张双全[1]2008年在《大型混流式水轮机水力稳定性研究》文中研究说明随着水电机组单机容量的提高,机组尺寸的逐步增大,比转速的不断提高,相对刚度的减弱,人们对于大型混流式水轮机的运行稳定性日益重视,同时,随着技术的高速发展,机组运行的自动化程度越来越高,无人值班、少人值守,远程控制的水电厂日益增多,对机组运行稳定性的要求亦日趋严格。另一方面,国内外许多大型混流式水轮发电机组相继出现振动问题,不仅影响了正常的生产运行,有的还危及到机组的安全,因此,水力稳定性已经引起电力及制造行业的普遍关注,也给行业内的专家学者提出了新的研究课题,本文的研究就是基于这样的背景下进行的。大型混流式水轮机水力稳定性有关的原因比较复杂,在电站的表现形式也多种多样,如尾水管低频压力脉动、卡门涡、叶道涡等,在这些水力原因中,尾水管涡带又是机组振动最主要的原因,其危害性也最大。而对水力稳定性的研究方法主要有模型试验研究、真机试验研究、CFD数值解析这三种。本文针对东江水电厂机组出现的振动问题,采用以上三种方法相结合的手段,对机组振动的原因进行了综合研究。水轮机模型试验是研究真机水力稳定性的重要手段。尽管现在已经具备对水轮机进行较准确的数值模拟及性能预测的手段及仿真技术,但是最终仍需进行模型试验来确定模型转轮的能量特性、汽蚀特性以及水力稳定性等。对于已运行的机组,通过模型试验可以模拟电厂的运行工况以研究真机运行的各种特性。通过对电厂的模型机组进行多方面试验研究的结果表明,转轮的能量特性较差;在小开度下,模型机组尾水管内存在较大的低频压力脉动;不同形状的泄水锥对模型机组尾水管的低频压力脉动有较大的影响;针对具体情况,采用不同的补气方法可减轻机组的振动。真机试验是研究真机水力稳定性的直接手段,模型试验固然重要,但也有其局限性,如真机与模型几何相似的假定条件就是相对的,加上水轮机过流部件内的流动极为复杂,各电站水轮机结构的设计也差别很大,由水轮机模型试验的振动特性很难预估真机的运行稳定性,使水轮机振动的真机试验研究为国内外专家所重视。通过大量的研究表明,水轮机振动有其共性,也有其个性。可见,通过模型试验并不能全面了解真机的所有性能,尤其是和机组振动密切相关的动态特性,因此,虽然相比模型试验来说,真机试验受到许多实际条件的限制,但是在研究具体电站的具体问题,特别是要了解机组的制造质量、安装质量等模型上没有的信息对机组运行稳定性的影响时,真机试验必不可少。本论文对电厂的真机做了多方面的试验研究,包括过流部件的实测;不同水头下的变负荷、变励磁试验研究;机组振动的频率特性分析;补气对真机稳定性的影响以及机组振动与大坝振动的之间的关系分析。试验的结果表明,东江水电厂机组的制造及安装质量存在较大的缺陷;机组在每个水头下均存在两个振动工况区,且随着水头的升高,振动工况区有向小出力偏移的趋势;在部分负荷时,尾水管中产生偏心涡,引起尾水管低频压力脉动;采用合适的补气方法及补气量,对于减轻东江水电厂机组的振动是有效的。与模型试验和真机试验相比,CFD数值解析在成本与周期、所获得的信息量等方面有着巨大的优势,因此,这一方法的应用也越来越普遍、深入,也使得人们对于大型混流式水轮机过流部件中主流内特性的了解日益加深。本文通过“部分耦合”的方法对真机在不同运行工况下的稳定场进行了数值解析,并全面的分析了各过流部件内的流动特性以及其能量特性。仅仅对机组的过流部件进行稳定场的CFD数值分析还不足以解决所有与水轮机水力稳定性有关的问题,因此在本论文的最后,采用雷诺应力湍流模型对真机尾水管在不同运行工况下进行了非稳定场的CFD数值解析,分析涡带的运动规律及其产生的低频压力脉动特性,并与真机的试验结果进行了比较,结果比较吻合。
陈生荣[2]2003年在《混流式水轮机运行稳定性的研究》文中研究说明摘 要随着水电机组容量和尺寸的不断增大，转速的相应增提高，机组的运行稳定性问题已成为电站机组设计、安装和运行极为关注的问题。本文针对水轮发电机组在运行过程中出现的影响运行稳定性的振动、水压脉动问题进行了阐述，通过目前国内外正在模型或真机上进行的尾水管压力脉动的测试和分析的大量研究，对尾水管中水流引起的低频水压脉动进行了理论分析。并对万家寨电站水轮机尾水管的破坏情况进行分析，提出了相应的改进措施及建议。在水电站机组运行中由于自激振动引起的破坏时有发生，自激振动产生的破坏对不同的机组，其破坏的部位和程度不尽相同。长期以来，在稳定性方面，对安装检修质量问题带来的影响缺乏足够的认识，论文从电站机组安装的角度分析了改善机组运行稳定性，防止或减轻自激振动发生的途径。国内外目前对水电站机组运行稳定性没有统一的评价标准，特别是水轮机尾水管水压脉动，在讨论问题时经常采用?H / H 进行评价。电站运行实践证明：同一?H / H 值，对不同水头的影响是不同的。这就使得?H / H 具有不确定性，因此，文中对机组运行压力脉动的评价进行了讨论和探讨,提出了对评价参数的建议。根据万家寨电站 2#机组的稳定性试验，结合机组设计的运转特性曲线，提出了机组在未完全采取稳定性工程措施前的运行建议及进一步对稳定性研究的方向。稳定性试验前，已对机组进行了动平衡和空载变励磁试验，消除了非水力不稳定定因素。通过对万家寨电站 2#机的现场稳定性测试，及对采集的数据进行的频谱分析，得出了 2#机组振动的主要原因是水力因素作用的结果，提出了消振、减振的措施。
贺梅[3]2000年在《混流式机组水力振动研究与破坏原因分析》文中认为随着机组容量和尺寸的逐渐增大，转速的相应提高，机组振动已成为运行和设计中存在的一个重要问题。 本文针对水轮发电机组在运行过程中出现的振动问题进行了阐述，通过目前国内外正在模型或真机上进行的尾水管压力脉动的测试和分析的大量研究，对尾水管中水流所引起的低频压力脉动进行了理论分析，并对安康水电厂2#机组尾水管的破坏情况，提出了相应的改进措施。 与安康水电厂同类型水轮机的引水盖板在实际运行过程中普遍都存在着不同程度的破坏情况。本文首次采用了美国最新大型通用有限元分析软件对水轮机引冰盖板的结构进行了应力、应变分析，并结合实际运行工况，对机组的水力脉动进行模拟，综合分析了安康水电厂1#机组水轮机引水盖板的破坏成因，得出了与实际破坏相一致的结论，并提出了相应的改进措施，具有重要的实际意义。 通过对安康水电厂1#机组的现场稳定性测试，对采集到的数据进行频谱分析，得出1#机组的振因主要是由水力因素作用的结果，提出了消振减振措施。
廖书长[4]2008年在《高比转速混流式水轮机低负荷运行稳定性研究》文中提出近年来,由于计算机技术和计算流体力学的迅速发展,现代水轮机的水力性能得到了进一步的提升,大型混流式水轮机的效率已接近极限,但随着水轮机单机容量(尺寸)的增大和参数的提高,混流式水轮机运行的稳定性问题空前凸显。国内外投运的许多大型混流式水轮机均不同程度地出现振动过大或转轮裂纹等问题。水轮机运行稳定性的好坏直接影响机组和电站正常生产和运行的经济效益,因此,对其进行深入研究具有重要的理论和实际意义。本文搜集并统计了国内外众多大型混流式水轮机基本资料及运行情况,并在前人研究成果和方法基础上,对混流式水轮机尤其高比转速混流式水轮机特性及其在低负荷的运行稳定性进行了研究,从理论上分析了高比转速混流式水轮机转轮的结构和形状特点,转轮进口水流冲角、出口水流环量和压力梯度与水轮机运行工况的关系,以及低负荷涡带成因及其压力脉动的频率和幅值特性;同时,在研究水力机组振动频率特征和稳定性试验数据分析方法的基础上,以某大型高比转速混流式水轮机稳定性试验结果为例,进行了真机运行稳定性分析,研究了水轮机不同负荷尤其低负荷运行特性以及水头变化对其的影响;最后研究了改善混流式水轮机低负荷运行稳定性的设计和运行措施,并提出了基于部分负荷运行稳定性优化的水轮机额定水头选择方法。混流式水轮机在不同运行工况下,转轮进出口流态有很大变化,从而水轮机稳定性也有很大差别。除了众所周知的涡带振动区外,更小负荷时的叶道涡有时也能引起较大的压力脉动或振动。真机试验表明,水头对水轮机运行稳定性有重要影响,随着运行水头的增大,水轮机运行不稳定区向大负荷方向扩展,稳定区变窄。对高比转速混流式水轮机,在水头变幅较大或偏离额定工况较远条件下,低负荷运行稳定性问题可能更为严重。混流式水轮机低负荷振动是其固有属性,这种属性是由其叶片的不可调节决定的,在一定程度上可通过优化转轮叶片、泄水锥和尾水管等过流部件及水轮机整体设计等手段使之得到改善。对于某一水轮机,必然存在一定的运行不稳定区域,通常可通过补气或装设稳流和阻水装置加以消减。同时,优化水轮机工作参数(额定水头)选择、合理安排机组运行方式,对改善混流式水轮机低负荷运行稳定性具有重要作用和意义。
曹良[5]2007年在《混流式水轮机流固耦合振动分析》文中提出近年来,国内外一些大型混流式水轮机机组频频出现异常,导致机组振动甚至水力机组结构破坏,降低使用寿命的振动现象,在世界各地普遍存在,严重危及到机组的安全运行。目前,对此问题还没有找到有效的解决方法。水力机组的振动问题极为复杂。水轮机的振动问题是一个非常复杂多场耦合的非线性动力学问题,特别是流体—固体的耦合作用。混流式水轮机固定部件是主要的水轮机组结构支撑系统。因此,固定部件运行的振动特性对深入了解固定部件的振动机理、避免水力共振、确保机组安全稳定运行具有重要意义。本文在综述了国内外混流式水轮机组动力特性的研究现状后,主要作了以下工作:1.借助大型通用有限元分析软件ANSYS,针对混流式水轮机固定部件,组件多,结构各异的特点,在几何造型中采用中心分割,建立各部分几何模型再拼装的方式。建立了混流式水轮机固定部件流固耦合三维有限元分析模型,为水轮机固定部件振动问题的研究奠定基础。2.对由不可压缩理想流体和固定部件组成的耦合系统,从理论研究出发,采用有限元法的位移—速度势格式,使用加权余量法中的Galerkin法,对耦合系统进行有限元离散,从而导出了系统在流动流体中的流固耦合有限元方程,根据方程中各项的物理意义,详细讨论并分析了附加质量的提出及附加质量的影响因素。3.根据固定部件在运行时的受力特点及其所要考虑的影响因素,对可压缩理想流体与固定部件组成的线性流固耦合系统,采用有限元方法中的位移—压力格式,应用Galerkin法对流体和固体结构进行离散,建立了系统流固耦合有限元方程。并借助于有限元软件ANSYS中的流固耦合功能分别对两种不同介质下的整体固定部件进行了模态分析,得到固定部件在空气中和静止流体中的自振特性,并对计算结果进行了详细的对比分析,发现一些有价值的振动规律。针对几种特征振源,讨论该水轮机固定部件在运行工况下发生共振的可能性。此外,还讨论了静水压力对水轮机固定部件动力特性的影响,结果表明,对于水轮机固定部件而言,可以不考虑静水压力对其动力特性的影响。4.根据实际的损坏情况,确定水轮机可能的振动原因:水轮机迷宫环中止漏环径向间隙的不均匀将产生侧向力使转轮与座环发生擦碰。针对这一原因模拟了擦碰力作用下的水轮机固定部件流固耦合系统的动力响应,探究了这一振源对水轮机产生的影响。5.根据流固耦合系统动力特性分析的模态分析,提出一种基于流体附加质量影响的简化动力特性计算方法——附加质量法。基于振动理论中的能量法与机械振动方法推导建立利用空气和水中不同振动频率确定附加质量的理论方法。并通过ANSYS的二次开发实现了变质量的模态分析得到附加质量模型的模态解,进而讨论了附加质量法的可行性。
肖若富[6]2004年在《中比转速混流式水轮机内流场数值模拟及性能改善研究》文中进行了进一步梳理效率、空化性能及稳定性是混流式水轮机的三大综合性能指标,也是我们研究的重点。水力机械内部流场的CFD数值解析是我们研究混流式水轮机性能指标的重要工具,它可以通过对水轮机各过流部件内部流动稳定场及非稳定场的详细解析,了解过流部件内部的综合特性,为研究水轮机水力性能及稳定性提供理论基础。长期以来,人们一直在寻找有效的高精度的计算方法以及合适的湍流模式等,使其能够准确的分析及预测混流式水轮机组在较大运行范围内的能量特性、空蚀性能及水力稳定性,从而最大限度的减少模型试验费用及时间。本文首先介绍了与水力机械CFD解析有关的若干理论问题,着重比较了各种湍流模式的优缺点及在水力机械CFD解析中的适用性;其次通过“部分耦合”的方法解析了某中比转速混流式水轮机真机在不同工况下的稳定场,全面的分析了各过流部件内的流动特性以及其能量特性,并与模型试验的数据进行比较分析;对该水轮机空化性能进行研究,分析该水轮机转轮叶片空化的原因,提出改善叶片空化性能的修型方案,并对修型前后转轮的空化性能进行比较,取得了较好的实际效果。随着水力机械CFD解析技术的发展,人们对于混流式水轮机过流部件中主流的内流特性的了解正日益加深,而对于转轮与静止壁面之间上下迷宫环间隙内的流动以及其引起的流量损失和动力损失的认识还停留在经验公式上。本文首次通过对主流与间隙流的整体解析,详细的分析了混流式水轮机上下迷宫环间隙的内部流动情况,着重分析了上下迷宫环中能量损失的分布以及上下迷宫环间隙引起的流量损失及动力损失,并讨论了不同间隙形状对于流量损失及动力损失的影响;在此基础上,深入的对混流式水轮机中包括能量效率、流量效率及动力效率的综合水力效率进行详细分析,并与模型试验数据进行比较;最后,进一步分析了间隙流与主流之间的干涉作用,重点的分析了下环间隙出口流动对于尾水管内的水力性能的影响。另一方面,随着机组容量和尺寸的逐步增大,水轮机比转速不断提高,人们对于混流式水轮机的运行稳定性日益重视,这使得水轮机内部非定常流场解析十分必要。作为中比转速的混流式水轮机,尾水管内部螺旋形涡带所产生的压力脉动是造成这类<WP=5>机组振动的最主要根源。但由于尾水管内流动是强三维、非定常、非线性的粘性流动,当涡核在尾水管内形成空化空腔时,它还是两相流。因此要对尾水管内的流态进行准确的数值模拟是十分困难的。此外,关于尾水管涡带的形成机理,目前尚存在不同看法。本文中作者应用最小能量损失原理及自由剪切层的拟序结构对于尾水管内死水区及螺旋形涡带的形成机理进行分析,提出尾水管中锥形自由剪切层之间的大涡结构是形成尾水管内螺旋形涡带的根本原因。本文中还详细的讨论了各种湍流模式在尾水管内部流动非定常数值解析中的适用性,并利用微分雷诺应力模式对尾水管内部流动进行非定常解析,验证了尾水管中螺旋形涡带形成的机理。最后通过对不同工况下的尾水管内部流动的解析,详细的分析了不同工况下尾水管内螺旋形涡带的运动规律及其引起的压力脉动。随着水电工程建设的高速发展,机组运行的自动化程度越来越高,无人值班、无人值守,远程控制的水电厂日益增多,对机组运行稳定性的要求日趋严格。本文基于对混流式水轮机稳定性的机理研究,以工程实际为背景开发了一套大型水力发电机组振动监测系统。本文首先详细的介绍了该振动监测系统的硬件及软件系统的总体结构,以及传感器的布点位置;然后,着重的比较了基于小波包分析的现代频谱分析方法和基于FFT传统频谱分析方法在提取混流式水轮机弱故障信号中的应用;最后通过在水电厂实际水电机组上对该系统进行安装调试,对其典型工况下的振动情况进行分析。
李炎[7]2009年在《当前混流式机组水电站厂房结构振动的主要问题和研究现状》文中认为随着水电工程建设的高速发展,现代水轮发电机的容量和尺寸日趋增大,比转速也相应提高,普遍出现在水电站厂房某些工作区域内振动过大的现象,并不同程度地引起厂房甚至是大坝的强烈振动。其中以岩滩、五强溪等水电站厂房振动最为显著。另外,又对厂房结构的自振特性、动力响应分析、振动振源的研究现状进行了总结。
何芳[8]2008年在《混流式水轮机转轮结构及优化设计》文中提出对于混流式水轮机,影响水电站机组安全、运行效率的因素有很多,如蜗壳、固定导叶、活动导叶、转轮以及尾水管等水力通道中的部件,都对水轮机的效率有影响;但转轮是水轮机组的核心部件,对水轮机的效率有着决定性的影响,所以水轮机转轮的优化设计是整个水轮机设计中最重要的部分。近十年,流体力学研究工具CFX(计算流体动力学)已经在流体机械的设计,尤其是在优化设计中得到广泛的应用,成为水轮机转轮设计的主流工具。使用先进的CFX技术与模型试验技术相结合,可以开发出具有优良性能的水轮机转轮,大大缩短水轮机设计开发周期,降低开发成本,并可准确地进行性能预测,提高水轮机水力设计的质量。论文应用ANSYS-CFX11.0仿真软件对水轮机转轮叶片的三维流动及能量分布进行数值计算、模拟仿真,对修型后叶片的各项性能指标进行分析,通过优化设计得到叶片厚度的最佳改变量,为减小转轮振动、涡列和控制振动等方面提出新的改进方法。论文主要内容是:1、分析研究引起水轮机水力振动的原因,并且通过对转轮的优化设计减少和控制水力振动,达到水轮机在最优工况时具有最佳运行效率;2、对转轮叶片削薄,应用CFX技术进行数值模,优化设计水轮机叶片.研究表明,将基于有限元法的结构分析仿真技术应用于水轮机转轮结构优化设计分析,可以缩短研制周期,降低开发成本,具有重要的理论意义及工程实际意义.
朱卫国[9]2004年在《大型混流式机组水电站厂房结构水力激振研究》文中认为目前，水轮发电机组的容量和尺寸日趋增大，普遍出现在某些工作区域内机组振动过大的现象。这种振动不仅影响机组的自身稳定，也引发厂房建筑物强烈振动，其中最为突出的是大型混流式机组厂房的水力共振。本文初步探讨了水力脉动引起机组乃至厂房结构振动可能性。并以三峡水电站厂房结构振动为例，采用非定常湍流数值模型分析的大涡模拟方法进行了混流式机组的水力振源模拟，并采用频谱分析方法分析振源的频谱特性；分析了厂房结构的自振特性和水力激振载荷作用下的动力响应(谐响应)分析；通过对以上结果的综合考虑得出水电站厂房结构在水力激振载荷作用下的最不利频率段和空间位置。 此文的研究成果，可应用于与三峡机组类型相同的水电站厂房。 文中各章节内容如下： 第一章介绍了厂房振动问题的研究现状和本文研究的主要内容。 第二章介绍了湍流模拟仿真原理，通过不同模拟方法在求解精度、求解消耗和对求解目的适用性等方面的比较，并通过弯管算例论证：大涡模拟(LES)方法是目前计算湍流场中脉动信息的最好方法。 第三章对三峡水电站尾水管进行了三维非定常湍流模拟，并对脉动压力进行频谱分析，得出脉动压力的频率成分和相应的幅值。 第四章对三峡水电站厂房结构进行了精确模态分析，利用尾水管室湍流场模拟的成果分别进行了竖向激振载荷、横向激振载荷作用时在16Hz～40Hz频率段的谐响应分析。
陈香林[10]2004年在《混流式水轮机叶片流固耦合动力特性研究》文中研究说明近年来,国内外一些大型混流式水轮机机组频频出现强烈的振动现象,尤其是中高比转速水轮机叶片的裂纹现象,在世界各地普遍存在,严重危及到机组的安全运行。目前,对此问题还没有找到有效的解决方法。 混流式水轮机转轮叶片与粘性流场的相互作用不仅会激发叶片的强力振动,严重时还会导致叶片产生疲劳断裂、动力失稳等影响机组安全运行的事件。因此,研究转轮运行时叶片的振动特性对深入了解叶片的流激振动机理、避免水力共振、确保机组安全稳定运行具有重要意义。 本文在综述了国内外混流式水轮机转轮叶片动力特性的研究现状后,主要作了以下工作: 1.借助大型通用有限元分析软件ANSYS,针对混流式水轮机叶片几何造型及与叶片相关的工程计算(如水轮机转轮内部三维粘性湍流场利叶片强度及叶片振动等问题的有限元计算)中亟待解决的叶片木模图数据转换问题,采用有限元自动网格划分方法,成功地实现了把叶片木模图数据转换成适合于实际工程中需要的数据结构描述方式,用双三次B样条曲面法,对给定型值点的水轮机叶片进行曲面拟合,再现了水轮机叶片的几何外形,并给出了对水轮机叶片进行曲面拟合的数学模型。在此基础上,建立了混流式水轮机整体转轮叶片和单个叶片三维有限元分析模型,为水轮机叶片振动问题的研究奠定基础。 2.对由不可压缩理想流体和转轮叶片组成的耦合系统,从理论研究出发,采用有限元法的位移—速度势格式,使用加权余量法中的Galerkin法,对耦合系统进行有限元离散,从而导出了系统在流动流体中的流固耦合有限元方程,根据方程中各项的物理意义,详细讨论了流速场对叶片振动特性的影响,并分析了附加质量的计算方法及附加质量的影响因素。 3.根据转轮叶片在运行时的受力特点及其所要考虑的影响因素,对可压缩理想流体与转轮叶片组成的线性流固耦合系统,采用有限元方法中的位移—压力格式,应用Galerkin法对流体和固体结构进行离散,建立了系统流固耦合有限元方程。并借助于有限元软件ANSYS中的流固耦合功能分别对两种不同介质下的整体转轮叶片及单个叶片进行了模态分析,得到了转轮叶片及单个叶片在空气中和静止流体中的自振特性,并对计算结果进行了详细的对比分析,发现了一些有价
参考文献：
[1]. 大型混流式水轮机水力稳定性研究[D]. 张双全. 华中科技大学. 2008
[2]. 混流式水轮机运行稳定性的研究[D]. 陈生荣. 天津大学. 2003
[3]. 混流式机组水力振动研究与破坏原因分析[D]. 贺梅. 西安理工大学. 2000
[4]. 高比转速混流式水轮机低负荷运行稳定性研究[D]. 廖书长. 昆明理工大学. 2008
[5]. 混流式水轮机流固耦合振动分析[D]. 曹良. 昆明理工大学. 2007
[6]. 中比转速混流式水轮机内流场数值模拟及性能改善研究[D]. 肖若富. 华中科技大学. 2004
[7]. 当前混流式机组水电站厂房结构振动的主要问题和研究现状[J]. 李炎. 中国农村水利水电. 2009
[8]. 混流式水轮机转轮结构及优化设计[D]. 何芳. 南昌大学. 2008
[9]. 大型混流式机组水电站厂房结构水力激振研究[D]. 朱卫国. 广西大学. 2004
[10]. 混流式水轮机叶片流固耦合动力特性研究[D]. 陈香林. 昆明理工大学. 2004
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