瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院（EPFL）下屬流體機(jī)械技術(shù)平臺(tái)（PTMH）依據(jù)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IEC 60193，開(kāi)展新型水輪機(jī)模型測(cè)試工作。在測(cè)試中，包括卡普蘭式（Kaplan）、弗朗西斯式（Francis）、螺旋槳式、燈泡式及水泵水輪機(jī)等多種類(lèi)型水輪機(jī)模型均采用了奇石樂(lè)的IEPE壓力傳感器。這些傳感器能夠高精度捕捉壓力脈動(dòng)，為水輪機(jī)設(shè)計(jì)優(yōu)化發(fā)揮關(guān)鍵作用。

盡管能源轉(zhuǎn)型的討論常常聚焦于風(fēng)能和太陽(yáng)能，但水電在全球能源格局中同樣扮演著舉足輕重的角色。2024年，全球水電發(fā)電量約為4,400太瓦時(shí)（TWh），占全球總發(fā)電量的14%，僅次于煤炭和天然氣，位居第三。此外，即使充分考慮大壩對(duì)自然景觀和生態(tài)系統(tǒng)的影響等生態(tài)因素，專家估計(jì)全球水電的潛在年發(fā)電能力仍可超過(guò)16,000 太瓦時(shí)（TWh）。不僅如此，水電具備靈活性與巨大儲(chǔ)能容量的雙重優(yōu)勢(shì)，這對(duì)于平衡可再生能源占比日益提升的電網(wǎng)而言至關(guān)重要。

在測(cè)試臺(tái)上對(duì)水泵水輪機(jī)縮比物理模型進(jìn)行模型驗(yàn)收測(cè)試時(shí)，空化現(xiàn)象清晰可見(jiàn)（圖片來(lái)源：PTMH）。

水力發(fā)電站的發(fā)電原理，是通過(guò)水輪機(jī)將水流下落產(chǎn)生的勢(shì)能與流動(dòng)形成的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能。水輪機(jī)的設(shè)計(jì)類(lèi)型豐富多樣，且每種類(lèi)型都具備獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。其中最常見(jiàn)的包括水泵水輪機(jī)、弗朗西斯式水輪機(jī)和卡普蘭式水輪機(jī)（以其發(fā)明者命名）。鑒于水電站建設(shè)的高成本投入，以及各電站的實(shí)際工況差異，擬安裝的水輪機(jī)在投入使用前，必須經(jīng)過(guò)嚴(yán)苛的模型驗(yàn)收測(cè)試。水輪機(jī)試驗(yàn)臺(tái)借助精準(zhǔn)縮尺的水力流道模型，采集壓力脈動(dòng)、空化現(xiàn)象、運(yùn)行效率及輸出功率等關(guān)鍵參數(shù)。

得益于PiezoStar晶體，實(shí)現(xiàn)堅(jiān)固耐用、高精度的測(cè)量

奇石樂(lè)集團(tuán)不僅是壓電測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域的專家，還自主培育其獨(dú)有的PiezoStar晶體。與標(biāo)準(zhǔn)石英晶體相比，PiezoStar晶體具備更優(yōu)異的性能，主要優(yōu)勢(shì)包括：

    ●更高的靈敏度

    ●優(yōu)越的溫度穩(wěn)定性

    ●耐高溫性能：可持續(xù)工作于高達(dá)700°C的環(huán)境，短時(shí)可承受高達(dá)1,000°C的溫度

根據(jù)不同的應(yīng)用領(lǐng)域，奇石樂(lè)還可開(kāi)發(fā)具有定制化特性的PiezoStar晶體，以滿足特定傳感器的性能需求。

IEPE壓力傳感器精確捕捉壓力脈動(dòng)

作為專注于水輪機(jī)測(cè)試的研究機(jī)構(gòu)，PTMH為全球工業(yè)客戶提供專業(yè)服務(wù)。隸屬于位于日內(nèi)瓦湖畔的洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院（EPFL），除學(xué)術(shù)研究與教學(xué)工作外，PTMH 還運(yùn)營(yíng)著三座試驗(yàn)臺(tái)，分別用于水輪機(jī)、蓄能泵及水泵水輪機(jī)的測(cè)試，且所有測(cè)試流程均符合 IEC 60193 標(biāo)準(zhǔn)。這類(lèi)嚴(yán)格受控的模型驗(yàn)收測(cè)試，旨在驗(yàn)證水輪機(jī)的水力性能，確保其達(dá)到合同約定的性能指標(biāo)——畢竟，水輪機(jī)的設(shè)計(jì)使用壽命通常長(zhǎng)達(dá)60年以上。

基于 IEC 60193 標(biāo)準(zhǔn)的空化測(cè)試在 PTMH 的 PF2 試驗(yàn)臺(tái)上開(kāi)展，測(cè)試對(duì)象為水泵水輪機(jī)縮尺模型（圖片來(lái)源：PTMH）。

在弗朗西斯式、卡普蘭式、螺旋槳式、燈泡式及水泵水輪機(jī)中，由于水流特性與結(jié)構(gòu)腔體的存在，會(huì)產(chǎn)生壓力脈動(dòng)。這些脈動(dòng)受多種參數(shù)影響，若強(qiáng)度過(guò)高，可能降低設(shè)備性能，甚至造成機(jī)械損傷。一旦在測(cè)試臺(tái)上檢測(cè)到此類(lèi)壓力脈動(dòng)，就必須采取結(jié)構(gòu)上的應(yīng)對(duì)措施，以保障水輪機(jī)運(yùn)行期間的穩(wěn)定性。為此，PTMH在其所有類(lèi)型的縮比模型研發(fā)測(cè)試中，均采用奇石樂(lè)的IEPE壓力傳感器。以下測(cè)量參數(shù)尤為關(guān)鍵：

●在規(guī)定運(yùn)行范圍內(nèi)壓力脈動(dòng)的相對(duì)幅值

●壓力脈動(dòng)的性質(zhì)（周期性 vs. 隨機(jī)性）

●壓力脈動(dòng)的主導(dǎo)頻率

●緩解措施（如空氣注入）的有效性及其最佳布置位置

●測(cè)試模型中脈動(dòng)強(qiáng)度與其他相似轉(zhuǎn)速模型的對(duì)比

配備奇石樂(lè)測(cè)量技術(shù)的 PTMH 水輪機(jī)試驗(yàn)臺(tái)

在 PTMH 的中控系統(tǒng)全面升級(jí)項(xiàng)目中，其水輪機(jī)試驗(yàn)臺(tái)引入了奇石樂(lè)先進(jìn)的壓力測(cè)量系統(tǒng)。該測(cè)量鏈以奇石樂(lè)久經(jīng)市場(chǎng)驗(yàn)證的 601C 型 IEPE 壓力傳感器為核心。這款微型壓電式壓力傳感器搭載PiezoStar?晶體元件，內(nèi)置放大電路（IEPE），可將電荷信號(hào)直接轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)。傳感器兼具緊湊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與卓越的測(cè)量靈敏度，其高固有頻率與快速響應(yīng)特性，更是壓力脈動(dòng)測(cè)量工作的決定性優(yōu)勢(shì)。尤為重要的是，奇石樂(lè) 601C 系列壓力傳感器配備經(jīng)過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)的傳感器膜片，專門(mén)適用于動(dòng)態(tài)壓力測(cè)量場(chǎng)景，且具備抗熱沖擊能力。

PTMH所使用的奇石樂(lè) 601C 型 IEPE 壓力傳感器為 IP68 防護(hù)等級(jí)，配套防水電纜共同運(yùn)行（圖片來(lái)源：奇石樂(lè)）。

對(duì)于 PTMH 的測(cè)量系統(tǒng)而言，能夠耐受水輪機(jī)嚴(yán)苛水動(dòng)力環(huán)境的防水電纜同樣是不可或缺的組成部分。奇石樂(lè) 1983AD 型高絕緣連接電纜采用防水接頭設(shè)計(jì)，防護(hù)等級(jí)達(dá)到 IP68 標(biāo)準(zhǔn)。在數(shù)據(jù)采集環(huán)節(jié)，PTMH 選用了奇石樂(lè)旗下的 LabAmp 數(shù)字式實(shí)驗(yàn)室電荷放大器。該設(shè)備不僅具備豐富的數(shù)據(jù)采集功能與擴(kuò)展選項(xiàng)，還可與 PTMH 自主研發(fā)數(shù)據(jù)分析軟件所基于的 LabVIEW 編程環(huán)境完美兼容。

對(duì)于壓力脈動(dòng)測(cè)量數(shù)據(jù)分析工作，PTMH 選用奇石樂(lè)高端 LabAmp 5165A 型實(shí)驗(yàn)室電荷放大器，該設(shè)備兼容 LabVIEW 環(huán)境（圖片來(lái)源：奇石樂(lè)）。

水電研發(fā)領(lǐng)域的寶貴合作伙伴

PTMH 對(duì)壓力脈動(dòng)分析工作所展現(xiàn)出的高精度給予了高度認(rèn)可：“我們之所以選擇奇石樂(lè)的測(cè)量技術(shù)，不僅是因?yàn)槠?IEPE 壓力傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)壓力脈動(dòng)的高精度測(cè)量，更在于其數(shù)據(jù)采集設(shè)備可與 LabVIEW 環(huán)境無(wú)縫對(duì)接。此外，在多年的項(xiàng)目合作過(guò)程中，奇石樂(lè)提供的快速校準(zhǔn)服務(wù)，以及全方位的技術(shù)咨詢與支持，同樣令我們深感認(rèn)可。”

依托尖端測(cè)量技術(shù)的有力支撐，PTMH 實(shí)現(xiàn)了測(cè)量精度的最大化，成為推動(dòng)水電領(lǐng)域科研創(chuàng)新與工業(yè)應(yīng)用發(fā)展的中堅(jiān)力量。這些配置精良的試驗(yàn)臺(tái)，不僅鞏固了 PTMH 在全球水電科研領(lǐng)域的領(lǐng)先地位，更為水電行業(yè)提供了世界一流的測(cè)試服務(wù)。上述針對(duì)水輪機(jī)試驗(yàn)臺(tái)的技術(shù)升級(jí)投入，保障了測(cè)量工作的精準(zhǔn)性與可靠性，助力該機(jī)構(gòu)持續(xù)在水電科研、教學(xué)及測(cè)試服務(wù)領(lǐng)域保持行業(yè)前沿水平。