混流式水輪機(jī)水力穩(wěn)定性研究

本書在對(duì)已有研究成果進(jìn)行了解和分析的基礎(chǔ)上，討論并提出了對(duì)混流式水輪機(jī)各種壓力脈動(dòng)的性質(zhì)、產(chǎn)生機(jī)理、主要特性、主要影響因素的認(rèn)識(shí)，并對(duì)它們進(jìn)行了分類；討論了其對(duì)水輪發(fā)電機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性的影響，提出了改善和預(yù)防壓力脈動(dòng)方面的原則性途徑，也提出和介紹了一些具體的方法；另外，還專門討論了大型水輪發(fā)電機(jī)組水力和振動(dòng)穩(wěn)定性的特點(diǎn)。同時(shí)，介紹了一些機(jī)組振動(dòng)、壓力脈動(dòng)的實(shí)例。

前言

第1章 概述

1.1 水力穩(wěn)定性的含義

1.2 混流式水輪機(jī)壓力脈動(dòng)的分類

1.3 水電站水輪機(jī)流道中的水體共振

1.4 壓力脈動(dòng)對(duì)水輪發(fā)電機(jī)組運(yùn)行的影響與判斷

參考文獻(xiàn)

第2章 尾水管渦帶

2.1 尾水管流動(dòng)的試驗(yàn)研究

2.2 尾水管渦帶形成的條件和機(jī)理

2.3 渦帶產(chǎn)生機(jī)理的其他研究

2.4 渦帶形態(tài)

2.5 小結(jié)

參考文獻(xiàn)

第3章 渦帶壓力脈動(dòng)

3.1 渦帶壓力脈動(dòng)的產(chǎn)生機(jī)理和參數(shù)

3.2 渦帶壓力脈動(dòng)的特性

3.3 原型與模型渦帶壓力脈動(dòng)的相似問題

3.4 小結(jié)

參考文獻(xiàn)

第4章 渦帶壓力脈動(dòng)對(duì)機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性的影響

4.1 渦帶力

4.2 渦帶壓力脈動(dòng)對(duì)機(jī)組振動(dòng)穩(wěn)定性的影響及實(shí)例

4.3 小結(jié)

參考文獻(xiàn)

第5章 渦帶壓力脈動(dòng)控制措施的研究

5.1 原則性途徑

5.2 補(bǔ)氣措施研究

5.3 結(jié)構(gòu)措施研究

5.4 其他措施研究

5.5 渦帶振動(dòng)區(qū)

5.6 渦帶壓力脈動(dòng)的評(píng)價(jià)

5.7 渦帶壓力脈動(dòng)測量的有關(guān)問題

參考文獻(xiàn)

第6章 影響渦帶壓力脈動(dòng)的其他因素

6.1 模型試驗(yàn)的影響

6.2 水輪機(jī)特征水頭的影響

6.3 水輪機(jī)及轉(zhuǎn)輪設(shè)計(jì)的影響

參考文獻(xiàn)

第7章 小開度區(qū)和大開度區(qū)壓力脈動(dòng)

7.1 小開度區(qū)壓力脈動(dòng)的形成

7.2 小開度區(qū)壓力脈動(dòng)特性和實(shí)例

7.3 小開度區(qū)壓力脈動(dòng)對(duì)機(jī)組運(yùn)行的影響

7.4 轉(zhuǎn)輪進(jìn)口沖擊、脫流的控制

7.5 大開度區(qū)壓力脈動(dòng)

7.6 小結(jié)

參考文獻(xiàn)

第8章 類轉(zhuǎn)頻壓力脈動(dòng)

8.1 現(xiàn)象和名稱

8.2 類轉(zhuǎn)頻壓力脈動(dòng)的基本特性

8.3 類轉(zhuǎn)頻壓力脈動(dòng)的性質(zhì)及產(chǎn)生機(jī)理

8.4 對(duì)電站和機(jī)組的影響

8.5 處理和預(yù)防措施

8.6 類轉(zhuǎn)頻壓力脈動(dòng)及其引起的振動(dòng)實(shí)例

8.7 小結(jié)

參考文獻(xiàn)

第9章 高部分負(fù)荷和低部分負(fù)荷壓力脈動(dòng)

9.1 國外的部分研究成果

9.2 國內(nèi)的部分研究成果

9.3 吳培豪的研究分析意見

9.4 筆者對(duì)高部分負(fù)荷壓力脈動(dòng)的認(rèn)識(shí)

9.5 低部分負(fù)荷壓力脈動(dòng)

9.6 小結(jié)

參考文獻(xiàn)

第10章 轉(zhuǎn)輪迷宮間隙壓力脈動(dòng)

第11章 水輪機(jī)中的卡門渦

第12章 葉片頻率壓力脈動(dòng)

第13章 葉道渦

第14章 混流式水輪機(jī)水力穩(wěn)定性綜合實(shí)例

第15章 巨型混流式水輪機(jī)的水力穩(wěn)定性

第16章 兩個(gè)國外電站水輪機(jī)的水力穩(wěn)定性研究

第17章 結(jié)論與展望

大型乃至巨型水輪機(jī)組，其尾水管引起的水力振動(dòng)對(duì)其穩(wěn)定性影響越來越大，但對(duì)其內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，尤其是在非穩(wěn)態(tài)工況下，水輪機(jī)尾水管渦帶、壓力脈動(dòng)等水力現(xiàn)象及其誘發(fā)機(jī)組的振動(dòng)機(jī)理還有許多不明確處，因此，對(duì)大型混流式水輪機(jī)尾水管水力振動(dòng)進(jìn)行研究成為目前亟待解決的迫切問題。 本項(xiàng)目通過開展大型混流式水輪機(jī)組不同工況下尾水管水力振動(dòng)試驗(yàn)及對(duì)水輪機(jī)內(nèi)部進(jìn)行非定常并行數(shù)值模擬等研究手段對(duì)大型混流式水輪機(jī)瞬態(tài)過程現(xiàn)象進(jìn)行深入分析研究，并得到以下成果： (1)推導(dǎo)建立了具有角加速度的旋轉(zhuǎn)參考坐標(biāo)系下的控制方程，結(jié)合轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)平衡方程，給出了相應(yīng)新的源項(xiàng)形式。構(gòu)建了混流式水輪機(jī)三維非穩(wěn)態(tài)湍流數(shù)值模擬的程序算法。 (2)通過對(duì)水輪機(jī)以尾水管渦帶運(yùn)動(dòng)的分析，認(rèn)為其運(yùn)動(dòng)的主體為螺旋渦管運(yùn)動(dòng)，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(jī)變化，但最終穩(wěn)定在一個(gè)特定位置。且尾水管內(nèi)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(shí)間變化圍繞橫截面中心運(yùn)動(dòng)。 (3)進(jìn)行了模型水輪機(jī)的壓力脈動(dòng)試驗(yàn)。結(jié)果表明：保持水頭、單位轉(zhuǎn)速一定，只改變導(dǎo)葉開度，壓力脈動(dòng)幅值隨導(dǎo)葉開度的增大而減小。實(shí)測的3種開度工況下，壓力脈動(dòng)成分均含渦帶頻率、旋轉(zhuǎn)頻率及倍頻。當(dāng)保持水頭、開度等一定，而只改變單位轉(zhuǎn)速條件下，壓力脈動(dòng)相對(duì)幅值隨單位轉(zhuǎn)速的減小而減小，壓力脈動(dòng)成分只以旋轉(zhuǎn)頻率和其倍頻為主，實(shí)測的數(shù)據(jù)與理論吻合較好。 (4)設(shè)計(jì)出1種含有渦流發(fā)生器的新型試驗(yàn)尾水管，對(duì)渦流發(fā)生器的機(jī)理進(jìn)行一定的研究。運(yùn)用壁面函數(shù)法建立全流道結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，用SST模型對(duì)其進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，分別以渦產(chǎn)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(jì)算出尾水管各工況下的能量恢復(fù)系數(shù)，找出了渦流發(fā)生器的最優(yōu)安裝方法． 同時(shí)，本項(xiàng)目成果榮獲大禹水利科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)一項(xiàng)，發(fā)表SCI、EI論文5篇，其它學(xué)術(shù)論文共13篇 ，申請(qǐng)專利5項(xiàng)，指導(dǎo)博士后1名，博士2名，碩士3名。成果推廣后，社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益顯著。

大型乃至巨型水輪機(jī)組，其尾水管引起的水力振動(dòng)對(duì)其穩(wěn)定性影響越來越大，但對(duì)其內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，尤其是在非穩(wěn)態(tài)工況下，水輪機(jī)尾水管渦帶、壓力脈動(dòng)等水力現(xiàn)象及其誘發(fā)機(jī)組的振動(dòng)機(jī)理還有許多不明確處，因此，對(duì)大型混流式水輪機(jī)尾水管水力振動(dòng)進(jìn)行研究成為目前亟待解決的迫切問題。在前人研究的基礎(chǔ)上，擬通過實(shí)驗(yàn)、數(shù)值計(jì)算和理論分析相結(jié)合的總體技術(shù)路線，深入研究大型混流式水輪機(jī)尾水管在各種不同的非穩(wěn)態(tài)工況下的內(nèi)部流動(dòng)規(guī)律，轉(zhuǎn)輪出口流動(dòng)參數(shù)、尾水管渦帶與壓力脈動(dòng)的相關(guān)性，揭示出一些規(guī)律性內(nèi)容，建立尾水管水力振動(dòng)原模型相似規(guī)律，構(gòu)建誘發(fā)尾水管水力振動(dòng)的理論框架和數(shù)學(xué)模型，提出改善水輪機(jī)尾水管水力振動(dòng)的方法。從而為進(jìn)一步分析誘發(fā)機(jī)組振動(dòng)的機(jī)理和建立尾水管水力振動(dòng)數(shù)學(xué)模型提供依據(jù)，為我國大型混流式水輪機(jī)組的選型設(shè)計(jì)和安全運(yùn)行提供系統(tǒng)性的理論和實(shí)踐依據(jù)。

本書以水輪機(jī)水力穩(wěn)定性為中心，闡述了水輪機(jī)水力穩(wěn)定性的內(nèi)涵和定義.首先介紹了影響水輪機(jī)水力穩(wěn)定性的因素及其原因;并介紹了水輪機(jī)運(yùn)行的實(shí)驗(yàn)研究方法和數(shù)值模擬研究方法，綜合最近研究成果，以水泵水輪機(jī)為例，介紹其水力不穩(wěn)定性；最后介紹了水力穩(wěn)定性的分析方法及提高運(yùn)行穩(wěn)定性的措施.

本書可作為水力機(jī)械科研工作者的參考用書.