文献综述-泵式涡轮机的现代设计【毕业论文+CAD图纸全套】

买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 附录 泵式涡轮机的现代设计 安德里茨水轮发电机公司，德国 摘要： 在日益增加的市场利益和挑战下，泵式涡轮机领域需要新的发展。对于安德里茨水轮发电机桐柏项目开发的一种新型水泵涡轮机，应用现代流动模拟的数控方法对所有组件进行优化，对于模型的性能检测和验证试验使该项新型水泵涡轮机的发展得以实现。对于在水泵涡轮机的尾水管涡流、涡轮同步、转子 直是近几年来安德里茨特殊研究的一个项目专题。 在新型水泵涡轮机的设计中，更详细的了解这一现象将有助于改善外形设计，避免或 减少这些不稳定因素的影响。在抽水蓄能电站计划中，桐柏项目中共有四个泵式涡轮机，每个泵式涡轮机配有额定功率为 306 兆瓦的发电机组。这一整体设计已经展示，并且一些特殊性能的机械化设计像蜗壳，特别强化了导叶轴承和导叶片的安全设计。本文将记录并呈现该项目在调试期间的第一份性能行为性测试结果。 一、导言 近几年，对于新型或者强效型泵式蓄能系统的需求已经被全世界所认同，在与中国一样的经济扩大的国家里，日益增加的对于能源的需求呼唤着新的发电厂的建设落实。在国家电网中， 抽水蓄能电站计划在平衡电力的供应和需求方面，受到极 为重要的关注。抽水蓄能电站能够在电网提供平衡的电压和频率方面起到稳定的作用。此外，它们可以在几秒钟的时间内提供快速的电压调节响应，从而适应迅速的变电需求。当然，抽水蓄能电站是一种种电能储存在低需求期间的成熟技术。 在过去的几年里，安德里茨水轮发电机公司在泵式涡轮机的发展中做出了不买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 断的努力，在欧洲，一些现代化项目也取得了成功的进展，像捷克共和国的划、波兰的 目等。目前，为奥地利 目的新泵式涡轮机正在开发中。在中国市场， 2001 和 2002 年，安德里茨水轮发 电机承担了桐柏抽水蓄能电站、狼牙山发电站两大发电站的项目，这两个项目都需要设计一个全新的液压系统，以满足并担保机械储能系统的高性能设计要求。 二、桐柏项目简介 桐柏项目的主要供应范围包括：四个可逆式水泵（发电机额定功率为 306兆瓦），包括阀门和电机发电机，数字式电子调速器，包括高低压电缆及辅助系统的主变压器和附加设备（如激励系统，数字保护，计算机监控系统，静态频率转换器）等。该电站被设想为一个具有 2 个压力管道通过水闸连接 2 个天然水库的地下洞穴。每个通水隧道源于各自水库的底部，通水隧道设有紧急闸门。主要的泵式 水轮机和桐柏项目的数据如表 1 所示。 该合同已于 2001 年 12 月被授予安德里茨海德鲁，第一单元于 2006 年 5 月25 日完成试运行，之后投入正常运营。 表 1 桐柏项目主要数据 地理位置 中国浙江省 最终用户 桐柏抽水蓄能电力公司 同步转速 300率变化（正常 /异常） z / z 液压额定功率 /最大输出电功率 306 334 定水头高度 /水头总范围 / 244 m / 286.2 m /：最大流量（ ） 118 m3/s / 轮：标称放电量 42 m3/s 极速最高效率 ( n / ) 44 转轮叶片数，检票闸数，固定导叶数 7, 20, 20 蜗壳进水口直径 3.1 m 泵口外径 .8 m 定子直径 9.2 m 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 数便门伺服电机 2 调试时间 2006 三、液压布局 液压布局是一个关键的工艺设计过程，需确定水力特性和主要尺寸，尽可能以最佳方式满足客户指定的基本要求。这种趋势曲线如图 1 所呈现，它给出了由安德里茨水电和其他供应商的工厂设计的几个抽水蓄能水头的特定速度范围。为达到良好的水力性能和最低的总体尺寸的前提下，高速是可以实现的，因为增加的动力可以提供增大的速度，所以，安全和适当的液压和机械操作最终限制了泵式涡轮机能达到的转速。 图 1 桐柏抽水蓄能电站的特点是大范围的水头总头。在泵模式中的 300 同步转速和充足的动力，这些机器符合现代的设计标准。在中国，对于抽水蓄能电站计划的一个总体要求能够是在相对较大的电网频率和持 久的变化工作需求环境中的操作。这些变化都必须在液压布局和一开始的设计过程中考虑到，如表 1，因为它们扩大了 续操作中指定的范围。泵的最大水头模式将提供于避免不稳定运行时，在最低总头处，最大的输入功率必须控制在设计时电动发电机所限制的功率范围内。在设计低压侧的转轮叶片轮廓时，必须考虑忽略掉的大量的气穴对于泵内的整个头部范围的作用影响。 四、水力设计和计算方法 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 为了满足桐柏项目的所有要求，安德里茨准备了全新的水力设计。对于水泵水轮机设计，安德里茨对于开发过程中使用的程序和组件的设计进行了优化，采用先进的 体力学计算方法（参考文献 1， 2， 3， 4）。这些模块组成的设计过程基本上是这样的：计算机辅助的轮廓几何定义，在不同的工作点对计算机配置文件的修改，流道的辅助数值模拟以改善稳定性，尽量减少流场损失。 各组件的主要尺寸是基于数据与标准型材的结合，采用简化的一维计算工具进行设计给定。在几个优化循环中，通过三维（ 3D）的流动模拟方法对这些组件进行三维流动影响的研究分析。该优化循环的目标是实现静止部件之间以及在两个方向流动的液体相互作用的优化。同时，对该组件尺寸依据有关规定在安全和服务组件的机械设计标准 等方面进行第一次检查。全液压设计过程的合理时间控制立足于由安德里茨水轮发电机公司研发的集成了内部和商业工用的特制软件开发包的运用。 图 2： 转轮设计过程是通过运用 3D 欧拉代码参数的快速变化的方法启动，由此产生的初步转轮配置文件用于详细的摩擦损失和湍流效应的粘性分析（参考文献1， 2， 3， 4， 5， 6）。如果有必要，外形尺寸应适应结果的提高。设计过程以在转轮流动与毗邻的组件连接的耦合计算结束。该液压系统的运行以整个工作范围内从最低到最高水头流量来平衡。 在过去的泵式涡轮机的设计都主要集中在泵的运 行，现在设计还需要对发电机的运行进行研究。 叶片轮廓的优化是一个典型的平衡优化过程，覆盖了从整个指买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 定头部在两种操作模式下的流量范围，这意味着需要特别注意的是，不仅要支持最佳操作条件，同时也要关注非设计性操作。在流道内的涡流模式检测是用来评估在极端条件下的工作行为，如涡轮部分负荷或在接近最大水头处的抽水状况。 图 3： 对于泵系统的操作应特别注意避免对压力和吸力面的气蚀，这意味着设计时应对泵中转子的边缘进行最大和最小流量的优化，如图 3，不同的颜色表明静压的不同层次，光滑连续的变化表明流场的损 耗较低。 安德里茨所运用 程为在涡轮机和水泵水轮机流模拟的是这种商业 件是涡轮机械领域所公认的，它提供了多种粘性的方法求解雷诺平均 程的解。该方程组是由一个封闭的粘性湍流模型的数量解决方案构成。对于桐柏模拟井的 k 方法可以用于求解泵系统的黏性项，一般的电网接口允许非匹配型网格相连接，并参考和多帧滑动网格提供时间的平均或瞬时转子定子的互动性能。 五、模型试验 对于桐柏项目，泵涡轮机的客户不仅需要大量的流量计算 ，还需要进行流体力学模型的试验证明，保证液压指定的主要性能数据得到满足。因此，需对一个同源比例为 1： 模型进行设计、制造和优化。测试条件应当对正常运行中的测试头至少有 60 米的最低距离限度。在第一步的水力设计中，主要是对性能的检查，并通过对液压轮廓稍作修改以使系统在达到最大功率方面获得最佳的操作条件，保证加权效率的汽蚀泵模式。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 图 4 图 5 最后的测验，是由客户代表的证实，不仅包括液压系统的验证，也要对便门扭矩进行检查，在尾水管、转轮的液压推力的 4 个性 能特点的压力脉动象限作以计算为基础的各种瞬变情况分析。 六、非定常现象 对于泵式涡轮机，能够在广阔的工作范围内平稳的运行是非常重要的，非定常现象是由转轮旋转流场所的不稳定引起的。因此，调查这些不稳定因素的影响，买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 有助于系统完善运行行为的建立。 在发电机的运行测试中，对尾水管涡流的不稳定效果的可靠性分析是必须的一个环节，如图 示研究的是，由离开流场的强烈影响，在运行范围引起的尾水管涡流的压力脉动，安德里茨对这些问题进行了多年激烈的特殊项目研究，因此拥有了系统的专业知识以利于提高转轮的外形设计。 图 2： 在某些情况下，一台泵在涡轮发电机的运行的同步范围内发生不稳定干涉，这种不稳定可能是导叶和转轮叶片之间不稳定的原因，如图 . 3 所示。一个旋转流分离可能导致流场的速度和扭矩的变化，从而使同步运行需要很长时间调整，甚至成为不可能。所以在详细的调查时，我们应当提供更多的分析数据以助于减少这些不稳定因素的影响，确保运行的同步。 图 3： 七、一般的泵式涡轮机机组的设计理念 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 该泵式涡轮机旨在通过发电机替代部分涡轮机零件，见图 . 6。涡轮发电机组配有 2 个发电机径向轴承和一个用于引导液流 的泵式涡轮机导轴承径向轴。推力轴承是结合较低的发电机导流轴承和发电机支架的下方支撑。经销商配备了连接到 2 个与油压伺服电动机同步运行的标称 64 个调节环。一个配备有 2 个伺服电机的球形阀位于上游的部位，并与压力钢管相连接。液压式调速器和进气阀控制与分离器限制油压装置压力。要启动泵系统运行，需在转轮室加水加压空气压进，高压空气管应固定在尾水管锥的上部，为了加快旋翼的额定转速，需由一个静态频率转换器进行控制。 图 6 在设计涡轮机，特别是泵式涡轮机时，主要设计方面是机械零部件之间的流体受力情况分析与 设计和技术协调。一个系统良好的振动行为（除其他因素影响）是实现液体在系统中流动的最直接最有效的方式。 八、预埋件座环蜗壳的设计 该座环蜗壳为泵式涡轮机的主要支撑结构。它由焊接在一起的两部分构成，该座环固定安装。为了优化蜗壳壁厚，配备单节角撑板，见图 示。 有了这些角撑板，就有了一个比周围稍大的蜗壳钢板墙厚度，从而减少了应力在座环蜗壳与底板之间的过渡。因此该节蜗壳壁厚可以适当的减少。这个解决方案专利已被该工程所应用。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 图 7： 九、边门轴承的改进 在泵式涡轮机的闸门处应装有高动态力系统，尤其是在短暂的运作阶段。这些动态的激励力量可能会引起系统不必要的震动。现有工程中的差距通常在边门轴承的选择上。 图 8 为了避免这种轴承的消极影响，桐柏项目专门提供预应力 承（见图 这种类型的轴承，不仅成功地应用于新安德里茨的泵式涡轮机，也对边门轴承进行了更换翻新，以增加轴承的使用寿命和减少振动。轴承由两个锥形套管构成，里面包括强化聚四氟乙烯衬套陪衬，可以承担在一个共同的径向变形的买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 效果， 并对这径向变形进行调整，以产生所需的径向预应力 。 图 9： 图 示了新的轴承减少泵振动的一个典型瞬态模式，可见，具有预应力的涡轮机在系统振动行为上的差异是显而易见的。 十、保险杆导叶 在结束行程时如果边门被异物阻塞，则边门杆扭矩的传送就应被迫中断。桐柏项目中，这个功能通过一个具有特殊杠杆摩擦垫片来实现，它允许的扭矩阈值精确调整（见图 保险杆导叶的安全杠杆已经过测试，能够非常精细的界定其在操作过程中的各个行为。通过静态和动态对边门杆扭矩进行实时计算和验证。对于一个应用纯摩擦来调节的扭矩门杠杆，触发后的制动力矩常数以及可调导叶区 位是它最大的优势。 图 10 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 十一、运行试验分析 液压同步过程中的稳定性和甩负荷对于每个可逆式泵式涡轮机都会有显示的不稳定区域，在桐柏模型试验中，对泵式涡轮机的水力方面进行了分析，特别是在不稳定区域和同步区域。在与瞬态仿真布局阶段分析中，没有出现任何不稳定瞬态工况的危险。调试过程也通过同步和空载试验验证了这一分析结果，没有发生不稳定时的关闭，也没有在无负荷的条件下同步运行（见图 图 11： 十二、压力脉动 在平稳运行时，系统的压力脉动符合期望。桐柏项目和一个类似 系统之间的比较如图 示。泵可变的涡轮测量压力脉动和速度也是在这个图中表示出来。 图 12 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 在泵与变速涡轮机的压力脉动减少值超过 50时，部分负荷运转。在满负荷运转时，泵的变量和定速涡轮机压力脉动几乎是相同的。 噪声测量，如图 13 所示： 在尾水管测量噪声的图中显示，尾水管锥传递到混凝土的底环力量，应对其进行严格的设计控制，锥形不是嵌入在周长允许进入的导轴承和叶片下，而是应该嵌入在方便维修的混凝土中。 在尾水管接入的噪音（即使尾水管锥不完全转化为具体的嵌入式）显示 出正常可接受的值。值得一提的是，所有在招标文件中的限制要求，只允许 80 到 85 分贝，这主要应用一个声音隔离门来实现噪声控制。 十三、跳动和振动轴的轴承 轴承座振动的测量是首选的振动速度测量指标，在指定的工作范围测量振动速度，如图 14 所示，桐柏项目中，轴承的振动是在一个很好的液压机水平指定的操作范围。在 量非旋转部件上的机械振动” 评价，尤其是表中所示，在此提供的数字是无效的，也无法设置紧急停机和无瞬态工况排放的有效运作。 图 14 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 这个情况是可以理解的，而如果在正常操作范围 内的数值与振动在紧急关机的高一个数量级的顺序下进行比较，则结果如图 15 所示： 图 15 十四、甩负荷时轴向力的预测 即使有进展的预测轴向力，很多时候的精度也是有限的，特别是在不稳定的操作系统中。但是，推力轴承的设计也必须考虑瞬态工况时轴向力的影响，这就需要较高的安全边际。因此，它是衡量效率在原型的动力系统中的指标，与桐柏项目的预期相比较，加载过程中的泵式涡轮机不能拒绝轴向推力，但也要考虑到顶盖和流场底部的压力测量，见图 图 16 在图 16 中，将平稳运行的液压轴向推力在 正常运行的总推力负荷定义为买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 100。在关闭时速度增加，第一秒和轴向推力下降到 80，后增加至最高速度。第一次下降后，轴向推力增加， 在此压力下的转轮进口压力也随之变化，当在转轮压力排在第一位的轴向推力减小，反之亦然。在过渡模式的泵式涡轮机组接触到的最高负荷和振动，只有在水工设计、机械设计及优化设计时注意到这些过渡因素的影响才会导致良好的