第十二章水輪機(jī)自動調(diào)節(jié)

1、第十二章第十二章 水輪機(jī)新技術(shù)水輪機(jī)新技術(shù)第一節(jié) 水輪機(jī)新結(jié)構(gòu)及安裝新技術(shù)第二節(jié) 水輪機(jī)運(yùn)行新技術(shù)第三節(jié) 水輪機(jī)檢修新技術(shù)第四節(jié) 水輪機(jī)設(shè)計新技術(shù)第十二章第十二章 水輪機(jī)新技術(shù)水輪機(jī)新技術(shù)第一節(jié) 水輪機(jī)新結(jié)構(gòu)及安裝新技術(shù)一、水輪機(jī)新結(jié)構(gòu)一、水輪機(jī)新結(jié)構(gòu)1. 1.底環(huán)底環(huán) 對水輪發(fā)電機(jī)組而言，底環(huán)在機(jī)組安裝中起著精確定位的作用。所以，對它的安裝精度要求高。尤其是底環(huán)上帶有止漏環(huán)，其止漏環(huán)的圓度、中心直接關(guān)系到機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定性。 一般，大型機(jī)組的底環(huán)為分瓣組合結(jié)構(gòu)。 三峽水電廠底環(huán)與基礎(chǔ)環(huán)采用局部墊塊的連接方式,這種局部連接方式有利于底環(huán)上抗磨面水平和高程的調(diào)整,有利于保證水平精度,有利于保證底環(huán)

2、與基礎(chǔ)環(huán)的緊固強(qiáng)度,同時減少了加工量。 2.2.水輪機(jī)筒形閥水輪機(jī)筒形閥 筒形閥是水輪機(jī)進(jìn)水閥門的一種新的結(jié)構(gòu)型式，適合安裝在多泥沙河流的引水式電站。在成本較低的情況下，為機(jī)組提供良好的封水性能和充分的安全保護(hù)，正常工況時，閥門在導(dǎo)葉開啟之前開啟，導(dǎo)葉關(guān)閉之后關(guān)閉，飛逸狀態(tài)下或調(diào)速器失靈時閥門緊急關(guān)閉，起事故閥門的作用；機(jī)組長期停機(jī)關(guān)閉筒閥，可保護(hù)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)免遭泥沙和空蝕。此外，筒型閥不像蝴蝶閥，它不會引起水力損失。第一節(jié) 水輪機(jī)新結(jié)構(gòu)及安裝新技術(shù)3.3.導(dǎo)葉摩擦裝置導(dǎo)葉摩擦裝置 導(dǎo)葉摩擦裝置是一種新型的水輪機(jī)活動導(dǎo)葉過壓保護(hù)裝置，與常規(guī)的剪斷銷保護(hù)裝置相比，更安全可靠。具有造價低、安裝維護(hù)方便

3、等優(yōu)點(diǎn)。 導(dǎo)水葉磨擦裝置的結(jié)構(gòu)如圖12-1所示。 導(dǎo)水葉磨擦裝置由壓板、導(dǎo)葉臂、連板、磨擦片、連接銷、聯(lián)接螺栓、導(dǎo)葉臂位移信號裝置和導(dǎo)葉限位塊等組成。作用是保護(hù)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)各傳動件不因過度受力而損壞。 第一節(jié) 水輪機(jī)新結(jié)構(gòu)及安裝新技術(shù)圖圖12-1 12-1 導(dǎo)水葉磨擦裝置結(jié)構(gòu)導(dǎo)水葉磨擦裝置結(jié)構(gòu) 4.4.主軸無接觸密封主軸無接觸密封 主軸無接觸密封的結(jié)構(gòu)如圖12-2所示。 由軸套、密封體、圍帶、密封支座及相應(yīng)的連接件組成。軸套為轉(zhuǎn)動部件，由不銹鋼分瓣制成，用不銹鋼螺栓把合在水輪機(jī)主軸上，隨軸一同轉(zhuǎn)動。 主軸密封因轉(zhuǎn)動部件與靜止部件不接觸，其優(yōu)點(diǎn)是壽命長、不需要維修，而且正常運(yùn)行時，不需要冷卻和潤滑。

4、第一節(jié) 水輪機(jī)新結(jié)構(gòu)及安裝新技術(shù)圖圖12-2 12-2 主軸無接觸密封結(jié)構(gòu)主軸無接觸密封結(jié)構(gòu) 5.5.轉(zhuǎn)輪與主軸的選擇轉(zhuǎn)輪與主軸的選擇 主軸摩擦傳遞扭矩是近年來應(yīng)用在大型水輪發(fā)電機(jī)組上的一項(xiàng)新技術(shù)，其優(yōu)點(diǎn)是聯(lián)結(jié)的各部件互換性強(qiáng)、加工方便、裝拆容易。而傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)用鍵、銷釘、螺栓傳遞扭矩，水輪發(fā)電機(jī)主軸與轉(zhuǎn)輪必須同軸聯(lián)結(jié)。 水輪機(jī)主軸摩擦傳遞扭矩一般采用摩擦鍵結(jié)摩擦鍵結(jié)構(gòu)構(gòu)；轉(zhuǎn)輪與主軸聯(lián)接采用銷套結(jié)構(gòu)與靠磨擦傳遞扭矩解決互換性要求一樣，可以采用主軸、轉(zhuǎn)輪聯(lián)軸螺栓帶銷套結(jié)構(gòu)。第一節(jié) 水輪機(jī)新結(jié)構(gòu)及安裝新技術(shù)二、水輪機(jī)安裝新技術(shù)二、水輪機(jī)安裝新技術(shù)1. 1.機(jī)電安裝重大技術(shù)創(chuàng)新機(jī)電安裝重大技術(shù)創(chuàng)新 發(fā)

5、電機(jī)定子現(xiàn)場整體疊片組裝整體疊片組裝、嵌裝全部線嵌裝全部線圈的現(xiàn)場裝配工藝和定子整體吊裝技術(shù)圈的現(xiàn)場裝配工藝和定子整體吊裝技術(shù)。 發(fā)電機(jī)推力軸承的推力軸瓦以及導(dǎo)軸承的導(dǎo)軸瓦由單一的巴氏合金瓦面材料，增加了彈性金屬塑料瓦的新材料、新結(jié)構(gòu)、新技術(shù)。 超大型水輪機(jī)埋件在現(xiàn)場下料、卷板制造的生產(chǎn)方式。 大型混流式水輪機(jī)的轉(zhuǎn)輪發(fā)展到以散件運(yùn)輸?shù)浆F(xiàn)場、再整體組焊的加工制造工藝。 第一節(jié) 水輪機(jī)新結(jié)構(gòu)及安裝新技術(shù)2.2.蝸殼工地水壓試驗(yàn)蝸殼工地水壓試驗(yàn) 蝸殼工地水壓試驗(yàn)的目的：（1）直觀而又全面地反映焊接質(zhì)量；（2）檢驗(yàn)蝸殼和座環(huán)設(shè)計的合理性；（3）消除焊接殘余應(yīng)力，提高座環(huán)和蝸殼的承載能力和抗應(yīng)力腐蝕開裂

6、能力；（4）方便實(shí)施蝸殼打壓埋置法，削減蝸殼外包混凝土中拉應(yīng)力，降低混凝土開裂可能性。 金屬蝸殼進(jìn)行水壓試驗(yàn)后，采用保壓（一般為最大水頭時的壓力值）澆混凝土，減少了蝸殼彈性層的鋪設(shè)和蝸殼內(nèi)部加固支撐焊接兩道工序，既節(jié)約了工程投資，又加快了廠房混凝土澆筑進(jìn)度。 第一節(jié) 水輪機(jī)新結(jié)構(gòu)及安裝新技術(shù)3.水輪機(jī)安裝技術(shù)的發(fā)展與展望（1）超大型水電機(jī)組結(jié)構(gòu)裝配中的剛強(qiáng)度及裝配應(yīng)力控制技術(shù)；轉(zhuǎn)輪在現(xiàn)場組裝、焊接、應(yīng)力消除和加工技術(shù)；（2）超大型機(jī)組埋件現(xiàn)場制作工藝技術(shù)的規(guī)范與制造方式的推廣，埋件制造方式的變革性創(chuàng)新；（3）內(nèi)冷電機(jī)繞組的安裝與試驗(yàn)（包括水力和電氣試驗(yàn)）技術(shù)，水處理系統(tǒng)與機(jī)組聯(lián)合起動調(diào)試技術(shù)；

7、第一節(jié) 水輪機(jī)新結(jié)構(gòu)及安裝新技術(shù)第二節(jié) 水輪機(jī)運(yùn)行新技術(shù)一、機(jī)組過渡過程一、機(jī)組過渡過程 為了避免機(jī)組在甩負(fù)荷過程中轉(zhuǎn)速上升值和引水系統(tǒng)壓力上升值過高，造成破壞事故。又為避免水輪機(jī)頂蓋下真空值太大產(chǎn)生反水錘和負(fù)的軸向水推力太大引起抬機(jī)現(xiàn)象，應(yīng)該采用必要的安全措施，保證水電站的安全。這些工程措施主要包括： 導(dǎo)葉的關(guān)閉時間指調(diào)速器某一整定的情況下，接力器關(guān)閉行程所需最小時間，如圖12-6所示，這種關(guān)閉規(guī)律，稱為一段直線關(guān)閉。 st2.采用合理的導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律 采用導(dǎo)葉兩段直線關(guān)閉規(guī)律，這種關(guān)閉規(guī)律比一段直線關(guān)閉規(guī)律對改善水輪機(jī)甩負(fù)荷過渡過程品質(zhì)更為有利。 3.補(bǔ)氣 通常采用真空破壞閥向轉(zhuǎn)輪區(qū)域補(bǔ)入空

8、氣1.選擇合理的導(dǎo)水機(jī)構(gòu)關(guān)閉時間第二節(jié) 水輪機(jī)運(yùn)行新技術(shù)4.設(shè)置調(diào)壓閥（井） 調(diào)壓閥又稱空放閥，一般裝置在水輪機(jī)蝸殼進(jìn)口處，設(shè)置調(diào)壓閥后，當(dāng)機(jī)組甩掉負(fù)荷，伴隨導(dǎo)葉關(guān)閉的同時調(diào)壓閥自動開啟，使管道中一部分流量從調(diào)壓閥排泄，使引水管道中的流量相對時間的變化率減小，壓力上升值降低。 的安全措施，實(shí)踐表明只要補(bǔ)氣方式合理與補(bǔ)氣量足夠，是能有效地防止抬機(jī)事故的。第二節(jié) 水輪機(jī)運(yùn)行新技術(shù) 對于具有長引水管道的水電站，為了解決甩負(fù)荷時水擊壓力上升和轉(zhuǎn)速上升的矛盾，通常采用調(diào)壓井。但考慮到修建調(diào)壓井投資大，工期長，受自然條件限制等原因，一般認(rèn)為在系統(tǒng)中不擔(dān)任主調(diào)頻任務(wù)，并且單機(jī)容量占系統(tǒng)比重較小的水電站可以采

9、用調(diào)壓閥代替調(diào)壓井。5.脈沖式安全閥爆破膜網(wǎng)調(diào)壓方式 利用脈沖式安全閥爆破膜裝置代替調(diào)壓井效果良好。當(dāng)機(jī)組突然甩負(fù)荷導(dǎo)葉快速關(guān)閉時，利用升高的水壓開啟脈沖式安全閥，泄放一定的流量，降低引水系統(tǒng)的壓力上升值，確保引水系統(tǒng)安全。 二、水輪機(jī)空蝕檢測與在線監(jiān)測 從水輪機(jī)的整個發(fā)展歷史看，空蝕是水輪機(jī)發(fā)展的重大障礙之一。 水輪機(jī)空化現(xiàn)象的常用檢測方法有：能量法、高速攝影法、閃頻觀察法和檢測空化噪聲等方法。 三、廠內(nèi)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行 水電站廠內(nèi)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行（也稱為優(yōu)化運(yùn)行）是指在安全、可靠、優(yōu)質(zhì)地生產(chǎn)電能的基礎(chǔ)上，合理地組織、調(diào)度電廠的發(fā)電設(shè)備，以獲得最大的經(jīng)濟(jì)效益。第二節(jié) 水輪機(jī)運(yùn)行新技術(shù)第三節(jié) 水輪機(jī)檢修新技術(shù)

10、一、狀態(tài)檢修一、狀態(tài)檢修 設(shè)備狀態(tài)檢修是一種先進(jìn)的檢修管理方式，能有效地克服定期檢修造成設(shè)備過修或欠修的問題；提高設(shè)備經(jīng)濟(jì)運(yùn)行及安全運(yùn)行水平；提高設(shè)備可靠性和可用率，增加發(fā)電量，提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。 狀態(tài)檢修專家決策系統(tǒng)由三個系統(tǒng)組成： （1）設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)，即在線監(jiān)測系統(tǒng)及離線數(shù)據(jù)系統(tǒng)； （2）數(shù)據(jù)分析、處理和判斷系統(tǒng)，即設(shè)備故障診斷系統(tǒng)； （3）公司（電站）管理層決策系統(tǒng)。 二、主軸修復(fù)二、主軸修復(fù) 主軸與密封結(jié)構(gòu)相接觸的軸頸常年與水、泥沙接觸，磨損快而嚴(yán)重，采用包焊不銹鋼板的修復(fù)方式費(fèi)工、費(fèi)時且成本較高。為此可噴鍍技術(shù)，即在軸頸處鍍上一層金屬，然后再加工。第三節(jié) 水輪機(jī)檢修新技術(shù)（1

11、）改造了一批老機(jī)組，增加了出力，提高了運(yùn)行可靠性；（2）積極采用實(shí)用、成熟可靠的技術(shù)改造老機(jī)組取得實(shí)效。（3）水電綜合自動化改造取得了長足進(jìn)展；（4）利用現(xiàn)有水工設(shè)施，擴(kuò)機(jī)增容取得良好效果。1.水電技術(shù)改造的回顧三、水輪機(jī)的增容改造三、水輪機(jī)的增容改造第三節(jié) 水輪機(jī)檢修新技術(shù)（1）改造老設(shè)備，提高設(shè)備可靠性、經(jīng)濟(jì)性；（2）提高水電站自動化水平，加快實(shí)施計算機(jī)監(jiān)控，推進(jìn)水電廠“無人值班”（少人值守），提高水電的經(jīng)濟(jì)性；（3）大力提倡擴(kuò)機(jī)增容，提高水能利用率增加水電調(diào)峰能力。2.2.水電站機(jī)電設(shè)備改造重點(diǎn)和目標(biāo)水電站機(jī)電設(shè)備改造重點(diǎn)和目標(biāo)第三節(jié) 水輪機(jī)檢修新技術(shù)第四節(jié) 水輪機(jī)設(shè)計新技術(shù)一、概述一、

12、概述 葉片式流體機(jī)械內(nèi)部流體運(yùn)動是十分復(fù)雜的三維流動，過去的數(shù)值計算通常將其簡化為二維，甚至一維流動求解。 對軸流式轉(zhuǎn)輪， 應(yīng)用圓柱層無關(guān)性假設(shè)；對混流式葉輪，假定葉片無窮多，即流動時軸對稱的。二、基本方程二、基本方程 在通常的水輪機(jī)流場數(shù)值模擬中，基本控制方程主要為：1.連續(xù)性方程0)(ut2.動量守恒定律uuuu21)(pft3.能量方程tpsgradtckdivtdivtt)()()(u第四節(jié) 水輪機(jī)設(shè)計新技術(shù) 標(biāo)準(zhǔn)模型 是個半經(jīng)驗(yàn)公式，主要是基于湍流動能和擴(kuò)散率。 三、湍流模型三、湍流模型k 根據(jù)采用的微分輸運(yùn)方程個數(shù)，湍流模型可分為零方程模型、單方程模型、雙方程模型、雷諾應(yīng)力模型和代

13、數(shù)應(yīng)力模型等。在各類雙方程模型中，模型 得到廣泛應(yīng)用。 k四、離散方法及壓力四、離散方法及壓力- -速度耦合速度耦合 將流體力學(xué)的連續(xù)流動用多個質(zhì)點(diǎn)、離散渦或有限波系的運(yùn)動來近似，在數(shù)學(xué)上就表示為有限差分法、有限元法、有限分析法等；第四節(jié) 水輪機(jī)設(shè)計新技術(shù)五、靠近固體壁面的處理方法五、靠近固體壁面的處理方法 大量的試驗(yàn)表明，對于存在固體壁面的充分發(fā)展的湍流流動，沿壁面法線的不同距離上可將流動劃分為壁面區(qū)（或稱內(nèi)區(qū)、近壁區(qū)）和核心區(qū)（或稱外區(qū)）。對核心區(qū)的流動，通常認(rèn)為是完全湍流區(qū)。而在壁面區(qū)，流體運(yùn)動受壁面流動條件的影響比較明顯，壁面區(qū)又可分為3個子層：粘性底層、過渡層和對數(shù)律層。第四節(jié) 水輪

14、機(jī)設(shè)計新技術(shù)六、動靜區(qū)域問題的處理 在水輪機(jī)全流道的數(shù)值模擬中，不僅要考慮旋轉(zhuǎn)部件，同時還要考慮靜止部件。有關(guān)文獻(xiàn)提供了以下三種解決的辦法：(1)多參考系模型；(2)混合平面模型；(3)滑動網(wǎng)格模型;七、邊界條件定義七、邊界條件定義 邊界條件，是指在求解域的邊界上所求解的變量或其一階導(dǎo)數(shù)隨地點(diǎn)及時間的變化規(guī)第四節(jié) 水輪機(jī)設(shè)計新技術(shù) 律，只有給定了合理的邊界條件的問題，才可能計算出流場的解。 對于以不可壓縮流體為介質(zhì)的水輪機(jī)，邊界條件的類型有：流動（速度、壓力）進(jìn)口邊界、流動（速度、壓力）出口邊界、壁面邊界和周期性邊界等。八、網(wǎng)格劃分八、網(wǎng)格劃分 網(wǎng)格是cfd模型的幾何表達(dá)形式，也是模擬與分析的

15、載體，網(wǎng)格質(zhì)量對cfd計算精度、計算效率以及收斂性有重要影響。 第四節(jié) 水輪機(jī)設(shè)計新技術(shù) 網(wǎng)格(grid)分為結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格和非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格(unstructured grid)兩大類。 單元(cell)是構(gòu)成網(wǎng)格的基本元素。在結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格中，常用的2d網(wǎng)格單元是四邊形單元，3d網(wǎng)格單元是六面體單元。而在非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格中，常用的2d網(wǎng)格單元還有三角形單元，3d網(wǎng)格單元還有四面體單元和五面體單元，下面分別給出常用的2d和3d網(wǎng)格單元（圖8-13和圖8-14）。 第四節(jié) 水輪機(jī)設(shè)計新技術(shù) (a)(a)三角形三角形(b)(b)四邊形四邊形圖圖12-13 2d12-13 2d網(wǎng)格單元網(wǎng)格單元圖圖12-14 3d1

16、2-14 3d網(wǎng)格單元網(wǎng)格單元九、數(shù)據(jù)后處理九、數(shù)據(jù)后處理 在完成水輪機(jī)數(shù)值計算工作后，為更方便地去分析、研究水輪機(jī)的內(nèi)外特性，需要對結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行處理及可視化，即數(shù)據(jù)后處理。 目前一些cfd軟件具有這個功能。 數(shù)據(jù)后處理工作主要包括兩方面內(nèi)容：一是計算生成一些特征參數(shù)總量或分量的數(shù)值信息；一是繪制形象直觀的各類圖形。 第四節(jié) 水輪機(jī)設(shè)計新技術(shù)十、水輪機(jī)性能預(yù)估十、水輪機(jī)性能預(yù)估 在完成水輪機(jī)數(shù)值計算之后，通過數(shù)據(jù)后處理，可以進(jìn)行水輪機(jī)一些主要性能的預(yù)估。常見有能量性能預(yù)估模型及空化性能預(yù)估模型。十一、十一、cfdcfd技術(shù)在水輪機(jī)優(yōu)化設(shè)計中的應(yīng)用技術(shù)在水輪機(jī)優(yōu)化設(shè)計中的應(yīng)用 水輪機(jī)過流部件的設(shè)計計算有兩類：一是已知過流部件形式及來流狀況，求解部件中的流場特性，特別是確定