巴基斯坦卡洛特水電站水輪機(jī)模型試驗(yàn)研究

代開鋒 金德山 何志鋒 彭志遠(yuǎn) 桂紹波

摘要：為保證巴基斯坦卡洛特水電站水輪發(fā)電機(jī)組長(zhǎng)期安全穩(wěn)定運(yùn)行，提出了卡洛特水電站水輪機(jī)模型試驗(yàn)水力設(shè)計(jì)要求，并進(jìn)行了水輪機(jī)模型試驗(yàn)。試驗(yàn)內(nèi)容主要包括效率試驗(yàn)、出力試驗(yàn)、空化試驗(yàn)、壓力脈動(dòng)試驗(yàn)等。試驗(yàn)研究結(jié)果表明：水輪機(jī)模型各項(xiàng)性能指標(biāo)均滿足水力設(shè)計(jì)要求。

關(guān)鍵詞：水輪機(jī)模型試驗(yàn);空化空蝕;卡洛特水電站;巴基斯坦

中圖法分類號(hào)：TV734.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2021.11.016

文章編號(hào)：1006 - 0081（2021）11 - 0070 - 06

0 引 言

水輪機(jī)模型試驗(yàn)是根據(jù)相似理論，用模型水輪機(jī)在專門的試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行，用以確定原型水輪機(jī)各種特性的試驗(yàn)。水輪機(jī)制造廠通過(guò)模型試驗(yàn)來(lái)檢驗(yàn)原型水輪機(jī)水力設(shè)計(jì)計(jì)算的結(jié)果，優(yōu)選出性能良好的水輪機(jī)，為制造原型水輪機(jī)提供依據(jù)，向用戶提供水輪機(jī)的保證參數(shù)[1-2]。本文以巴基斯坦卡洛特水電站為研究對(duì)象，開展了水輪機(jī)模型試驗(yàn)，并進(jìn)行了同臺(tái)對(duì)比試驗(yàn)，為后期原型水輪機(jī)的設(shè)計(jì)、制造以及性能保證提供基礎(chǔ)。

1 工程概況

巴基斯坦卡洛特水電站是吉拉姆（Jhelum）河規(guī)劃的5個(gè)梯級(jí)電站的第4級(jí)，為Ⅱ等大（2）型工程，主要由大壩、泄水建筑物、電站引水、尾水系統(tǒng)及電站廠房等組成。壩址位于巴基斯坦旁遮普省境內(nèi)卡洛特橋上游1.75 km，下距曼格拉大壩74.00 km，西距伊斯蘭堡直線距離約55 km。壩址處控制流域面積26 700 km2，多年平均流量819 m3/s，多年平均年徑流量258.3億m3，工程為單一發(fā)電任務(wù)的水電樞紐。水庫(kù)正常蓄水位461.00 m，死水位451.00 m，為日調(diào)節(jié)水庫(kù)。水電站裝機(jī)容量72萬(wàn)kW（720 MW），多年平均發(fā)電量32.06億kW·h，保證出力11.61萬(wàn)kW（116.1 MW），年利用小時(shí)數(shù)4 452 h。電站特征水頭范圍為50.00～79.34 m，額定水頭為65.00 m，加權(quán)平均水頭68.86 m。

卡洛特水電站最為顯著的特點(diǎn)是河流泥沙含量較高，因此水輪機(jī)模型參數(shù)的確定需要兼顧泥沙磨損以及機(jī)組的能量和穩(wěn)定性指標(biāo)。

2 水電站特征參數(shù)

2.1 水輪機(jī)基本參數(shù)

巴基斯坦卡洛特水電站水輪發(fā)電機(jī)組額定功率為18萬(wàn)kW（180 MW），不設(shè)置最大功率。水電站及水輪機(jī)基本參數(shù)如下：

裝機(jī)容量? ? ? ? ? ? ? ? ?72萬(wàn)kW（720 MW）

裝機(jī)臺(tái)數(shù)? ? ? ? ? ? ? ? ?4

額定功率? ? ? ? ? ? ? ? ?18萬(wàn)kW（180 MW）

額定水頭? ? ? ? ? ? ? ? ?65.00 m

額定轉(zhuǎn)速? ? ? ? ? ? ? ? ?100 r/min

安裝高程（以導(dǎo)葉中心計(jì)）? ?382.50 m

2.2 泥沙特性

2.2.1 輸沙量

卡洛特水電站壩址以上流域年均懸移質(zhì)輸沙量為3 315萬(wàn)t，多年平均含沙量為1.28 kg/m3。水電站壩址多年平均月輸沙量和年輸沙量見表1。

2.2.2 懸移質(zhì)泥沙級(jí)配

卡洛特水電站工程壩址河段懸移質(zhì)泥沙顆粒級(jí)配成果見表2。

2.2.3 懸移質(zhì)泥沙礦物組成

卡洛特水電站工程壩址河段懸移質(zhì)礦物成分見表3。

3 水輪機(jī)水力開發(fā)條件

根據(jù)卡洛特水電站的動(dòng)能參數(shù)與泥沙含量情況，為保障機(jī)組能夠長(zhǎng)期安全、高效、穩(wěn)定運(yùn)行，本文提出了卡洛特水電站水輪機(jī)效率、空化、穩(wěn)定性指標(biāo)參數(shù)的水力開發(fā)預(yù)期目標(biāo)。

3.1 水輪機(jī)效率

應(yīng)在水電站空化系數(shù)條件下作出水輪機(jī)各效率保證，同時(shí)要求水輪機(jī)在規(guī)定的水頭范圍和導(dǎo)葉開度較寬廣的范圍內(nèi)具有較高的效率，且效率曲線變化平緩，合理選擇最優(yōu)效率點(diǎn)，兼顧水輪機(jī)的穩(wěn)定性。 水輪機(jī)模型最高效率應(yīng)不低于94.0%，模型額定點(diǎn)效率應(yīng)不低于91.4%。

3.2 水輪機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行范圍

水輪機(jī)應(yīng)至少在長(zhǎng)期運(yùn)行水頭和負(fù)荷范圍內(nèi)可以連續(xù)安全穩(wěn)定運(yùn)行，且機(jī)組振動(dòng)和功率擺動(dòng)均在可接受的范圍內(nèi)，功率擺動(dòng)不大于5‰額定功率。機(jī)組出力和水頭范圍如下。

（1）水輪機(jī)在50.00～65.00 m水頭運(yùn)行時(shí)，水輪機(jī)出力為40%～100%相應(yīng)水頭下的預(yù)想出力。

（2） 水輪機(jī)在65.00～79.34 m水頭運(yùn)行時(shí)，水輪機(jī)出力為40%～100%額定出力。

3.3 水力穩(wěn)定性指標(biāo)

3.3.1 水輪機(jī)穩(wěn)定性指標(biāo)

（1）穩(wěn)定性指標(biāo)為水輪機(jī)在水電站空化系數(shù)及不補(bǔ)氣條件下的參數(shù)值。

（2）模型壓力脈動(dòng)的雙振幅值ΔH為相應(yīng)水頭下實(shí)測(cè)壓力脈動(dòng)按97%置信度計(jì)算的混頻峰峰值。

（3）模型試驗(yàn)時(shí)，壓力脈動(dòng)空化參考平面為導(dǎo)葉中心平面（382.5 m）。

3.3.2 尾水管壓力脈動(dòng)

在水電站空化系數(shù)和不補(bǔ)氣的條件下，原型和模型水輪機(jī)在各種運(yùn)行工況下，距轉(zhuǎn)輪出口處0.3D2（D2為轉(zhuǎn)輪出口直徑）上、下游側(cè)的尾水管測(cè)壓孔測(cè)得的壓力脈動(dòng)混頻雙振幅值不得超過(guò)表4中的限制值。

3.3.3 導(dǎo)葉后、轉(zhuǎn)輪前區(qū)域壓力脈動(dòng)

在不補(bǔ)氣的條件下，原型水輪機(jī)和模型水輪機(jī)在各種運(yùn)行工況下，水輪機(jī)在活動(dòng)導(dǎo)葉后、轉(zhuǎn)輪前測(cè)得的壓力脈動(dòng)混頻雙振幅值ΔH/H分別不得超過(guò)表5中的限制值。

3.4 空化與抗磨蝕性能

3.4.1 水輪機(jī)空化性能

在規(guī)定的水電站整個(gè)水頭和穩(wěn)定運(yùn)行負(fù)荷范圍內(nèi)，水輪機(jī)均要在無(wú)空化狀態(tài)下運(yùn)行，且水電站空化系數(shù)與水輪機(jī)初生空化系數(shù)的比值σp/σi應(yīng)不小于1.1，水電站空化系數(shù)與水輪機(jī)臨界空化系數(shù)的比值σp/σc應(yīng)不小于1.6。

3.4.2 抗磨蝕性能

水輪機(jī)各過(guò)流部件應(yīng)具有良好的抗空蝕磨損性能。在水輪機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)結(jié)合水電站的泥沙資料，充分考慮過(guò)機(jī)泥沙存在一定的磨蝕危害，通過(guò)對(duì)水輪機(jī)過(guò)流部件流速分析，重點(diǎn)對(duì)水輪機(jī)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)輪及止漏環(huán)等過(guò)流部件進(jìn)行優(yōu)化，使其具有良好的水力型線和抗空蝕磨損能力。合理選擇抗磨板材料，導(dǎo)葉立面和端面密封、轉(zhuǎn)輪止漏環(huán)等的結(jié)構(gòu)型式和抗磨蝕措施。

4 水輪機(jī)模型試驗(yàn)

4.1 模型試驗(yàn)條件

水輪機(jī)模型試驗(yàn)均在清水條件下完成，且試驗(yàn)水頭為 30 m，模型試驗(yàn)水溫在 12℃～30℃之間。

4.2 模型水輪機(jī)

4.2.1 模型設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

為保證水輪機(jī)模型與原型水輪機(jī)完全相似，對(duì)水輪機(jī)模型的設(shè)計(jì)提出了如下基本原則。

（1）模型水輪機(jī)的水力設(shè)計(jì)包括全部通流部件（含蝸殼進(jìn)口延伸段），模型水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的直徑D2為350 mm。

（2）模型設(shè)有通過(guò)光纖窺鏡直接觀察轉(zhuǎn)輪葉片進(jìn)口邊空化、氣泡、脫流和葉道渦情況的裝置，裝置安裝尺寸應(yīng)同時(shí)滿足復(fù)核試驗(yàn)臺(tái)光纖窺鏡的安裝要求。尾水管直錐段、尾水管肘管的某些部分為透明材料，以便能在閃頻燈光下肉眼觀察，并便于攝像機(jī)和照相機(jī)拍攝這一區(qū)域的流動(dòng)特性，包括空化的發(fā)展、尾水管的渦帶和卡門渦等現(xiàn)象。

（3）模型水輪機(jī)應(yīng)設(shè)有補(bǔ)氣試驗(yàn)所需的補(bǔ)氣裝置。

（4）壓力脈動(dòng)測(cè)點(diǎn)包括：①4個(gè)測(cè)量尾水管壓力脈動(dòng)的測(cè)點(diǎn)，分別設(shè)置在尾水管錐管，距轉(zhuǎn)輪出口0.3D2處上下游側(cè)各一個(gè);距轉(zhuǎn)輪出口1.0D2處上下游側(cè)各一點(diǎn)。②2個(gè)測(cè)量尾水肘管壓力脈動(dòng)的測(cè)點(diǎn)，分別設(shè)置在肘管上下游凹凸側(cè)45°各一個(gè)。③4個(gè)測(cè)量轉(zhuǎn)輪前、導(dǎo)葉后區(qū)域壓力脈動(dòng)的測(cè)點(diǎn)，+X，

-X，+Y，-Y方向各1個(gè)測(cè)點(diǎn)，布置在導(dǎo)葉額定開度時(shí)，導(dǎo)葉出水邊內(nèi)切圓直徑與轉(zhuǎn)輪上冠外徑之間的1/2處（以轉(zhuǎn)輪上冠外圓為起始點(diǎn)）。④1個(gè)測(cè)量蝸殼進(jìn)口壓力脈動(dòng)測(cè)點(diǎn)，布置在蝸殼進(jìn)口段距離X-X斷面上游側(cè)1.0D2處，同時(shí)須避開舌板連接斷面。

4.2.2 水輪機(jī)模型

水輪機(jī)模型主要包括蝸殼、座環(huán)、頂蓋、導(dǎo)葉、轉(zhuǎn)輪、底環(huán)和尾水管等部件，材料為金屬材料，其中尾水錐管采用了透明有機(jī)玻璃制造，可以對(duì)轉(zhuǎn)輪出口區(qū)及尾水錐管區(qū)的流態(tài)進(jìn)行直接觀察。頂蓋設(shè)有平衡管，由4根管引出合并成一根后接入尾水管;蝸殼及尾水管上設(shè)有觀察孔，模型水輪機(jī)的尺寸偏差不大于IEC（國(guó)際電工委員會(huì)） 有關(guān)規(guī)定的允許偏差的較小值。

水輪機(jī)模型主要參數(shù)如下：轉(zhuǎn)輪出口直徑D2為354.35 mm，轉(zhuǎn)輪喉部直徑Dth為350 mm，葉片數(shù)為15，活動(dòng)導(dǎo)葉數(shù)為24，固定導(dǎo)葉數(shù)為23。

4.3 水輪機(jī)能量特性試驗(yàn)

4.3.1 最優(yōu)效率試驗(yàn)

試驗(yàn)時(shí)通過(guò)調(diào)整活動(dòng)導(dǎo)葉開度和水輪機(jī)模型試驗(yàn)轉(zhuǎn)速進(jìn)行水輪機(jī)最優(yōu)效率點(diǎn)的復(fù)核試驗(yàn)，最優(yōu)效率點(diǎn)復(fù)核試驗(yàn)在能量工況下選取了22.7°，23.8°，24°，25.1°等4個(gè)導(dǎo)葉開度進(jìn)行。根據(jù)4個(gè)導(dǎo)葉開度下效率試驗(yàn)的包絡(luò)線確定最優(yōu)工況點(diǎn)的位置，試驗(yàn)結(jié)果表明：模型最優(yōu)工況點(diǎn)單位轉(zhuǎn)速為n11為67.13 r/min，單位流量Q11為0.797 8 m3/s，模型最優(yōu)點(diǎn)效率為95.05%，高于水力開發(fā)條件提出的94%，模型效率滿足預(yù)期要求。按照IEC60193規(guī)程給出的兩步效率換算方法，原型水輪機(jī)最優(yōu)效率點(diǎn)效率為96.44%。

4.3.2 加權(quán)平均效率試驗(yàn)

水輪機(jī)加權(quán)因子的效率試驗(yàn)在水電站裝置空化系數(shù)下進(jìn)行，在每一個(gè)代表電站運(yùn)行特征水頭下通過(guò)調(diào)整活動(dòng)導(dǎo)葉開度測(cè)量各水輪機(jī)出力下的效率。本次試驗(yàn)在79.34，76.26，68.86，65.00，61.00 m和50.00 m等特征水頭和100%Pr，80%Pr，60%Pr，40%Pr工況下，通過(guò)測(cè)量各加權(quán)因子下的水輪機(jī)效率，計(jì)算得到模型水輪機(jī)加權(quán)平均效率為93.15%，換算到原型水輪機(jī)加權(quán)平均效率為94.54%。

4.3.3 出力試驗(yàn)

出力試驗(yàn)中分別測(cè)量了額定水頭及以下各水頭在100%和105%導(dǎo)葉開度時(shí)的出力和流量以及額定水頭以上各水頭額定出力和加大出力的導(dǎo)葉開度和流量值。試驗(yàn)結(jié)果表明，水輪機(jī)模型在各特征水頭下均可以發(fā)滿出力，且均預(yù)留有3%的出力裕度。

4.4 水輪機(jī)空化特性試驗(yàn)

本次模型試驗(yàn)主要進(jìn)行初生空化系數(shù)觀測(cè)試驗(yàn)及臨界空化系數(shù)測(cè)量試驗(yàn)，試驗(yàn)水頭H不小于30 m。電站裝置空化系數(shù)參考面為導(dǎo)葉中心線，水中空氣含量滿足IEC 要求。

（1）初生空化系數(shù)的判定準(zhǔn)則按3個(gè)轉(zhuǎn)輪葉片表面開始出現(xiàn)可見氣泡時(shí)來(lái)確定。

（2）葉片進(jìn)水邊正壓面和負(fù)壓面空化初生線的判定準(zhǔn)則，需通過(guò)內(nèi)窺鏡在轉(zhuǎn)輪進(jìn)口處觀察轉(zhuǎn)輪葉片上出現(xiàn)目測(cè)可見氣泡來(lái)確定。

4.4.1 觀測(cè)試驗(yàn)

（1）葉片進(jìn)水邊正/負(fù)壓面空化初生線觀察。葉片進(jìn)水邊正壓面和負(fù)壓面空化初生線觀察試驗(yàn)結(jié)果見圖1。由圖1可以看出，空化初生線遠(yuǎn)離電站長(zhǎng)期運(yùn)行區(qū)域。

（2）葉道渦和卡門渦觀察。試驗(yàn)水頭H不小于30 m，試驗(yàn)空化系數(shù)為電站裝置空化系數(shù);電站裝置空化系數(shù)參考面為導(dǎo)葉中心線。主要試驗(yàn)內(nèi)容如下：①通過(guò)目測(cè)觀察轉(zhuǎn)輪葉片出口側(cè)的葉道渦初生和發(fā)展（3個(gè)流道間同時(shí)出現(xiàn)時(shí)為葉道渦初生，全部葉片流道間均出現(xiàn)葉道渦時(shí)為葉道渦發(fā)展），若有條件可在葉片進(jìn)口觀測(cè)并且校核，并根據(jù)觀測(cè)結(jié)果在水頭和功率關(guān)系圖中繪制出口側(cè)葉道渦初生和發(fā)展線，如圖1所示。②通過(guò)目測(cè)觀察轉(zhuǎn)輪葉片出口邊可見卡門渦現(xiàn)象，并根據(jù)觀測(cè)結(jié)果在水頭和出力關(guān)系圖中繪制可見卡門渦發(fā)生線。要同時(shí)對(duì)上述現(xiàn)象進(jìn)行拍照或錄像。

在進(jìn)水邊葉道渦初生空化線和出水邊葉道渦發(fā)展線上各選擇了最大水頭、最小水頭和額定水頭3個(gè)工況點(diǎn)進(jìn)行了葉道渦觀測(cè)，試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。由圖1可見，結(jié)果滿足預(yù)期要求的“在長(zhǎng)期連續(xù)安全穩(wěn)定運(yùn)行范圍內(nèi)不允許存在初生葉道渦”的規(guī)定。

4.4.2 空化試驗(yàn)

空化試驗(yàn)是通過(guò)改變?cè)囼?yàn)臺(tái)尾水絕對(duì)壓力來(lái)逐漸降低空化系數(shù)，并繪制空化系數(shù)與效率、流量的關(guān)系曲線，確定初生空化系數(shù)σi和臨界空化系數(shù)σc，并判定電站空化系數(shù)σp/σi 以及σp/σc是否滿足水力開發(fā)條件規(guī)定的保證值?？栈禂?shù)均以導(dǎo)葉中心線為基準(zhǔn)進(jìn)行計(jì)算，初生空化系數(shù)σi定義為隨著吸出水頭的減少，即隨著尾水管內(nèi)真空度的增加，在3個(gè)轉(zhuǎn)輪葉片表面開始出現(xiàn)可見氣泡時(shí)所對(duì)應(yīng)的空化系數(shù);臨界空化系數(shù)定義為與無(wú)空化工況效率相比，效率降低1%時(shí)的空化系數(shù)。

試驗(yàn)時(shí)選擇了50.00，65.00，68.86，76.26 m和79.34 m水頭共5個(gè)工況點(diǎn)進(jìn)行了空化試驗(yàn)。不同水頭工況空化系數(shù)測(cè)量結(jié)果如表6所示，均滿足水力開發(fā)條件要求的σp/σi≥1.1和σp/σc≥1.6的要求。

4.5 壓力脈動(dòng)試驗(yàn)

在裝置空化系數(shù)下進(jìn)行壓力脈動(dòng)復(fù)核試驗(yàn)，空化系數(shù)參考面為導(dǎo)葉中心線。

4.5.1 測(cè)點(diǎn)布置

本次試驗(yàn)共設(shè)置9個(gè)測(cè)點(diǎn)，分別是無(wú)葉區(qū)2 個(gè)（+Y，-Y 方向各1 個(gè)測(cè)點(diǎn)，位于額定導(dǎo)葉開度時(shí)，導(dǎo)葉出水邊內(nèi)切圓直徑與轉(zhuǎn)輪上冠外徑之間的1/2 處），蝸殼進(jìn)口X-X 軸線1.0 D2處設(shè)1 個(gè)，尾水管錐管0.3D2與1.0D2 處各設(shè)2 個(gè)，肘管處45°方向設(shè)2 個(gè)。試驗(yàn)前檢查壓力傳感器的安裝，應(yīng)在試驗(yàn)前對(duì)所有試驗(yàn)用壓力傳感器進(jìn)行率定。壓力脈動(dòng)試驗(yàn)均在不補(bǔ)氣的條件下進(jìn)行。

4.5.2 試驗(yàn)內(nèi)容

本次復(fù)核試驗(yàn)對(duì)水輪機(jī)運(yùn)行區(qū)域（原型運(yùn)行水頭為50.00，61.00，65.00， 68.86，76.26 m 和79.34 m）進(jìn)行測(cè)量。在每一個(gè)原型運(yùn)行水頭下，導(dǎo)葉開度每間隔2°左右設(shè)置1個(gè)工況測(cè)量點(diǎn)，額定水頭以下（含額定水頭）校核從空載至最大預(yù)想出力，額定水頭以上從空載校核至103%額定出力，對(duì)部分負(fù)荷的壓力脈動(dòng)復(fù)核試驗(yàn)要求通過(guò)調(diào)整導(dǎo)葉開度（0.1°～0.2°）加密測(cè)點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

4.5.3 試驗(yàn)結(jié)果

表7和表8分別給出了尾水管、導(dǎo)葉后、轉(zhuǎn)輪前無(wú)葉區(qū)域壓力脈動(dòng)混頻雙振幅試驗(yàn)值。對(duì)照表4～5和表7～8可以看出，總體來(lái)說(shuō)，在給定的運(yùn)行范圍 內(nèi)模型水輪機(jī)具有平滑而穩(wěn)定的運(yùn)行特性，壓力脈動(dòng)幅值可以滿足水力開發(fā)條件預(yù)期要求。

5 結(jié) 論

針對(duì)巴基斯坦卡洛特水電站的運(yùn)行方式、動(dòng)能參數(shù)及泥沙特性，結(jié)合近年來(lái)國(guó)內(nèi)外已投產(chǎn)或在建的同水頭段、多泥沙含量水電站水輪機(jī)參數(shù)，分析了該電站的水輪機(jī)模型水力開發(fā)條件，研究結(jié)論如下。

（1）本次模型驗(yàn)收完成了水力開發(fā)預(yù)期的所有試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，模型水輪機(jī)及換算得到的原型水輪機(jī)效率、出力、空化、壓力脈動(dòng)等性能指標(biāo)均滿足水力開發(fā)條件預(yù)期目標(biāo)要求。

（2）卡洛特水電站水輪機(jī)主要性能良好，具有穩(wěn)定運(yùn)行范圍廣、空化性能好、水輪機(jī)效率較高等特點(diǎn)。

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（編輯：江 文）

Model test of hydraulic turbine of Karot Hydropower Station in Pakistan

DAI Kaifeng， JIN Deshan， HE Zhifeng， PENG Zhiyuan， GUI Shaobo

（Changjiang Survey， Planning， Design and Research Co.， Ltd.， Wuhan 430010， China）

Abstract： Karot Hydropower Project is the first large hydro-power project of the Belt and Road in Pakistan. In order to ensure safe and stable operation of hydraulic turbine generator units in Karot Hydropower Station，Pakistan， we proposed hydraulic design requirements of the hydraulic turbine model test and carried the test. The model test included efficiency test， output test， cavitation test and pressure pulsation test.The tests results indicated that all the performance parameters of hydraulic turbine model of Karot Hydropower Project met the hydraulic design requirements .

Key words：model test of hydraulic turbine; cavitation; Karot Hydropower Station; Pakistan