3 Погрешность в производном значении

Погрешность (систематическую или случайную) производного значения определяют, объединяя систематические погрешности измерения методом квадратного корня из суммы квадратов. Например, систематическая погрешность КПД (f_nn)_s получена расчетом на основании отдельных систематических погрешностей расхода f(q)_s, удельной гидравлической энергии (f_E)_s, крутящего момента (f_T)_s, скорости вращения (f_n)_$ и плотности воды (fp)_s¹⁸> по формуле (см. приложение J)

)_s = ■

По условиям контракта, погрешность от пересчета КПД по формуле пересчета не учитывается.

• 3.9.2.2.4 Общая погрешность

Любую общую погрешность (см. таблицу 8) определяют по формуле

f₍=±7f/₊r_f².

Если случайная погрешность (которую определяют по 3.9.2.2.1) менее или равна максимально допустимому значению (обычно ± 0,1 %), то ее принимают условно равной значению, которое будет использовано при расчете общей погрешности.

Если в отдельных рабочих точках имели место разные условия измерений и наблюдался определенный разброс показаний (3.9.2.2.1), что привело к увеличению случайной погрешности, целесообразно учитывать фактическое значение, а не то, которое было согласовано ранее для расчета общей погрешности.

3.10 Сравнение с гарантиями

• 3.10.1 Общие положения

Рекомендуется результаты испытаний, расчет которых был выполнен в соответствии с 3.8, сравнивать с гарантиями, принимая во внимание полосу пропускания общей погрешностей (3.10.2) и контрактные ограничения (3.10.3). Для упрощения расчета учитывают только мощность опытного образца натурной машины, его расход и/или удельную гидравлическую энергию, КПД, скорость угона и расход. Сравнение с гарантиями опытного образца натурной машины должно рассмотреть эффект кавитации (3.8.2.4.2 и 3.8.3.2). Сравнение с гарантиями, данными на модели, сделано, непосредственно используя те же самые процедуры. Рекомендуется, чтобы гидравлическая эффективность была представлена в сравнении с расходом (или удельной гидравлической энергией, в случае нерегулируемых машин) а не в сравнении с мощностью.

• 3.10.2 Кривая интерполяции и полоса пропускания общей погрешности

Для рисования кривой интерполяции могут быть использованы различные методы и критерии (один из методов описан в приложении Н). Окончательный выбор метода интерполяции должен быть четко определен и согласован сторонами.

С учетом общей погрешности в расчете 3.9.2, каждая измеренная точка может быть представлена на диаграмме в виде эллипса. Полуоси этого эллипса представляют общую погрешность, при доверительном уровне 95 %, в двух величинах, выбранных в качестве координат диаграммы. Любая точка в пределах этого эллипса одинаково применима. Полоса пропускания, соответствующая верхним и нижним огибающим кривым этих эллипсов - накладывается на кривую, проведенную через контрольные точки (кривая интерполяции). Все точки, в пределах этой полосы, имеют одинаковую силу, и, следовательно, этот диапазон составляет приемлемую полосу пропускания для сравнения с гарантиями.

Эллипсы должны использоваться только при оценке гарантированных точек, или всякий раз, когда результат сравнения не является достаточно ясным (см. рисунок 83, детали X и Y). В большинстве других случаев можно упростить процедуру и определить общую полосу пропускания погрешности за счет снижения эллипсов до их главной оси, когда, например, ошибкой на оси абсцисс можно пренебречь (см. рисунок 86), или измеренная кривая через гарантированную точку практически горизонтальна, или имеет небольшой градиент. Если гарантии даются точками, рекомендуется, чтобы измеряемые точки были выбраны как можно ближе к гарантированным точкам: рисунки 81 и 82 показывают два примера, касающиеся гидравлической эффективности турбины одинарного и двойного регулирования, соответственно.

Пр = ⁿP.sp = ^n0CT-Е_р = Ep_sp = посто

Рисунок 81 - Машина одинарного регулирования

о - гарантированные точки

• - измеренные точки

--кривая интерполяции

А

Пьр

Пр “ Пр gp “ пост Ер = E_Psp = посто.

□ - гарантированные точки

• - измеренные точки --кривая интерполяции - - - - - - огибающая кривая

Построенная кривая а(О_р)позволяет определить:

• - максимальное открытие при угонных испытаниях (рисунок 86);

• - достаточен ли запас прочности между гарантированной мощностью и насыщением мощности механического рабочего колеса / импеллера.

  

  кривая интерполяции

  — верхние и нижние пределы полосы пропускания общей погрешности

  
  
  

  ■ Диапазон гарантий Г "II ' • ^QPsp1 ^QPsp2 ^QPsp3

  Рисунок 83 - Турбина одинарного регулирования. Сравнение гарантий и измерений

  
  

• 6.10.3.2 Нерегулируемая турбина

При выдаче гарантии по КПД на одну или более удельных гидравлических энергий, гарантия считается выполненной, если при определенной скорости гарантированные единичные значения находятся ниже верхнего предела полосы пропускания общей погрешности. Если гарантии выдаются по взвешенному или средневзвешенному КПД, они считаются выполненными, если при определенной скорости гарантированный средневзвешенный КПД меньше среднего КПД, рассчитанного при тех же удельных гидравлических энергиях, используя верхний предел полосы пропускания общей погрешности. Если не оговорено обратное, пределы мощности механического рабочего колеса определяют ниже предела kP_mPsp и выше предела (k+0,03)P_mPsp, при этом должно быть согласовано значение к, которое находится между 0,97 и 1,0. Обычно значение к = 0,985. Выбор значение к должен быть совместим с гарантированным пределом Р_тР.

На рисунке 84 дан пример сравнения с гарантиями, выданными по трем рабочим точкам со значениями пределов:

• a) гарантированный КПД. достигнутый в точках А. В и С;

• b) предел расхода¹⁹), превышенный в точке А, является приемлемым;

• c) приемлем предел мощности, не превышенный в точке С (см. детализация X), потому, что был выбран к = 0,970 и нижний предел полосы пропускания общей погрешности ниже, чем гарантированный высокий предел P_mP=(0,970+0,030)P_mPsp.

О- гарантийные точки эффективности

^EPsp1 ^EPs₽2 ^EPsp3 ^ЕР

Рисунок 84 - Нерегулируемая турбина. Сравнение гарантий и измерений

• 3.10.3.3 Нерегулируемый/регулируемый насос

Если не оговорено иное, обычно определяют предел расхода при одной или более точках ниже предела kQ_Psp и выше предела (k+0,03)Q_Psp. При этом должно быть согласовано значение к, которое находится межцу 0,97 и 1,0. Обычно значение к ~ 0,985.

Гарантия расхода выполнена, если при удельной гидравлической энергии есть пересечение или контакт между полосой, определенной пределами расхода и полосой пропускания общей погрешности, определенной огибающей кривой эллипсов погрешностей измеренных точек (определяя характеристики расхода) (см. рисунок 85).

Для проверки гарантии гидравлической эффективности значения для сравнения с гарантируемым значением есть верхний предел полосы пропускания общей погрешности по эффективности при операционных точках, определенных пересечением кривой интерполяции, нарисованной по измеренным точкам с кривой характеристик

Е_р= f(Qp) (см., например, точку А' рисунка 85).

Если регулируемым насосом управляют при различных открытиях, вышеупомянутые применения относятся к соответствующим огибающим кривым.

Рисунок 85 дав1 пример сравнении с 1аран1иими, данными для ipex экснлуа1ационных режимов для нерегулируемого насоса:

• a) гарантии гидравлической эффективности выполнены в пунктах А’ и В’, но не в пункте С’;

• b) минимальный предел расхода не выполнен в пункте А';

• c) приемлем предел мощности, который не будет превышен в пункте С’.

Для насосов переменной скорости, должны быть приняты во внимание особенности изменения E(Q) и Е(Р) в зависимости от скорости.

Ртах

HhP Р_Р Рр

Е,

Ертт = ЧОр)

-ЕР~ А, В, С гарантированные данные

• - А'. В', С‘ полученные данные для сравнения с гарантированными данными

• - измеренные точки (с ошибками эллипса, где необходимо)

• - кривая интерполяции

• - верхние и нижние пределы полосы пропускания общей погрешности

• - кривая характеристик станции

Максимальная мощность, которая не должна быть превышена

Рисунок 85 - Нерегулируемый насос Сравнение гарантий и измерений

• 3.10.3.4 Механические потери опытного образца натурной машины

Если гарантии выдаются на мощность опытного образца натурной машины Р_р, в этом случае необходимо учитывать механические потери.

Если гарантии выдаются на КПД опытного образца натурной машины цр, то расчет производится по следующей формуле Лр⁼Пьр П_тр

• 3.10.3.5 Штрафы и премии

В контракте следует дать подробное описание метода расчета штрафов и/или премии, оплачиваемых по результатам испытаний.

Чтобы определить штраф по эффективности, гарантия должна быть сравнима с кривой верхнего предела полосы пропускания общей погрешности.

Чтобы определить премию по эффективности, гарантия должна сравниваться с кривой низкого предела полосы пропускания общей погрешности.

3.10.4 Угонная скорость и расход

Форма разгонных кривых и влияние кавитации на разные типы машин описаны в 3.8. Пример на рисунке 86 относится к радиально-осевой турбине Френсиса. Показана установившаяся разгонная кривая опытного образца натурной машины, которую определили на основе измеренного фактора скорости модели в зависимости от открытия НА.

На этом примере гарантии максимально установившейся угонной скорости и расхода выполнены (см. детали X и Y): при открытии менее чем нижний предел полосы пропускания погрешностей ниже значения, которое не должно быть превышено.

Для машин двойного регулирования гарантии будут подтверждаться в самых худших угонных условиях, которые могут иметь место в гарантированных диапазонах чисел Тома и удельной гидравлической энергии, в зависимости от открытия НА и лопастей рабочего колеса. Для нерегулируемых машин только одну измеренную точку сравнивают с гарантированным значением. Если не оговорено обратное, следует учитывать механические и вентиляционные потери мотора/генератора и механические потери гидромашин (см. приложение G).

--интерполяционная кривая

-----верхняя и нижняя границы ширины полосы пропускания общей погрешности

Рисунок 86 - Радиально-осевая турбина Френсиса. Кривые разгона и расхода.

Сравнение между гарантиями и измерениями

• 3.10.5 Кавитационные гарантии

Влияние кавитации на работу машины описано в 2.3 и 3.8, и некоторые рекомендации даны для сравнения гарантий опытного образца натурной машины с характеристиками, следующими из модельных испытаний. Определяя число Тома о₀, которое является самым низким значением о, для которого эффективность остается неизменной, должна быть принята во внимание полоса пропускания погрешности эффективности без кавитации.

На рисунке 87 показана кривая испытаний Пьм(°)- Если гарантии определены как о₁ 2 ко^, то в этом случае они не выполнены. Даже если принята во внимание вся полоса пропускания общей погрешности, поскольку число Тома Oj, при котором имело место снижение КПД на 1 % в эффективности, выше станционного числа Тома а_р|, пониженного предварительно согласованным сторонами коэффициента безопасности к.

Гарантии по кавитации для опытного образца натурной машины могут быть представлены как NPSE_P1 < (NPSEp,- К), где К - взаимно согласованный предел безопасности.

Рисунок 87 - Модель турбины. Кавитационная кривая и сравнение с гарантиями, по влиянию кавитации на КПД

• 4 Дополнительные данные о работе оборудования.

Методы измерений и результаты

• 4.1 Введение в измерение дополнительных данных

  • 4.1.1 Общие положения

Дополнительные данные (крутящий момент, усилие, колебания давления и тд.) являются информацией, необходимой для разработки и эксплуатации гидромашин ГЭС. Следовательно, необходимы дополнительные типы измерений, которые могут быть предусмотрены в контракте.

В настоящее время невозможно и не желательно предписывать требования для измерений дополнительных данных так же строго, как предписано для главной гидравлической характеристики. Информация, заявленная в этом пункте, должна таким образом быть взята в качестве рекомендации или руководства к пользователю для выполнения измерений с необходимой точностью и при сопоставимых условиях.

Каждая операционная точка гидравлической машины характеризуется множеством механических и гидравлических величин (обычно колеблющегося характера), которые происходят и во время устойчивого состояния и во время переходных операций. Моделью всегда управляют в условиях устойчивого состояния. На модели опытного образца натурной машины невозможно моделировать последовательность переходных операционных процессов, данные для которых могут только быть получены из ряда установившихся операций.

В 4.2 описаны требования для получения и накопления данных в дополнение к 3.1. В большинстве случаев нет необходимости проводить измерения некоторых дополнительных данных на модели, если есть возможность воспользоваться данными аналогичных гидравлических машин (вращение лопасти и НА, радиальное усилие и др.). Измерения дополнительных данных должны быть определены технической программой (2.3.3.3.2).

Гидравлическую машину нужно рассмотреть как компонент целой гидроэлектрической установки. В этой связи желательно исследовать непостоянную операцию из-за возбуждения естественных частот гидравлического цикла. Модельные испытания могут использоваться для идентификации возможной частоты возбуждения и модельной формы машины при различных операционных точках, процедуры идентификации см. в 4.3 и 4.4.

Для безопасной механической разработки опытного образца натурной машины, гидравлические нагрузки, действующие на различные компоненты опытного образца натурной машины, могут быть получены из данных модельных испытаний, масштабируемых, используя соответствующий закон о перемещении. В 4.5 и 4.6 описаны методы и условия испытания для получения таких гидравлических нагрузок с их средними и динамическими компонентами.

Запуск, закрытие и/или любое изменение режимов функционирования приведут к переходной операции машины, далекой от нормального операционного диапазона. Поэтому в определенных случаях требуется исследовать этот расширенный операционный диапазон относительно соответствующих гидравлических и механических величин. В 4.7 показаны измерения гидравлических особенностей в расширенном операционном диапазоне (четырехквадрантный диапазон для насос-турбины), а 4.8 оговаривает, как во время модельных испытаний исследовать целесообразность пошаговых испытаний опытного образца натурной машины.

• 4.1.2 Условия и методы проведения испытаний

Дополнительные измерения обычно выполняются с той же модельной машиной на той же испытательной установке с использованием техже средств измерений, как для испытания основных гидравлических характеристик согласно разделам 1-3. Необходимо проверить, могут ли быть применены те же самые условия испытания как во время испытаний главных гидравлических характеристик или их необходимо адаптировать. В любом случае, нарушая эффекты из-за колебаний, резонанса, механической деформации, увеличенного потока протечки, и тд., или дефекты дополнительного измерительного оборудования будут минимизированы. Возможные исключения к требованиям разделов 2 и 3 (если таковые имеются), описаны в разделе 4.

МЭК 60994 обеспечивает спецификацию для требований инструментовки и измерений колеблющихся величин. Кроме того, соответствующие технические требования даны в разделе 4. Дополнительные рекомендации для измерения их дополнительных данных могут быть найдены в действующих стандартах МЭК и ИСО.

В зависимости от договоренности могут быть определены области серий испытаний и допустимые и требуемые условия испытаний, процедура проверки и тестовая программа. Измерение различных типов дополнительных данных может быть объединено друг с другом и/или с измерением главной гидравлической работы. Те же самые процедуры относительно калибровки, предварительных и приемочных испытаний, проверки «отсчета нуля», и т.д., как описано в 2.3, также применимы к измерениям дополнительных данных. Условия испытания и основные аналитические методы должны быть согласованы до испытаний.

• 4.1.3 Погрешность измерения

Общая погрешность измерения дополнительных данных выше, чем погрешность измерения главных гидравлических исполнительных величин, по следующим причинам:

• - операционный диапазон в нерасчетных условиях, в котором измерена величина;

• - неустойчивый характер измеренных величин;

• - ограничение доступной инструментовки и процедур калибровки.

Методы измерения должны быть выбраны таким образом, чтобы погрешность соответствовала взаимно согласованной точности для любой данной цели. Во многих случаях значения погрешностей должны быть выражены в физических единицах. Отдельные аспекты погрешностей описаны в 4.3-4.8.

• 4.1.4 Пересчет модели на прототип

Значения опытного образца натурной машины могут быть вычислены, преобразовывая модельные данные испытаний согласно общему закону подобия. Соответствующие конверсионные процедуры описаны в следующем подпункте. Обычная практика - переместить результаты модели к опытному образцу натурной машины, используя подходящие безразмерные условия.

Однако необходимо сначала проверить, являются ли гидравлические и механические законы подобия достаточно установленными для особой величины. В ином случае преобразование должно рассмотреть динамически-структурные аспекты машины опытного образца натурной машины в пределах всей гидроэлектрической системы, включая такие факторы как образец потока во входе и выходе, резонанс, внешнее возбуждение и т.д. Следующие факторы в установке модельного испытания, которые могут влиять на результаты испытаний, должны быть устранены по мере возможности:

• - влияние режимов потока;

• - влияние механических структур и др.

• 4.2 Получение и накопление данных для измерения пульсирующих параметров

  • 4.2.1 Общие положения

В 3.1 описаны измерения средних значений основных гидравлических рабочих характеристик. Кроме того, многие из используемых методов позволяют записывать пульсирующий компонент параметра. Пункт 4.2 содержит требования по получению и накоплению данных для определения пульсирующего параметра. Обработка данных включает калибровку, оценку и выдачу статистических данных по результатам испытаний модели, см. МЭК 60994. Перед испытаниями необходимо предварительно согласовать процедуру измерения, получения, накопления и обработки данных.

Измеряемые параметры могут быть:

• - периодического характера; или

• - непериодического, случайного и переходного характера.

Пульсирующие параметры могут быть измерены:

• - с их средними составляющими (измерения х на рисунке 7);

• - или только как пульсирующие составляющие (измерения х на рисунке 7).

Применяемые методы должны гарантировать число записей пульсирующих параметров, достаточное для описания их характеристик. Для измерений могут быть использованы датчики давления, ускорения, напряжений и др. для измерений механических величин. Чтобы позволить дальнейший анализ данных, цепь измерений от преобразователя до системы хранения данных выполняет различные критерии, обеспеченные аналитической теорией сигнала, см. [21]. В особенности должны быть применены критерии, описанные в 3.1. Однако, колеблющийся характер рассматриваемых величин, приводит к дополнительным требованиям, описанным ниже.

• 4.2.2 Получение и накопление данных

  • 4.2.2.1 Формирование сигнала

Цель измерения и методы получения и накопления данных и обработки определяют соответствующее формирование сигнала. Главные цели настройки:

• - удаление высокочастотного шума для предотвращения эффектов совмещения (аналоговый фильтр);

• - устранение несоответствующих компонентов сигнала (аналоговый, цифровой фильтры или методы программного обеспечения);

• - адаптация погашения.

• 4.2.2.2 Преобразование аналоговой информации в цифровую

Большинство систем получения и накопления данных основаны на периодической дискретизации и последующем преобразовании аналоговой информации в цифровую. Рисунок 88 показывает типичную систему получения и накопления данных.

Рисунок 88 - Типовая система получения и накопления данных

Если установившееся значение сигнала не релевантно и больше, чем пиковое, то, чтобы достигнуть максимального значения, адаптация погашения может улучшить качество сигнала сохраненного колеблющегося компонента. Сцепление АС входов конвертера может вызвать искажения сигнала в низких частотах. Выбираемое погашение ОС добавляет константу к аналоговому сигналу. Диапазон сигнала может быть сосредоточен в диапазоне конвертера без низкочастотных искажений.

Программируемый коэффициент усиления приспосабливают диапазон аналогового сигнала к динамическому диапазону А/D конвертера.

Аналоговые фильтры сглаживания нижних частот должны использоваться для периодического осуществления выборки. Частота осуществления выборки ограничена особенностями фильтра. Одновременное осуществление выборки всех сигналов может быть сделано с образца и сохранять усилитель на каждом канале измерения. Тогда выбранные сигналы могут быть мультиплексными и последовательно преобразованными. Если сигналы выбраны последовательно, то нужно рассмотреть задержку (4.2.2.4).

Большая часть конвертеров (от аналоговых до цифровых), используемых в анализе сигнала, поставляет поток целых значений, соответствующих дискретным приращениям физического входа. Эта операция вызывает необратимую потерю данных и должна проводиться осторожно.

Разрешение и точность аналого-цифрового преобразователя определяются его качеством. Разрешение обычно выражается в битах. Знаковый бит не всегда учитывается. Качество переведенного в цифровую форму сигнала также зависит от соответствия между аналоговым критичным сигналом и диапазоном конвертера. Поэтому каждый канал измерения должен быть обусловлен так. чтобы сигнал лучше всего соответствовал диапазону конвертера.

• 4.2.2.3 Частота дискретизации

Периодичность дискретизации требует всю энергию для удержания сигнала между нулевой и половинной частотой дискретизации, см. [21]. При невыполнении этого условия эффект наложения может привести к необратимым искажениям дискретных сигналов. Чтобы избежать эффекта искажения, перед дискретизатором устанавливают аналоговый низкопропускной фильтр. Если функция плоского затухания фильтра не превышает то необходимая частота осуществления выборки составляет f_s >2 + f_trans, где - переходная частота (см. рисунок 89), которая зависит от:

• - типа и порядка аналогового фильтра защиты от искажения;

• - отсечной частоты фильтра;

• - характеристик аналого-дискретного преобразователя:

• - максимально возможной частоты измеряемого сигнала;

• - допустимого уровня шума.

  

• 4.2.2 4 Информация о фазе

В некоторых случаях важно фазовое соотношение между различными колеблющимися величинами. В таких случаях надо быть внимательными с информацией об изменении фазы для предотвращения возможного искажения фазы, вызванного системой обработки данных. Когда каналы измерения имеют различные сигналы формирования электроники и фаза очень важна, влияние должно быть определено и исправлено.

Если каналы выбраны последовательно, то фазовые искажения Д<рдля канала t (i=1, 2, .... n) по сравнению с каналом 0 зависит от:

• - времени At между осуществлением выборки последовательных каналов;

• - положением канала i;

• - частоты интереса f.

Искажение фазы A<p=2irAtif At может быть постоянной или равной l/Cn-y.

• 4.2.2.5 Хранение данных

Для хранения данных могут быть использованы как аналоговые, так и цифровые записывающие устройства. В первом случае необработанные сигналы записывают на магнитную ленту, с последующей визуализацией или дальнейшей обработкой. Магнитные записывающие устройства являются составной частью системы получения и накопления данных, их частота отклика должна отвечать требованиям системы сбора данных. Во втором случае, цифровые данные подлежат хранению, их хранят на дисках, лентах и т.д.

• 4.2.2.6 Процедура получения и накопления информации

Следующая информация необходима для определения процедуры получения и накопления данных:

-разрешение аналого-цифрового преобразования в битах;

-частота дискретизации;

-частотный отклик фильтра против низкочастотных составляющих;

-частотный отклик измерительной цепи;

-число записей и число дискретизаций в каждой записи;

-процедура хранения данных.

• 4.2.3 Обработка данных

Как только выполнены все требования по получению и накоплению данных, осуществляется их обработка с отбором информации, представляющей интерес. Различные преобразования можно применить к временным сигналам для анализа:

• - их статистическая обработка;

• - спектральный анализ по частоте;

• - корреляция и другие взаимоотношения между сигналами.

Параметры анализа временного интервала:

• - средние значения;

• - амплитуды характеристик²⁰*, стандартных отклонений;

• - функции вероятности плотности, вероятности искажений др.

Параметры анализа частотного интервала:

• • спектр амплитуд (квадратный корень автоспектрального анализа мощности);

• - автоспектральный анализ мощности (спектральная энергия для конечной энергии сигналов);

• • перекрестный спектральный анализ мощности;

• • передаточные функции;

• - согласованные функции др.

В 4.3.6 дана более подробная информация по обработке данных пульсаций давления. Эта информация (особенно 4.3.6.1) касается обработки измерений пульсирующих параметров, таких как крутящий момент пульсаций вала (4.4), осевого и радиального усилия (4.5), крутящего момента НА (4.6.2).

• 4.3 Пульсации давления

  • 4.3.1 Общие положения

    • 4.3.1.1 Пульсации давления в гидромашинах

Пульсации давления в гидромашинах можно отнести к естественным. Они могут быть периодического характера или случайного и возникают в результате воздействия водных проходов и направляющих лопаток на поток воды внутри машины. Зависят от конструкции машины, условий работы и динамических характеристик водоводов и вращающихся частей. Пульсации давления в настоящее время рассматривают как часть гидроакустического явления, включая нестабильное давление и распределение скоростей потока. Они могут быть связаны с механическими колебаниями крутящего момента вала, частотой вращения, гидравлическими нагрузками на НА и тл.. а также с вибрациями машины. Особый интерес вызывают низкочастотные нарушения, поскольку они могут распространяться по всей длине водовода, передаваться на вращающиеся части машины, на электронику. Обычно они возникают в пределах от 0,2 до трехкратной частоты вращения рабочего колеса.

PErms

Режим нулевого расхода Ноомапьная Эксплуатация насоса

(10 % открытия направляющего аппарата) У

Рисунок 90 - Работа в нормальном насосном режиме с нулевым расходом при nQg= 0,102 модели насос-турбины

Скачок в отсасывающей трубе радиально-осевой турбины, пропеллерной турбины и насос-турбины возможен, большинство идентифицируемых явлений наблюдается среди низкочастотных колебаний давления. В этих машинах может развиться сильный водоворот выхода рабочего колеса, вызывая колебания давления. Кроме того, кавитация отсасывающей трубы может изменить естественные частоты гидравлической системы. В поворотно-лопастных (Каплан) или диагональных (D6riaz) турбинах двойного регулирования, управление (положение «вкл.» кулачка концевика) открытием НА и урегулирования лопасти рабочего колеса приводит к минимальному выходу водоворота рабочего колеса и не производит серьезного скачка в отсасывающей трубе.

В активных турбинах рабочее колесо отделено от носика условием постоянного давления. Поэтому нет никакого взаимодействия между рабочим колесом и водными трубопроводами. Активные турбины не рассмотрены в этом подпункте.

Турбины и насосы производят возбуждение при вращательной частоте, умноженной на число лопастей рабочего колеса/импеллера, обычно определяемых как сменяющая частота лопасти. Из-за взаимодействия лопастей рабочего колеса с НА / колоннами статора / спиральной камерой, более высокие частоты произведены до к, умножены на мимолетную частоту лопасти, к - как правило, между 1 и 2 для турбин и 1 и 4 для насосов и насос-турбин. Стохастические колебания давления из-за разделения турбулентного течения или неустойчивых пульсаций давления из-за разбивки водоворота может иметь место в различных условиях расширенного эксплуатационного диапазона. Некоторые примеры колебаний давления, связанные с реактивными машинами, показаны на рисунках 90 - 93 для различных эксплуатационных режимов. Местоположения датчиков давления предложены на рисунке 94.

Примечание - Спектральная амплитуда (промежуток частоты) - трехкратная вращательная частота, эффективная полномасштабная амплитуда составляет 2,5 % рЕ. Временные сигналы - отрезок времени 20 оборотов рабочего колеса, полномасштабная амплитуда составляет 5 % рЕ.

Рисунок 91 - Частичная рабочая нагрузка nQ_E=0,321 модели радиально-осевой турбины Френсиса

при GWCUn^O.719

1 -5 Jir^,T|pww ГГ’ртТ

0,0 1.0 2.0 3.0 0 5 10 15 20

Примечание - Спектральная амплитуда (промежуток частоты) - трехкратная вращательная частота, эффективная полномасштабная амплитуда составляет 4 % рЕ. Временные сигналы - отрезок времени 20 оборотов рабочего колеса, полномасштабная амплитуда составляет 10 %рЕ

Рисунок 92 - Самая высокая частичная рабочая нагрузка n_QE = 0,226 модели радиально-осевой турбины Френсиса при QfiyQ_nDopt = 0,764

Примечание - Спектральная амплитуда (промежуток частоты) - трехкратная вращательная частота, эффективная полномасштабная амплитуда составляет 1 % рЕ. временные сигналы - отрезок времени 20 оборотов рабочего колеса, полномасштабная амплитуда составляет 5 % рЕ

Рисунок 93 - Полная рабочая нагрузка n_QE = 0,173 модели радиально-осевой турбины Френсиса при Q_nD/QnDopt = 1-218

• 4.3.1.2 Влияние гидравлического цикла и вращающегося оборудования

Модельные испытания изолированной гидравлической машины не полностью воспроизводят всевозможные динамические явления опытного образца натурной машины, потому что гидроакустические волны могут быть значительны под влиянием граничных условий.

Колебания давления являются не только особенностями модели, но и они могут также быть затронуты особенностями оборудования для испытаний. Возможные условия, затрагивающие сходство, включают следующее:

• - водоводы (длина трубы, жесткость стены);

• - характеристика испытательной жидкости (свободное газовое содержание);

• - динамическое поведение вращающихся компонентов;

• - числа Рейнольдса и числа Фруда.

• 4.3.1.3 Цель измерений

Измерения пульсаций давления обычно проводят для получения:

• - относительной величины пульсаций давления в определенном рабочем диапазоне;

• - характера пульсаций давления (периодический или случайный);

• - доминирующей частоты пульсаций давления;

• - эффекта паллиативных методов, таких как впуск воздуха (эффективность, расположение);

• - интенсивности пульсаций давления модели в сравнении с другими моделями с аналогичной скоростью.

В благоприятных условиях работы, когда нет заметного взаимодействия с наружными системами (см. рисунок 99). результаты модельных испытаний переносят на прототип. Тем не менее, в результате взаимодействия со множеством наружных систем или в результате различий характеристик жидкости межцу моделью и опытным образцом натурной машины, амплитуда и частота пульсации давления могут значительно отличаться от транспонированных результатов модельных испытаний. В настоящее время невозможно определить эти отклонения количественно; измерения пульсаций давления модели позволяют в большинстве случаев получить, по крайней мере, качественную информацию или определить значения пульсации давления.

• 4.3.2 Особые требования к модели и ее установке

Модель и испытательная установка должны полностью отвечать требованиям к испытаниям гидравлической машины, см. 2.1. Это должно обеспечить полный контроль над испытанием удельной гидравлической энергией, вращательной скоростью и давлением на низкой стороне давления. Если желаемые условия испытания установлены, они должны остаться устойчивыми в течение времени, необходимого для измерения колеблющейся величины.

Прозрачные части нанизкой стороне давления рабочего колеса должны быть достаточно большими для наблюдения за кавитацией не только на лопастях рабочего колеса, но также и в верхней части отсасывающей трубы. Чтобы избежать эффектов резонанса меоду испытательным циклом и моделью, естественная частота испытательного цикла должна быть достаточной за пределами диапазона интереса модели частоты (4.3.4.1). Гидравлические нарушения от насоса подачи, дросселирующих устройств, обходов, изгибов и т.д. не должны затрагивать модель в этом диапазоне частот.

Отсасывающая труба должна быть связана с трубопроводом или резервуаром большой площадью поперечного сечения, чтобы преодолеть динамическое сцепление модели с частью низкого давления испытательного цикла.

Типовая конструкция должна быть достаточно жесткой, чтобы предотвратить чрезмерные деформации. Колебания испытательного стенда модели и вращательные колебания скорости из-за управляющей системы не должны вызывать колебания давления в рассматриваемом диапазоне частот.

Испытательная установка должна работать в режиме замкнутой цели, таким образом, газовое содержание может быть сохранено низким и постоянным. Входной поток в модели должен быть свободным от странствующих пузырей.

В случае моделей с полной спиральной камерой, прямая однородная труба, по крайней мере, длиной 6D, должна быть установлена на стороне высокого давления модели. Это дает оценку условий распространения волн давления, и гидроакустической мощности давления этих волн на входе спиральной камеры, используя сигналы р₅ и р₆ преобразователей давления, обозначенных на рисунке 94.

• 4.3.3 Контрольно-измерительные приборы и калибровка

  • 4.3.3.1 Приборы для измерения пульсаций давления

Датчики давления монтируют таким образом, чтобы их мембрана была установлена заподлицо с гидравлическим профилем. Если этого сделать нельзя, тогда необходимо тщательно изолировать зазоры, учитывая при этом в расчетах собственную частоту датчиков (4.3.1.1 и МЭК 60994.6.3).

Датчики должны иметь достаточно высокую чувствительность для измерения эффективных пульсаций давления ± 0,1 % рЕ. Максимально допустимая ошибка измерительной схемы не должна превышать ± 5 %диапазона измерений. Эту ошибку можно сократить предварительной калибровкой (4.3.3.2). Максимально допустимая ошибка системы обработки сигнала не должна превышать ±1 % по амплитуде и ± 10° по фазе.

На рисунке 94 показан пример предполагаемого размещения датчиков радиально-осевой или пропеллерной турбины, или насос-турбины. Обязательно рекомендуются (ниже) измеренные p_v р₂ и Рз- Датчики р₁ и р₂ устанавливают на расстоянии 0.3 - 1.0 D со стороны низкого давления рабочего колеса/имлеллера:

• - p_t - датчик давления на конусе отсасывающей трубы, со стороны нижнего бьефа;

• - р2~ датчик давления на конусе отсасывающей трубы, со стороны верхнего бьефа;

• - рз« датчик давления на входе в спиральную камеру.

В зависимости от желаемых данных о колебании давления следующие датчики могут также быть установлены;

• Р₄- дополнительные датчики давления в конусе отсасывающей трубы, в том же сечении чтор₁ир₂ желательно удалить его на 90*. Этот датчик может быть установлен в колене отсасывающей трубы или в местах расположения люка для персонала на прототипе;

• - р₅-датчики давления в распределителе (например, между рабочим колесом/импеллером и НА);

• - р₆-дополнительные датчики давления вдоль впускного отверстия;

• - Р7 —датчики давления на выходе отсасывающей трубы.

Измерения силы и вращающего момента могут также быть выполнены одновременно с измерением колебания давления:

• - f₁ - датчики осевых и радиальных усилий на валу-фланцевое соединение рабочего колеса (4.5); -1₁ - датчик вращающего момента на валу (4.4).

  
  
  
  

  Рисунок 94 - Предполагаемые точки расположения датчиков

  
  

• 4.3.3.2 Калибровка

Динамическая калибровка для систем измерения давления может быть выполнена. Она состоит из определения передаточной функции между входным сигналом давления и выходом электрического сигнала. Абсолютное изменение фазы между давлением и выходным сигналом обычно не требуется. Изменение фазы между выходными сигналами из-за различных систем формирования сигнала, однако, должно быть известно или компенсировано. Прирост и исправления фазы могут быть определены стимулированием всех датчиков с тем же самым колебанием давления, в том же самом диапазоне частот и амплитудой, что касается испытаний модели. Калибровка должна гарантировать, что различия в приросте и фазе между каналами находятся в пределах запаса погрешности оборудования обработки сигнала (4.3.3.1).

4.3.4 Процедуры

• 4.3.4.1 Испытания удельной гидравлической энергии

Испытания удельной гидравлической энергии отобраны для обеспечения хорошего состояния для регулирования установившихся операционных параметров. Кроме того, испытание удельной гидравлической энергии должно быть выбрано так, что частоты колебания давления и амплитуды находится в пределах инструментовки. Кроме того, если резонанс между моделью и испытательной установкой сомнительный, рекомендуется провести измерения при различном испытании удельной гидравлической энергии (4.3.2). Испытания удельной гидравлической энергии согласно сходству Фруда должны адаптироваться всякий раз, когда это практично. В случае больших машин с маленькой удельной гидравлической энергией, значительно увеличивается влияние Фруда (2.3.1.5).

• 4.3.4.2 Контрольный уровень кавитации при измерении пульсаций давления

Если сходство Фруда не может быть выполнено, область потока в конусе отсасывающей трубы и следовательно колебания давления будут под влиянием полости развития пара. Контрольный уровень кавитации должен быть согласован (2.3.1.5.1). Для вертикальных единиц этот уровень может быть на (или ниже) низкой стороне (ны) давления рабочего колеса/импеллера.

• 4.3.4.3 Рабочие условия испытания модели

Представлены типичные пути исследования, диапазоны испытательных точек, для насоса или насос-турбины на рисунке 95 и типичные пути исследования для радиально-осевых или пропеллерных турбин представлены на Е_п0 - Q_n0 диаграммах на рисунке 96.

В случае турбины испытательные точки должны покрыть по крайней мере, определенный рабочий диапазон расхода при постоянном испытании удельной гидравлической энергии и при числе Тома, связанном с контрольным уровнем кавитации, определенным в 4.3.4.2. Это может быть завершено дополнительными исследованиями. Подробные испытания при частичной нагрузке и при предельной нагрузке, при открытиях НА, в отношении которого происходят значительные колебания, дают идентичную картину явления колебания с немного отличающимися действующими условиями. Они состоят в одном изменении энергетического коэффициента с постоянным испытанием удельной гидравлической энергии, числа Тома и открытия НА, одного изменения числа Тома и возможно изменения испытаний

удельной гидравлической энергии. В расширенном операционном диапазоне могут произойти значительные колебания давления. Это относится особенно к турбинам в угонных условиях и к насос-турби-нам (или насосам) в экстремальных эксплуатационных режимах (например, в режиме обратного вращения насоса).

а - E^q для максимальной удельной Ер^^; Ь - для Е_р$р; с - Е^ для минимальной удельной Ер^^; d - режим нулевого расхода (малое открытие НА); е - действие при частичной нагрузке, а - с - гарантированный рабочий диапазон Рисунок 95 - Диаграмма насосного режима с путями исследования

I 1 -гарантированный рабочий диапазон

а - Епо для Ерф Ь - изменения Q_nD; с - изменения E_oq; d - изменения числа Тома (в выбранных рабочих условиях); е - работа холостого хода

Рисунок 96 - Диаграмма возвышения турбины с путями исследования

- пути исследований

Для станций с большими изменениями удельной гидравлической энергии испытания должны быть выполнены для различных энергетических коэффициентов, с соответствующими значениями числа Тома. Этот объем данных желателен для соответствующей диагностики колебаний давления.

• 4.3.4.4 Воздушный допуск

Воздушный допуск для сокращения колебаний давления может быть проверен на моделях. Такие испытания дают только приблизительное представление об эффектах воздушного допуска, который будет ожидаться на прототипе, потому что не может быть обеспечено достаточное сходство.

• 4.3.5 Измерения

Для каждой испытательной точки колеблющийся сигнал выбран по периоду времени, достаточному для цели испытания, например, исследование низкочастотных скачков. Кавитация отсасывающей трубы должна наблюдаться и должна быть зарегистрирована полость структуры. Необходимо осуществить выборку и записать сигналы (4.2).

• 4.3.6 Анализ, представление и интерполяция результатов

• 4.3.6.1 Анализ

Согласно периодической или согласно непериодической сущности колебаний давления, должны быть выбраны интервалы частоты или анализ временного интервала.

• 4.3.6.1.1 Анализ временного интервала

Анализ временного интервала главным образом полезен для обработки случайных и неустойчивых колебаний (см. рисунки 90 - 93). Для испытаний колебания давления анализ временного интервала может быть сделан определением стандартного отклонения сигнала. Сравнение стандартного отклонения с оценкой интервала частоты амплитуды сигнала дает признак случайного колебания, наложенный на периодический сигнал, в то время как характерная заданная амплитуда статистическими методами дает признак величины абсолютных колебаний. Для проверки цели сигналы могут быть рассмотрены во временном интервале.

• 4.3.6.1.2 Анализ частотного интервала

Анализ частотного интервала пульсаций давления выполняют анализатором Фурье. Используя многоканальный анализатор, можно проследить периодическое явление одновременно на разных частотах и определить сдвиг фазы между каналами. В анализаторах Фурье величина составляющих спектра обычно выражается в инженерных единицах. Частоту спектра можно рассматривать как среднее дискретных преобразований Фурье, рассчитанное на фазе последовательной записи времени. Чтобы минимизировать эффекты протечки из-за отчетов конечного промежутка времени и сохранить правильное определение частот, необходимо использовать подходящие фильтры, такие как фильтры Хэннинга и Кайзер-Бесселя.

Спектры частоты, полученные дискретными преобразователями Фурье, обеспечивают лучшую подгонку по данному отчету времени, между выбранными данными о временном интервале и супер положением волн синуса. Длина времени записи - та же самая для всех частот в пределах преобразования. Таким образом, более высокие частоты усреднены по большему числу периодов, чем низкие частоты. Поэтому дискретные преобразователи Фурье не подходят для характеристики сигналов с изменяющейся во времени частотой. В небольшой волне / объединенные методы частоты времени, окно надбавки времени - это функция частоты. То же самое число периодов используется для вычисления всех коэффициентов частоты. Результат точно представляет содержание частоты сигнала интереса в зависимости от времени.

• 4.3.6.1.3 Не измеряемые частоты и давления

Частоты пульсаций давления не поддаются измерению частотой вращения рабочего колеса /импеллера п, г =1 - коэффициент частоты. Амплитуды пульсаций давления не поддаются измерению ^п р

давлением р_Е типичного испытания удельной гидравлической энергии, Pg = — - коэффициент пульсации давления. Р

4.3.6.2 Представление и интерполяция пульсаций давления

• 4.3.6.2.1 Общая часть

Данные пульсаций f_n ,Pg должны быть представлены в сравнении с параметрами испытаний, что позволит дать полную информацию о предполагаемых пульсациях давления на прототипе в исследуемых рабочих режимах. Параметры испытаний:

• - коэффициент или фактор расхода;

• - коэффициент энергии или коэффициент скорости;

• - число Тома;

• - испытания удельной гидравлической энергии;

• - коэффициент расхода воздуха или др.

Необходимо представить результаты анализа и измерений сигналов давления p_v Р2 и р₃ (см. рисунок 94). На диаграммах ниже даны примерные результаты.

• 4.3.6.2.2 Диаграмма водопада

Диаграмма водопада на рисунке 97 представляет спектры частоты амплитуды в зависимости от отобранных параметров испытаний в формате 3D. Это обеспечивает быстрый обзор всех колебаний давления 8 рассматриваемом диапазоне частот и рабочем диапазоне.

• 4.3.6.2.3 Сводная диаграмма

Сводная диаграмма на рисунке 98 представляет спектральные данные, связанные с доминантной частотой для каждого канала измерения, в зависимости от отобранного параметра испытаний в формате 2D. Доминирующая частота - та, которая связана с максимальной спектральной амплитудой канала сигнала в диапазоне частот интереса.

Сводная диаграмма указывает:

• - доминирующую частоту;

• - изменение фазы к контрольному каналу при доминирующей частоте;

• - узкополосную амплитуду при доминирующей частоте;

• - широкополосную амплитуду.

Узкополосная амплитуда эффективности оценена как эффективная величина, p_rrns(f) из дискретного коэффициента преобразователя Фурье при доминирующей частоте. Широкополосная амплитуда эффективности оценена как стандартное отклонение, р_е^ - сигнала времени. Кривые ИСО - амплитуды колебаний давления могут быть нарисованы в E_nD_Q_nD или n_ED.Q_ED диаграммах, при условии, что было исследовано достаточное число путей, см. рисунок 96.

f/n

Рисунок 9I -11ример диаграммы водопада колебаний давления в отсасывающей трубе радиально-осевой турбины Френсиса для пути Ь рисунка 96, датчик p_t

Q nP^Q nDref

4

3

QnC/QnOref

Q nC/Q nOref

Рисунок 98 - Пример сводной диаграммы колебаний давления в отсасывающей трубе радиально-осевой турбины Френсиса для пути b рисунка 96, датчик р₂

• 4.3.7 Приведение к опытному образцу натурной машины

• 4.3.7.1 Амплитуды колебания давления

В благоприятных условиях для испытаний модели (4.3.1.2), и в случае, если не присутствует существенное взаимодействие с внешней системой, амплитуды колебания давления довольно хорошо взаимозаменяемы от модели до опытного образца натурной машины. Когда существует любое взаимодействие с внешними системами, предсказание амплитуды колебания давления опытного образца натурной машины требуют анализа динамического отклика расположенной в натуральную величину машины, включая водоводы, напорный коллектор, затворные камеры, туннели нижнего бьефа и т.д. Из-за сложности в конфигурации станционного опытного образца натурной машины фактически очень трудно сделать такой анализ на всесторонней числовой модели, включая все соответствующие системные компоненты, как обрисовано в общих чертах на рисунке 99.

Частично таким анализом можно проверить только возникновение резонанса сравнением доминирующей частоты колебаний давления с естественной частотой каждого из следующих внешних системных компонентов:

• - напора;

• - нижнего бьефа;

• - электрического расположения.

Если ожидается любой резонанс с внешней системой, предсказание амплитуды колебания давления опытного образца натурной машины не включено в обработку измерения колебания давления модельного испытания.

- частота колебания гидравлической машины; fp^ - естественная частота напорного трубопровода; ^-естественная частота нижнего бьефа; f_e)ec- естественная частота электрической машины Рисунок 99 - Влияние внешних систем на пульсации давления машины

• 4.3.7.2 Частоты колебания

Коэффициент частоты, который определен в 4.3.6.1.3, пересчитывают с модели на прототип:

• - для определения пульсаций давления, обусловленных инерцией потока на выходе из рабочего колеса, например завихрением;

* для определения колебаний воды в отсасывающей трубе, обусловленных содержанием газа толи в результате развития кавитации, то ли в результате впуска воздуха;

• - для определения пульсаций давления, обусловленных взаимодействием лопастей рабочего колеса / импеллера и направляющих аппаратов.

• 4.3.7.3 Величина возбуждения

Величина пульсаций давления имеет тот же коэффициент, что и давление, обусловленное удельной гидравлической энергией турбины. Это утверждение верно только при завихрениях и др. волнениях потока. Давление распространяется волнами в трубопроводе, отражается, при этом наблюдаемые амплитуды уменьшаются в случае динамического взаимодействия с гидравлическим циклом.

Величину возбуждения можно определить с большей точностью исчислением гидроакустической мощности, обусловленной колебаниями воды. Эту мощность определяют для заданного сечения как продукт мгновенных пульсаций давления с мгновенными пульсациями расхода. Практически это определяется измерением р₃ и р₆, см. [28]. Хотя волнение в трубопроводе не влияет на активную гидроакустическую мощность, она дает представление о мощности волнения, вызванной машиной (положительное значение) или испытательным стендом (отрицательное значение).

• 4.3.7.4 Собственная частота водяного столба в отсасывающей трубе

Стабильность работы реактивной турбины с неподвижными лопастями зависит напрямую от соотношения значения собственной частоты отсасывающей трубы к частоте пульсаций давления.

Собственная частота отсасывающей трубы f₀ - это частота свободного колебания водяного столба, обусловленная содержанием в ней газа, то ли в результате развития кавитации, то ли в результате впуска воздуха. Собственная частота отсасывающей трубы f₀ вычисляется по формуле