變頂高尾水洞大型水電站運行穩(wěn)定性研究

本項目是從水力學、控制理論和模型實驗等基本理論出發(fā)，研究大型水電站變頂高尾水洞和水輪機調節(jié)系統(tǒng)的工作特性，以及兩者的相互影響，從而解決變頂高尾水洞大型水電站機組運行的穩(wěn)定性。突破變頂高尾水洞這一關鍵技術，取代尾水調壓室。該技術的推廣應用，將促進我國水電建設的發(fā)展，提高水電站的設計水平，具有顯著的經濟和社會效率。. 2100433B

大型乃至巨型水輪機組，其尾水管引起的水力振動對其穩(wěn)定性影響越來越大，但對其內部的運動規(guī)律，尤其是在非穩(wěn)態(tài)工況下，水輪機尾水管渦帶、壓力脈動等水力現(xiàn)象及其誘發(fā)機組的振動機理還有許多不明確處，因此，對大型混流式水輪機尾水管水力振動進行研究成為目前亟待解決的迫切問題。 本項目通過開展大型混流式水輪機組不同工況下尾水管水力振動試驗及對水輪機內部進行非定常并行數(shù)值模擬等研究手段對大型混流式水輪機瞬態(tài)過程現(xiàn)象進行深入分析研究，并得到以下成果： (1)推導建立了具有角加速度的旋轉參考坐標系下的控制方程，結合轉輪旋轉平衡方程，給出了相應新的源項形式。構建了混流式水輪機三維非穩(wěn)態(tài)湍流數(shù)值模擬的程序算法。 (2)通過對水輪機以尾水管渦帶運動的分析，認為其運動的主體為螺旋渦管運動，其影響范圍隨工況的不同而不同。且旋渦在演化過程中，其渦核位置隨機變化，但最終穩(wěn)定在一個特定位置。且尾水管內旋渦能量集中區(qū)域，高渦量區(qū)主要存在于靠近壁面半徑的前1/3處，并且隨時間變化圍繞橫截面中心運動。 (3)進行了模型水輪機的壓力脈動試驗。結果表明：保持水頭、單位轉速一定，只改變導葉開度，壓力脈動幅值隨導葉開度的增大而減小。實測的3種開度工況下，壓力脈動成分均含渦帶頻率、旋轉頻率及倍頻。當保持水頭、開度等一定，而只改變單位轉速條件下，壓力脈動相對幅值隨單位轉速的減小而減小，壓力脈動成分只以旋轉頻率和其倍頻為主，實測的數(shù)據(jù)與理論吻合較好。 (4)設計出1種含有渦流發(fā)生器的新型試驗尾水管，對渦流發(fā)生器的機理進行一定的研究。運用壁面函數(shù)法建立全流道結構網(wǎng)格，用SST模型對其進行數(shù)值計算，分別以渦產生截面和渦開始發(fā)展截面作為渦流發(fā)生器葉片的安裝截面，計算出尾水管各工況下的能量恢復系數(shù)，找出了渦流發(fā)生器的最優(yōu)安裝方法． 同時，本項目成果榮獲大禹水利科學技術獎二等獎一項，發(fā)表SCI、EI論文5篇，其它學術論文共13篇 ，申請專利5項，指導博士后1名，博士2名，碩士3名。成果推廣后，社會經濟效益顯著。

大型乃至巨型水輪機組，其尾水管引起的水力振動對其穩(wěn)定性影響越來越大，但對其內部的運動規(guī)律，尤其是在非穩(wěn)態(tài)工況下，水輪機尾水管渦帶、壓力脈動等水力現(xiàn)象及其誘發(fā)機組的振動機理還有許多不明確處，因此，對大型混流式水輪機尾水管水力振動進行研究成為目前亟待解決的迫切問題。在前人研究的基礎上，擬通過實驗、數(shù)值計算和理論分析相結合的總體技術路線，深入研究大型混流式水輪機尾水管在各種不同的非穩(wěn)態(tài)工況下的內部流動規(guī)律，轉輪出口流動參數(shù)、尾水管渦帶與壓力脈動的相關性，揭示出一些規(guī)律性內容，建立尾水管水力振動原模型相似規(guī)律，構建誘發(fā)尾水管水力振動的理論框架和數(shù)學模型，提出改善水輪機尾水管水力振動的方法。從而為進一步分析誘發(fā)機組振動的機理和建立尾水管水力振動數(shù)學模型提供依據(jù)，為我國大型混流式水輪機組的選型設計和安全運行提供系統(tǒng)性的理論和實踐依據(jù)。

水電站無壓尾水洞引風技術及應用共分10章，分別介紹了水庫水溫分布的預測方法、無壓尾水洞引風熱濕交換特性的現(xiàn)場測試及模擬試驗、無壓尾水洞引風熱濕交換過程的理論模型及其熱濕交換特性、長無壓尾水洞引風過程的簡化模型及其熱工計算方法、有限長度無壓尾水洞引風過程的改進模型、熱工計算方法及引風參數(shù)二次噴淋控制技術，最后在理論研究基礎上對無壓尾水洞引風技術的工程應用進行了介紹。本書可供廣大從事水電暖通空調專業(yè)相關技術人員參考，也可供從事建筑環(huán)境與設備工程專業(yè)研究生與本科生閱讀。利用無壓尾水洞引風對電站廠房進行通風空調是水電工程中一種特有的天然冷源利用方式，具有節(jié)能、環(huán)保和可再生的優(yōu)點。本書結合當前無壓尾水洞引風技術的研究與應用現(xiàn)狀，對無壓尾水洞引風技術的理論進行了系統(tǒng)、全面的闡述。