第十二章水輪機自動調(diào)節(jié)

第十二章水輪機自動調(diào)節(jié)第1頁，共34頁，2023年，2月20日，星期三第一節(jié)水輪機新結(jié)構(gòu)及安裝新技術(shù)第二節(jié)水輪機運行新技術(shù)第三節(jié)水輪機檢修新技術(shù)第四節(jié)水輪機設(shè)計新技術(shù)第十二章水輪機新技術(shù)第2頁，共34頁，2023年，2月20日，星期三第一節(jié)水輪機新結(jié)構(gòu)及安裝新技術(shù)一、水輪機新結(jié)構(gòu)1.底環(huán)

對水輪發(fā)電機組而言，底環(huán)在機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)系到機組運行的穩(wěn)定性。一般，大型機組的底環(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)與基礎(chǔ)環(huán)的緊固強度,同時減少了加工量。

第3頁，共34頁，2023年，2月20日，星期三2.水輪機筒形閥

筒形閥是水輪機進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，為機組提供良好的封水性能和充分的安全保護，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；機組長期停機關(guān)閉筒閥，可保護導(dǎo)水機構(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)水輪機新結(jié)構(gòu)及安裝新技術(shù)第4頁，共34頁，2023年，2月20日，星期三3.導(dǎo)葉摩擦裝置

導(dǎo)葉摩擦裝置是一種新型的水輪機活動導(dǎo)葉過壓保護裝置，與常規(guī)的剪斷銷保護裝置相比，更安全可靠。具有造價低、安裝維護方便等優(yōu)點。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。作用是保護導(dǎo)水機構(gòu)各傳動件不因過度受力而損壞。第一節(jié)水輪機新結(jié)構(gòu)及安裝新技術(shù)第5頁，共34頁，2023年，2月20日，星期三圖12-1導(dǎo)水葉磨擦裝置結(jié)構(gòu)第6頁，共34頁，2023年，2月20日，星期三4.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)點是壽命長、不需要維修，而且正常運行時，不需要冷卻和潤滑。第一節(jié)水輪機新結(jié)構(gòu)及安裝新技術(shù)第7頁，共34頁，2023年，2月20日，星期三圖12-2主軸無接觸密封結(jié)構(gòu)第8頁，共34頁，2023年，2月20日，星期三5.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)電機組上的一項新技術(shù)，其優(yōu)點是聯(lián)結(jié)的各部件互換性強、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)電機主軸與轉(zhuǎn)輪必須同軸聯(lián)結(jié)。水輪機主軸摩擦傳遞扭矩一般采用摩擦鍵結(jié)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)水輪機新結(jié)構(gòu)及安裝新技術(shù)第9頁，共34頁，2023年，2月20日，星期三二、水輪機安裝新技術(shù)1.機電安裝重大技術(shù)創(chuàng)新

發(fā)電機定子現(xiàn)場整體疊片組裝、嵌裝全部線圈的現(xiàn)場裝配工藝和定子整體吊裝技術(shù)。發(fā)電機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。大型混流式水輪機的轉(zhuǎn)輪發(fā)展到以散件運輸?shù)浆F(xiàn)場、再整體組焊的加工制造工藝。第一節(jié)水輪機新結(jié)構(gòu)及安裝新技術(shù)第10頁，共34頁，2023年，2月20日，星期三2.蝸殼工地水壓試驗

蝸殼工地水壓試驗的目的：（1）直觀而又全面地反映焊接質(zhì)量；（2）檢驗蝸殼和座環(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)力腐蝕開裂能力；（4）方便實施蝸殼打壓埋置法，削減蝸殼外包混凝土中拉應(yīng)力，降低混凝土開裂可能性。金屬蝸殼進行水壓試驗后，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度。

第一節(jié)水輪機新結(jié)構(gòu)及安裝新技術(shù)第11頁，共34頁，2023年，2月20日，星期三3.水輪機安裝技術(shù)的發(fā)展與展望（1）超大型水電機組結(jié)構(gòu)裝配中的剛強度及裝配應(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)冷電機繞組的安裝與試驗（包括水力和電氣試驗）技術(shù)，水處理系統(tǒng)與機組聯(lián)合起動調(diào)試技術(shù)；第一節(jié)水輪機新結(jié)構(gòu)及安裝新技術(shù)第12頁，共34頁，2023年，2月20日，星期三第二節(jié)水輪機運行新技術(shù)一、機組過渡過程

為了避免機組在甩負(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：第13頁，共34頁，2023年，2月20日，星期三

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。2.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)律對改善水輪機甩負(fù)荷過渡過程品質(zhì)更為有利。3.補氣

通常采用真空破壞閥向轉(zhuǎn)輪區(qū)域補入空氣1.選擇合理的導(dǎo)水機構(gòu)關(guān)閉時間第二節(jié)水輪機運行新技術(shù)第14頁，共34頁，2023年，2月20日，星期三4.設(shè)置調(diào)壓閥（井）

調(diào)壓閥又稱空放閥，一般裝置在水輪機蝸殼進口處，設(shè)置調(diào)壓閥后，當(dāng)機組甩掉負(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，實踐表明只要補氣方式合理與補氣量足夠，是能有效地防止抬機事故的。第二節(jié)水輪機運行新技術(shù)第15頁，共34頁，2023年，2月20日，星期三

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)，并且單機容量占系統(tǒng)比重較小的水電站可以采用調(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。第16頁，共34頁，2023年，2月20日，星期三二、水輪機空蝕檢測與在線監(jiān)測

從水輪機的整個發(fā)展歷史看，空蝕是水輪機發(fā)展的重大障礙之一。水輪機空化現(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)濟運行

水電站廠內(nèi)經(jīng)濟運行（也稱為優(yōu)化運行）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)濟效益。第二節(jié)水輪機運行新技術(shù)第17頁，共34頁，2023年，2月20日，星期三第三節(jié)水輪機檢修新技術(shù)一、狀態(tài)檢修

設(shè)備狀態(tài)檢修是一種先進的檢修管理方式，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)濟運行及安全運行水平；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)。第18頁，共34頁，2023年，2月20日，星期三二、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)方式費工、費時且成本較高。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)水輪機檢修新技術(shù)第19頁，共34頁，2023年，2月20日，星期三（1）改造了一批老機組，增加了出力，提高了運行可靠性；（2）積極采用實用、成熟可靠的技術(shù)改造老機組取得實效。（3）水電綜合自動化改造取得了長足進展；（4）利用現(xiàn)有水工設(shè)施，擴機增容取得良好效果。1.水電技術(shù)改造的回顧三、水輪機的增容改造第三節(jié)水輪機檢修新技術(shù)第20頁，共34頁，2023年，2月20日，星期三（1）改造老設(shè)備，提高設(shè)備可靠性、經(jīng)濟性；（2）提高水電站自動化水平，加快實施計算機監(jiān)控，推進水電廠“無人值班”（少人值守），提高水電的經(jīng)濟性；（3）大力提倡擴機增容，提高水能利用率增加水電調(diào)峰能力。2.水電站機電設(shè)備改造重點和目標(biāo)第三節(jié)水輪機檢修新技術(shù)第21頁，共34頁，2023年，2月20日，星期三第四節(jié)水輪機設(shè)計新技術(shù)一、概述

葉片式流體機械內(nèi)部流體運動是十分復(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。第22頁，共34頁，2023年，2月20日，星期三二、基本方程

在通常的水輪機流場數(shù)值模擬中，基本控制方程主要為：1.連續(xù)性方程2.動量守恒定律3.能量方程第四節(jié)水輪機設(shè)計新技術(shù)第23頁，共34頁，2023年，2月20日，星期三

標(biāo)準(zhǔn)模型是個半經(jīng)驗公式，主要是基于湍流動能和擴散率。三、湍流模型

根據(jù)采用的微分輸運方程個數(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。四、離散方法及壓力-速度耦合

將流體力學(xué)的連續(xù)流動用多個質(zhì)點、離散渦或有限波系的運動來近似，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)水輪機設(shè)計新技術(shù)第24頁，共34頁，2023年，2月20日，星期三五、靠近固體壁面的處理方法

大量的試驗表明，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)水輪機設(shè)計新技術(shù)第25頁，共34頁，2023年，2月20日，星期三六、動靜區(qū)域問題的處理

在水輪機全流道的數(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

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)隨地點及時間的變化規(guī)第四節(jié)水輪機設(shè)計新技術(shù)第26頁，共34頁，2023年，2月20日，星期三

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，邊界條件的類型有：流動（速度、壓力）進口邊界、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

網(wǎng)格是CFD模型的幾何表達(dá)形式，也是模擬與分析的載體，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)水輪機設(shè)計新技術(shù)第27頁，共34頁，2023年，2月20日，星期三

網(wǎng)格(grid)分為結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格和非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格(unstructuredgrid)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)水輪機設(shè)計新技術(shù)第28頁，共34頁，2023年，2月20日，星期三(a)三角形(b)四邊形圖12-132D網(wǎng)格單元第29頁，共34頁，2023年，2月20日，星期三圖12-143D網(wǎng)格單元第30頁，共34頁，2023年，2月20日，星期三九、數(shù)據(jù)后處理

在完成水輪機數(shù)值計算工作后，為更方便地去分析、研究水輪機的內(nèi)外特性，需要對結(jié)果數(shù)據(jù)進行處理及可視化，即數(shù)據(jù)后處理。