转桨机组河床迳流式电站全枢纽过渡过程研究
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摘要
随着水电事业的发展，水电站系统变得越来越复杂。本文以黄河沙坡头水利枢纽电站系统为工程背景，对转桨机组河床迳流式电站全枢纽系统进行了过渡过程的数值模拟研究。
针对转桨机组河床迳流式电站的枢纽系统，建立了全枢纽过渡过程的计算模型，并且编制了相应的计算程序，进行了计及河床涌浪的全枢纽系统的过渡过程仿真计算，该程序能对同一枢纽中含有不同型号机组的电站同时进行过渡过程计算。
计算结果表明，对此类枢纽系统进行过渡过程仿真计算时，不能简化为管道加机组的简单系统进行仿真计算，而必须进行计及涌浪的全枢纽过渡过程仿真计算，才能从仿真结果中反应实际存在的涌浪对周围建筑物、行船以及枢纽系统的过渡过程的影响。
为了能够得到比较准确的水轮机特性，对转桨机组的水轮机特性描述进行了初步的研究，并把修正水轮机特性的方法应用到了仿真计算中。
本文对转桨机组在过渡过程中的桨叶划水产生水推力的数学模型进行了改进，在原来使用无边界螺旋桨进行等效的基础上，使用了导管螺旋桨对转桨机组中的桨叶划水进行等效，并且比较详细的分析了影响转桨机组轴向水推力的各个因素，以及给出了动态计算轴向水推力的公式，通过计算表明，使用改进后的动态水推力计算模型得到的结果能较好的反应实测的动态轴向水推力。
本文应用上述方法编制了过渡过程仿真程序，并对黄河沙坡头水利枢纽系统各种常见工况进行了全枢纽系统的过渡过程计算，得到了满意的计算结果，并且得到工程设计单位的肯定。
By the development of hydraulic power project, the system of hydraulic power station is more and more complex. The all hinge of riverbed power station of the Kaplan turbine's transient is studied in this paper whose background is the Water Hinge of Power Station in Sha Potou on the Yellow River.
Building up the math-model of transient for the all hinge of riverbed power station with the Kaplan turbine, building a simulation software for this kind of system and calculate the transient which take into account the effect of the ground swell on the riverbed. This program also can calculate the different kind of the Kaplan turbine.
The result shows that the simply math-model which is pipe add turbine for this kind of system is unsuitable. The only way is that when calculating the transient of the all hinge of this system, the effect of the ground swell must be taken into account, the result shows that the ground swell will be effect the buildings around the river, the ship which run on the river and the transient of this hinge system.
For getting the runner characteristics more correctly, researching the representation of runner characteristics of the Kaplan turbine in this paper, and using this method of modifying runner characteristics to calculate the transient of hydraulic power station.
Improving the calculating model of the axial thrust in the Kaplan turbine's transient. Base on the theory of screw propeller without any boundary, using the theory of screw propeller with pipe, and the formula to calculate the dynamic axial thrust during transient is developed. And the factors that influence the thrust are discussed and chosen in this paper. The calculated results are closed with that obtained by experiment.
Transient simulation programs have been developed based on the models above, and were put into practice of the transient simulations of the Water
Hinge of Power Station in Sha Potou on the Yellow River. Satisfying computation results which were gotten from the transient simulations validated the rationality of the design of the projects and were confirmed by the designer and builder.
针对转桨机组河床迳流式电站的枢纽系统，建立了全枢纽过渡过程的计算模型，并且编制了相应的计算程序，进行了计及河床涌浪的全枢纽系统的过渡过程仿真计算，该程序能对同一枢纽中含有不同型号机组的电站同时进行过渡过程计算。
计算结果表明，对此类枢纽系统进行过渡过程仿真计算时，不能简化为管道加机组的简单系统进行仿真计算，而必须进行计及涌浪的全枢纽过渡过程仿真计算，才能从仿真结果中反应实际存在的涌浪对周围建筑物、行船以及枢纽系统的过渡过程的影响。
为了能够得到比较准确的水轮机特性，对转桨机组的水轮机特性描述进行了初步的研究，并把修正水轮机特性的方法应用到了仿真计算中。
本文对转桨机组在过渡过程中的桨叶划水产生水推力的数学模型进行了改进，在原来使用无边界螺旋桨进行等效的基础上，使用了导管螺旋桨对转桨机组中的桨叶划水进行等效，并且比较详细的分析了影响转桨机组轴向水推力的各个因素，以及给出了动态计算轴向水推力的公式，通过计算表明，使用改进后的动态水推力计算模型得到的结果能较好的反应实测的动态轴向水推力。
本文应用上述方法编制了过渡过程仿真程序，并对黄河沙坡头水利枢纽系统各种常见工况进行了全枢纽系统的过渡过程计算，得到了满意的计算结果，并且得到工程设计单位的肯定。
By the development of hydraulic power project, the system of hydraulic power station is more and more complex. The all hinge of riverbed power station of the Kaplan turbine's transient is studied in this paper whose background is the Water Hinge of Power Station in Sha Potou on the Yellow River.
Building up the math-model of transient for the all hinge of riverbed power station with the Kaplan turbine, building a simulation software for this kind of system and calculate the transient which take into account the effect of the ground swell on the riverbed. This program also can calculate the different kind of the Kaplan turbine.
The result shows that the simply math-model which is pipe add turbine for this kind of system is unsuitable. The only way is that when calculating the transient of the all hinge of this system, the effect of the ground swell must be taken into account, the result shows that the ground swell will be effect the buildings around the river, the ship which run on the river and the transient of this hinge system.
For getting the runner characteristics more correctly, researching the representation of runner characteristics of the Kaplan turbine in this paper, and using this method of modifying runner characteristics to calculate the transient of hydraulic power station.
Improving the calculating model of the axial thrust in the Kaplan turbine's transient. Base on the theory of screw propeller without any boundary, using the theory of screw propeller with pipe, and the formula to calculate the dynamic axial thrust during transient is developed. And the factors that influence the thrust are discussed and chosen in this paper. The calculated results are closed with that obtained by experiment.
Transient simulation programs have been developed based on the models above, and were put into practice of the transient simulations of the Water
Hinge of Power Station in Sha Potou on the Yellow River. Satisfying computation results which were gotten from the transient simulations validated the rationality of the design of the projects and were confirmed by the designer and builder.
引文
[1] Gray, C.A.M., "The Analysis of the Dissipation of Energy in Waterhammer" Proc.Amer.Soc.Civ.Engrs., Proc.paper 274 vol. 119 1953,pp.1176-1194
[2] Lai,C., "A Study of Waterhammer Including Effect of Hydraulic Losses", thesis Presented to the University of Michigan, Ann Arbor, Michith, in Partiail fulfillment of the requirements for the degree of Doctor of Philosophy,1962
[3] Streeter V.L., and Lai,C., "Waterhammer Analysis Including Fluid Friction," Trans.Amer.Soc.Civ.Engrs., vol.128,1963, pp. 1491-1520 (see also discussions by Gray,C.A.M., pp.1530-1533, and by Paynter,H.M., pp 1433-1538)
[4] Streeter, V.L., and Wylie, E. B., Hydraulic Transients, McGraw-Hill Book Co., New York,1967
[5] E.B.Wylie, V.L.Streeter．Fluid Transient．McGraw-Hill International Book Company, New York, 1983
[6] [加]M.H.乔德里 著， 陈家远、孙诗杰、张治滨 译. 实用水力过渡过程. 四川省水力发电工程学会，1984年11月
[7] 王学芳，叶宏开，汤荣铭，何枫．工业管道中的水锤．科学出版社，1995
[8] 刘竹溪，刘光临．泵站水锤及其防护．水利电力出版社，1988
[9] 沈祖诒等．水轮机调节系统对象实时仿真研究．大电机技术，1992，第4期：58-63
[10] 容伟宏．高水头可逆式水泵水轮机过渡过程研究．[硕士学位论文]，清华大学流体机械教研室，1987
[11] 祝宝山．抽水蓄能电站过渡过程仿真通用程序及其智能化．[硕士学位论文]，清华大学流体机械教研室，1994，6
[12] 沈祖诒，孙昀．WINDOWS界面下水力-机械过渡过程仿真计算通用软件．水力发电，2000.7
[13] 吴炯杨．转桨水轮机动态数值模拟研究及遗传算法对开环控制优化．[硕士学位论文]，清华大学流体机械教研室，2000年5月
[14] 徐洪泉，潘罗平，李飞．轴流式水轮机轴向水推力测试研究．水利水电技
术，第27卷，1996年第12期
[15] 周大庆．轴流式机组轴向水推力的有限元计算．河海大学[硕士学位论文]，2002年1月
[16] 常近时．轴流式水轮机动态轴向水推力的解析与瞬变规律的新解法．科学通报，1984，No.5，P314
[17] 常近时．贯流式水轮机基本力特性的解析表达式．中国农业大学学报，Vol. 1，No. 6，1996
[18] 吴炯杨．Kaplan机组过渡过程轴向水推力计算．清华大学学报(自然科学版) 2000年11期
[19] 周雪漪．计算水力学．北京：清华大学出版社．1995
[20] 陈乃祥，张扬军等．水泵水轮机全特性的新表达方式及复合工况的计算．清华大学学报，1996，36(7)
[21] 陈乃祥等．容量及型号相异多机系统动态仿真及分析．清华大学学报，1997，37(3)
[22] 林宵汉等．全新的转轮全特性描述方法与其在水泵水轮机过渡过程中的应用．清华大学学报.
[23] 刘立宪等．大型输水或发电工程动态仿真中明流管流联合计算问题研究．全国水利水电水力机械信息网97年会论文，1997，10
[24] 李辉．三峡右岸地下电站动态数字仿真研究．[硕士学位论文]，清华大学流体机械教研室，1998，6
[25] 王国强, 盛振邦. 船舶推进[M]. 北京: 国防工业出版社, 1985.
[26] 张佐厚，胡志安. 船舶推进[M]. 北京：国防工业出版社，1980
[27].瞿伦富. 水力机械原理. 北京：清华大学水电系流体机械及流体工程教研组，1991年7月
[28] 张克危等. 流体机械原理. 机械工业出版社，2001年7月
[29] 钱涵欣、曹树良. 水力机械水力设计. 清华大学热能工程系流体机械及工程研究所，2002年4月
[2] Lai,C., "A Study of Waterhammer Including Effect of Hydraulic Losses", thesis Presented to the University of Michigan, Ann Arbor, Michith, in Partiail fulfillment of the requirements for the degree of Doctor of Philosophy,1962
[3] Streeter V.L., and Lai,C., "Waterhammer Analysis Including Fluid Friction," Trans.Amer.Soc.Civ.Engrs., vol.128,1963, pp. 1491-1520 (see also discussions by Gray,C.A.M., pp.1530-1533, and by Paynter,H.M., pp 1433-1538)
[4] Streeter, V.L., and Wylie, E. B., Hydraulic Transients, McGraw-Hill Book Co., New York,1967
[5] E.B.Wylie, V.L.Streeter．Fluid Transient．McGraw-Hill International Book Company, New York, 1983
[6] [加]M.H.乔德里 著， 陈家远、孙诗杰、张治滨 译. 实用水力过渡过程. 四川省水力发电工程学会，1984年11月
[7] 王学芳，叶宏开，汤荣铭，何枫．工业管道中的水锤．科学出版社，1995
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[11] 祝宝山．抽水蓄能电站过渡过程仿真通用程序及其智能化．[硕士学位论文]，清华大学流体机械教研室，1994，6
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[13] 吴炯杨．转桨水轮机动态数值模拟研究及遗传算法对开环控制优化．[硕士学位论文]，清华大学流体机械教研室，2000年5月
[14] 徐洪泉，潘罗平，李飞．轴流式水轮机轴向水推力测试研究．水利水电技
术，第27卷，1996年第12期
[15] 周大庆．轴流式机组轴向水推力的有限元计算．河海大学[硕士学位论文]，2002年1月
[16] 常近时．轴流式水轮机动态轴向水推力的解析与瞬变规律的新解法．科学通报，1984，No.5，P314
[17] 常近时．贯流式水轮机基本力特性的解析表达式．中国农业大学学报，Vol. 1，No. 6，1996
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[22] 林宵汉等．全新的转轮全特性描述方法与其在水泵水轮机过渡过程中的应用．清华大学学报.
[23] 刘立宪等．大型输水或发电工程动态仿真中明流管流联合计算问题研究．全国水利水电水力机械信息网97年会论文，1997，10
[24] 李辉．三峡右岸地下电站动态数字仿真研究．[硕士学位论文]，清华大学流体机械教研室，1998，6
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[28] 张克危等. 流体机械原理. 机械工业出版社，2001年7月
[29] 钱涵欣、曹树良. 水力机械水力设计. 清华大学热能工程系流体机械及工程研究所，2002年4月