Целью натурных энергетических испытаний, выполняемых в процессе начальной эксплуатации станции, является определение энергетических параметров и характеристик основного и вспомогательного оборудования. В объем энергетических испытаний, выполняемых по специальной программе, входят определение к. п. д. турбины с непосредственными замерами расхода воды, испытания механической части гидроагрегата и проверки действия и параметров системы регулирования и автоматики. Производятся также испытания электрической части блока гидроагрегата, включая определение к. п. д. генератора.
Проверка и испытания механической части гидроагрегата, системы регулирования и автоматики осуществляются теми же способами, что и при пусковых испытаниях, описанных выше. Электрические испытания производятся по отдельной специальной программе.
Ниже кратко приводится содержание энергетических испытаний и определения основных параметров гидроагрегата.
Определение к. п. д. турбины. При испытаниях на к. п. д. производится построение рабочих характеристик агрегата — зависимости между расходом воды через турбину и мощностью агрегата Na=f(Q) и зависимости между к. п. д. и мощностью агрегата ηа=f(Ν3). Производится также тарировка постоянных расходомеров.
Как известно, мощность гидроагрегата равна:
Отсюда к. п. д. турбины
где Na— мощность агрегата на шинах генератора, кВт;
Q — расход воды, м3/сек;
Н — рабочий напор, м;
ηг — к. п. д. генератора;
γ — объемный вес воды 1 000 кг/м3.
Следовательно, для определения к. п. д. необходимо производить измерение следующих величии:
- мощности гидроагрегата на шинах генератора—обычно производится двумя ваттметрами класса 0,2—0,5, включаемыми через измерительные трансформаторы, либо с помощью счетчика мощности;
- расхода воды — непосредственным измерением;
- рабочего напора — непосредственным измерением;
- к. п. д. генератора — по данным завода-изготовителя либо по результатам испытаний генератора.
Одновременно замеряются скорость вращения агрегата и показания постоянного расходомера.
Колебания нагрузки и напора при проведении отдельных опытов допускаются ±2%, а скорости вращения — не свыше ±1% среднего значения их в данном цикле испытаний.
Испытания агрегата производятся при различных режимах его работы от холостого хода до максимальной нагрузки с интервалами записей через 10% номинальной мощности при увеличении нагрузки и через 20% при ее уменьшении.
Наиболее сложной и трудоемкой операцией при испытаниях является определение расхода воды, величина которого может быть выражена как объем воды, протекающей в 1 сек через входное сечение турбины:
где ν — средняя скорость воды в сечении, м/сек·,
F — площадь сечения, перпендикулярного направлению потока, м2.
В настоящее время в отечественной практике испытаний гидротурбины наиболее освоены следующие способы измерения расходов, применяемые в зависимости от типа турбин:
методом гидравлического удара—для высоко- и средненапорных гидротурбин с напорным трубопроводом, имеющим прямолинейный участок достаточной длины;
гидрометрическими вертушками — для крупных и средних низконапорных турбин;
с помощью водослива в отводящем канале — для всех типов малых гидротурбин.
Определение расхода воды методом гидравлического удара производится с помощью записи специальным прибором изменения давления в трубопроводе, производимого массой жидкости, заключенной между двумя сечениями, при закрытии направляющего аппарата турбины. Измерение давления производится в двух сечениях трубопровода (дифференциальный метод). При этом расстояние между выбранными сечениями должно быть не менее двух диаметров трубопровода, а произведение длины между участками (в м) на среднюю скорость потока (в м/сек) в мерном участке при наибольшей нагрузке агрегата должна быть не меньше 20.
В мерных сечениях трубопровода просверливаются диаметрально расположенные отверстия диаметром 8—10 мм (не менее двух) и соединяются между собой коллектором. Затем оба коллектора присоединяются трубками к прибору для записи давления. Площадь диаграммы, ограниченной кривой давления, полученной при записи в определенном масштабе, дает возможность определить расход воды по формуле
(11-6),
где F — площадь поперечного сечения трубопровода, м2;
g — ускорение силы тяжести, м/сек2·,
а — площадь диаграммы, м-сек;
q — утечки воды через закрытый направляющий аппарат, м2/сек;
L—расстояние между мерными сечениями, м.
Утечки воды через закрытый направляющий аппарат определяются объемным способом по вытеканию воды из напорного трубопровода при закрытом верхнем затворе.
Точность определения расхода методом гидравлического удара высока, но применение его требует сложной специальной аппаратуры и высококвалифицированного опытного персонала.
Определение расхода воды с помощью гидрометрических вертушек является наиболее распространенным. Заключается этот метод в определении средних скоростей потока вертушками, установленными в определенных точках мерного створа либо медленно и равномерно перемещаемыми из одного крайнего положения в другое. Общее число точек замера скоростей в сечении принимается:
где F — площадь мерного створа, м2.
Показания вертушек во время испытания автоматически записываются на лентах хронографов. По полученным записям строятся кривые распределения скоростей в мерном створе, по которым затем и определяется расход воды в этом створе.
(11-7)
Измерение расхода воды на небольших станциях может производиться с помощью водослива, расположенного в отводящем канале. Уровень на водосливе замеряется водомерной рейкой или лимниграфом на определенном расстоянии от гребня водослива. При этом расход воды (м3/сек) определяется по формуле 
где т — коэффициент водослива, определенный для каждого режима по тарировке водослива;
В — ширина водослива, м;
g - ускорение силы тяжести, м/сек2;
h — высота от гребня водослива до поверхности вод, м.
Измерения, расхода водосливом дают удовлетворительные результаты для В до 5 м и h до 2 м.
Измерение напора. При определении напора производятся замеры отметок:
верхнего бьефа в напорном бассейне;
нижнего бьефа у выхода из отсасывающей трубы;
в сечении у входа в турбину.
Рабочий напор турбины определяется как разность энергий при входе в турбину и на выходе из нее.
Уровни поверхностей воды определяются по водомерным рейкам с сантиметровыми делениями либо лимниграфами. Погрешность отсчетов при этом должна быть не более ±0,5 мм.
Для замера давлений применяются трубчатые манометры, ртутные манометры или поверочные поршневые прессы. Поверочный пресс позволяет определять давление с точностью до 0,05%.
Скорость вращения агрегата контролируется при испытании точным стрелочным частотомером. Во время измерения расхода воды при испытании скорость вращения агрегата не должна колебаться более чем на ±1,0%.
Рис. 11-5. График зависимости перепада давления от расхода воды.
Рис. 11-4. Расположение мерных точек расходомеров.
а — колено трубопровода; б — металлическая спираль; в —бетонная спираль.
Тарировка постоянных расходомеров. Непрерывное измерение расхода воды, проходящей через турбину, дает возможность постоянного контроля за энергетическими параметрами работающего гидроагрегата. Осуществляется такое измерение с помощью постоянных расходомеров, работа которых основана на разности давлений в двух точках колена напорного трубопровода или спиральной камеры. Мерные точки расходомеров располагаются, как показано на рис. 114.
Опытами установлено, что разность давлений в двух точках криволинейного потока связана с протекающим расходом воды равенством
(11-8)
где Q — расход воды, м3;
h — перепад давления, мм;
k — постоянный коэффициент;
х — показатель степени, колеблющийся около 0,5 (0,47 - 0,54).
Для тарировки расходомера одновременно с определением расхода воды при испытаниях необходимо записывать перепад давления в расходомере. По полученным данным затем строится график зависимости перепада давления от расхода протекающей через турбину воды (рис. 11-5). Как видно на рисунке, график представляет собой прямую- линию (или почти прямую при х, не равном 0,5), угол наклона которой определяется коэффициентом k.
