IEC60193存在的部分問(wèn)題及新國(guó)標(biāo)對(duì)其的修正

徐洪泉，劉詩(shī)琪，宮讓勤，梁 妍

（1. 中國(guó)水利水電科學(xué)研究院，北京100038；2. 哈爾濱大電機(jī)研究所，哈爾濱150040；3. 哈爾濱理工大學(xué)，哈爾濱 150040）

引言

IEC60193：1999《水輪機(jī)、蓄能泵和水泵水輪機(jī)模型驗(yàn)收試驗(yàn)》（Hydraulic turbines, storage pumps and pump-turbines Model acceptance tests）[1]是一個(gè)很好的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，得到了普遍的國(guó)際認(rèn)同，被廣泛采用。但是，在應(yīng)用過(guò)程中，也發(fā)現(xiàn)部分缺陷或不完善之處，據(jù)此修訂的新國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中進(jìn)行了部分修正。

2008年全國(guó)水輪機(jī)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)以IEC60193:1999為藍(lán)本，對(duì)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) GB/T 10969和GB/T 15613進(jìn)行了修訂，形成了GB/T 10969－2008《水輪機(jī)、蓄能泵和水泵水輪機(jī)通流部件技術(shù)條件》[2]、GB/T 15613.1－2008《水輪機(jī)、蓄能泵和水泵水輪機(jī)模型驗(yàn)收試驗(yàn) 第一部分：通用規(guī)定》[3]、GB/T 15613.2－2008《水輪機(jī)、蓄能泵和水泵水輪機(jī)模型驗(yàn)收試驗(yàn)第二部分：常規(guī)水力性能試驗(yàn)》[4]和 GB/T 15613.3－2008《水輪機(jī)、蓄能泵和水泵水輪機(jī)模型驗(yàn)收試驗(yàn) 第三部分：輔助性能試驗(yàn)》[5]等4個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，已于2008年6月30日發(fā)布，2009年4月1日實(shí)施。在這些國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的修訂中，全國(guó)水輪機(jī)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)確定了很好的修訂原則，以 IEC60193:1999為藍(lán)本，但不拘泥于它，緊密結(jié)合中國(guó)實(shí)際，對(duì)其部分條文進(jìn)行了修改完善。本文結(jié)合GB/T 10969、GB/T 15613等4個(gè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì) IEC60193:1999的修改，以及在新國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和IEC60193的使用中發(fā)現(xiàn)的部分問(wèn)題，提出了IEC標(biāo)準(zhǔn)中其他一些需要完善和改進(jìn)的問(wèn)題，與大家進(jìn)行交流和探討。

1 關(guān)于公稱直徑

1.1 IEC標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于轉(zhuǎn)輪公稱直徑的定義

水輪機(jī)（包括蓄能泵和水泵水輪機(jī)，下同）轉(zhuǎn)輪公稱直徑是計(jì)算單位參數(shù)、進(jìn)行相似換算的基本參數(shù)，也是計(jì)算、換算其他幾何參數(shù)的基礎(chǔ)，也就是說(shuō)，是比較和換算的基準(zhǔn)，務(wù)必要選擇好，搞明確。

就沖擊式和軸流式、貫流式水輪機(jī)來(lái)說(shuō)，IEC標(biāo)準(zhǔn)和我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)歷來(lái)沒(méi)有分歧，其關(guān)鍵的區(qū)別是對(duì)混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪公稱直徑的定義。按IEC標(biāo)準(zhǔn)，混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪直徑定義為D2，即轉(zhuǎn)輪葉片出水邊與下環(huán)相交處的直徑，現(xiàn)在的 IEC60193:1999也是如此定義的。

1.2 我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于轉(zhuǎn)輪公稱直徑的定義

我國(guó)過(guò)去長(zhǎng)期采用前蘇聯(lián)的統(tǒng)計(jì)、定義及設(shè)計(jì)模式，混流式水輪機(jī)的轉(zhuǎn)輪公稱直徑一直采用D1，即轉(zhuǎn)輪葉片進(jìn)水邊與下環(huán)相交處的直徑。上世紀(jì)90年代，逐步與國(guó)際接軌，在 1995年通過(guò)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) GB/T 15466－1995《水輪機(jī)基本技術(shù)條件》[6]中，雖然仍定義 D1為轉(zhuǎn)輪公稱直徑，但卻在括弧內(nèi)注明“逐步向國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)D2過(guò)渡”。到1996年的《電工術(shù)語(yǔ)水輪機(jī)、蓄能泵和水泵水輪機(jī)》[7]則定義D2為公稱直徑，即轉(zhuǎn)輪葉片出水邊與下環(huán)相交處的直徑。由于使用D2后遇到了一系列的問(wèn)題，在2006年修訂的《水輪機(jī)基本技術(shù)條件》[8]將轉(zhuǎn)輪公稱直徑定義為D1或D2。在2008年新通過(guò)的GB/T 10969－2008《水輪機(jī)、蓄能泵和水泵水輪機(jī)通流部件技術(shù)條件》[2]中，雖然仍定義為D1或D2，但“推薦使用D1”，基本回到過(guò)去使用D1的模式。

1.3 兩種定義方式的比較

比較定義混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪公稱直徑采用的D1或D2兩種模式，差別很大，統(tǒng)計(jì)規(guī)律也大不相同。

（1）對(duì)轉(zhuǎn)輪前流道參數(shù)的影響

轉(zhuǎn)輪前流道參數(shù)主要是導(dǎo)葉高度B0、導(dǎo)葉分布圓直徑D0及蝸殼進(jìn)口直徑DS等。這些參數(shù)都是反映轉(zhuǎn)輪前流道大小的參數(shù)，離轉(zhuǎn)輪進(jìn)水邊近，和D1的關(guān)聯(lián)性強(qiáng)，這些參數(shù)和D1的比（即B0/D1、D0/D1和DS/D1）和電站水頭及機(jī)型有非常好的統(tǒng)計(jì)關(guān)系。

以相對(duì)導(dǎo)葉高度為例，如以D1為公稱直徑，B0/D1和電站水頭H有非常好的統(tǒng)計(jì)關(guān)系。在電站選型設(shè)計(jì)時(shí)，電站水頭越高，所選擇B0/D1要越??；電站水頭越低，所選擇B0/D1要越大。但是，如以D2為公稱直徑，B0/D2和電站水頭 H之間的變化規(guī)律則可能變得不確定，給選型設(shè)計(jì)帶來(lái)很大的困難。

再比如導(dǎo)葉分布圓直徑D0，如以D1為公稱直徑，相對(duì)值D0/D1除受導(dǎo)葉數(shù)Z0影響較大、受水頭變化少許影響外，幾乎不受其他因素影響，機(jī)型和機(jī)型之間差別不大。但是，如選擇D2為公稱直徑，導(dǎo)葉分布圓直徑相對(duì)值D0/D2規(guī)律性就可能變得很差。

（2）對(duì)轉(zhuǎn)輪后流道參數(shù)的影響

轉(zhuǎn)輪后流道參數(shù)主要指尾水管流道參數(shù)，如尾水管高度、尾水管長(zhǎng)度、尾水管出口面積等等。尾水管從轉(zhuǎn)輪出口開(kāi)始，其尺寸變化也直接由D2逐漸演變，其相對(duì)值用D2進(jìn)行統(tǒng)計(jì)或分析也應(yīng)當(dāng)更具規(guī)律性。但是，我國(guó)長(zhǎng)期采用D1作為公稱直徑，開(kāi)發(fā)出一系列以D1為基準(zhǔn)的尾水管和水輪機(jī)模型，改為D2后也有一定的不適應(yīng)，甚至?xí)a(chǎn)生某些混亂。

（3）對(duì)性能參數(shù)的影響

轉(zhuǎn)輪公稱直徑對(duì)性能參數(shù)的影響主要在單位轉(zhuǎn)速和單位流量。當(dāng)然，軸向水推力系數(shù)、導(dǎo)葉力矩系數(shù)、水力矩系數(shù)等單位參數(shù)也會(huì)因?yàn)椴捎貌煌墓Q直徑而產(chǎn)生數(shù)值變化，但由于這些都是被動(dòng)型參數(shù)，很少去主動(dòng)選擇它們，故影響不大。

由于水輪機(jī)進(jìn)水邊對(duì)其轉(zhuǎn)速性能（如最優(yōu)工況單位轉(zhuǎn)速等）影響較大，采用轉(zhuǎn)輪進(jìn)口直徑D1作為公稱直徑比較合理，轉(zhuǎn)輪最優(yōu)工況單位轉(zhuǎn)速及電站額定水頭單位轉(zhuǎn)速都變化不大，僅隨比轉(zhuǎn)速增加略有增加，統(tǒng)計(jì)規(guī)律性很好。但是，如采用D2作為公稱直徑，情況會(huì)發(fā)生根本變化，不僅轉(zhuǎn)輪最優(yōu)工況單位轉(zhuǎn)速及電站額定水頭單位轉(zhuǎn)速都會(huì)隨比轉(zhuǎn)速增加而降低，其統(tǒng)計(jì)規(guī)律也會(huì)比較差，比較離散，其原因在于D2對(duì)過(guò)流能力影響比較大，對(duì)水頭影響較小，按水頭高低進(jìn)行的統(tǒng)計(jì)規(guī)律性會(huì)較差。

由于水輪機(jī)的過(guò)流能力主要取決于D2，D2對(duì)單位流量影響較大，用D2統(tǒng)計(jì)單位流量應(yīng)有好的分布規(guī)律。但是，由于過(guò)去我們長(zhǎng)期以D1為公稱直徑，已總結(jié)出用D1計(jì)算單位流量隨水頭變化規(guī)律，也能滿足要求。倒是將公稱直徑改為D2后，還沒(méi)有統(tǒng)計(jì)總結(jié)出被普遍接受的規(guī)律，反而還弄出許多混亂。

（4）雷諾數(shù)計(jì)算及效率修正

如原模型效率修正采用IEC60193或IEC60995規(guī)定的方法進(jìn)行，就必須采用轉(zhuǎn)速雷諾數(shù)。IEC在統(tǒng)計(jì)分析雷諾數(shù)對(duì)效率的影響時(shí)，采用D2計(jì)算雷諾數(shù)，故我們?cè)谶M(jìn)行效率換算時(shí)，也應(yīng)當(dāng)采用D2計(jì)算雷諾數(shù)。

1.4 轉(zhuǎn)輪公稱直徑的選擇

通過(guò)如上分析，顯然采用D1作為混流式水輪機(jī)公稱直徑更有利，更符合中國(guó)國(guó)情。但是，也不能一概而論，如計(jì)算雷諾數(shù)就應(yīng)當(dāng)用D2，選擇尾水管參數(shù)及單位流量等D2也有一定優(yōu)勢(shì)。因此，在新通過(guò)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中，對(duì)公稱直徑采用了如下的表述：“混流式公稱直徑為D1或D2，推薦使用D1”。

2 關(guān)于流道測(cè)量偏差要求

GB/T 10969－2008《水輪機(jī)、蓄能泵和水泵水輪機(jī)通流部件技術(shù)條件》是根據(jù)IEC60193第2章并參考GB/T 10969－1997修訂的。在IEC60193第2章中，有許多尺寸檢測(cè)偏差要求的表，表1就是其中之一。在這些表中，所有的偏差允許值均要求按相對(duì)值提供。但是，在其所列出的偏差值中，卻既有相對(duì)值，又有絕對(duì)值。究其原因，這不僅在于有些是以絕對(duì)值的形式給出的（如角度類(lèi)），更重要的還在于許多偏差允許值用相對(duì)值難以表示清楚，因?yàn)樵谠S多情況下，該相對(duì)值并不是相對(duì)于被測(cè)量值自身，而是相對(duì)于某一規(guī)定值。無(wú)奈之下，IEC將該相對(duì)值和規(guī)定值的乘積列入表內(nèi)，又變成了絕對(duì)值。

表1 IEC 60193中測(cè)量偏差允許值表

注：表中LP為原型尺寸，LM為模型尺寸，λM為設(shè)計(jì)的原模型比例系數(shù)。

IEC標(biāo)準(zhǔn)（見(jiàn)表1）中另外一個(gè)錯(cuò)誤在一致性允許偏差項(xiàng)內(nèi)，無(wú)論是模型還是原型，在項(xiàng)目?jī)?nèi)容欄內(nèi)均標(biāo)的是“單個(gè)值與平均值之比”（Individual value to average value），是相對(duì)值，但并非偏差的概念。即使按相對(duì)值要求，正確的標(biāo)注方式也應(yīng)為“(單個(gè)值-平均值)/平均值”（（Individual value- average value)/ average value）。

在新通流部件標(biāo)準(zhǔn)中，沒(méi)有照搬IEC的模式，而是統(tǒng)一采用絕對(duì)值來(lái)表示允許偏差（見(jiàn)表2），不僅解決了IEC標(biāo)準(zhǔn)中不一致的問(wèn)題，更將偏差計(jì)算中“誰(shuí)”減“誰(shuí)”、和“誰(shuí)”比等問(wèn)題表示得清清楚楚。

表2 GB/T 10969－2008中測(cè)量偏差允許值表

葉片最大厚度T靠近出水邊的葉片厚度T0進(jìn)出口直徑和轉(zhuǎn)輪其他尺寸+3%TM-6%TM±15% T0M±0.25% D2M+5%T-8%T±15% T0±0.35% D2+3%λTM-6%λTM±15%λT0M±0.25% λD2M軸流式、貫流式和斜流式轉(zhuǎn)輪葉片型線端部型線葉片最大厚度T接近出水邊處的葉片厚度δ轉(zhuǎn)輪室直徑Dd轉(zhuǎn)輪其他尺寸Ds型線的角度差型線的軸向調(diào)整量最大葉片角?±0.1% DM±0.1% DM+3% TM-6% TM±15%δM±0.1%DdM±0.25% DsM±0.25o±0.2% DM±0.25o±0.1% D±0.1% D+5% T-8% T±15%δ±0.1% Dd±0.5% Ds±0.25o±0.2% D±0.25o±0.1% λDM±0.1% λDM+3%λTM-6%λTM±15%λδ±0.2% λDdM±0.25% λDsM±0.25o±0.2% λDM≥0o

3 關(guān)于電站托馬系數(shù)

3.1 電站托馬系數(shù)的定義及計(jì)算

在GB/T15613.1－2008《水輪機(jī)、蓄能泵和水泵水輪機(jī)模型驗(yàn)收試驗(yàn) 第一部分：通用規(guī)定》[3]中，借鑒采用了 IEC60193[1]關(guān)于電站裝置空化系數(shù)的新表述－電站托馬系數(shù)，和IEC193的表述有一定區(qū)別。

過(guò)去稱作電站裝置空化系數(shù)，符號(hào)為σP（為和現(xiàn)在的托馬系數(shù)相區(qū)別，符號(hào)用σP’代替）。根據(jù)IEC193，其計(jì)算公式為：

式中：pa——電站大氣壓力，絕對(duì)壓力，Pa；

Pva——電站水的汽化壓力，絕對(duì)壓力，Pa；

Hs——尾水吸出高度，m，Hs=Zr-Zs；

Zr——水輪機(jī)安裝高程，m；

Zs——尾水位高程，m；

H——水輪機(jī)工作水頭，m；

g——電站重力加速度，m/s2；

ρ——水密度，kg/m3。

現(xiàn)在稱為電站托馬系數(shù)[1,3]，符號(hào)仍然為σP。根據(jù)IEC60193和GB/T 15613.1-2008，其計(jì)算公式為：

式中：p2——尾水管出口測(cè)壓斷面壓力，絕對(duì)壓力，Pa；

Z2——尾水管出口測(cè)壓斷面高程，m；

V2——尾水管出口測(cè)壓斷面流速，m/s。

比較（1）式和（2）式，顯然二者的區(qū)別在于分別將電站的尾水壓力參考點(diǎn)選在電站尾水渠和尾水管出口測(cè)壓斷面。而這兩個(gè)斷面的能量關(guān)系如（3）式所示：

將（3）式和（1）式分別代如（2）式，可得：

顯然，新托馬系數(shù) σP和老托馬系數(shù) σP’間的區(qū)別在于它們分別基于不同的斷面，前者為尾水管出口測(cè)壓斷面，后者為尾水渠。從本質(zhì)上來(lái)看，σP’是忽略了尾水渠流速及尾水管出口損失的σP。

比較新老兩個(gè)托馬系數(shù)，老托馬系數(shù)物理意義明確，非常容易確定，因而一直使用。而新空化系數(shù)不僅物理意義不明確，電站水輪機(jī)流道參數(shù)和工況不確定則托馬系數(shù)不確定，計(jì)算和使用不方便。因此，建議在修訂新國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，應(yīng)當(dāng)恢復(fù)老托馬系數(shù)的定義及計(jì)算公式。在目前，則提醒大家注意新老兩個(gè)托馬系數(shù)的區(qū)別。

3.2 空化系數(shù)的定義問(wèn)題

需要注意的是，無(wú)論是新國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[3]還是IEC60193，均將σP稱為托馬系數(shù)，而不是過(guò)去的空化系數(shù)。在這兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)中，將空化系數(shù)定義為σnD，其計(jì)算公式為：

式中：n——s-1；

D——轉(zhuǎn)輪直徑，m。

NPSE——凈正吸出比能，Jkg-1，其計(jì)算公式為：

比較（2）式和（5）式可知，σP和 σnD存在如下關(guān)系：

或：

式中：n11——單位轉(zhuǎn)速，r/min。

顯然，盡管σP和σnD都是無(wú)量綱的比例系數(shù)，但二者概念不同，數(shù)值差別也比較大，不能混為一談?，F(xiàn)在的問(wèn)題是，過(guò)去我們稱“σP”為空化系數(shù)，現(xiàn)在卻將在水輪機(jī)試驗(yàn)中很少使用的“σnD”稱作空化系數(shù)，勢(shì)必引起混淆。

為避免在兩個(gè)空化系數(shù)使用中可能引起的混亂，在重新修訂國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)時(shí)應(yīng)重新定義“σP”為空化系數(shù)，其可以并稱為“托馬系數(shù)”；而“σnD”，則可稱其為“空化比數(shù)”。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜合如上分析，有如下幾點(diǎn)需著重強(qiáng)調(diào)：

（1）過(guò)去的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)曾參照IEC60193將水輪機(jī)公稱直徑修改為D2，由于我國(guó)過(guò)去長(zhǎng)期采用D1，并形成了一套比較完善的體系，修改后引起了很大混亂。實(shí)踐證明，還是采用D1為公稱直徑更符合國(guó)情，新國(guó)標(biāo)對(duì)此進(jìn)行了修改。

（2）新國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)采用了IEC60193對(duì)水輪機(jī)流道原模型尺寸測(cè)量的大多數(shù)誤差要求，但對(duì)部分表述不確切部分進(jìn)行了修訂，既全部采用了絕對(duì)誤差，或?yàn)榻^對(duì)數(shù)值，或?yàn)槟稠?xiàng)參數(shù)的百分比，非常明確。

（3）新國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和IEC60193對(duì)托馬系數(shù)的定義和過(guò)去有一定差別，應(yīng)引起注意，并建議在今后修訂國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，恢復(fù)老托馬系數(shù)定義及計(jì)算公式。

（4）新國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和 IEC60193定義“σP”為托馬系數(shù)，而定義“σnD”為空化系數(shù)，這和過(guò)去的習(xí)慣很不一致，會(huì)引起混亂。由于“σnD”很少采用，建議仍然稱“σP”為空化系數(shù)，將“σnD”稱為“空化比數(shù)”。

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

[2]GB/T 10969－2008, 水輪機(jī)、蓄能泵和水泵水輪機(jī)通流部件技術(shù)條件[S].

[3]GB/T 15613.1－2008, 水輪機(jī)、蓄能泵和水泵水輪機(jī)模型驗(yàn)收試驗(yàn)（第一部分：通用規(guī)定）[S].

[4]GB/T 15613.2－2008, 水輪機(jī)、蓄能泵和水泵水輪機(jī)模型驗(yàn)收試驗(yàn)（第二部分：常規(guī)水力性能試驗(yàn)）[S].

[5]GB/T 15613.3－2008, 水輪機(jī)、蓄能泵和水泵水輪機(jī)模型驗(yàn)收試驗(yàn)（第三部分：輔助性能試驗(yàn)）[S].

[6]GB/T 15466－1995, 水輪機(jī)基本技術(shù)條件[S].

[7]GB/T 2900.45－1996, 電工術(shù)語(yǔ) 水輪機(jī)、蓄能泵和水泵水輪機(jī)[S].

[8]GB/T 15466－2006, 水輪機(jī)基本技術(shù)條件[S].