燃气轮机试验台水力测功器系统设计

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燃气轮机试验台水力测功器系统设计

摘要：基于 ENN1500 燃气轮机试验台建设，讨论了水力测功器的特性曲线，给出了水力测功

器的选型方法、水系统设计要求以及水力测功器控制 PID 调节方法；讨论了转速转矩传感器的

测量原理，给出了选型方法和安装使用要求；同时，还设计了基于 PXI 和LabVIEW 的测控系

统平台，经试验验证，设备运行良好，满足燃气轮机试验需求。

关键词：水力测功器；燃气轮机；台架试验；

根据《燃气轮机制造与验收规范》要求，燃气轮机在设计定型前要进行大量台架试验工作，每

台新机交付时也要进行出厂试验。

水力测功器是测量和诊断燃气轮机性能的重要设备之一，是燃气轮机进行研制、耐久性、生产

试验和维修后试验用的标准手段。水力测功器作为燃气轮机试验的负载，相比电力机械负载具

有更小的尺寸重量、更低转动惯量以及更高的转速运行能力。

本文对 ENN1500 燃气轮机整机试验台水力测功器和转速转矩传感器的工作原理、选型要求/使

用条件及水力测功器控制系统参数调节作了详细介绍，可为今后类似燃气轮机试验台水力测功

器系统设计与选型提供参考。



1.1 水力测功器特性曲线

OA 为满水环线，表示水力测功器转子与定子之间的工作水腔充满水时的吸收功率。

AB 线为恒扭矩功率线，是水力测功器在最大扭矩运行时的功率线，该线受水力测功

器主轴所能承受的最大扭矩限制。

BC 线为水力测功器最大吸收功率线，由最大排水量和进排水温差确定的，考虑到气

蚀和密封影响，水力测功器排水温度一般不高于 60℃。因为水力测功器吸收功率几

乎全部转换为水的热能，当供水量一定时，最大吸收功率与进水温度有关；当进水

温度降低、排水温度不变时，最大功率线上移，水力测功器最大吸收功率增加；当

进水温度升高、排水温度不变时，最大功率线下降，水力测功器最大吸收功率下

降。

CD 线是水力测功器的最高转速线，受轴承允许最高转速限制，由轴承最高转速和润

滑等条件决定。

DO 线是水力测功器最小吸收功率线，如果燃气轮机在低于该功率线工况下运行，水

力测功器的转定子间的水环不能建立，测功器不能保持稳定吸收功率。

1.2 水力测功器的选型方法

首先，应检查燃气轮机的所有测试工况点是否完全落在水力测功器功率曲线范围

内；其次，应考虑燃气轮机输出轴转向问题；最后，应考虑水力测功器的中心高度

能否与燃气轮机或减速齿轮箱的中心高度相匹配。

燃气轮机的动态性能是一个重要指标，燃气轮机试验用水力测功器是否具有较高响

应速度，其很大程度上决定于转子部件转动惯量，即转动惯量越大，水力测功器的

响应越慢。因此，在选择水力测功器时，在其他性能相同情况下，转动惯量越小，

工况过渡越短，水力测功器响应速度越快。

1.3 水系统设计

水力测功器所需的水流量与吸收功率和进出水的温差有关，如式（1 ）所示。

式中，Q为水流量，L/min;P 为吸收功率，kW;t1 ℃为进水温度，；t2 为出水温度，

℃ 。

在进行水力测功器水系统设计时，要保证水力测功器供水稳定，考虑因泵和管道导

致的供水脉动及紧急停机时的供水；需要在水力测功器水管线中设置蓄水器，蓄水

器应为流通式设计，其总容积不低于最大水流量的 3 倍。

在从供水管路到热水池的旁通线路中，通过安装背压调节阀，可保持水泵流量为恒

定，保证水泵始终在性能稳定区工作，这需要水力测功器供水泵设计流量比流经水

力测功器所需的水流量高出 10%~20%.

较低温度进水可以有效减少水垢形成和腐蚀，防止测功器水流通道变窄或过早磨

损。同时，需要在进水管路上安装过滤器，阻挡固体物进入。

2 水力测功器的控制

水力测功器通过控制水门开度，通过改变水力测功器工作腔内水压力大小来控制水

力测功器吸收功率。测功器转速可以由霍尔转速传感器或磁电式转速传感器测得，

在水力测功器测控仪表上显示出来，并通过TCP/IP 网络通信传输给上位机采集系

统。因为水力测功器是压力控制式的，又是通过改变水门开度来调节工作腔内水压

力，所以整个过程必须是自动闭环控制系统。

燃气轮机试验时，水力测功器控制系统自动跟随设定好的转速，待燃气轮机达到额

定转速时，实现自动加载。随着燃料增加，水力测功器通过水门自动开度调节，实

现功率吸收，并保持燃气轮机转速恒定。

水力测功器恒转速控制模式对燃气轮机产生的制动负荷特性，在 n-M 图上测功器工

作区域范围内呈现垂直特性曲线簇。在进行燃气轮机试验时，只要运行工况点落在

燃气轮机和水力测功器重叠的工作区域内，不论燃气轮机输出扭矩如何变化，在水

力测功器控制回路闭环调节作用下，输出转速为一恒定值。

在进行燃气轮机试验时，如果出现响应过慢或工作不稳定情况，可通过调整水力测

功器恒转速控制 PID 参数，对控制回路比例系数、积分以及微分时间常数进行整

定，保证系统运行时具有最佳动态和静态品质。另外，比例系数决定了系统响应速

度，积分项作用在于消除系统静差，微分项的作用是抑制系统振荡，减小系统回

差。在整定 PID 参数时，按照 P、I、D顺序进行，先整定比例系数，再整定微分参

数，最后整定积分参数；将已整定好的参数固定后，再将需要整定的参数从小到大

调整，直到获取最佳参数匹配。

3 转速转矩测量

3.1 测量原理

转速转矩传感器测量原理是通过弹性轴和两组磁电信号发生器，把被测转矩、转速

转换成具有相位差的两组交流电信号，这两组交流电信号频率相同，并且与轴转速

成正比；交流电信号相位差的变化部分与被测转矩成正比，通过计算可得到被测燃

气轮机的扭矩、转速，从而计算出功率。

3.2 转速转矩传感器的选型

进行转速转矩传感器的选型，首先要确定燃气轮的最大扭矩和转速，若有减速齿轮

箱，还需要确定减速齿轮箱的减速比，以此来确定转速值。根据燃气轮机的设计功

率、减速齿轮箱转速，被测扭矩大小计算方法如式（2 ）所示。

式中，M为扭矩，N·m;n 为转速，r/min;P 为功率，k W.

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摘要：

燃气轮机试验台水力测功器系统设计摘要：基于ENN1500燃气轮机试验台建设，讨论了水力测功器的特性曲线，给出了水力测功器的选型方法、水系统设计要求以及水力测功器控制PID调节方法；讨论了转速转矩传感器的测量原理，给出了选型方法和安装使用要求；同时，还设计了基于PXI和LabVIEW的测控系统平台，经试验验证，设备运行良好，满足燃气轮机试验需求。关键词：水力测功器；燃气轮机；台架试验；根据《燃气轮机制造与验收规范》要求，燃气轮机在设计定型前要进行大量台架试验工作，每台新机交付时也要进行出厂试验。水力测功器是测量和诊断燃气轮机性能的重要设备之一，是燃气轮机进行研制、耐久性、生产试验和维修后试验用的...

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