2009開題報(bào)告

1、 一、畢業(yè)設(shè)計(jì)的課題來源、類型本專業(yè)培養(yǎng)從事電廠機(jī)電設(shè)備及其控制裝置的設(shè)計(jì)、安裝、運(yùn)行及管理的高級工程技術(shù)人才。畢業(yè)生面向大型發(fā)電廠、設(shè)計(jì)院、科研院所、水電工程建設(shè)部門、電力設(shè)備制造等單位。根據(jù)專業(yè)的培養(yǎng)目標(biāo)和畢業(yè)設(shè)計(jì)選題的具體要求，我選擇長湖水電站水輪機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及CAD。廣東省長湖水電廠，即現(xiàn)廣東粵電長湖發(fā)電有限責(zé)任公司，隸屬廣東省粵電集團(tuán)有限公司。共裝有兩臺軸流轉(zhuǎn)槳式水輪發(fā)電機(jī)組，裝機(jī)容量為76兆瓦，年均發(fā)電量約為2.88億千瓦時(shí)。發(fā)電廠房位于離北江與翁江匯合口9千米的翁江下游，于1969年開始興建，兩機(jī)組先后于1973年3月28日和1974年6月7日投產(chǎn)發(fā)電，這是廣東省當(dāng)時(shí)第一臺低水頭、

2、轉(zhuǎn)槳水輪發(fā)電機(jī)組，當(dāng)時(shí)這兩臺機(jī)組單機(jī)容量均為36兆瓦，2003年對#2機(jī)進(jìn)行了增容改造，容量增加到40兆瓦。主要水工建筑和發(fā)供電設(shè)備有：混凝土重力壩、水輪發(fā)電機(jī)組、主變壓器，220千伏戶外GIS（六氟化硫組合開關(guān)）。水庫以發(fā)電為主，兼有防洪、灌溉、航運(yùn)、養(yǎng)殖和旅游等綜合功能。水庫集雨面積4800平方公里，占翁江流域總面積的97.36%。有效庫容0.55億立方米，最大庫容1.55億立方米。水庫大壩是寬縫砂腔混凝土溢流重力壩，壩頂高程66米，壩頂長181米，在河床壩段設(shè)有5孔開敞式溢洪道，每孔溢洪道裝有13×13.2平方米的弧形鋼閘門，設(shè)計(jì)洪水最大泄流量7080m3/s。大壩防洪標(biāo)準(zhǔn)為百

3、年一遇洪水設(shè)計(jì)，千年一遇洪水校核，設(shè)計(jì)洪水水位62.80米，校核水位65.62米，正常蓄水位62米，發(fā)電極限水位53米。農(nóng)田灌溉引水口布置在右岸壩體上，引用流量4.6立方米每秒，灌溉農(nóng)田面積2866.67公頃（相當(dāng)于4.3萬畝）。本課題來源于該電站水輪機(jī)部分的設(shè)計(jì)，屬于實(shí)際工程設(shè)計(jì)類型 。二、選題的目的和意義中國水能資源居世界第一位。我國的水能資源理論蘊(yùn)藏量有6.78億千瓦，年發(fā)電量5.92萬億千瓦時(shí)，居世界第一位，有美好的開發(fā)前景。到1991年，我國已開發(fā)水電裝機(jī)容量3788萬千瓦，年發(fā)電量1248億千瓦時(shí)，占經(jīng)濟(jì)可開發(fā)水電發(fā)電量的9.9。預(yù)計(jì)，2000年我國水電總裝機(jī)容量可達(dá)9000萬千瓦

4、；20002020年再增加9000萬千瓦，到2020年累計(jì)達(dá)1.8億千瓦；20202050年再開發(fā)1.1億千瓦，將我國經(jīng)濟(jì)可開發(fā)水能資源全部開發(fā)出來，達(dá)到2.9億千瓦。但是我國在水輪機(jī)設(shè)計(jì)研究方面仍然未能達(dá)到世界領(lǐng)先水平，而且我國研制的水輪機(jī)效率低、壽命短，空化空蝕防護(hù)措施及減振措施方面都存在不足。畢業(yè)設(shè)計(jì)是我即將完成學(xué)業(yè)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，它既是對我所學(xué)知識的全面總結(jié)和綜合應(yīng)用，又為今后走向社會的實(shí)際操作鑄就了一個(gè)良好的開端。通過畢業(yè)設(shè)提高和鞏固我所學(xué)的理論知識，培養(yǎng)我綜合運(yùn)用所學(xué)理論知識和基本技能解決工程實(shí)際和科學(xué)研究問題的能力；培養(yǎng)我進(jìn)行調(diào)查研究和查閱、收集、分析、整理資料的能力，而且在本次

5、畢業(yè)設(shè)計(jì)過程中不但可以培養(yǎng)制定設(shè)計(jì)方案的能力而且還能熟練我的CAD軟件繪圖技能。并且我所報(bào)的研究生專業(yè)是流體機(jī)械及工程，基于以上原因我選擇了長湖水電站水輪機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及CAD，選擇該題目不僅能使我對以前所學(xué)專業(yè)知識加深理解和應(yīng)用，而且對我以后上研究生也會起到促進(jìn)作用。3、 本課題在國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢國內(nèi)水輪機(jī)設(shè)計(jì)新技術(shù)（1）水輪機(jī)優(yōu)化-能量分析模型預(yù)估技術(shù)CFD分析即用CFDComputational Fluid Dynamics （計(jì)算流體力學(xué)）的方法，模擬計(jì)算實(shí)際的流動。對原型或模型水輪機(jī)進(jìn)行CFD分析，就是應(yīng)用數(shù)值計(jì)算的方法，模擬計(jì)算水輪機(jī)各過流部件內(nèi)部的流動情況，得出內(nèi)流的速度場

6、、壓力場等。從而預(yù)估水輪機(jī)的性能，進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。 近年來計(jì)算機(jī)與計(jì)算技術(shù)、流體機(jī)械三維流動分析與設(shè)計(jì)理論都已取得了很大的進(jìn)步，使得現(xiàn)代轉(zhuǎn)輪的設(shè)計(jì)取得了長足的進(jìn)步，其中水力機(jī)械過流部件的三維流動分析、三維設(shè)計(jì)和優(yōu)化算法已成為過流部件水力設(shè)計(jì)與流動分析的重要工具。 在三維粘性流設(shè)計(jì)模型的基礎(chǔ)上，又實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)方案的計(jì)算機(jī)自尋優(yōu)，達(dá)到了根據(jù)廠站的實(shí)際水力參數(shù)進(jìn)行“量體載衣”式的設(shè)計(jì)，取得了水力機(jī)械轉(zhuǎn)輪設(shè)計(jì)方法的重大突破。到目前為止，已先后為有關(guān)電站、多家水輪機(jī)廠和有關(guān)研究單位的幾十臺水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪進(jìn)行了改型設(shè)計(jì)，全部達(dá)到了用戶提出的改造目標(biāo)。這種針對某一電站進(jìn)行專門設(shè)計(jì)與制造的水輪機(jī)選型方法，可

7、以保證讓每一個(gè)電站都可以選出適合自己電站條件的最優(yōu)水輪機(jī)型式，從而達(dá)到最佳運(yùn)行效果，取得最大經(jīng)濟(jì)效益。通過采用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬技術(shù)對水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪進(jìn)行增容改造，具有低投入、高產(chǎn)出、見效快的特點(diǎn)。在改善運(yùn)行性能的同時(shí)減少了運(yùn)行及維修費(fèi)用、減少了機(jī)組的停機(jī)時(shí)間，使電廠費(fèi)用降低并盡快受益。能量分析模型技術(shù)已經(jīng)在電廠增容改造過程中已經(jīng)顯得越來越重要，利用CFD技術(shù)真實(shí)模擬電廠運(yùn)營情況，為電廠發(fā)現(xiàn)問題解決問題提供重要依據(jù)，同時(shí)利用此技術(shù)由于可以直接模擬電廠技術(shù)，從經(jīng)濟(jì)上可以避免重復(fù)投入，具有低投入、高產(chǎn)出、見效快的特點(diǎn)。（2）水電站增容改造-X型葉片轉(zhuǎn)輪進(jìn)入上世紀(jì)90年代后，流動計(jì)算和測試技術(shù)的發(fā)展促進(jìn)

8、了對水輪機(jī)先進(jìn)設(shè)計(jì)方法，這個(gè)時(shí)期混流式水輪機(jī)模型轉(zhuǎn)輪的最高效率已達(dá)到94%的水平，而抗空蝕性能大幅度提高，出現(xiàn)了被譽(yù)為新一代高性能的X型葉片轉(zhuǎn)輪。 X型葉片的主要結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為：葉片進(jìn)口具有“負(fù)傾角”，同時(shí)，靠近上冠處翼形為負(fù)曲率。為適應(yīng)能量轉(zhuǎn)換和出口條件的要求，葉片出水邊不在軸面上，而是一空間曲線。X型葉片的以上特點(diǎn)，使其表現(xiàn)出良好的水力性能。與傳統(tǒng)葉輪相比，X葉輪具有高效率、高水力性能等許多優(yōu)點(diǎn)，目前這種高性能的X葉型轉(zhuǎn)輪已用于三峽等大型電站，并取得了很好的經(jīng)濟(jì)效益。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，在中小型水電站的建設(shè)及其對老式電站的改造中，應(yīng)用此種高性能葉輪已成為必然的趨勢。（3）水輪機(jī)過流部件抗磨蝕的新技

9、術(shù)1.水輪機(jī)過流部件抗磨蝕技術(shù)抗磨材料的篩選，根據(jù)渠輸沙量顆粒分析對固定部件采用環(huán)氧金剛砂修補(bǔ)，常溫修補(bǔ)經(jīng)過機(jī)組實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)抗磨蝕性能良好。但與水輪機(jī)母體材料粘接強(qiáng)度差、易剝落，一般運(yùn)行36個(gè)月發(fā)生60%左右的剝落。根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際，課題組決定采取加溫至50時(shí)施工，得到了良好效果。對轉(zhuǎn)動部件根據(jù)拒馬河挾沙情況，最先使用彈性橡膠涂層，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)彈性橡膠在轉(zhuǎn)輪葉片負(fù)壓區(qū)粘接力弱，出現(xiàn)大片剝離脫落，而此處正是空蝕最嚴(yán)重區(qū)域，隨后課題組經(jīng)過研究決定改用復(fù)合尼龍保護(hù)。最后課題組經(jīng)過反復(fù)實(shí)驗(yàn)、研究、比較、篩選最后確定對水輪機(jī)固定部件采用中溫環(huán)氧金剛砂修補(bǔ)，轉(zhuǎn)動部件使用復(fù)合尼龍噴涂粉末保護(hù)。2.轉(zhuǎn)輪采用復(fù)合尼龍

10、粉末噴涂復(fù)合尼龍粉末為灰白色粉末，由高分子材料尼龍、環(huán)氧和多種添加劑經(jīng)復(fù)合處理混合而成，既具有尼龍材料的耐磨、耐沖擊性能又兼?zhèn)洵h(huán)氧的優(yōu)異的粘接性能。粉末噴涂在表面經(jīng)過噴沙處理加熱至200左右的轉(zhuǎn)輪上，粉末噴涂就熔融流平形成保護(hù)層，經(jīng)固化成膜，具有優(yōu)良的耐磨蝕性能，其抗磨系數(shù)是30#鋼的23倍，耐磨蝕性能是30#鋼的5倍，粘接強(qiáng)度達(dá)60MPa以上，剪切強(qiáng)度35MPa，替代工件表面抵御流體中泥沙顆粒及空蝕的破壞，從而使工件使用壽命延長，保證了使用期的效率，其施工工藝也比較簡單，首先將轉(zhuǎn)輪去油污后噴沙除銹露出金屬本體，并形成一定毛糙度。用表面活性劑刷涂轉(zhuǎn)輪表面，以加強(qiáng)金屬與高分子材料的粘接力和界面防

11、水性，然后在烘箱內(nèi)加溫，使溫度達(dá)到200220后保溫3060分鐘，取出后用凈化的0.1M0.2MPa的壓縮空氣，通過專用噴槍，將裝在專用噴粉器內(nèi)的復(fù)合粉末噴涂到轉(zhuǎn)輪表面并熔融流平，若一次噴涂厚度不足，可多次噴涂，最后在烘箱內(nèi)保持180固化4560分鐘取出，完成全部工藝。復(fù)合尼龍粉沫噴涂工藝簡單、易操作，只要空氣能流通之處均能涂復(fù)，適合于造型復(fù)雜、流道較小的中小水電機(jī)組轉(zhuǎn)輪，且施工時(shí)間短，1015分鐘即可噴涂一個(gè)轉(zhuǎn)輪，但對溫度控制要求嚴(yán)格。3.對水輪機(jī)固定部件采用環(huán)氧金剛砂涂層保護(hù)環(huán)氧金剛砂由環(huán)氧樹脂為主體輔以多元醇縮水甘油醚為活性稀釋劑，加固化劑組成。環(huán)氧樹脂具有優(yōu)異的粘接力，并且施工工藝簡易

12、，可在常溫下施工。在加溫至5060時(shí)與鋼鐵的粘接抗拉強(qiáng)度為40M60MPa。剪切強(qiáng)度為20M35MPa，加入剛性填料金剛砂后抗磨性能優(yōu)異，抗磨系數(shù)是30#鋼的2倍，耐磨蝕性能相當(dāng)于30#鋼。其加工工藝是：工件去油污后經(jīng)噴沙除銹露出金屬本體，并形成一定的毛糙度。用表面活性劑刷涂需要涂復(fù)的工件表面，以強(qiáng)化粘結(jié)界面的粘接力和防水性，然后將工件加熱至50左右將環(huán)氧樹脂及活性劑、固化劑按比例攪拌均勻，呈乳棕色膠體狀，用刷子或刮板，涂復(fù)在所需修復(fù)工件的表面上作為基層；再將余下的部分按15重量比例加入金剛砂，充分拌合均勻成沙漿狀，用刮板或加熱后的抹刀涂復(fù)到基層上，充分壓平使表面光滑，達(dá)到要求的厚度?？刹捎贸?/p>

13、溫23天固化或處于50左右范圍內(nèi)34小時(shí)固化后即可使用。（4）密封新技術(shù)新型密封環(huán)采用減摩改性高溫樹脂，混合有機(jī)芳綸（EVLAR）、碳纖維與無機(jī)纖維，并添加了石墨粉、二硫化鉬粉、銅粉等固體潤滑劑，通過冷熱兩次模壓成型。特點(diǎn)：具有優(yōu)良的減摩、耐磨、耐高溫等特性，已替代進(jìn)口的密封環(huán)配件。應(yīng)用范圍：大型水輪機(jī)可逆式機(jī)組水尖一水輪機(jī)主軸密封系統(tǒng)，其他制動裝置中高壓高速的制動元件。主要技術(shù)指標(biāo)：使用最高溫度250300，壓力速度值PV30MPa.m/s國外水輪機(jī)設(shè)計(jì)現(xiàn)狀趨勢加拿大：加拿大魁北克水電局的研究人員通過計(jì)算機(jī)仿真，提高了水電站的水輪機(jī)效率?？笨怂娋值难芯咳藛T利用計(jì)算機(jī)能仿真流經(jīng)進(jìn)水口、壓力

14、鋼管、蝸殼、導(dǎo)水機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)輪和尾水管的水流。研究人員也能觀察以不同角度進(jìn)入進(jìn)水口的水流。利用計(jì)算機(jī)仿真，研究人員能確定水輪機(jī)內(nèi)任意點(diǎn)水流的方向和速度。在分析數(shù)據(jù)后得出結(jié)論，效率低與進(jìn)水口和壓力鋼管無關(guān)。分析表明，轉(zhuǎn)輪入口處的水流均勻，蝸殼內(nèi)的水流也很好。雖然上述水流流態(tài)正常，但分析確實(shí)也表明：就在最高效率點(diǎn)之前，在上游彎管中有很大渦流，在轉(zhuǎn)輪進(jìn)水邊附近以及葉片正面靠近上冠處，也發(fā)現(xiàn)小的渦流。根據(jù)上述情況，研究人員得出結(jié)論：效率問題是由于轉(zhuǎn)輪出口處存在不良的流態(tài)，而渦流現(xiàn)象是影響效率的主要原因。研究人員認(rèn)為，要改進(jìn)水輪機(jī)的低效率，必須改善轉(zhuǎn)輪和尾水管之間的水流。與此同時(shí)，對轉(zhuǎn)輪出口作了修改，對轉(zhuǎn)輪

15、葉片的后緣重新設(shè)計(jì)。結(jié)果使渦流消失，流經(jīng)尾水管的水流流態(tài)極佳。一個(gè)獨(dú)立的研究小組對改進(jìn)后的水輪機(jī)進(jìn)行效率測試。結(jié)果表明，在所有工況下，水輪機(jī)的效率明顯提高，效率提高1.5左右，水輪機(jī)容量增加了7.8MW。雖然效率已經(jīng)提高，研究人員也發(fā)現(xiàn)：新的設(shè)計(jì)增加了入口處的空蝕。修改前后的測量表明，增加了空蝕的潛在因素。經(jīng)計(jì)算，在最高效率點(diǎn)，空蝕增加了30，在最大負(fù)荷時(shí)，增加85。雖然原先的空蝕很小，但研究人員認(rèn)為空蝕不是重要問題?？笨怂娋终J(rèn)為，效率的增加帶來的效益大大超過因維修而增加的少量費(fèi)用。挪威：挪威于1968年開始采用水冷發(fā)電機(jī)，到1991年共有15臺發(fā)電機(jī)是采用全水冷方式，是世界上數(shù)量最多的。

16、目前，又設(shè)計(jì)了定子用水冷、轉(zhuǎn)子用氣冷的發(fā)電機(jī)組，容量在180360MVA之間。特倫赫姆大學(xué)的水力機(jī)械實(shí)驗(yàn)室（后劃歸SINTEF）與kvarner密切合作，目前的研究主要集中于兩個(gè)方面：一個(gè)是高效的高水頭大型水輪機(jī)；一個(gè)是設(shè)計(jì)簡單、成本低廉的小型水輪機(jī)。另外，為了利用盡可能小的水庫儲蓄盡可能多的電能，這個(gè)實(shí)驗(yàn)室已著手研究高水頭可逆式水輪機(jī)，目前正在運(yùn)行的抽水蓄能機(jī)組的一級抽水高程為700m。SINTEF的水力實(shí)驗(yàn)室有一套大型的室內(nèi)實(shí)驗(yàn)設(shè)備，可以進(jìn)行整個(gè)電站的模型試驗(yàn)。水力學(xué)模擬與計(jì)算機(jī)模擬可以互相驗(yàn)證，這對研究由隧洞、壓力管道、水輪機(jī)組成的整個(gè)系統(tǒng)的動態(tài)過程是十分重要的。美國：美國現(xiàn)有3500臺

17、水電機(jī)組分布于全國各地，發(fā)電能力為10萬兆瓦，占全國總發(fā)電能力的13%。但是，水力發(fā)電對魚有害，毀壞自然棲居地，給山谷帶來洪水，限制下游輸水。為了減輕水電對環(huán)境的影響，弗爾斯西門子公司已為太平洋西北水電廠發(fā)明了一種水輪機(jī)，這種魚類友好的水輪機(jī)可使魚的存活率提高兩倍，此外該公司還發(fā)明了一種充氣泵，它能提高下游流水的氧含量，從而解決了東南部水生動物的一個(gè)難題。東南部有許多水電設(shè)施要從水庫的底部用水，而底部氧氣含量很低。參考文獻(xiàn)【1】盛樹仁，吳新潤水輪機(jī)更新改造在哈電的實(shí)踐與展望全國水電站機(jī)電設(shè)備技術(shù)改造研討會交流材料c.1997.【2】程渭敏.應(yīng)用新型高性能水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪對老電站水輪機(jī)組增容改造c.全

18、國水電站機(jī)電設(shè)備技術(shù)改造研討會交流材料,1997.【3】吳新潤.哈電混流式水輪機(jī)的技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r及對一些問題的認(rèn)識c.哈電50周年科技發(fā)展與進(jìn)步專集,2000.【4】張玉良等.關(guān)于小型水電站水輪機(jī)技術(shù)改造的設(shè)計(jì)問題c.水力機(jī)械信息網(wǎng)技術(shù)經(jīng)驗(yàn)交流會論文集,1998.【5】張樂福.國家“九五”攻關(guān)三峽水輪機(jī)引進(jìn)軟件消化吸收技術(shù)報(bào)告c.2000【6】田正忠.再談以禮河電站水斗式水輪機(jī)的振動.大電機(jī)技術(shù)，2001(2).【7】呂桂萍.國家“九五”攻關(guān)三峽水輪機(jī)引進(jìn)軟件消化吸收技術(shù)報(bào)告c.2000.【8】S.R.布朗, 馬元珽. 美國瓦納普姆水電站水輪機(jī)設(shè)計(jì)和魚類保護(hù)的創(chuàng)新J. 水利水電快報(bào), 2006,

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