超大变幅水头水轮机稳定运行关键技术研究及应用

　　《超大变幅水头水轮机稳定运行关键技术研究及应用》开展了紫坪铺高水头电站机组在电调基于水调运行原则的水轮机安全可靠运行关键技术研究，密切关注紫坪铺高水头大变幅水轮机的安全运行，对电站水轮机的水力特性、结构特性及运行可靠性等关键技术进行了联合研究（特别是紫坪铺水电站机组超大变幅运行水头全流道多工况空化数值模拟研究），探索了机组安全可靠运行区域，提出了机组安全运行的对策措施，为电站的安全可靠运行及确保成都市及都江堰灌区用水安全奠定了坚实的理论基础。

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目录
第1章　电调基于水调的紫坪铺水电站水轮机运行研究　1
1.1　电调基于水调的机组运行原则　1
1.1.1　紫坪铺水电站在电网中的地位及作用　1
1.1.2　安全供水及调度　3
1.2　电站水库运行方式　4
1.2.1　水库容量　4
1.2.2　水库调度运行方式　6
1.2.3　水调管理　9
1.2.4　水调与电调的协同关系　9
第2章　大变幅水头机组在紫坪铺水电站的应用　10
2.1　大变幅水头机组的水力稳定性及对紫坪铺水电站的影响　10
2.1.1　传统的逼近水轮机特性的方法　12
2.1.2　基于人工神经网络的逼近水轮机特性的方法　14
2.1.3　基于支持向量机的逼近水轮机特性方法及计算实例　20
2.2　紫坪铺水电站水轮机压力脉动特性　24
2.2.1　水轮机尾水管水力振动信号的处理　24
2.2.2　涡带所引起的压力脉动分析　25
2.2.3　尾水管水流低频脉动特性　25
第3章　紫坪铺水电站水轮机及水轮发电机设计特点　29
3.1　紫坪铺水电站水轮机结构设计的主要特点　29
3.1.1　蜗壳　29
3.1.2　座环　33
3.1.3　导水机构　35
3.1.4　尾水管　44
3.1.5　顶盖　48
3.1.6　底环　50
3.1.7　控制环　51
3.2　紫坪铺水电站水轮发电机结构设计的主要特点　51
3.3　紫坪铺水电站转轮设计的主要特点　52
3.3.1　转轮设计理论　52
3.3.2　转轮结构型式　55
3.3.3　混流式转轮受力分析　56
3.3.4　混流式水轮机转轮的止漏装置　59
3.4　紫坪铺水电站轴承设计的主要特点　64
3.4.1　小湾水电站水导轴承结构　64
3.4.2　龙滩水电站水导轴承结构　65
3.4.3　三峡水电站水导轴承结构　66
3.4.4　溪洛渡水电站水导轴承结构　66
3.5　水轮机主要零部件的强度分析成果　67
3.5.1　水轮机基本参数　67
3.5.2　转动部分强度计算　68
3.5.3　导水机构部分强度计算　72
3.5.4　接力器部分强度计算　85
3.5.5　埋入部分强度计算　88
第4章　电调基于水调的紫坪铺水电站水轮机目标参数选择及稳定性分析　97
4.1　电调基于水调的紫坪铺水电站水轮机目标参数选择　97
4.1.1　比转速　97
4.1.2　水轮机效率　99
4.1.3　空蚀系数和吸出高度　99
4.2　水力稳定性分析　100
4.2.1　结构场计算模型　101
4.2.2　改善水轮机稳定性的措施　104
4.3　紫坪铺水电站水轮机运行区域分析及优化　104
4.3.1　水轮机设计性能　105
4.3.2　水轮机运行区域优化　108
第5章　紫坪铺水电站水力过渡过程数值仿真及分析　111
5.1　数学模型的建立　115
5.2　水轮机边界条件　117
5.3　水轮机特性及数据处理　119
5.3.1　水轮机特性　119
5.3.2　水轮机特性的数据处理　121
5.3.3　水轮机特性的三维建模　123
第6章　“5 12汶川大地震”对紫坪铺水电站安全运行的影响分析　131
6.1　“5 12汶川大地震”水轮发电机组震损及恢复情况　131
6.2　“5 12汶川大地震”对水轮机和发电机等安全运行的影响　132
6.2.1　混凝土面板堆石坝工程　132
6.2.2　泄洪建筑物　133
6.2.3　厂房及地面建筑物(含道路和桥梁)　133
6.2.4　机电和金属结构　134
6.2.5　安全监测与监控　135
6.3　紫坪铺水电站水库大坝安全稳定性计算分析及溃坝演算成果　137
第7章　紫坪铺水电站水轮机运行分析　143
7.1　起动试运行　143
7.2　3#机组全水头振区测试试验研究　148
7.3　试验水头为82m的测试分析　150
7.4　试验水头为120m的测试分析　154
第8章　水轮机部件运行问题原因分析及解决措施　158
8.1　导叶裂纹原因分析及解决措施　158
8.2　叶片及上冠裂纹探伤情况及处理方案　159
8.3　顶盖上止漏环出现开焊现象　164
8.3.1　设计方面的影响　165
8.3.2　制造方面的影响　166
8.3.3　现场安装方面的影响　166
8.3.4　运行环境方面的影响　167
8.3.5　综合因素的影响　167
8.3.6　处理措施　167
8.4　特定水头及功率下的高频振动　169
8.4.1　1#机组在特定水头和出力下出现异常高频振动的问题　169
8.4.2　引起异常高频振动的因素　174
8.5　冷却器冷却水管开焊　175
8.6　水轮发电机组制动闸板及闸墩振动现象　175
8.7　水轮机大轴补气阀问题　176
8.8　水轮机底环在检修时不能被拆出的问题　179
8.9　水轮机技术供水减压阀更换　180
8.9.1　减压阀容易损坏的原因　181
8.9.2　技术供水减压阀损坏的后果　181
8.9.3　活塞式减压阀的技术要求　182
8.9.4　活塞式减压阀的特点　183
8.9.5　对机组技术供水系统减压阀进行改造后能够达到的效果　183
8.10　空气冷却器的改造　183
8.10.1　空气冷却器　183
8.10.2　主变冷却器　185
8.11　重要螺栓的在线检测系统　187
8.11.1　设备温度在线监测的必要性　187
8.11.2　设备温度在线监测技术发展趋势　187
第9章　基于逆向工程的紫坪铺水电站混流式转轮三维模型构建　193
9.1　逆向工程　193
9.1.1　逆向工程的关键技术　193
9.1.2　逆向工程的国内外研究现状　194
9.1.3　逆向工程应用领域及发展趋势　194
9.2　数据测量方法及设备　196
9.2.1　数据测量方法　196
9.2.2　数据测量设备　198
9.3　PO140混流式转轮模型重构　200
9.3.1　数据采集　200
9.3.2　基于逆向工程软件的点云数据处理　203
9.3.3　基于正向CAD/CAM软件的模型重构　205
第10章　紫坪铺水电站全流道多工况数值模拟分析　211
10.1　计算模型的建立　211
10.2　计算工况点的选择　212
10.2.1　单相定常模拟条件设置　213
10.2.2　单相非定常模拟条件设置　214
10.2.3　空化两相流动模拟条件设置　215
10.3　流场计算结果　215
10.3.1　各水头下水轮机能量特性　215
10.3.2　定常流动下水轮机全流道流线分布　218
10.3.3　蜗壳静压分析　220
10.3.4　活动导叶速度分布　221
10.3.5　转轮叶片工作面静压分布　223
10.3.6　转轮叶片背面静压分布　225
10.3.7　蜗壳流线分布　227
10.3.8　固定导叶流线分布　228
10.3.9　尾水管涡带　230
10.3.10　全流道空化计算结果分析　232
10.4　大变幅混流式水轮机异常高频振动工况下尾水管空化流动分析　247
10.4.1　尾水管空化定常结果分析　248
10.4.2　尾水管空化非定常结果分析　253
10.5　高频振动区域工况下的转轮流固耦合分析　256
10.5.1　流固耦合计算方法　256
10.5.2　模态分析基础　256
10.5.3　预应力下的转子模态设置　257
10.5.4　转轮高频振动工况下的流固耦合计算结果分析　257
第11章　电调基于水调的紫坪铺水电站水轮机运行关键技术及研究　261
11.1　电调基于水调及自动发电控制运行下的水库运行模式　261
11.2　多物理场耦合下的高水头大变幅水轮机运行区域优化　262
11.3　高水头大变幅水轮机特定高频振动区域的发现及其减振技术　262
11.3.1　导致机组振动的因素　262
11.3.2　机组减振的方法　262
11.3.3　机组减振结构的优化　263
11.4　机组关键连接部位的螺栓在线智能监测技术　263
11.4.1　点线面结合，温度全面监测　264
11.4.2　移动应用App随时随地监测设备状态　264
11.5　一种混流式水轮机转轮逆向工程建模方法　265
11.6　展望　265
主要参考文献　266