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第十二章水轮机新技术第一节水轮机新结构及安装新技术第二节水轮机运行新技术第三节水轮机检修新技术第四节水轮机设计新技术第十二章水轮机新技术第一节水轮机新结构及安装新技术一、水轮机新结构1.底环对水轮发电机组而言，底环在机组安装中起着精确定位的作用。所以，对它的安装精度要求高。尤其是底环上带有止漏环，其止漏环的圆度、中心直接关系到机组运行的稳定性。一般，大型机组的底环为分瓣组合结构。三峡水电厂底环与基础环采用局部垫块的连接方式,这种局部连接方式有利于底环上抗磨面水平和高程的调整,有利于保证水平精度,有利于保证底环与基础环的紧固强度,同时减少了加工量。2.水轮机筒形阀筒形阀是水轮机进水阀门的一种新的结构型式，适合安装在多泥沙河流的引水式电站。在成本较低的情况下，为机组提供良好的封水性能和充分的安全保护，正常工况时，阀门在导叶开启之前开启，导叶关闭之后关闭，飞逸状态下或调速器失灵时阀门紧急关闭，起事故阀门的作用；机组长期停机关闭筒阀，可保护导水机构免遭泥沙和空蚀。此外，筒型阀不像蝴蝶阀，它不会引起水力损失。第一节水轮机新结构及安装新技术3.导叶摩擦装置导叶摩擦装置是一种新型的水轮机活动导叶过压保护装置，与常规的剪断销保护装置相比，更安全可靠。具有造价低、安装维护方便等优点。导水叶磨擦装置的结构如图12-1所示。导水叶磨擦装置由压板、导叶臂、连板、磨擦片、连接销、联接螺栓、导叶臂位移信号装置和导叶限位块等组成。作用是保护导水机构各传动件不因过度受力而损坏。第一节水轮机新结构及安装新技术4.主轴无接触密封主轴无接触密封的结构如图12-2所示。由轴套、密封体、围带、密封支座及相应的连接件组成。轴套为转动部件，由不锈钢分瓣制成，用不锈钢螺栓把合在水轮机主轴上，随轴一同转动。主轴密封因转动部件与静止部件不接触，其优点是寿命长、不需要维修，而且正常运行时，不需要冷却和润滑。第一节水轮机新结构及安装新技术5.转轮与主轴的选择主轴摩擦传递扭矩是近年来应用在大型水轮发电机组上的一项新技术，其优点是联结的各部件互换性强、加工方便、装拆容易。而传统的结构用键、销钉、螺栓传递扭矩，水轮发电机主轴与转轮必须同轴联结。水轮机主轴摩擦传递扭矩一般采用摩擦键结构；转轮与主轴联接采用销套结构与靠磨擦传递扭矩解决互换性要求一样，可以采用主轴、转轮联轴螺栓带销套结构。第一节水轮机新结构及安装新技术二、水轮机安装新技术1.机电安装重大技术创新发电机定子现场整体叠片组装、嵌装全部线圈的现场装配工艺和定子整体吊装技术。发电机推力轴承的推力轴瓦以及导轴承的导轴瓦由单一的巴氏合金瓦面材料，增加了弹性金属塑料瓦的新材料、新结构、新技术。超大型水轮机埋件在现场下料、卷板制造的生产方式。大型混流式水轮机的转轮发展到以散件运输到现场、再整体组焊的加工制造工艺。第一节水轮机新结构及安装新技术2.蜗壳工地水压试验蜗壳工地水压试验的目的：（1）直观而又全面地反映焊接质量；（2）检验蜗壳和座环设计的合理性；（3）消除焊接残余应力，提高座环和蜗壳的承载能力和抗应力腐蚀开裂能力；（4）方便实施蜗壳打压埋置法，削减蜗壳外包混凝土中拉应力，降低混凝土开裂可能性。金属蜗壳进行水压试验后，采用保压（一般为最大水头时的压力值）浇混凝土，减少了蜗壳弹性层的铺设和蜗壳内部加固支撑焊接两道工序，既节约了工程投资，又加快了厂房混凝土浇筑进度。第一节水轮机新结构及安装新技术3.水轮机安装技术的发展与展望（1）超大型水电机组结构装配中的刚强度及装配应力控制技术；转轮在现场组装、焊接、应力消除和加工技术；（2）超大型机组埋件现场制作工艺技术的规范与制造方式的推广，埋件制造方式的变革性创新；（3）内冷电机绕组的安装与试验（包括水力和电气试验）技术，水处理系统与机组联合起动调试技术；第一节水轮机新结构及安装新技术第二节水轮机运行新技术一、机组过渡过程为了避免机组在甩负荷过程中转速上升值和引水系统压力上升值过高，造成破坏事故。又为避免水轮机顶盖下真空值太大产生反水锤和负的轴向水推力太大引起抬机现象，应该采用必要的安全措施，保证水电站的安全。这些工程措施主要包括：导叶的关闭时间指调速器某一整定的情况下，接力器关闭行程所需最小时间，如图12-6所示，这种关闭规律，称为一段直线关闭。sT2.采用合理的导叶关闭规律采用导叶两段直线关闭规律，这种关闭规律比一段直线关闭规律对改善水轮机甩负荷过渡过程品质更为有利。3.补气通常采用真空破坏阀向转轮区域补入空气1.选择合理的导水机构关闭时间第二节水轮机运行新技术4.设置调压阀（井）调压阀又称空放阀，一般装置在水轮机蜗壳进口处，设置调压阀后，当机组甩掉负荷，伴随导叶关闭的同时调压阀自动开启，使管道中一部分流量从调压阀排泄，使引水管道中的流量相对时间的变化率减小，压力上升值降低。的安全措施，实践表明只要补气方式合理与补气量足够，是能有效地防止抬机事故的。第二节水轮机运行新技术•对于具有长引水管道的水电站，为了解决甩负荷时水击压力上升和转速上升的矛盾，通常采用调压井。但考虑到修建调压井投资大，工期长，受自然条件限制等原因，一般认为在系统中不担任主调频任务，并且单机容量占系统比重较小的水电站可以采用调压阀代替调压井。5.脉冲式安全阀—爆破膜网调压方式利用脉冲式安全阀––––爆破膜装置代替调压井效果良好。当机组突然甩负荷导叶快速关闭时，利用升高的水压开启脉冲式安全阀，泄放一定的流量，降低引水系统的压力上升值，确保引水系统安全。二、水轮机空蚀检测与在线监测从水轮机的整个发展历史看，空蚀是水轮机发展的重大障碍之一。水轮机空化现象的常用检测方法有：能量法、高速摄影法、闪频观察法和检测空化噪声等方法。三、厂内经济运行水电站厂内经济运行（也称为优化运行）是指在安全、可靠、优质地生产电能的基础上，合理地组织、调度电厂的发电设备，以获得最大的经济效益。第二节水轮机运行新技术第三节水轮机检修新技术一、状态检修设备状态检修是一种先进的检修管理方式，能有效地克服定期检修造成设备过修或欠修的问题；提高设备经济运行及安全运行水平；提高设备可靠性和可用率，增加发电量，提高企业经济效益。状态检修专家决策系统由三个系统组成：（1）设备状态数据获取系统，即在线监测系统及离线数据系统；（2）数据分析、处理和判断系统，即设备故障诊断系统；（3）公司（电站）管理层决策系统。二、主轴修复主轴与密封结构相接触的轴颈常年与水、泥沙接触，磨损快而严重，采用包焊不锈钢板的修复方式费工、费时且成本较高。为此可喷镀技术，即在轴颈处镀上一层金属，然后再加工。第三节水轮机检修新技术（1）改造了一批老机组，增加了出力，提高了运行可靠性；（2）积极采用实用、成熟可靠的技术改造老机组取得实效。（3）水电综合自动化改造取得了长足进展；（4）利用现有水工设施，扩机增容取得良好效果。1.水电技术改造的回顾三、水轮机的增容改造第三节水轮机检修新技术（1）改造老设备，提高设备可靠性、经济性；（2）提高水电站自动化水平，加快实施计算机监控，推进水电厂“无人值班”（少人值守），提高水电的经济性；（3）大力提倡扩机增容，提高水能利用率增加水电调峰能力。2.水电站机电设备改造重点和目标第三节水轮机检修新技术第四节水轮机设计新技术一、概述叶片式流体机械内部流体运动是十分复杂的三维流动，过去的数值计算通常将其简化为二维，甚至一维流动求解。对轴流式转轮，应用圆柱层无关性假设；对混流式叶轮，假定叶片无穷多，即流动时轴对称的。二、基本方程在通常的水轮机流场数值模拟中，基本控制方程主要为：1.连续性方程2.动量守恒定律3.能量方程第四节水轮机设计新技术标准模型是个半经验公式，主要是基于湍流动能和扩散率。三、湍流模型根据采用的微分输运方程个数，湍流模型可分为零方程模型、单方程模型、双方程模型、雷诺应力模型和代数应力模型等。在各类双方程模型中，模型得到广泛应用。四、离散方法及压力-速度耦合将流体力学的连续流动用多个质点、离散涡或有限波系的运动来近似，在数学上就表示为有限差分法、有限元法、有限分析法等；第四节水轮机设计新技术五、靠近固体壁面的处理方法大量的试验表明，对于存在固体壁面的充分发展的湍流流动，沿壁面法线的不同距离上可将流动划分为壁面区（或称内区、近壁区）和核心区（或称外区）。对核心区的流动，通常认为是完全湍流区。而在壁面区，流体运动受壁面流动条件的影响比较明显，壁面区又可分为3个子层：粘性底层、过渡层和对数律层。第四节水轮机设计新技术六、动静区域问题的处理在水轮机全流道的数值模拟中，不仅要考虑旋转部件，同时还要考虑静止部件。有关文献提供了以下三种解决的办法：(1)多参考系模型；(2)混合平面模型；(3)滑动网格模型;七、边界条件定义边界条件，是指在求解域的边界上所求解的变量或其一阶导数随地点及时间的变化规第四节水轮机设计新技术律，只有给定了合理的边界条件的问题，才可能计算出流场的解。对于以不可压缩流体为介质的水轮机，边界条件的类型有：流动（速度、压力）进口边界、流动（速度、压力）出口边界、壁面边界和周期性边界等。八、网格划分网格是CFD模型的几何表达形式，也是模拟与分析的载体，网格质量对CFD计算精度、计算效率以及收敛性有重要影响。第四节水轮机设计新技术网格(grid)分为结构化网格和非结构化网格(unstructuredgrid)两大类。单元(cell)是构成网格的基本元素。在结构化网格中，常用的2D网格单元是四边形单元，3D网格单元是六面体单元。而在非结构网格中，常用的2D网格单元还有三角形单元，3D网格单元还有四面体单元和五面体单元，下面分别给出常用的2D和3D网格单元（图8-13和图8-14）。第四节水轮机设计新技术九、数据后处理在完成水轮机数值计算工作后，为更方便地去分析、研究水轮机的内外特性，需要对结果数据进行处理及可视化，即数据后处理。目前一些CFD软件具有这个功能。数据后处理工作主要包括两方面内容：一是计算生成一些特征参数总量或分量的数值信息；一是绘制形象直观的各类图形。第四节水轮机设计新技术十、水轮机性能预估在完成水轮机数值计算之后，通过数据后处理，可以进行水轮机一些主要性能的预估。常见有能量性能预估模型及空化性能预估模型。十一、CFD技术在水轮机优化设计中的应用水轮机过流部件的设计计算有两类：一是已知过流部件形式及来流状况，求解部件中的流场特性，特别是确定过流表面的速度和压力分布，以提供辩明能量、空化和力特第四节水轮机设计新技术性的依据；二是给出过流部件前后的流动状况，要求设计出合理的部件过流形状。前者称作正问题；后者称为反问题。针对CFD技术的特点，进行正问题的求解相对比较方便。图12-23（a）为传统混流式转轮，（b）为改进后X型叶片叶轮，其效率高，空化性能也好。第四节水轮机设计新技术