本文關(guān)鍵詞： 沖擊式水輪機(jī) 過(guò)流特性 水擊壓力 閘門(mén)井 涌波疊加　出處：《武漢大學(xué)》2014年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：隨著國(guó)家能源建設(shè)的不斷推進(jìn),一些特大型,大型水電站相繼建設(shè)進(jìn)入設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)行階段,隨之而來(lái)的是高水頭、小流量、長(zhǎng)引水管道的水電站的開(kāi)發(fā)建設(shè)數(shù)量越來(lái)越多,該類電站的水輪機(jī)常采用沖擊式水輪機(jī)。同時(shí)越來(lái)越多的水電站布置了生態(tài)機(jī)組,生態(tài)機(jī)組具有單機(jī)引用流量小、單機(jī)容量小的特點(diǎn),將生態(tài)機(jī)組與常規(guī)機(jī)組布置于同一個(gè)引水發(fā)電系統(tǒng)中時(shí),引水發(fā)電系統(tǒng)是不對(duì)稱的。系統(tǒng)中都布置有閘門(mén)井或調(diào)壓井時(shí),兩個(gè)或多個(gè)閘門(mén)井的水位波動(dòng)是相互關(guān)聯(lián)的,通常把這種具有關(guān)聯(lián)性的閘門(mén)井水位波動(dòng)稱為涌波疊加。本文在前人研究成果的基礎(chǔ)上,結(jié)合實(shí)際工程中遇到的新問(wèn)題對(duì)沖擊式水輪機(jī)最大水擊壓力和不對(duì)稱引水系統(tǒng)閘門(mén)井水位波動(dòng)進(jìn)行深入研究與探討。論文的主要內(nèi)容和研究成果包括以下幾個(gè)方面： (1)沖擊式水輪機(jī)噴嘴過(guò)流特性研究 沖擊式水輪機(jī)的水錘與噴嘴的過(guò)流特性緊密相關(guān)。根據(jù)沖擊式水輪機(jī)噴嘴構(gòu)件的布置特點(diǎn)對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究,推導(dǎo)得出噴嘴開(kāi)度和噴嘴單位流量與噴針相對(duì)行程都呈拋物線型變化規(guī)律的關(guān)系式。并利用噴嘴工作特性試驗(yàn)資料驗(yàn)證了其準(zhǔn)確性。 (2)基于拋物線過(guò)流特性下的沖擊式水輪機(jī)水錘計(jì)算 本文基于沖擊式水輪機(jī)拋物線型下的過(guò)流特性,分別推導(dǎo)出沖擊式水電站直接水錘、一相水錘和極限水錘的計(jì)算公式。通過(guò)驗(yàn)證得出：對(duì)于發(fā)生一相水錘的沖擊式水電站的水錘壓力計(jì)算,推導(dǎo)的解析公式比傳統(tǒng)解析公式更加準(zhǔn)確,與數(shù)值計(jì)算結(jié)果基本一致。對(duì)于極限水錘的計(jì)算,推導(dǎo)解析公式計(jì)算結(jié)果和常用解析公式和較接近,但和數(shù)值計(jì)算有一定的差距。對(duì)于沖擊式電站,水頭一般都比較高,管道特性常數(shù)ρ較小,在電站甩負(fù)荷過(guò)程中,多發(fā)生一相水錘。因此,本文推導(dǎo)的公式在沖擊式水輪機(jī)在過(guò)渡過(guò)程計(jì)算中具有重要的理論意義和工程應(yīng)用價(jià)值。 (3)沖擊式水輪機(jī)起始開(kāi)度與最大水錘壓力關(guān)系的研究 推導(dǎo)得出沖擊式水輪機(jī)甩負(fù)荷工況下發(fā)生最大水擊壓力的最危險(xiǎn)初始開(kāi)度τ0r的公式,與數(shù)值計(jì)算中發(fā)生最大水擊壓力時(shí)的初始開(kāi)度非常接近。從實(shí)際工程神樹(shù)水電站、南湃水電站等沖擊式水電站的過(guò)渡過(guò)程計(jì)算結(jié)果來(lái)看,最危險(xiǎn)開(kāi)度τ0r比空載開(kāi)度大許多,因此,在進(jìn)行沖擊式水電站過(guò)渡過(guò)程計(jì)算時(shí),應(yīng)將沖擊式水輪機(jī)甩部分負(fù)荷工況(開(kāi)度τ0r)作為噴嘴末端最大壓力的控制工況。 (4)沖擊式水輪機(jī)關(guān)閉規(guī)律優(yōu)化 利用得出的小開(kāi)度下甩部分負(fù)荷發(fā)生最大水擊壓強(qiáng)的結(jié)論,根據(jù)噴嘴末端壓力控制標(biāo)準(zhǔn)ζc,研究得出了水輪機(jī)針閥一段式直線關(guān)閉或兩段式直線關(guān)閉的規(guī)律。可利用推導(dǎo)解析公式計(jì)算一段式直線關(guān)閉時(shí)間和兩段式直線關(guān)閉折點(diǎn)開(kāi)度和關(guān)閉速率,并可進(jìn)一步優(yōu)化。經(jīng)模型驗(yàn)證,推導(dǎo)解析計(jì)算結(jié)果與數(shù)值仿真計(jì)算結(jié)果比較吻合,對(duì)沖擊式電站的導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律優(yōu)化具有指導(dǎo)意義。 (5)不對(duì)稱引水系統(tǒng)閘門(mén)井涌波疊加研究 本文通過(guò)建立并求解關(guān)于不對(duì)稱引水系統(tǒng)雙閘門(mén)井涌波的二元二階微分方程組,研究了雙閘門(mén)井的涌波自由波動(dòng)規(guī)律。結(jié)果表明,不對(duì)稱引水系統(tǒng)任意一個(gè)閘門(mén)的涌波波動(dòng)均為兩個(gè)波函數(shù)的和,這是波動(dòng)疊加的成因。利用推導(dǎo)所得的閘門(mén)井涌波波幅的公式,引入兩個(gè)無(wú)量綱數(shù)(分別代表岔管位置變化的μ和總面積不變僅改變兩個(gè)閘門(mén)井面積之比的λ),研究了雙閘門(mén)井涌波波幅與岔管位置的關(guān)系和雙閘門(mén)井涌波波幅與其面積組合的關(guān)系,對(duì)實(shí)際工程設(shè)計(jì)具有重要的指導(dǎo)作用。 本文根據(jù)沖擊式水輪機(jī)噴嘴的構(gòu)造特點(diǎn),依據(jù)幾何關(guān)系的換算,得到了過(guò)流面積和噴針行程之間的關(guān)系式,通過(guò)變換得到噴嘴開(kāi)度與接力器行程之間的關(guān)系式。以往初步設(shè)計(jì)階段沖擊式水輪機(jī)在水力機(jī)械過(guò)渡過(guò)程中采用是孔口出流模型進(jìn)行計(jì)算,前提是假定接力器行程是與開(kāi)度成線性關(guān)系,對(duì)此本文在孔口出流模型基礎(chǔ)上推導(dǎo)新的流量公式,得出噴嘴單位流量與接力器行程的關(guān)系式是呈拋物線變化規(guī)律,能夠較好的描述模型綜合試驗(yàn)的特性曲線上的流量變化情況和等開(kāi)度線的變化特征。以往在研究起始開(kāi)度的大小對(duì)水錘壓力的影響中,發(fā)生最大水錘壓力的工況下的開(kāi)度值只與管道特性常數(shù)和水錘常數(shù)有關(guān),本文分析計(jì)算得出發(fā)生最大水錘壓力的開(kāi)度值還與沖擊式水輪機(jī)的噴嘴構(gòu)造特點(diǎn)有關(guān)。常規(guī)機(jī)組和生態(tài)機(jī)組并行的電站中,往往是由于生態(tài)機(jī)組閘門(mén)井或調(diào)壓井的涌波波幅較高給工程建設(shè)帶來(lái)難度,本文通過(guò)理論推導(dǎo)得出了雙閘門(mén)井涌波波幅的公式,是兩個(gè)余弦函數(shù)之和,通過(guò)研究分析得出了涌波波幅分別與岔管位置和閘門(mén)井面積組合的關(guān)系,得出了在不改變閘門(mén)井總面積的情況下,最佳閘門(mén)井面積組合的選取原則。
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【學(xué)位授予單位】：武漢大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號(hào)】：TV136

【參考文獻(xiàn)】

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