贯流式水轮机论文（精选9篇）
贯流式水轮机论文 篇1
随着我国社会经济的进步与发展,人们的用电需求日益强烈。因此,我国开始大量的修建低水头、大流量的电站,通常情况下都会使用灯泡贯流式水轮机。近年来,也在逐渐使用从国外引进的一些贯流式水轮发电机。国内和国外的贯流式水轮机在设计上都各有不同,具备不同的优势。具体内容如下。
一、水轮机的主轴与转轮体的连接
在设计机组的过程中,很重视水轮机的主轴与轮转体之间的连接。这种设计是否合理、装置和运行是否规范,都会影响到机组的各项功能。他们之间的连接需要使用到螺栓与销钉,同时连接的方式也各有不同,常用的连接方式有三种。
第一种方案。某一电站中使用的机组转轮直径为5500mm,水轮机的主轴与轮转体之间依靠12 根M90 的螺栓进行连接,而且销钉有8 根,都小于110,螺栓的材料“40Cr”。进行装置时需要运用“加热伸长”的方式,连接和运行都需要在安装室进行。首先需要打紧,然后在依次用专门的加热工具将螺栓加热,使螺栓在一定的时间内能够延长,然后才能拧紧螺栓。这种方式中,有很多影响因素可能会导致连接螺栓出现断裂的现象,而且是两次断裂。第一次断裂的时间是在开始运作的1900 个小时后,有9 支螺栓断裂。第二次断裂的时间是在运作后的2400 个小时后,有6 支断裂。而且每次检修断裂的螺栓都会耗费一个月左右的时间,这给电站造成了严重的经济损失。
第二种方案。某一电站中使用的机组转轮直径为5500mm,水轮机的主轴与轮转体之间依靠20 根M100 的螺栓进行连接,而且销钉有4根,都小于110,螺栓的材料“35Cr Mo”。进行装置时需要运用液压拉伸器来延长螺栓。连接和运行都需要在现场进行。首先还是需要先打紧,然后对称使用液压拉伸器,促使螺栓在一定时间内延长,然后才能拧紧螺母。安装的注意事项: 螺柱需要先对称再拧紧,使用适当的销钉进行匹配。这种方式运行了十几年都没有出现螺柱故障问题。
第三种方案。某一电站中使用的机组转轮直径为6400mm,水轮机的主轴与轮转体之间依靠16 根M120 的螺栓进行连接,而且销钉有8根,都小于170,螺栓的材料“35Cr Mo”。进行装置时需要运用液压拉伸器来延长螺栓。连接和运行都需要在现场进行。安装的注意事项: 螺柱需要先对称再拧紧,使用适当的销钉进行匹配。运行6a,使用的螺柱没有出现故障问题。很明显,水轮机的主轴与轮转体之间的连接运用“液压拉伸器伸长”的方式来拧紧是恰当的; 加热伸长的方式在一定程度上会造成拉长量出现误差,伸长的长度会过长,而且连接和运行在安装室进行也存在一定的劣势。
二、导水组织与过速保护
( 一) 对于导水组织的设计
这种设计方式需要运用到,导叶中心线与机组的水平中心线大概65度的夹角组成的一个锥形,导叶均运用了双支点组织,以此来调节环装置在外层配水环上方,之后再运用左右两个垂直钢接力设备进行控制工作。大多数情况都会选择在控制环上方悬挂可以自主关闭的重锤。导水结构的设计在长期的使用中不断的更新,设计方案也一直在优化。比如,控制环和外配水环之间产生摩擦时,会利用钢球滚动来代替尼龙滚动,这样更加灵活; 还有,在导叶臂的位置空隙中设置剪断销,与每一个导叶臂的位置都设置剪断销更加科学、规范。近年来运用的导水结构中的弹簧连杆,能够促进排除导叶卡物。
( 二) 过速保护会影响到水轮机组的持续运行,应该尽量避免出现故障问题
第一种方法: 某电站的过速保护中使用到的液压油体系根据设计方案操作,在常规停机或者调速设备出现问题的情况下,导水组织会受到导叶自动关闭的水力矩与重锤力矩的作用,自动关闭。这个体系共有四个自动化的可控阀门。分别是接力器开腔油管阀门KI( 正常时开) 、关腔油管阀门K2( 正常时开) 、开腔与关腔管路相连的阀门K3( 正常时关)及开腔排油阀门K4( 正常时关) 。
第二种方法: 某电站中的过速保护中使用到的液压油体系,不再使用第一种方法中的体系,包括四个自动化的阀门与其他有关的管线。而是运用一个防飞逸的设备,安装在两侧的调速管线中,当机组过速且调速器又拒动时,设置在调速系统上的防飞逸装置动作,使导叶全关。当防飞逸装置拒动经延时后或事故停机中导叶剪断销剪断时,则自动操作关闭进水口事故闸门。
三、机组埋入的部位需要设置防渗水的胶皮
应该再设计若干圈的防渗水的胶皮,以此来防止水轮机组埋入的部位露在外面的金属层和二期混凝土层中伸出流道水。设置的防渗水胶皮每一圈都是三层宽的500mm左右的聚乙烯丙纶化纤材料粘合形成的。这种方法看起来并没有很大的作用。因为流道水流过的第一个金属组合缝,实现是经过深度施焊的,而且金属外壳表面有很多节筋板以及加强环,这类似于为机组设置了防渗圈。如果有渗水通过了金属组合缝,还需要经过金属外壳和混凝土的连接层等障碍,到达外部空间。如果在混凝土的浇捣过程中,金属外壳的表面被清洗干净,再被抹上水泥浆,达到的防渗功能会非常强。
四、结语
在设计灯泡贯流式水轮机时,需要吸收我国其他水电站的实践经验,总结工作方法,仔细、认真地为设计工作做好技术方面的准备,以防发生过去出现的一些错误。灯泡贯流式水轮机的设计人员应该不断的努力和学习,在实践工作中探索科学的技术和方法,探究更先进的设计方案,保证灯泡贯流式水轮机的稳定运行,促进我国电力事业的发展。
摘要：灯泡贯流式机组中应用的设计原理与技术,一直在具体的实践中更新和发展。本文主要探讨了灯泡式机组中主轴与转轮体的连接、导水结构与过速保护以及机组埋入部分的防渗水胶皮等设计方面的问题,并分析了一些可行性建议,仅供参考。
关键词：贯流式水轮机,导水结构,设计
参考文献
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[2]薛兰英.贯流式水轮机几个设计问题的分析探讨[J].科技与企业,2013(04).
[3]陈建新,牟进国.浅析贯流式水轮机交界面损失问题的改造措施[J].科技风,2012(10).
贯流式水轮机论文 篇2
关键词：灯泡贯流式；水轮发电机组；安装与检修
在水利发电的过程中，水轮发电机组起着一个重要的作用，因此在水利发电工程中，要充分发挥水轮发电机组的作用。在安装水轮发电机组的过程中，要按照相关的安装实例、经验以及设备安装的使用说明书，从而能够对动态进行控制，并且要对安装关键部位以及重要工序进行跟踪。在安装工作完成之后，要进行及时的检修工作，最终确保机组的正常运行。
一、安装前的准备工作
（一）开箱验收设备
在开箱验收设备的时候，要按照水轮机组的安装进程，并且要组织供应商、供用单位以及安装单位来对要安装的设备进行开箱验收。在开箱验收的过程中，如果设备符合相关的额标准，这就可以确保设备得以顺利安装。在开箱验收设备的时候要在提前半个月进行，如果发现了设备中存在的一些问题。比如：设备的数量不足、存在一定的质量问题，此时的负责人要及时通知供货商，然后由供货商来更换设备，从而影响了机组安装的进度。
（二）安装人员的水平
在安装水轮机组的时候，要确保具备合理的、高技术的安装队伍。这主要是由于不同的人员、人员的不同水平组成了不同的安装队伍，因此要考核安装人员的技术水平以及自身素质，从而确保安装工作的顺利进行。
（三）检查相关的材料以及物质
当施工单位在购买焊条以及相关材料的时候，要具备出厂监测资料或者相关的合格证件，并且在这些材料在经过严格的审查之后才能够使用，为了避免出现以次充好情况的发生，这就要求保证原材料的质量能够符合相关的标准以及要求，从而确保各种量具以及计量表的准确性以及有效性。
（四）有关设备的存放
在存放设备的时候，要按照相关的规范以及规定来对存放设备，比如：放置在露天场所的设备要做好相关的防晒以及防雨措施，并且要将物品垫高，对于那些堆放设备的相关场所要做好相关的排水准备。除此之外对于一些特殊设备要做好相关的防潮措施。
（五）有关工程的移交
土建在移交机电安装工作面的时候，要认真检查施工场地，并且在满足工作面移交条件之后，有土建单位代表、相关的监理工程师以及安装单位来办理面移交手续。当机电设备安装工程完成之后，监理工程师要验收工程，并且要按照相同的方式来将工程移交给施工单位来继续施工。
（六）落实相关的安装措施
在安装水轮发电机组之前，安装单位要将有关水轮发电机组的安装组织措施提交上去，并且针对转子、发电机定子等关键的机组部件进行具体的施工组织措施。与此同时，根据不同安装阶段，供应商要安排相关的技术人员来监督、指导现场施工，从而确保安装工作的顺利进行。
二、水轮发电机组的安装流程
在灯泡式电站机组中由于缺乏曲线型的流道比如：蜗壳、肘形尾水管等的施工，从而可以加快土建施工的速度。与此同时，在安装完灯泡式发电机组的轴承以及主轴的时候，要进行安装发电机以及水轮机，从而能够大大缩短建设电站的时间。
三、对于水轮发电机组的检修工作
在安装完灯泡贯流式的水轮发电机组之后，要认真以及全面的检查整个设备，从而能够使得灯泡贯流式水轮发电机组得以顺利运行，如果检查不认真可以会带来很大的安全隐患。
在使用设备的过程中，由于其中的一台发电机可能会出现突然停机的现象，并且在经过检查之后，主变低压侧真空断路器跳闸可以会引发发电机负荷过速事故从而导致停机。然而当主变低压测系统能够保持正常运行，然而此时的主变低压侧真空开关无法正常合闸，在将其打开之后会發现在储能操作机构内有一些灰尘。在清洁这些灰尘的时候，要加入一定的润滑脂，从而能够确保操作机构的正常运行，并且此时的合闸能够正常运行，从而促使发电机也能够正常运行。
四、安装过程中需要注意的问题
在安装过程中需要注意以下几个问题：第一，要认真检查水轮机组过流部件中密封部位的有关尺寸，并且要根据有关的标准进行渗漏试验，从而能够确保密封件的压缩量能够满足设计的相关要求。第二，有关水轮机组各个部件的联结螺栓的预应力要符合相关的设计标准要求，与此同时要保证转动部位螺栓锁定的可靠性。第三，施工人员在进行施工的过程中，要注意不断提高自身的技术，并且在对定转子进行施工的时候，要采取相关的措施从而能够避免各类工具以及零件遗落在定转子内部。
五、结语
在水电站中，水轮发电机组是一个重要的设备，并且在安装机电过程中，水轮发电机组起着关键性的作用。为了能够确保发电机组能够按照相关的要求来进行安装，这就要监督安装过程。在安装完成之后，要进行必要的检修，从而能够避免一些隐患，最终能够保证发电机得以正常运行，促使水电站能够顺利发电。
【参考文献】
[1]张仁田.贯流式机组在南水北调工程中的应用研究[J].排灌机械，2010（05）
[2]张仁田.不同型式贯流式水泵特点及在南水北调工程的应用[J].中国水利，2010（04）
[3]梁章堂，胡斌超.贯流式水轮机的应用与技术发展探讨[J].中国农村水利水电，2010（06）
贯流式水轮机的应用与技术发展 篇3
贯流式水轮机的流道形式和轴流式水轮机不同, 为保证向导水机构均匀供水和形成必要的环量, 保证导叶较平滑绕流, 轴流式水轮机需设置蜗壳, 其流道由蜗壳、导水机构和弯肘型尾水管组成。贯流式水轮机没有蜗壳, 流道由圆锥形导水机构和直锥扩散形或S型尾水管组成。通常采用卧轴式布置, 从流道进口到尾水管出口, 水流与轴之间大致平行, 减少出现弯折处, 水的速度不均匀, 出现流程形态的变化, 而水流的平稳度得到保证, 也有助于水力的存储, 尾管能够很好恢复, 动力效果好。灯泡贯流机组的发电机装置在水轮机流道中的灯泡形壳体内, 采用直锥扩散形尾水管, 流道短而平直对称, 水流特性好。大型贯流机组几乎都是灯泡机组, 中小型多采用轴伸式、竖井式等形式。
其过流量较为可观, 并且旋转速度十分快, 整体速率较高, 并且, 高效区宽度适宜, 在各个方面比轴流式来说有着十分重要的优势。其特征参数比转速ns、可达1000以上, 比速系数可达3000以上。跟轴流式比起来, 如果其所处的水头和单机容量都一样时, 所表现出来的情况是, 规模更小, 质量更轻便, 所花费的生产材料更少, 而整体价格也偏低, 如果是整个电站, 还能明显看到电量的提升。
贯流式水轮机, 其空化以及稳定程度都比轴流式要强, 空化系数值较低, 安全性较强, 故障发生率较低, 可用性强, 检查修理所花费的时间得到节省, 而检查的循环次数也减少。对低水头资源来讲, 贯流式能够有很宽的运行范围, 及时水头十分低下的时候, 也有较为稳妥的效果, 甚至超过1.5以下, 这种效果在另外的水轮机中是不可想象的。如广东白垢电站, 额定水头6.2m, 最大水头10.0m, 但在1.3m水头时仍能稳定运行。
其结构特征紧密而严整, 布局严整而简单, 建设对土建工程的依赖不大, 减少相应资金, 在机组的使用以及安装流程上来说, 质量小, 方便安装和装设, 能够减少工作时间, 提前发电时间。根据国内外有关水电站的统计资料, 采用灯泡贯流机组比相同容量轴流转桨机组, 电站建设投资一般可节省10%~25%, 年发电量可增加约3%~5%。小型水电站采用轴伸贯流机组与立式轴流机组比较, 能够节约10%以上到20%的花费, 因此可以说, 对于贯流式水轮机功能的开发和拓展与推进低水头资源密切相关, 并且也是现在来讲最合理, 最便宜的一种办法, 能够充分使用资源, 电量价值增加, 效果明显的一个方式。
2 国内外贯流式水轮机的应用现状
国内已运行的灯泡贯流式水轮机最大转轮直径已达7.5m。目前规划或在建的贯流式水电站遍布全国各地, 在建的广西长洲水电站装机15台, 总装机容量达621.3MW。在西北地区, 20世纪80年代开始贯流式水电站的规划设计, 并完成了柴家峡等电站的可行性研究。在黄河干流上现已建成青海尼那电站, 宁夏沙坡头电站即将竣工, 甘肃柴家峡、青海直岗拉卡等电站在建。尼那电站是我国海拔最高的大型灯泡贯流机组电站, 沙坡头则是应用于高含沙水流的第一座大型灯泡贯流机组电站, 各有各的特点和优势, 给以后的水电站工作带来新的思路。
对于低水头小型水电站, 轴伸贯流水轮机和竖井贯流水轮机具有与灯泡贯流水轮机相当的技术经济优势, 国外20m以下的小水电开发, 已逐步取代轴流机组。据文献介绍, 国外已运行的轴伸贯流式水轮机转轮直径达8.6m, 单机容量达到31.5MW, 最大使用水头达到38m。我国轴伸贯流式水轮机的技术开发起步较晚, 自行研制的GZ006、GZ007 (5叶片) 等其他转轮的效果已经可以和全球先进的水准相媲美, 但是, 仍然未实现大范围的普及应用, 也没有形成市场的大面积流通。国内已运行的轴伸贯流水轮机多采用定桨式转轮, 最大转轮直径2.75m, 单机容量3.5MW, 最大使用水头22m。而竖井贯流和全贯流, 这两种机组的生产及开发都不算充分, 也没有普及使用, 这与先进国家存在较大差异。
3 贯流式水轮机的应用及技术发展探讨
若想让我国贯流水轮机工艺有着较强发展, 要对大型化工艺的推进着重注意, 强调大型化的重要性, 这对于整个机组质量的上涨有一定益处。
对当前的贯流式的使用方法以及重点技术进行分析探讨, 水头应用的进一步提升, 大型化是世界此类技术发展的重要方向, 对于我国当前的情况来说, 其目标也是较为一致的, 贯流机组的发展和低水头水电作业之间有促进关系, 而对这类资源的开发利用的重点地方都是经济发展迅速, 地形平坦, 人口大量聚集, 原材料充沛, 交通便利, 用水方便的地区, 这种开发水电的工作需要集发电, 防止山洪, 水路运输等多功能于一身, 并且强调环保和节约, 减少对民众生活环境的干扰, 造成不必要的浪费和赔偿, 因此不易修建高坝大库。为了使方案进一步优化, 布局更加合理, 有助于全面的实现所有功能, 并有助于环境以及生态的建设, 通常使用单机尺寸更大, 也可以选择应用水头更高者。
大型贯流式水轮机在水力的设计方面没有太大的技术上面的难度, 不过在机组的各个流程上要注意的重要技术, 例如说灯泡机组, 或者支撑性结构的规划, 轴系的分析计算、大吨位轴承的设计制造, 发电机的设计, 发电机的通风冷却, 机组的刚度及振动特性的评估、优化, 大尺寸机组的安装技术等, 存在较大的技术难度和经济风险。近年, 我国水电业界结合湖南洪江、广西恶滩扩建工程、四川桐子林等水电站机组的选型设计, 对此进行了研究。在洪江水电站, 对采用灯泡贯流机组的关键技术及制造难度, 与日本只见、俄罗斯萨拉托夫等电站的大型灯泡机组进行了对比研究, 能够得到可行性的结论。此工程已经通过认可并开展建设, 作为成功案例进行记录。而恶滩扩建工程采用灯泡贯流机组方案, 其应用水头和单机容量等设计参数, 技术难度上有很大提升, 比起全球类型相似之机组来说都有明显优势, 这可以说明灯泡贯流机组的可用性是可以得到认可的。两座电站的经济分析数据也都表明, 可节省建设投资和获得年电量的增加, 特别是恶滩扩建工程采用8台75MW灯泡贯流机组与采用4台150MW轴流转桨机组的方案比较, 前者首台机组提前9个月发电, 工程总的时间要减少一年时间, 其发电收入比后来者更高的投资差之间大致相等 (贯流机组方案设备投资概算按采用2台进口、6台合作编制) , 并且以年为周期, 增收的电量超过3%, 经济效果良好。其经济性明显优越。上述研究也说明, 开发、应用25~35m水头段的贯流式水轮机和单机容量75MW及以上的灯泡贯流机组, 技术上可行, 经济上仍处于有利和合理范畴。
4 结语
贯流式水轮机论文 篇4
关键词：水轮机；止漏环；尾水管
一，问题的提出
当混流式水轮机运行水头较高(100m以上)，并且水质泥沙含量较大时，其过流部件，如：转轮、导叶和上下止漏环等，长期运行后极易遭受磨损，经常需要进行修补或更换。其中由于转轮造价高，生产备件周期长，不到大修阶段尽量不予更换，而上下止漏环造价低，生产备件周期短，需要经常进行修补或更换。但是，如果当按照常规拆卸机组的方式修补或更换上下止漏环，将面临如下问题：
1.首先，常规方式更换上下止漏环，必须拆卸发电机设备中的机架、轴承、档风板和制动器等部件，拔出转子和发电机大轴后，才能拆卸水轮机顶盖、导水机构、水轮机大轴，转轮和底环；然后分别更换和加工顶盖上的上止漏环和底环上的下止漏环；机组回装时，要重新连接发电机和水轮机大轴，重新盘车；机组回装好后，要重新进行过速试验等机械试验。
2.其次，进行上述工作需要一只技术力量强和经验丰富的专业安装队，而一般水电站的维修人员不具备这种能力和经验。
3.最后，上述检修工作量大，工期长(3个月以上)，如果不到机组大修阶段，而且又在我方的质保期内进行此种维修工作时，将给业主和我方带来很大经济损失，并为整个工程的最终完工带来极大困难。
因此，如何放弃常规方法，而选用更加简单有效，又较经济的方法更换上下
止漏环，就是本文讨论的内容。
二.解决问题的方案
马兰III水电项目(3×27Mw)水轮机为混流式结构，额定设计水头为180m，水质泥沙含量很大，发电机组运行2年后，水轮机导叶、转轮和上下止漏环就已被泥沙严重磨损，其中上下止漏环磨损最为严重，有的必须更换。而此时马兰III水电项目的质保期仍然没有结束，3台机组远没有达到大修阶段，质保期期间只有一位中方水轮机专业安装人员，因此更换上下止漏环面临极大困难和挑战。为此，现场根据马兰III项目水轮机采用可拆卸的尾水锥管结构特点，决定放弃常规拆卸机组更换上下止漏环的方案，而是采用将上下止漏环分瓣后进行更换的方案：
1.拆卸水轮机尾水锥管；
2.拆卸转轮，分瓣拆卸磨损的上下止漏环；
3.将加工好的备品上下止漏环分成两瓣后，重新分别安装到顶盖和底环处。
更换方案确立后，接下来就是如何对备品上下止漏环进行技术处理。由于备
品上下止漏环是单独加工的薄壁件，其还存在如下问题需要解决：
1.备品上下止漏环分别与顶盖和底环部件的配合尺寸的控制，以确保部件之间的间隙满足图纸设计要求；
2.备品上下止漏环与转轮上下迷宫环之间间隙的控制，以确保止漏环与转轮迷宫环之间的间隙满足图纸设计要求；
3.针对上下止漏环是薄壁件容易变形的特点，在对其进行加工时，要准备特殊的加工胎具和外圆支撑工具；
4.由于必须将件备品上下止漏环分割成两瓣(2／2)后，才能重新回装就位，因此要对其进行整体加工后，再进行分瓣；
5.为防止分瓣后的上下止漏环在运输和安装过程中的变形，要准备专用的运输安装通用工具，并利用项3中的外圆支撑工具；
三、方案的具体实施
针对上述问题，现场与制造厂的有关专家进行了详细讨论和研究，制定了详细的现场实施方案，并做了如下工作(以2号机组为例)：
A.现场实际测量
1.工具准备：准备内、外径千分尺、钢琴线和测量块；
2.用内径千分尺和测量块，实际测量顶盖与上止漏环配合面的尺寸；
3.用内径千分尺，实际测量底环与下止漏环配合面的尺寸；
4.用外径千分尺实际测量转轮的上冠和下环尺寸；
5.汇总顶盖、底环和转轮各部件所测量的尺寸如表1所示：
B.加工厂具体操作(以上止漏环为例)
1.复测备品上止漏环的内外径尺寸，每一位置同样复测8点。此时，备品上止漏环的外圆、底面和法兰面及与顶盖把合的孔已在国内制造长加工完毕，内圆有加强筋(十字钢管)作为支撑。
2.根据备品上止漏环外形尺寸，制作上止漏环的外圆支撑工具，并将其点焊到上止漏环外圆壁上。该工具作为上止漏环的加工工具和运输、安装工具，其材料为Q235碳钢，内外直径尺寸如图6所示，厚度为40mm。
3.割去备品上止漏环内圆的支撑工具(十字钢管)
4.按图7所示加工胎具，其尺寸见表3。其中直径φ1所对应平面用于固定上止漏环；直径φ2所对应平面用于固定下止漏环。
根据上止漏环计图纸的技术要求，并参考表1中φ5和φ6所示实际转轮尺寸，加工备品上止漏环。
6.根据加工好后的备品上止漏环外形尺寸，制作上止漏环的内圆支撑工具(如图8所示)，并将其点焊到上止漏环内圆壁上。该工具作为上止漏环的运输、安装工具，其材料为Q235碳钢，内外直径尺寸如图所示，厚度为40mm，其它尺寸见表4。
7.将加工好后的上止漏环切割成2瓣。
8.按同样方法加工备品下止漏环，但其内圆支撑工具与上止漏环的不同，不再是个圆环。
C.现场安装分瓣的上下止漏环
1.先割去上下止漏环的外支撑圆环(这时已变为半圆)；
2.按照设计图纸要求，分别安装和调整分瓣上止漏环和下止漏环；
3.按照设计图纸，分别将分瓣的上止漏环和下止漏環焊为一体；
4.将上止漏环和下止漏环焊接处的焊缝打磨光滑；
5.用内径千分尺和测量块校核上止漏环的内圆直径，记录测量数据；用内径千分尺校核下止漏环内径，记录测量数据；
6.现场更换上下止漏环的工作完成。
四、结论
对于因泥沙含量大，水轮机上下止漏环易被严重磨损的混流式水轮机，如果
贯流式水轮机论文 篇5
关键词：大涡模拟,贯流式水轮机,压力脉动,涡带
为满足工,农业生产需要,开发低水头水利资源,包括沿海的潮汐资源,适用于低水头电站的贯流式机组得到广泛开发。然而贯流式机组由于其转动惯量小,压力脉动对其影响较大,剧烈的压力脉动甚至会引起水力机械和水工建筑物的共振[1]。目前技术条件下,对水轮机压力脉动的研究方法主要为:理论研究、模型试验和数值模拟(CFD)[2,3]。其中数值模拟应用最为广泛,它在处理3维湍流数值模拟方面主要方法有:直接模拟(DNS)、雷诺平均法(RANS)和大涡模拟(LES)。大涡模拟通过滤波计算,对大涡进行计算,对小涡进行模型化,兼顾了前俩种方法的优点。美国学者Song采用Smagorinsky的涡黏性公式模化亚格子应力,用LES方法对水 轮机主要 过流部件 进行了计算[4];符杰等利用Fluent软件的大涡模拟模型对高水头贯流混流式水轮机尾水管压力脉动进行了计算,结合数值模拟得到了尾水管涡带特性[5]。然而国内外对于灯泡贯流式水轮机压力脉动的研究中所用CFD方法较少,采用CFD方法中大涡模拟数值计算的更加少见[6,7,8,9,10]。本文以卧轴灯泡贯流式水轮机为研究对象,着眼于数值模拟的技术中极具潜力大涡模拟方法进行非定常计算,对贯流式水轮机流道内压力脉动的幅值和频率特性进行了分析,为大涡模拟在流体机械上的推广应用作了积极的探索。
1算例分析
1.1模型建立
基于Pro/Engineer3维绘图软件及叶片3维坐标,建立了灯泡贯流式水轮机全流道模型,详见图1,包括进水流道、活动导叶、转轮及尾水管4个区域。水轮机具体参数为:转轮直径D1=7.4m,轮毂直径d=3.1m,叶片数Z=5,导叶数16。
1.2网格划分
计算区域是不规则空间曲面,对其采用适应性非常强的非结构化网格进行划分。采用滑移网格模型,以模拟动静干扰的流场。时间步长的选择上,采用0.002s为时间步长,即每个时间步转轮转过1°,采样时长为2s,约2.8个转动周期。经网格无关性验证发现,网格数超 过一定数 量后对数 值模拟影 响很小,网格划分方案和计算 结果见表1,经权衡比 较确定采 用方案2。
1.3边界条件和方程离散
采用压力进口和压力出口,压差为水头,并考虑吸出高度。固壁采用无滑移边界条件,使用LES默认的有 界中心差 分格式,压力速度耦合格式选用PISO算法,该算法在非定常流动问题的求解中,相比于SIMPLE算法更具有优越性[11]。
2计算工况和压力监测点
水轮机发电机额定转速n=83.33r/min,则叶轮旋转频率fn=n/60=1.389Hz,叶片的旋转频率,即通过频率为5fn=6.944Hz。本文计算了从最高水头到最低水头7个不同工况的3维紊流非定常流场,工况详细信息见表2。
首先应用RANS方法定常计算出一个初值,其次改用LES计算非定常的流动状态,将上一步得到的定常流场结果作为大涡模拟的初始流场,这样可以节省计算时间。亚格子模型采用Smagorinsky-Lilly动态模型,Piomelli[12]、Jansen[13]和Moin[14]等人的研究成果都证明了动态模型比较合适复杂的湍流模拟,且数值计算与实验结果符合很好。计算直到流动变得统计的稳定(本文的判断标准是残差小于0.0001);选择充分发展的流场中的某一时刻为时间零点,监视并记录下全流道内不同位置25个监测点的压力脉动变化情况,记录方式为顶点平均,记录时长为2s。监测点具体分布见图2,其中P1~P3位于进水流道内,P4 ~P6位于进水 流道导叶 前,P7 ~P9位于导叶 区域,P10~P12位于导叶后、转 轮叶片前,P13 ~P15位于转轮 区域,P16~P18位于转轮出口处,P19 ~P21位于尾水管进口处,P22~P25位于尾水管中段。
3贯流式水轮机压力脉动分析
3.1监测点压力脉动综述
FLUENT计算完成后输出一系列out文件,该文件记录了监测点的压力随采样时间的变化,本文截取最后2s的数据值进行处理分析。令这2s的时间为0~2s,再将这2s内监测点的瞬时压力值P作算术平均得到平均压力P珚,再令ΔP=PP珚,则ΔP为瞬时压力脉动值,即振幅。本文的分析就是基于这0~2s内的ΔP值展开。将2s内的瞬时压力脉动值导入Origin绘制出压力脉动随时间变化的时域图,再基于Origin对数据进行快速傅立叶 变换可得 到频率特 性,并绘制频 域图 (见图3)。
压力脉动由强到弱的顺序依次是转轮区、转轮进口前、转轮出口、尾水管进口、尾水管中段、导叶区域、导叶进口前、进水流道。转轮区在整个流道内的脉动最为剧烈,幅度最大,并且远大于其他区域。转轮的最大振幅来自轮缘附近(P15),其脉动强度在高水头工况接近水头,中低水头超过水头,低水头时甚至达到水头的259%,但由于贯流式水轮机适用水头较低,压力脉动的绝对强度低于立式轴流式和混流式水轮机,然而转轮区相对高的振幅仍然值得关注。
3.2转轮区域压力脉动
图4、图5分别为设计工况及非设计工况下转轮区监测点的压力脉动图,可知:无论在水轮机处于设计或非设计工况下,转轮区压力脉动均呈现出极强的周期性,脉动频率为叶片通过频率的自然数倍(5nfn),其中以5fn(叶片转频)的振幅最大,10fn次之;而频率为5nfn且幅度不大的高频脉动是由各叶片之间的干涉、叠加和壁面反射作用形成;由P13至P15(轮毂至轮缘)的压力脉动幅值依次增加可知,转轮区脉动强度沿径向随半径增大而增强。此外,周大庆等 人的研究[10]也证明了 转轮段压力脉动较强,振幅沿半径方向随着半径的增大而增大。
3.3尾水管中段的压力脉动
图6、图7分别为设计工况及非设计工况下尾水管中段监测点的压力脉动图,可知:尾水管中段的压力脉动并不强烈,频率以低频分量为主,0.36fn、0.72fn 和1.08fn分别在不同工况成为主频,叶片转频的影响可以忽略,且与工况无关。P23和P25的振动幅度大于P22和P24,证明了尾水涡带的存在,而P25的振幅弱于P23点而略强于P24,表明该点处于涡带的末端,流场开始趋于平稳。结合尾水管进口段的监测点数据,可以发现尾水管轴线附近的脉动始终大于外围,而外围的脉动始终处于较低的水平,证明尾水涡带始终处于沿轴线小半径区域,并没有发生偏心,更不会撞击尾水管壁面,因此水轮机运行较为安全,不会产生较大的振动。
3.4压力脉动和水力特性的关系
监测点在采样时长2s内最大的压力脉动幅值,取算术平均则能在一定程度上反映流道整体的脉动情况,而所有监测点压力脉动的最大值则一般来自转轮区轮缘侧,即P15点在采样周期内的最大值。观察图8可知:压力脉动与贯流式水轮机的水头和出力都存在显著的正相关,与流量则没有明显的关联,而随效率上升则有先上升而后下降,但关联程度微弱。流道内压力脉动的整体水平随水头、出力的上升而有近似线性的小幅增强,流道内的最大脉动则有显著地加强。这与立式轴流式和混流式水轮机多在部分负荷时(如50%~60%)振动较大有一定的不同。此外,周斌等人[8]的研究也根据模型试验的数据得出灯泡贯流式水轮机的压力脉动随着负荷增加而增加,当负荷超过75%时,压力脉动的增加更为明显。
4结语
(1)贯流式水轮机流道内压力脉动由转轮区、转轮进口前、转轮出口、尾水管进口、尾水管中段、导叶区域、导叶进口前、进水流道依次减弱,且转轮区 脉动强度 沿径向随 半径增大 而增强,其脉动频率为叶片通过频率的自然数倍。
(2)尾水管内压力脉动主要受尾水涡带影响,频率以低频分量为主,叶片的通过频率在此区域的影响几乎消失;其次,尾水管轴线附近的脉动始终大于外围。
贯流式水轮机论文 篇6
冷却塔专用水轮机的开发,是利用冷却塔出水口的富裕水头[1]带动风扇旋转制冷,代替原有的风扇电动机,从而达到节能的目的[2]。冷却塔中代替风扇电动机的水轮机结构尺寸受冷却塔形状尺寸的约束,且水流流量和工作水头的限制性较大,对水轮机的性能要求较高。一般情况下,混流式的水轮机的效率较高,应用比较普遍,但是混流式水轮机带有蜗壳,尺寸较大,所以尺寸较小的双级贯流式水轮机就应运而生。
一般情况下,随着水轮机尺寸增大,水轮机的效率也增加[3]。但是因为转轮轮缘间隙的存在而产生间隙泄漏流动[4],随着转轮直径的增大,间隙泄漏的流量就越大,对水轮机的效率就有一定的影响,所以本文采用CFD软件对双级贯流式水轮机的第二级转轮在不同转轮直径下进行数值模拟,试图找出最优化的转轮直径使水轮机的效率最高。
1 水轮机的基本参数
新型双级贯流式水轮机是由第一导叶区、第一转轮区、第二导叶区、第二转轮区、尾水管和旋转轴六部分组成。它的额定水头是Hr,额定转速是nr。图1为新型双级贯流式水轮机的结构示意图。
1—第一导叶区;2—第一转轮区; 3—第二导叶区; 4—第二转轮区
一级导叶的排挤系数k11,入口角度α11, 出口角度α12,叶片数为z1。一级转轮排挤系数k12, 入口角度β11,出口角度β12,叶片数为z2。二级导叶的排挤系数k21,入口角度α21, 出口角度α22,叶片数为z3。二级转轮排挤系数k22,入口角度β21,出口角度β22。叶片数为z4。
2 控制方程及数值模拟
2.1 控制方程
连续方程和动量方程:水流在通过水轮机时,可以视为不可压缩流体,即在此过程中,水的密度保持不变。流体流动遵循基本的守恒定律,描述为控制方程:
连续性方程undefined(1)
动量方程undefined
湍流方程:在本研究中,选用标准k-ε模型[5]。k-ε模型是双方程模型,在本数值模拟的计算中具有较好的收敛性和稳定性。k-ε模型中,变量k和ε是两个基本未知量。
undefined
式中,Gk为由于平均速度梯度引起的湍动能k的产生项,Gb 为由于浮力引起的湍动能k的产生项, YM代表可压湍流中脉动扩张的贡献,C1ε,C2ε,C3ε是经验常数,σk和σε分别是与湍动能k和耗散率ε 对应的Prandtl数,Sk和Sε是用户定义的源项。
2.2 数值模拟
在保证进口、出口和过流断面面积不变,并且考虑水轮机的导叶和转轮均有2 mm的间隙泄漏的前提下,选取6个工况进行数值模拟。工况一:转轮半径在原有的尺寸基础上上加5 mm;工况二:原有尺寸;工况三:转轮半径在原有的尺寸基础上减5 mm;工况四:转轮半径在原有的尺寸基础上减10 mm;工况五:轮半径在原有的尺寸基础上减12 mm;工况六:转轮半径在原有的尺寸基础上减15 mm。
对上述6个工况分别用Fluent的前处理器Gambit进行三维建模并划分网格,之后导入Fluent中进行计算。进口面的边界条件均设为PRESSURE_INLET,压力P=ρgh。出口的边界条件为PRESSURE_OUTLET。壁面采用无滑移边界条件。
3 计算结果及分析
3.1 初选方案的确定
水轮机是将水流的机械能转换为主轴的旋转能的水力原动机,所以优化水轮机的标准是看它的转换效率,可通过公式undefined计算,结果见表1。
图2为各个工况点的效率对比值:
有上图可知,通过6个工况效率的对比,可以选定工况四和工况五为初选方案,以下再通过整个流道的流线、叶面的压力等值线的分析,来最终确定最优方案。
3.2 初选方案的流线对比
为了更好的看到效果,把水轮机从中间切开,只看一半的流线图,图3和图4为两个工况的流线图。
由图3、图4可知:工况四时,一级导叶区域的流线比较均匀,一级转轮的进口撞击较小,一级转轮的轮缘间隙流动比较杂乱,从叶片进口到出口有较明显的横向流动,二级导叶的进口水流方向有明显的改变,且有漩涡,二级导叶和二级转轮轮缘间隙处的流线比较杂乱;工况五与工况四相比,一级转轮区域的横向流动更为明显,且一级转轮的出水边有很明显的漩涡。
3.3 初选方案叶片压力等值线的对比
从Tecplot中处理后的压力图知,工况四和工况五的
一级导叶、一级转轮和二级导叶的压力等值线分布差不多,所以此处只列出二级转轮的压力分布图进行对比。图5,图6为两个初选方案的二级转轮压力等值线图。
由图5、图6可图知:工况四时,压力从进水边至出水边降幅比较均匀,且在叶片的吸力面出现大量的低压区,当压力小于临界压力的时候将产生空化空蚀;工况五的压力面等值线图和工况四的差不多,但是工况五的吸力面负压区较多,发生空化的可能性较高。
4 总结
通过效率的对比可知,工况四比工况五的效率高一点;通过流线图的对比,可知工况四的轮缘间隙的流动比较复杂,工况五的一级叶片出水后有明显的漩涡,轮缘间隙的流动也比较复杂;通过压力等值线的对比,可知工况五的二级叶片吸力面的负压区比工况四多。由以上三个反面的分析,可以选定工况四为最终优化方案,即在转轮直径在专利的基础上减10 mm。
摘要：基于连续方程、动量方程和湍流方程的k-ε模型,对冷却塔专用的贯流式水轮机进行了多转轮直径尺寸下二维定常数值模拟,获得了流场的速度、压力分布变化规律,并且对5种尺寸下的数值模拟结果进行比较分析,从而确定了一个效率优先目标下的最终转轮直径方案。
关键词：双级贯流式水轮机,冷却塔,转轮直径优化
参考文献
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贯流式水轮机论文 篇7
金兰水库东畈电站是一座无压引水式小型水电站, 装有2台TS49.3/40—6//GD101—WP—50水轮发电机组, 其容量为2×100 k W, 发电机主轴与水轮机主轴为弹性联接。水轮机是杭州发电设备厂生产的试验性产品, 存在着先天不足, 1971年3月投入运行后, 每年的检修率相当高。
1984年杭州发电设备厂对2台水轮机的转动部分及其主轴密封进行了技术改造, 并提供了下列技术要求:
转动部分及密封的改进如图1所示。
(1) 装配双向推力轴承 (图示5) 时需调整垫片A (图示A=34 mm) 的尺寸, 应使轴承转动灵活并保证轴承的轴向游隙;
(2) 橡胶密封处装配时应加少量的二硫化钼润滑脂, 使运转时起润滑作用;
(3) 单列向心短圆柱滚动轴承 (图示7、图示9) 装配时加适量二硫化钼润滑脂;
(4) 双向推力轴承为滴油式稀油润滑, 应保证进出油畅通; (5) 装配时将各道密封环 (橡胶水封) 的拉紧弹簧不用。
改造结果:改造后水轮机的运行情况有所好转, 但双向推力轴承的损坏率还很高 (约2～3次/年) , 严重影响着水轮机的安全运行, 杭州发电设备厂对改造是否成功又没有作出结论。
2 存在的问题
(1) 双向推力轴承的使用寿命一般只有6个月。
(2) 水轮机大修后试运行的成功率为70%左右。
(3) 水轮机主轴密封不良容易产生渗、漏水。
(4) 杭州发电设备厂提供的技术要求有下列几条, 实际应用证明不能符合水轮机的技术要求。
第一条:没能提供双向推力轴承轴向间隙的调整数值。
第二条:橡胶密封板处装配时加少量的二硫化钼润滑脂, 不能使橡胶密封板保持在最佳的润滑条件下运行。
第三条:装配时如各道密封环 (橡胶水封) 的拉紧弹簧不用, 则不能使各道密封环处于最佳的密封状态, 容易产生渗、漏水。
(5) 双向推力轴承有可能存在着产品质量问题。
(6) 双向推力轴承经常性损坏导致不能有计划性的年度检修。
3 提高灯泡贯流式水轮机推力轴承使用寿命的可行性分析
根据水轮机存在的实际问题, 对如何延长水轮机双向推力轴承使用寿命进行了可行性分析:认为推力轴承的使用寿命与它的润滑条件、产品质量、轴向间隙调整值、水轮机主轴止水密封、机组运行时的振动等因素有关。因此, 对水轮机又进行了下列技术改进与处理:
3.1 双向推力轴承轴向调整间隙的可行性分析和确定
双向推力轴承, 轴向间隙的过小或过大都直接关系到双向推力轴承的使用寿命和水轮发电机组的运行稳定性。因此, 必须具有合适的调整间隙才能确保水轮机的正常运行。由于该电站水轮机双向推力轴承的轴向调整间隙, 厂家没能提供具体的数值, 它一直影响着水轮机的安全运行。在查阅了有关技术资料, 并对双向推力轴承的实际运行情况进行了认真的分析, 认为正确的轴向间隙必须具备下列2个条件:
第一, 水轮机运行时必须确保双向推力轴承在任何情况下均有自由的旋转间隙。
第二, 当发电机组甩100%的负荷时, 水轮机不应该产生明显的反向水锤。
根据上述2个条件, 最后轴向调整间隙确定为0.25～0.28 mm, 运行结果证明其数值可行。
3.2 水轮机主轴密封的可行性分析和改进
水轮机主轴密封性能的好坏也直接关系到水轮机轴承的使用寿命, 当发生渗、漏水时轴承的润滑条件就要受到破坏。因此, 提高主轴的密封性很有必要, 通过可行性分析后进行了下列改进: (1) 安装橡胶密封板时, 在橡胶密封板与主轴护套间加足二硫化钼润滑脂, 提高橡胶板的润滑条件 (减小摩擦系数) , 这样能使密封板的使用寿命延长到极限值。 (2) 改变杭州发电设备厂提供的技术要求, 将三道密封环 (橡胶水封) 的拉紧弹簧全部装上, 这样能使密封环 (橡胶水封) 处于最佳的密封状态。
3.3 双向推力轴承产品质量的检测
通过对双向推力轴承产品质量的严格检测, 查明备品备件中确实存在着少量不合格产品, 经过检测杜绝了将不合格产品使用到水轮机中。
上述各方面的技术改进后, 水轮机推力轴承的使用寿命由原来的5～6个月逐渐增加到10～14个月。
3.4 将内燃机试运行时的磨合技术运用到水轮机试运行中
2001年9月2台水轮机大修时均更换了双向推力轴承, 为了进一步提高其使用寿命, 将内燃机试运行时的磨合技术首次应用到水轮机的试运行中。其磨合时具体的方法是:当水轮机符合试运行条件后, 在确保双向推力轴承在正常的润滑条件下, 机组的转速由慢到快 (额定转速的20%、50%、100%) , 负荷由轻到重 (额定出力的25%、50%、75%、100%) , 分时段进行空载和负载磨合试运行, 在磨合过程中要求机组运转平稳。通过磨合可以使转动部分与固定部分的接触面更光滑, 这样也是延长轴承使用寿命的一种方法。
3.5 橡胶密封板和双向推力轴承使用情况的分析与判断
(1) 橡胶密封板的最长使用时间约10～14个月, 在使用过程中如水轮机主轴发生渗、漏水时橡胶密封板已经开始损坏。
(2) 当双向推力轴承运行时的温度、声音均正常, 从排油管中排出的润滑油中又未见金属粉末时, 其完好率应在90%以上。机组可以继续运行。
4 确定检修、维护、处理方案
改进后的水轮机使用情况, 已经具备了可以安排有计划性的检修的条件, 通过以上整体分析后确定了下列几个检修方案:
方案一, 在双向推力轴承没有损坏的情况下, 当水轮机主轴发生渗、漏水时立即更换橡胶密封板, 进行简单处理, 防止因主轴的渗、漏水造成双向推力轴承的损坏。
方案二, 在双向推力轴承没有损坏的情况下, 每年进行一次计划性更换橡胶密封板。
方案三, 如果在运行中发现双向推力轴承损坏时, 应立即将机组解列停机进行抢修。
5 结语
贯流式水轮机论文 篇8
关键词：贯流式水轮机,CATIA,过流部件,强度分析
0 引言
我国目前的水力资源开发主要集中在低水头段及高水头段, 低水头段主要采用贯流式机组。灯泡贯流式水轮机是开发低水头水力资源所采用的主要机型, 并随机组单机出力的提高, 其结构尺寸在不断增大[1]。
在机组运行过程中机组各部件的强度直接决定电站及电网的安全运行, 因此机组各部件的强度是否满足要求对于安全运行的意义非凡, 同时强度的合理性也是设计成败的衡量标准之一[2]。传统的强度分析是基于理论计算对部件进行强度的校核, 这种方法的局限性是只能对具有规则外形的部件进行强度分析, 同时对于材料必须是均匀分布的。而对于水力机械主要由曲面等非规则几何体部件构成, 强度分析就具有一定的难度[3]。灯泡贯流式水轮机特定的结构导致其强度不高, 因此采用CATIA软件, 对灯泡贯流式水轮机的关键部件进行几何建模及应力分析, 探讨灯泡贯流式机组强度计算的方法, 为大型灯泡式机组的设计及水电站的安全运行提供参考依据。
1 基于CATIA软件的强度计算方法
采用非定常的三维不可压缩连续方程和雷诺平均纳维-斯托克斯方程 (RANS) 模拟灯泡贯流式水轮机尾流道中的流动, 同时使用RNG双方程湍流模型封闭方程组[4]。采用非结构的四面体网格, 并利用有限体积法对非结构化网格下的控制方程在空间上进行离散。最后施加合理的边界条件和起始条件, 在给定的几何参数和不同的流动条件下, 进行模拟计算。
强度分析计算的最有力方法就是有限元法, 随着计算机技术的快速发展, 有限元方法的发展非常迅速, 也在水力机械的结构设计与分析中得到了大力的发展[5]。目前, 围绕数字化产品和电子商务集成概念进行系统结构设计的CATIA软件, 可为数字化企业建立一个针对产品整个开发过程的工作环境, 特别是在水力机械的研发过程中, 可以对产品开发过程的各个方面进行仿真[6]。
2 转轮体的强度分析
2.1 转轮体的三维建模及应力分析
首先利用CATIA软件建立转轮体的三维模型, 采用中间节点的四面体单元进行网格划分, 其网格图如图1所示。对网格划分好的模型在正常工况、协联飞逸工况、非协联飞逸工况下进行强度分析, 得出其受相同复杂载荷作用下的应力与变形情况。
转轮体的受力情况为:
(1) 水压力按梯度分布, 内腔油压为0.5 MPa, 正常工况时的转速为125r/min, 协联飞逸工况时的转速为330r/min, 非协联飞逸工况时的转速为360r/min。
(2) 经计算正常工况下的叶片离心力为130 418.4N, 协联飞逸工况下的叶片离心力为945 375N, 非协联飞逸工况下的叶片离心力为1 234 751N。
(3) 转轮体的材料选择为ZG20SiMn具有各向同性, 弹性模量Z为206 800, 泊松比v为0.3, 屈服强度δs为295 MPa。
2.2 计算结果及分析
2.2.1 正常工况下的计算结果及分析
从正常工况下的变形图2可知最大综合变形为0.057 5mm, 最大综合应力为23 MPa, 径向最大变形为0.036 4 mm。在正常工况下由于旋转时产生的离心力会使转轮体产生轴向的变形。轴向变形是叶片产生的离心力对转轮体作用产生的, 因此变形主要集中在叶片的安装孔处。
2.2.2 联飞逸工况下的计算结果及分析
从协联飞逸工况下的变形图3可知, 其最大综合应力为175 MPa, 综合变形为0.473mm, 径向最大变形为0.227mm。飞逸情况是机组运行的极端情况, 其强度保证对安全运行具有很重要的意义。
2.2.3 非协联飞逸工况下的计算结果及分析
从非协联飞逸工况下的变形图4可知, 其最大综合应力为229 MPa, 综合变形为0.573mm, 径向最大变形为0.362mm。
各工况中转轮体的应力集中和变形区域主要集中在转轮体的叶片安装孔附近, 因此在设计时要重点考虑此部位的强度, 合理设计其几何形状使其满足强度要求。
综上所述, 正常工况下、协联飞逸工况下、非协联飞逸工况下的综合应力均小于选用材料ZG20SiMn的许用应力295MPa, 故各工况下的综合应力均满足强度要求。
3 整个机组的三维建模及强度分析
首先利用CATIA软件对灯泡贯流式水轮机组的各个部件进行三维模型建立, 采用带中间节点的四面体单元进行网格划分, 其结果如图5所示。
对于整机, 主要分析自重工况、额定运行工况、两相短路工况、紧急关机工况下的受复杂载荷作用下的应力与变形问题。其边界条件为:
(1) 自重工况:重力为9 800N。
(2) 额定运行工况:重力为9 800N、正向水推力为70t、电磁扭矩为3.21×108 N·mm、单边磁拉力为84 307N、水压为0.117 MPa, 且按梯度分布。
(3) 两相短路工况:水压为0.117 MPa, 按梯度分布;短路电磁扭矩1.72×109 N·mm, 重力为9 800 N, 正向水推力为70t。
(4) 紧急关机工况:导叶前水压为0.153 MPa, 导叶后水压为0.069 8MPa, 反向水推力为70t, 导叶水推力为637 000N, 重为9 800N。
3.1 自重工况
在自重工况下计算结果如图6所示, 其中最大综合应力为39.6 MPa, 最大综合变形为0.153mm。
3.2 额定工况
在额定工况下其计算结果如图7所示, 其中最大综合应力为77 MPa, 最大综合变形为0.632 mm, 综合应力分布均匀且应力较小, 只有在支柱部位应力稍大。在额定工况下最大应力在灯泡体上分布均匀, 部分区域应力很小。变形分布不均匀, 灯泡体上整体变形量不大, 支柱上有部分变形集中区域。
3.3 两相短路
在两相短路工况下其计算结果如图8所示, 其中最大综合应力为74.5 MPa, 最大综合变形为0.633 mm, 两相短路工况下最大应力分布与额定工况基本相似。
3.4 紧急关机工况
在紧急关机工况下其计算结果如图9所示, 其中最大综合应力为68.4 MPa, 最大综合变形为0.748 mm, 紧急关机工况下会使机组受到较大的冲击, 因此在灯泡体部分区域会产生较大的变形量, 综合应力也出现各部件间不均匀分布。
各计算工况下最大应力及变形结果如表1所示。
从表1中可知在紧急关机工况下时, 变形最大为0.748mm, 在额定运行工况下出现最大应力77 MPa, 远小于所选材料ZG20SiMn的许用应力235 MPa, 故其结构满足强度要求。
4 结语
将有限元分析软件CATIA应用于灯泡贯流式水轮机的强度分析, 通过各部件的应力分布情况和变形量大小的分析, 进行大型贯流式机组的强度研究, 并使非规则部件的强度分析得以实现。分析结果为大型贯流机组的结构设计及优化和电站的安全运行提供保障。
参考文献
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混流式水轮机水力振动 篇9
1 湖南欧阳海水电站试验
1.1 欧阳海水电站基本参数
1.2 机组稳定性试验
1#机组稳定性试验, 试验水头42 m。从空载到最大出力15 MW, 每隔1 MW一个试验工况点。水轮机蜗壳进口、顶盖、尾水管锥管等处水压脉动结果见图1。试验结果表明:在1～4 MW之间存在强烈水压脉动区, 在3 MW附近水压脉动达最大值, 超过其他运行工况水压脉动值的5倍;水压脉动频率为4.45 Hz, 为转速频率的1.424倍;3个部位水压脉动特征为:同振幅、同相位、同频率, 见图2。
1.3 机组水力振动分析
欧阳海电站机组水压脉动主要体现在低负荷3 MW附近机组产生水力共振, 其他类型水力振动所占比重较小。采取的措施为:机组避开振动区运行。
2 黄河万家寨水电站试验
2.1 万家寨水电站基本参数
2.1.1 1#、2#、3#、4#水轮机
2.1.2 5#、6#水轮机
2.2 机组稳定性试验
1#机组稳定性试验, 试验水头63 m。从空载到最大出力200 MW。水轮机尾水管进人门处、涡壳进口、顶盖水压脉动结果 (见图3) 。试验结果表明:20～80 MW为水力共振强烈水压脉动区;在40 MW附近水压脉动达最大值, 超过稳定运行工况水压脉动值的6倍, 水压脉动主频率为2.23 Hz, 为转速频率的1.335倍 (见图4) ;同样的水压力脉动在涡壳进口、水轮机顶盖等处同时出现, 引起机组强烈振动。80～140 MW为尾水管低频涡带造成的水压脉动区, 水压脉动频率为0.5 Hz, 为转速频率的0.3倍, 尾水管低频涡带水压脉动值最大为4 m, 基本不影响水轮机稳定运行 (见图5) 。140 MW以上出力为水轮机稳定运行区。尾水管中高频水压脉动成分所占比重较大, 是叶道涡、卡门涡、转轮与导叶及其互相干涉等形成的结果。
万家寨6#机组稳定性试验, 试验水头63 m。
从空载到最大出力200 MW。水轮机尾水管进人门处、涡壳进口、顶盖水压脉动结果 (见图6) 。试验结果表明:20～60 MW为水力共振强烈水压脉动区;在45 MW附近水压脉动达最大值, 超过稳定运行工况水压脉动值的8倍, 水压脉动主频率为1.67 Hz, 与转速频率一致 (见图7) ;同样的水压力脉动在涡壳进口、水轮机顶盖等处同时出现, 引起机组强烈振动。60～120 MW为尾水管低频涡带造成的水压脉动区, 水压脉动频率为0.5 Hz, 为转速频率的0.3倍, 尾水管低频涡带水压脉动值最大为2.2 m, 基本不影响水轮机稳定运行。120 MW以上出力为水轮机稳定运行区。尾水管中高频水压脉动成分所占比重较小。
3 黄河小浪底水电站试验
3.1 小浪底水电站基本参数
3.1.1 水轮机参数
3.1.2 发电机参数
3.2 机组稳定性试验
小浪底1#机组稳定性试验, 试验水头109 m。从空载到最大出力300 MW。水轮机尾水管进人门处、涡壳进口、顶盖水压脉动结果 (见图8) 。试验结果表明:40～100 MW为水力共振强烈水压脉动区;在60 MW附近水压脉动达最大值, 超过稳定运行工况水压脉动值的4倍, 水压脉动主频率为2.17 Hz, 为转速频率的1.2倍 (见图9) ;同样特征的水压力脉动在涡壳进口、水轮机顶盖等处同时出现, 引起机组强烈振动。在120 MW附近比较窄的出力范围, 产生剧烈的低频水压脉动, 机组振动感最强, 水压脉动主频率为0.47 Hz, 为转速频率的0.27倍;同样特征的水压力脉动在涡壳进口、水轮机顶盖等处同时出现。140～220 MW为尾水管低频涡带水压脉动区, 水压脉动频率为0.7 Hz, 为转速频率的0.4倍, 尾水管低频涡带水压脉动值最大为3 m, 基本不影响水轮机稳定运行。220 MW以上出力为水轮机稳定运行区。尾水管中高频水压脉动成分所占比重比较大, 是叶道涡、卡门涡、转轮与导叶及其互相干涉等形成的结果。
4 混流式水轮机水力振动产生的原因及其 破坏性分析
综合上述电站混流式水轮机水力振动分析, 在额定出力的20%～30%范围内出现过水系统整体水力共振, 频率为转频的1～1.4倍。混流式水轮机在偏离最优工况区运行时, 在叶片出口存在旋转水流形成的涡带, 在尾水管中引起低频压力脉动, 其频率为水轮机转速频率的1/3～1/5。而在水轮机尾水管中形成的涡带有3种:第1种为实心涡带, 在接近运行最优工况区产生;第2种为较为稳定的空腔涡带, 在尾水管中旋转摆动;第3种为变化的空腔涡带, 此种涡带有时会有数个交替产生, 时有时无。后2种涡带在水轮机模型试验中很容易观察到, 在远离最优运行区产生。第3种涡带为水轮机低负荷强烈水压脉动产生的根源, 随着水轮机尾水管空腔涡带的产生与消失, 及其形状、大小的变化, 必然会引起整个过水系统流量的交替变化, 同时造成水压力变化, 类似于在过水系统上安装了阀门, 这类振动出现在整个过水系统, 对水轮发电机组和引水系统有巨大的破坏性, 电站应严格禁止在此区域运行。
小浪底电站在额定出力的40%, 出现低频水力振动带, 为尾水管中强烈涡带振动的典型代表, 其振动值可传至涡壳进口, 此类振动对机组破坏性最大。
万家寨1#～4#机、小浪底机组尾水管水压脉动具有较强的高频成分, 转轮内部叶道涡, 叶片出水边的卡门涡较强, 对转轮本身会造成破坏, 如加速叶片裂纹的形成等。
混流式水轮机在额定出力的40%～70%为尾水管低频涡带振动, 频率为转频的0.3～0.4倍, 有些基本不影响水轮机稳定运行, 水压脉动双幅值小于6 m, 如小浪底、万家寨电站;有电站振动比较强烈, 水压脉动双幅值超过8 m, 如李家峡电站 (篇幅所限, 未进行论述) 。
5 水轮机水压脉动的处理方法
5.1 水轮机选型设计
对于调峰电站, 改变原来效率优先的选型设计理念, 水轮机最优效率向高水头偏移, 在模型试验曲线上, 选择叶片进口脱流线贯穿全部运行水头, 适当牺牲水轮机效率指标, 万家寨电站5#、6#机最高运行水头线通过水轮最高效率点, 叶片进口脱流线贯穿了全部运行水头, 其稳定运行区明显比该电站1#～4#机宽。
5.2 水轮机及电站设计制造
加强水轮机及电站结构动力学研究, 避免产生结构共振。对影响水轮发电机组稳定运行的振源 (激励) 和机械结构的模态 (响应) 进行更深入的研究。
5.3 运行管理
进行水轮发电机组运行稳定性试验研究, 加深对水轮机低负荷强烈水压脉动的认识, 实测水轮机振动区, 在机组运转特性曲线上, 限定运行区域 (禁止运行区、过渡运行区、稳定运行区) , 合理地调度机组, 避开机组强烈振动区运行。
5.4 合理选择水轮机安装高程
大型水轮发电机组主轴中心补气是减轻机组振动的有效措施, 然而, 有的电站由于水轮机安装高程较低, 或由于开挖不足造成下游水位抬高, 致使尾水管补气困难。如万家寨水轮机主轴中心补气试验结果表明:主轴中心呼吸式的补气方式, 对减轻机组振动没有明显作用。大量试验研究证明:在振动区只要有水轮机额定出力流量的1.5%～2.5%的补气量, 且能够补到涡带空腔区, 才可以有效抑制水压脉动。然而机组安装高程、水轮机空蚀、尾水管空腔涡带的形成、自然补气、水轮机效率等诸多因素互相关联和制约。为此, 正确认识和解决混流式水轮机强烈水压脉动带来的机组振动问题尚需进行大量的试验研究工作。
5.5 叶片出水边修型