大型混流式水輪機(jī)水力穩(wěn)定性研究.pdf

1、隨著水電機(jī)組單機(jī)容量的提高，機(jī)組尺寸的逐步增大，比轉(zhuǎn)速的不斷提高，相對剛度的減弱，人們對于大型混流式水輪機(jī)的運(yùn)行穩(wěn)定性日益重視，同時(shí)，隨著技術(shù)的高速發(fā)展，機(jī)組運(yùn)行的自動(dòng)化程度越來越高，無人值班、少人值守，遠(yuǎn)程控制的水電廠日益增多，對機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性的要求亦日趨嚴(yán)格。另一方面，國內(nèi)外許多大型混流式水輪發(fā)電機(jī)組相繼出現(xiàn)振動(dòng)問題，不僅影響了正常的生產(chǎn)運(yùn)行，有的還危及到機(jī)組的安全，因此，水力穩(wěn)定性已經(jīng)引起電力及制造行業(yè)的普遍關(guān)注，也給行業(yè)內(nèi)的專家

2、學(xué)者提出了新的研究課題，本文的研究就是基于這樣的背景下進(jìn)行的。 大型混流式水輪機(jī)水力穩(wěn)定性有關(guān)的原因比較復(fù)雜，在電站的表現(xiàn)形式也多種多樣，如尾水管低頻壓力脈動(dòng)、卡門渦、葉道渦等，在這些水力原因中，尾水管渦帶又是機(jī)組振動(dòng)最主要的原因，其危害性也最大。而對水力穩(wěn)定性的研究方法主要有模型試驗(yàn)研究、真機(jī)試驗(yàn)研究、CFD數(shù)值解析這三種。本文針對東江水電廠機(jī)組出現(xiàn)的振動(dòng)問題，采用以上三種方法相結(jié)合的手段，對機(jī)組振動(dòng)的原因進(jìn)行了綜合研究。

3、 水輪機(jī)模型試驗(yàn)是研究真機(jī)水力穩(wěn)定性的重要手段。盡管現(xiàn)在已經(jīng)具備對水輪機(jī)進(jìn)行較準(zhǔn)確的數(shù)值模擬及性能預(yù)測的手段及仿真技術(shù)，但是最終仍需進(jìn)行模型試驗(yàn)來確定模型轉(zhuǎn)輪的能量特性、汽蝕特性以及水力穩(wěn)定性等。對于已運(yùn)行的機(jī)組，通過模型試驗(yàn)可以模擬電廠的運(yùn)行工況以研究真機(jī)運(yùn)行的各種特性。通過對電廠的模型機(jī)組進(jìn)行多方面試驗(yàn)研究的結(jié)果表明，轉(zhuǎn)輪的能量特性較差；在小開度下，模型機(jī)組尾水管內(nèi)存在較大的低頻壓力脈動(dòng)；不同形狀的泄水錐對模型機(jī)組尾水管的低頻壓

4、力脈動(dòng)有較大的影響；針對具體情況，采用不同的補(bǔ)氣方法可減輕機(jī)組的振動(dòng)。 真機(jī)試驗(yàn)是研究真機(jī)水力穩(wěn)定性的直接手段，模型試驗(yàn)固然重要，但也有其局限性，如真機(jī)與模型幾何相似的假定條件就是相對的，加上水輪機(jī)過流部件內(nèi)的流動(dòng)極為復(fù)雜，各電站水輪機(jī)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)也差別很大，由水輪機(jī)模型試驗(yàn)的振動(dòng)特性很難預(yù)估真機(jī)的運(yùn)行穩(wěn)定性，使水輪機(jī)振動(dòng)的真機(jī)試驗(yàn)研究為國內(nèi)外專家所重視。通過大量的研究表明，水輪機(jī)振動(dòng)有其共性，也有其個(gè)性?？梢?，通過模型試驗(yàn)并不能

5、全面了解真機(jī)的所有性能，尤其是和機(jī)組振動(dòng)密切相關(guān)的動(dòng)態(tài)特性，因此，雖然相比模型試驗(yàn)來說，真機(jī)試驗(yàn)受到許多實(shí)際條件的限制，但是在研究具體電站的具體問題，特別是要了解機(jī)組的制造質(zhì)量、安裝質(zhì)量等模型上沒有的信息對機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性的影響時(shí)，真機(jī)試驗(yàn)必不可少。本論文對電廠的真機(jī)做了多方面的試驗(yàn)研究，包括過流部件的實(shí)測；不同水頭下的變負(fù)荷、變勵(lì)磁試驗(yàn)研究；機(jī)組振動(dòng)的頻率特性分析；補(bǔ)氣對真機(jī)穩(wěn)定性的影響以及機(jī)組振動(dòng)與大壩振動(dòng)的之間的關(guān)系分析。試驗(yàn)的結(jié)果

6、表明，東江水電廠機(jī)組的制造及安裝質(zhì)量存在較大的缺陷；機(jī)組在每個(gè)水頭下均存在兩個(gè)振動(dòng)工況區(qū)，且隨著水頭的升高，振動(dòng)工況區(qū)有向小出力偏移的趨勢；在部分負(fù)荷時(shí)，尾水管中產(chǎn)生偏心渦，引起尾水管低頻壓力脈動(dòng)；采用合適的補(bǔ)氣方法及補(bǔ)氣量，對于減輕東江水電廠機(jī)組的振動(dòng)是有效的。 與模型試驗(yàn)和真機(jī)試驗(yàn)相比，CFD數(shù)值解析在成本與周期、所獲得的信息量等方面有著巨大的優(yōu)勢，因此，這一方法的應(yīng)用也越來越普遍、深入，也使得人們對于大型混流式水輪機(jī)過流部

7、件中主流內(nèi)特性的了解日益加深。本文通過“部分耦合”的方法對真機(jī)在不同運(yùn)行工況下的穩(wěn)定場進(jìn)行了數(shù)值解析，并全面的分析了各過流部件內(nèi)的流動(dòng)特性以及其能量特性。 僅僅對機(jī)組的過流部件進(jìn)行穩(wěn)定場的CFD數(shù)值分析還不足以解決所有與水輪機(jī)水力穩(wěn)定性有關(guān)的問題，因此在本論文的最后，采用雷諾應(yīng)力湍流模型對真機(jī)尾水管在不同運(yùn)行工況下進(jìn)行了非穩(wěn)定場的CFD數(shù)值解析，分析渦帶的運(yùn)動(dòng)規(guī)律及其產(chǎn)生的低頻壓力脈動(dòng)特性，并與真機(jī)的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較，結(jié)果比較