水电机组轴系-调速耦合系统动态特性分析

水电机组轴系-调速耦合系统动态特性尚未揭示,制约机组调节优化控制。为此,建立了水电机组不同运行模式轴系-调速耦合系统非线性数学模型,研究分析了耦合系统的非线性动态响应特性。首先,采用Hopf分岔理论分析调速系统稳定域和分岔特性。进一步,仿真分析机组不同运行模式轴系-调速耦合系统的时频动态响应特性。结果表明:机组孤网和并网运行调速系统均存在超临界Hopf分岔,机组并网模式调速器参数稳定域较孤网模式增大。机组并网模式调速系统机组、电网频率动态响应存在多频特性,轴系振动会引发调压室水位动态响应超超低频振荡。并网与孤网模式相比并网模式系统动态响应超调量增大,调节时间缩短。机组孤网和并网运行轴系振动均为多频拟周期振动,但孤网模式轴系振动特性更复杂。

调压井底孔对水轮机调节系统过渡过程的影响

调压井是水电站建设的重要工程措施,本文在对带调压井的水轮机调节系统开展的计算分析中,采用流量、力矩的特征矩阵法描述水轮机特性、详细考虑了水轮机调速器非线性特性(如主配压阀速度特性、接力器开关时间整定引起的严重的非线性特性等),用实际甩负荷过渡过程算例说明调压井底孔阻尼对水轮机调节系统振荡特性的衰减、调压井内水位涌升的重要影响。

3-D simulation of transient flow patterns in a corridor-shaped air-cushion surge chamber based on computational fluid dynamics

The 3-D characteristics of the water-air flow patterns in a corridor-shaped air-cushion surge chamber during hydraulic transients need to be considered in the shape optimization. To verify the reliability of the water-air two-phase model, namely, the volume of fluid model, the process of charging water into a closed air chamber is successfully simulated. Using the model, the 3-D flow characteristics under the load rejection and acceptance conditions within the air-cushion surge chamber of a specific hydro- power station are studied. The free surface waves, the flow patterns, and the pressure changes during the surge wave process are analyzed in detail. The longitudinal flow of water in the long corridor-shaped surge chamber is similar to the open channel flow with respect to the wave propagation, reflection and superposition characteristics. The lumped parameters of the 3-D numerical simulation agree with the results of a 1-D calculation of hydraulic transients in the whole water conveying system, which validates the 3-D method. The 3-D flow structures obtained can be applied to the shape optimization of the chamber.

水电站水力过渡过程研究

为确保水电站安全运行,开展水电站水力过渡过程计算分析至关重要.采用特征线法建立水力瞬变模型,分析了有压引水系统水压、调压井水位、导叶开度、机组转速的水力过渡过程.研究结果表明:(1) 3台机组同时在甩负荷条件下,机组飞逸转速升高率最大为0.40,蜗壳水压升高率最大为0.28;机组最大飞逸转速发生在水库死水位工况,蜗壳最大水头为99.5 m,调压井最高水位为1 116.3 m,发生在水库校核洪水位.(2) 3台机组同时从空载增至满负荷,蜗壳水压降低率大于-0.19,蜗壳最小水头为57.2 m,调压井最低水位为1 076.3 m;水轮机上游引水系统中最小水头均大于15 m,调压井最低水位高于隧洞顶7 m以上,不会将空气带入隧洞和压力钢管中.(3)水轮机导叶关闭及开启情况下,机组飞逸转速、管道水压、调压井水位波动均满足设计规范要求.

基于混凝土20 h内强度龄期关系曲线确定调压井滑模滑升时间研究

水利水电工程调压井滑模施工中的混凝土强度是一个非常重要的技术参数,且是控制滑模滑升速度的依据,也是滑模能否提升的前提条件。阐述了通过对现场混凝土试件进行抗压强度检测,采用线性回归分析方法得出了该配合比混凝土在20 h内的时间与抗压强度关系曲线,依据该关系式推出了调压井20 h内混凝土随时间增长的连续强度,从而判断出滑模是否满足提升要求,进而确定出滑模的滑升时间。该方法的采用减少了取样频次、检测时间与检测成本,能够更加便捷、快速地在施工现场计算出混凝土强度是否满足滑模滑升要求。

混流式水轮机调节系统建模与非线性动力学分析

为了深入研究混流式水电站系统的稳定性问题,在简单式调压井模型基础上,考虑弹性水击效应、发电机转子二阶动态模型等因素,建立起了新的调压井单机单管混流式水轮机调节系统的非线性数学模型。通过分岔图、Poincare映射图、功率谱图、时域图、相轨迹图、频谱图等非线性动力学特征,分析了调速器参数变化时水轮机调节系统的非线性动力学响应,得出系统的动力学变化规律和特征,初步确定系统稳定运行的参数调节范围,为混流式水电站系统正常运行提供了理论参考。

潮州城区浸没影响的预测与实测资料分析

在设计阶段针对潮州供水枢纽工程对潮州城区的浸没问题进行数值分析,对城区的水头分布情况进行预测,并在各个可能受浸没影响的区域布置地下水监测网络,对地下水进行长期监测。整理前期数值计算成果,结合蓄水2 a多来地下水测点的实测资料及现场调查,对城区浸没情况进行分析评价,结果表明:原设计目标基本实现;根据地下水实测资料可将城区按受蓄水影响和减压井影响程度划分为3个区域,潮州主城区位于同时受蓄水及减压井影响范围内,浸没影响范围在堤后600～1 000 m范围内;减压井的工作效果较好。

地震作用下大型多岔调压井衬砌结构数值分析

针对地震作用下的深埋多岔圆形调压井,采用三维非线性有限元对其洞室开挖及衬砌结构受力特性进行了计算分析。引入岩石弹塑性损伤本构关系模拟地下调压井洞室的开挖效应;基于模拟结构支护的隐式锚杆、锚索单元,提出了复杂体型的调压井洞室开挖支护及衬砌开裂的计算方法;采用波动场拟静法对地震波作用下混凝土衬砌结构受力、变形特性进行了计算,给出了衬砌开裂的裂缝宽度和结构配筋的计算公式。通过小湾水电站调压井的工程实例计算,分析了空间多岔调压井衬砌结构在地震作用下的变形、开裂特性和应力分布规律,验证了模型的合理性与计算方法的可行性,为强震地区大型复杂调压井结构设计施工和安全校核提供了新思路和参考依据。

巴基斯坦N-J水电工程调压竖井滑模的设计与施工技术

巴基斯坦N-J(Neelum-Jhelum)水电工程调压竖井的模体成井直径为9.5 m,井身总衬砌高度超过353 m,采用自升式液压滑模施工技术衬砌,其设计与施工难度较大。针对滑模主桁架自身的结构特点,利用有限元软件ANSYS对其进行了最恶劣工况的静力学模拟分析校核。结果表明,其结构稳定,满足施工要求。同时,还介绍了滑模的制作组装、运输方案、安装调试、运行拆除等施工方法,供类似工程参考。

具有长引水系统的转桨式水轮机过渡过程计算

在水电站设计中,以新型调压阀及其控制系统替代传统调压井具有显著经济效益。基于自行研制的带调压阀的水轮机调速器实时仿真系统和包含水轮机、发电机、引水系统、水轮机调速器等环节在内的水轮机调节系统过渡过程计算软件,采用水轮机流量、力矩特性矩阵法表征水轮机动态特性,建立了刚性水击条件下一洞多机输水系统的数学模型;对带有主配压阀非线性特性的PID调速器,建立了带调压阀的转桨式水轮机调节系统数学模型。研究表明:通过计算只要保证水轮发电机组启动、空载扰动、带负荷、甩负荷自动调节工况下,水轮机调节系统过渡过程满足稳定运行要求,水电站就可以采用调压阀而不设调压井。最后,计算了某具有长引水系统的转桨式水轮机过渡过程,该电站水流惯性时间常数高达27 s,装有2台转桨水轮机、1台定桨式水轮机。计算结果表明,以调压阀代替调压井后,该水轮机调节系统稳定,满足调节保证要求。

水电站压力引水系统瞬变流数学模型

本文建立的水电站压力引水系统瞬变流数学模型，可回答机组在各种运行工况下沿管线各断面的最大、最小水锤压力及其压力波动过程，调压井最大、最小涌浪高程及其涌浪衰减过程线，系统稳定时间，穿井水锤压力等，并可优化导叶启闭规律。

涡轴发动机稳定性实验研究

为了评定涡轴发动机的稳定性,采用了可移动插板式压力畸变发生器评定方法对其稳定性进行评定,通过分析喘振时的压力信号,得到了临界状态下的各种参数和临界畸变指数,在此基础上间接地比较了四台发动机的稳定性的好坏,并且发现该发动机由于离心压气机首先失稳从而引起发动机喘振,且低转速下对喘振的容忍能力要高于高转速状态,这些结论可以作为该型涡轴发动机改进和设计使用的参考依据。

地下洞室开挖围岩弹塑性动态稳定性分析

推导Drucker-Prager屈服准则强度储备安全系数的表达式。以糯扎渡水电站调压井大型地下洞室群施工为例,通过典型断面关键点位移、小主应力及安全系数随开挖步的变化,分析开挖对大型地下洞室群围岩稳定造成的影响。研究结果表明:强度储备安全系数随着主应力差的增大而减小。在开挖过程中,围岩整体稳定性较好,但是围岩位移、小主应力随开挖步的不断递进而持续增大,关键点安全系数持续减小,最大位移与最大拉应力均位于调压井下部,分别为10.57 mm及1.10 MPa,局部关键点最小安全系数不满足规范要求,所以洞室开挖后需及时支护。当二次衬砌高程大于关键点所处高程时,该点安全系数明显增大,且满足规范要求,通过支护方案比选,调压井混凝土浇筑至625.5 m高程是该工程最经济合理支护方案。

RandWPSO-LSSVM反演方法及其在大型地下工程中的应用

根据粒子群算法(PSO)和支持向量机(SVM)的特点和局限性,对其进行改进,建立随机权重粒子群最小二乘支持向量机(RandWPSO-LSSVM)反演模型,由正交设计、均匀设计和三维有限元数值计算给出学习和测试样本,反演糯扎渡水电站大型调压井工程区的围岩力学参数和初始地应力场。研究表明:RandWPSO对LSSVM预测模型的优化效果明显比PSO好;反演得到工程区x向和y向侧压力系数分别为2.641 5和2.083 1,微新岩体、弱风化下层、弱风化上层、全强风化层岩体、断层等围岩的弹性模量分别为24.849 2,10.898 7,2.839 8,0.270 4和0.651 3 GPa;反馈计算得到的位移相对实测位移误差较小,验证反演参数的合理性,也表明所建立的RandWPSO-LSSVM反演模型合理可靠,可有效指导大型地下工程参数设计和施工稳定性分析。

调压井断面尺寸变化对水锤压力反射及质量波动衰减速度的影响

研究了调压井断面尺寸变化与水电站过渡过程中水锤压力及质量波动的关系,重点探讨了长引水隧洞中调压井的断面尺寸对质量波动周期及波幅衰减速度的影响,并揭示了三者之间的内在关系,所得结论对合理确定调压井断面尺寸有着重要的指导作用。

不良地质条件下调压井施工期稳定性分析

作为水电站的重要组成部分,调压井的洞室围岩稳定是一个十分重要的问题。某水电站调压井的特点是开挖断面大,岩石较为破碎,裂隙发育,稳定性差。采用有限元法模拟该调压井的施工开挖状况,对调压井进行了稳定性分析。分析表明,调压井衬砌的内力分布不均匀,变形较大,V类围岩中塑性屈服区深度较大,尤其是后方边坡山体单薄,其塑性屈服区贯穿了全部岩体,对调压井稳定很不利,施工过程中需要对围岩采取预加固措施。

引子渡水电站引水系统关键技术

引子渡水电站采用长引水系统 ,在下游较宽敞的胡家大地平地布置发电厂房 ,以使发电厂房远离雾化区 ,从而保障良好的运行条件 ,同时也有利于施工 ,减少施工的相互干扰。引水系统线路总长 110 0m ,采用一洞三机供水方式 ,由岸塔式进水口、引水隧洞、阻抗式调压井、压力钢管等组成。该引水系统线路长、建筑物复杂、洞室围岩稳定性较差。经过对引水系统的水力过渡过程分析计算、调保计算和结构计算 ,满足了结构、大小波动稳定和运行的要求。

不良围岩条件下水电站调压井衬砌结构选型研究

目前工程上比较常用的水电站调压井衬砌结构型式有两种,一种结构型式是钢筋混凝土衬砌结构型式,另一种结构型式是钢衬加回填混凝土衬砌结构型式。本文针对围岩条件比较破碎,裂隙发育的调压井洞室结构,就两种衬砌结构型式分别进行了高水头作用下的有限元数值模拟,从调压井衬砌结构选型角度分析对比了两种衬砌结构型式在围岩及衬砌结构应力与变形、衬砌结构钢筋混凝土开裂、围岩与衬砌结构联合承载、结构安全储备、经济等方面的优劣。

水电站气垫式调压室应用现状和主要设计问题

世界上已建的10座地下气垫式调压室的水电站均位于挪威。近年来,为解决环保问题和节约工程投资,我国已在四川自一里、小天都两座水电站设计中采用了气垫式调压室方案。气垫式调压室的主要设计问题包括设计准则、布置设计、气体体积及尺寸的估算、水幕设计、防渗处理等方面内容。

基于安全系数的大型地下洞室衬砌优化研究

介绍了一种基于安全系数的大型地下洞室衬砌优化方法,应用于糯扎渡水电站调压井大型洞室的衬砌优化研究。首先,建立围岩和衬砌的三维有限元模型,施加初始地应力场,进行结构线弹性计算并配筋,其次,进行衬砌三维弹塑性计算,由围岩点安全系数比较分析,优化得到最佳衬砌方案,最后,对最佳衬砌方案合理性进行了验证分析。研究表明,当衬砌高程施作至625.5m时,围岩和衬砌稳定性较好,且围岩个别点安全裕度较小,因此衬砌方案Ⅳ为优化得到最佳衬砌方案;通过衬砌和围岩的稳定性分析验证了优化方法的合理性,可为其它类似工程衬砌优化研究提供借鉴。