大型混流式水轮机尾水管水力振动研究项目摘要

大型乃至巨型水轮机组，其尾水管引起的水力振动对其稳定性影响越来越大，但对其内部的运动规律，尤其是在非稳态工况下，水轮机尾水管涡带、压力脉动等水力现象及其诱发机组的振动机理还有许多不明确处，因此，对大型混流式水轮机尾水管水力振动进行研究成为目前亟待解决的迫切问题。在前人研究的基础上，拟通过实验、数值计算和理论分析相结合的总体技术路线，深入研究大型混流式水轮机尾水管在各种不同的非稳态工况下的内部流动规律，转轮出口流动参数、尾水管涡带与压力脉动的相关性，揭示出一些规律性内容，建立尾水管水力振动原模型相似规律，构建诱发尾水管水力振动的理论框架和数学模型，提出改善水轮机尾水管水力振动的方法。从而为进一步分析诱发机组振动的机理和建立尾水管水力振动数学模型提供依据，为我国大型混流式水轮机组的选型设计和安全运行提供系统性的理论和实践依据。

大型乃至巨型水轮机组，其尾水管引起的水力振动对其稳定性影响越来越大，但对其内部的运动规律，尤其是在非稳态工况下，水轮机尾水管涡带、压力脉动等水力现象及其诱发机组的振动机理还有许多不明确处，因此，对大型混流式水轮机尾水管水力振动进行研究成为目前亟待解决的迫切问题。 本项目通过开展大型混流式水轮机组不同工况下尾水管水力振动试验及对水轮机内部进行非定常并行数值模拟等研究手段对大型混流式水轮机瞬态过程现象进行深入分析研究，并得到以下成果： (1)推导建立了具有角加速度的旋转参考坐标系下的控制方程，结合转轮旋转平衡方程，给出了相应新的源项形式。构建了混流式水轮机三维非稳态湍流数值模拟的程序算法。 (2)通过对水轮机以尾水管涡带运动的分析，认为其运动的主体为螺旋涡管运动，其影响范围随工况的不同而不同。且旋涡在演化过程中，其涡核位置随机变化，但最终稳定在一个特定位置。且尾水管内旋涡能量集中区域，高涡量区主要存在于靠近壁面半径的前1/3处，并且随时间变化围绕横截面中心运动。 (3)进行了模型水轮机的压力脉动试验。结果表明：保持水头、单位转速一定，只改变导叶开度，压力脉动幅值随导叶开度的增大而减小。实测的3种开度工况下，压力脉动成分均含涡带频率、旋转频率及倍频。当保持水头、开度等一定，而只改变单位转速条件下，压力脉动相对幅值随单位转速的减小而减小，压力脉动成分只以旋转频率和其倍频为主，实测的数据与理论吻合较好。 (4)设计出1种含有涡流发生器的新型试验尾水管，对涡流发生器的机理进行一定的研究。运用壁面函数法建立全流道结构网格，用SST模型对其进行数值计算，分别以涡产生截面和涡开始发展截面作为涡流发生器叶片的安装截面，计算出尾水管各工况下的能量恢复系数，找出了涡流发生器的最优安装方法． 同时，本项目成果荣获大禹水利科学技术奖二等奖一项，发表SCI、EI论文5篇，其它学术论文共13篇 ，申请专利5项，指导博士后1名，博士2名，硕士3名。成果推广后，社会经济效益显著。

前言

第1章 概述

1.1 水力稳定性的含义

1.2 混流式水轮机压力脉动的分类

1.3 水电站水轮机流道中的水体共振

1.4 压力脉动对水轮发电机组运行的影响与判断

参考文献

第2章 尾水管涡带

2.1 尾水管流动的试验研究

2.2 尾水管涡带形成的条件和机理

2.3 涡带产生机理的其他研究

2.4 涡带形态

2.5 小结

参考文献

第3章 涡带压力脉动

3.1 涡带压力脉动的产生机理和参数

3.2 涡带压力脉动的特性

3.3 原型与模型涡带压力脉动的相似问题

3.4 小结

参考文献

第4章 涡带压力脉动对机组运行稳定性的影响

4.1 涡带力

4.2 涡带压力脉动对机组振动稳定性的影响及实例

4.3 小结

参考文献

第5章 涡带压力脉动控制措施的研究

5.1 原则性途径

5.2 补气措施研究

5.3 结构措施研究

5.4 其他措施研究

5.5 涡带振动区

5.6 涡带压力脉动的评价

5.7 涡带压力脉动测量的有关问题

参考文献

第6章 影响涡带压力脉动的其他因素

6.1 模型试验的影响

6.2 水轮机特征水头的影响

6.3 水轮机及转轮设计的影响

参考文献

第7章 小开度区和大开度区压力脉动

7.1 小开度区压力脉动的形成

7.2 小开度区压力脉动特性和实例

7.3 小开度区压力脉动对机组运行的影响

7.4 转轮进口冲击、脱流的控制

7.5 大开度区压力脉动

7.6 小结

参考文献

第8章 类转频压力脉动

8.1 现象和名称

8.2 类转频压力脉动的基本特性

8.3 类转频压力脉动的性质及产生机理

8.4 对电站和机组的影响

8.5 处理和预防措施

8.6 类转频压力脉动及其引起的振动实例

8.7 小结

参考文献

第9章 高部分负荷和低部分负荷压力脉动

9.1 国外的部分研究成果

9.2 国内的部分研究成果

9.3 吴培豪的研究分析意见

9.4 笔者对高部分负荷压力脉动的认识

9.5 低部分负荷压力脉动

9.6 小结

参考文献

第10章 转轮迷宫间隙压力脉动

第11章 水轮机中的卡门涡

第12章 叶片频率压力脉动

第13章 叶道涡

第14章 混流式水轮机水力稳定性综合实例

第15章 巨型混流式水轮机的水力稳定性

第16章 两个国外电站水轮机的水力稳定性研究

第17章 结论与展望

根据不同类型的机组和工作水头，其尾水管的具体结构有所不同。

对于轴流式和水头小于200m的混流式水轮机，一般采用混凝土尾水管，但在直锥段内衬有钢板卷焊而成的里衬，以防水流冲刷。为增加里衬的刚度，在里衬的外壁需加焊足够的环筋和竖筋。在混凝土中里衬要用拉杆或拉筋固定，以防机组运行时引起尾水管的振动。在里衬上还开有进人孔，以便于安装和检修时进入。

对于高水头混流式机组，尾水管直锥段不用混凝土浇注而由钢板焊接而成，一般不埋入混凝土中，而作成可拆卸式，用螺栓把合在基础环上，以便于检修转轮时能从下面拆装，而不必拆装发电机。对于高水头水轮机，其尾水管内的水流流速较大，在混凝土肘管段内也衬有金属里衬以防冲刷。由于高水头尾水管直锥段没有混凝土固定，因此必须有足够的刚度和强度，结构上可根据机组的尺寸分为几节．每节也可分瓣用螺栓把合。

另外，在尾水管底板的最低点，设有盘形阀、相应的操作机构和排水管，以用于机组检修时排除尾水管内的积水 。

本书在对已有研究成果进行了解和分析的基础上，讨论并提出了对混流式水轮机各种压力脉动的性质、产生机理、主要特性、主要影响因素的认识，并对它们进行了分类；讨论了其对水轮发电机组运行稳定性的影响，提出了改善和预防压力脉动方面的原则性途径，也提出和介绍了一些具体的方法；另外，还专门讨论了大型水轮发电机组水力和振动稳定性的特点。同时，介绍了一些机组振动、压力脉动的实例。