第十二章水輪機自動調(diào)節(jié)第1頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月第一節(jié)水輪機新結(jié)構(gòu)及安裝新技術第二節(jié)水輪機運行新技術第三節(jié)水輪機檢修新技術第四節(jié)水輪機設計新技術第十二章水輪機新技術第2頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月第一節(jié)水輪機新結(jié)構(gòu)及安裝新技術一、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)與基礎環(huán)的緊固強度,同時減少了加工量。

第3頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月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，閥門在導葉開啟之前開啟，導葉關閉之后關閉，飛逸狀態(tài)下或調(diào)速器失靈時閥門緊急關閉，起事故閥門的作用；機組長期停機關閉筒閥，可保護導水機構(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)及安裝新技術第4頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月3.導葉摩擦裝置

導葉摩擦裝置是一種新型的水輪機活動導葉過壓保護裝置，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。導水葉磨擦裝置的結(jié)構(gòu)如圖12-1所示。導水葉磨擦裝置由壓板、導葉臂、連板、磨擦片、連接銷、聯(lián)接螺栓、導葉臂位移信號裝置和導葉限位塊等組成。作用是保護導水機構(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)及安裝新技術第5頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月圖12-1導水葉磨擦裝置結(jié)構(gòu)第6頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月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)及安裝新技術第7頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月圖12-2主軸無接觸密封結(jié)構(gòu)第8頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月5.轉(zhuǎn)輪與主軸的選擇

主軸摩擦傳遞扭矩是近年來應用在大型水輪發(fā)電機組上的一項新技術，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)及安裝新技術第9頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月二、水輪機安裝新技術1.機電安裝重大技術創(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。發(fā)電機推力軸承的推力軸瓦以及導軸承的導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。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)及安裝新技術第10頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月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)設計的合理性；（3）消除焊接殘余應力，提高座環(huán)和蝸殼的承載能力和抗應力腐蝕開裂能力；（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)及安裝新技術第11頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月3.水輪機安裝技術的發(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力控制技術；轉(zhuǎn)輪在現(xiàn)場組裝、焊接、應力消除和加工技術；（2）超大型機組埋件現(xiàn)場制作工藝技術的規(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，水處理系統(tǒng)與機組聯(lián)合起動調(diào)試技術；第一節(jié)水輪機新結(jié)構(gòu)及安裝新技術第12頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月第二節(jié)水輪機運行新技術一、機組過渡過程

為了避免機組在甩負荷過程中轉(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)生反水錘和負的軸向水推力太大引起抬機現(xiàn)象，應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，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月

導葉的關閉時間指調(diào)速器某一整定的情況下，接力器關閉行程所需最小時間，如圖12-6所示，這種關閉規(guī)律，稱為一段直線關閉。2.采用合理的導葉關閉規(guī)律采用導葉兩段直線關閉規(guī)律，這種關閉規(guī)律比一段直線關閉規(guī)律對改善水輪機甩負荷過渡過程品質(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.選擇合理的導水機構(gòu)關閉時間第二節(jié)水輪機運行新技術第14頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月4.設置調(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，設置調(diào)壓閥后，當機組甩掉負荷，伴隨導葉關閉的同時調(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)水輪機運行新技術第15頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月

對于具有長引水管道的水電站，為了解決甩負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，一般認為在系統(tǒng)中不擔任主調(diào)頻任務，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。當機組突然甩負荷導葉快速關閉時，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，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月二、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)電能的基礎上，合理地組織、調(diào)度電廠的發(fā)電設備，以獲得最大的經(jīng)濟效益。第二節(jié)水輪機運行新技術第17頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月第三節(jié)水輪機檢修新技術一、狀態(tài)檢修

設備狀態(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備過修或欠修的問題；提高設備經(jīng)濟運行及安全運行水平；提高設備可靠性和可用率，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)，即設備故障診斷系統(tǒng)；（3）公司（電站）管理層決策系統(tǒng)。第18頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月二、主軸修復

主軸與密封結(jié)構(gòu)相接觸的軸頸常年與水、泥沙接觸，磨損快而嚴重，采用包焊不銹鋼板的修復方式費工、費時且成本較高。為此可噴鍍技術，即在軸頸處鍍上一層金屬，然后再加工。第三節(jié)水輪機檢修新技術第19頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月（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)有水工設施，擴機增容取得良好效果。1.水電技術改造的回顧三、水輪機的增容改造第三節(jié)水輪機檢修新技術第20頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月（1）改造老設備，提高設備可靠性、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.水電站機電設備改造重點和目標第三節(jié)水輪機檢修新技術第21頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月第四節(jié)水輪機設計新技術一、概述

葉片式流體機械內(nèi)部流體運動是十分復雜的三維流動，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，應用圓柱層無關性假設；對混流式葉輪，假定葉片無窮多，即流動時軸對稱的。第22頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月二、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)水輪機設計新技術第23頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月

標準模型是個半經(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、雷諾應力模型和代數(shù)應力模型等。在各類雙方程模型中，模型得到廣泛應用。四、離散方法及壓力-速度耦合

將流體力學的連續(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)水輪機設計新技術第24頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月五、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)水輪機設計新技術第25頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月六、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數(shù)隨地點及時間的變化規(guī)第四節(jié)水輪機設計新技術第26頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月

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)水輪機設計新技術第27頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月

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)水輪機設計新技術第28頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月(a)三角形(b)四邊形圖12-132D網(wǎng)格單元第29頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月圖12-143D網(wǎng)格單元第30頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月九、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。