2009開題報告

1、 一、畢業(yè)設計的課題來源、類型本專業(yè)培養(yǎng)從事電廠機電設備及其控制裝置的設計、安裝、運行及管理的高級工程技術人才。畢業(yè)生面向大型發(fā)電廠、設計院、科研院所、水電工程建設部門、電力設備制造等單位。根據(jù)專業(yè)的培養(yǎng)目標和畢業(yè)設計選題的具體要求，我選擇長湖水電站水輪機結構設計及CAD。廣東省長湖水電廠，即現(xiàn)廣東粵電長湖發(fā)電有限責任公司，隸屬廣東省粵電集團有限公司。共裝有兩臺軸流轉(zhuǎn)槳式水輪發(fā)電機組，裝機容量為76兆瓦，年均發(fā)電量約為2.88億千瓦時。發(fā)電廠房位于離北江與翁江匯合口9千米的翁江下游，于1969年開始興建，兩機組先后于1973年3月28日和1974年6月7日投產(chǎn)發(fā)電，這是廣東省當時第一臺低水頭、

2、轉(zhuǎn)槳水輪發(fā)電機組，當時這兩臺機組單機容量均為36兆瓦，2003年對#2機進行了增容改造，容量增加到40兆瓦。主要水工建筑和發(fā)供電設備有：混凝土重力壩、水輪發(fā)電機組、主變壓器，220千伏戶外GIS（六氟化硫組合開關）。水庫以發(fā)電為主，兼有防洪、灌溉、航運、養(yǎng)殖和旅游等綜合功能。水庫集雨面積4800平方公里，占翁江流域總面積的97.36%。有效庫容0.55億立方米，最大庫容1.55億立方米。水庫大壩是寬縫砂腔混凝土溢流重力壩，壩頂高程66米，壩頂長181米，在河床壩段設有5孔開敞式溢洪道，每孔溢洪道裝有13×13.2平方米的弧形鋼閘門，設計洪水最大泄流量7080m3/s。大壩防洪標準為百

3、年一遇洪水設計，千年一遇洪水校核，設計洪水水位62.80米，校核水位65.62米，正常蓄水位62米，發(fā)電極限水位53米。農(nóng)田灌溉引水口布置在右岸壩體上，引用流量4.6立方米每秒，灌溉農(nóng)田面積2866.67公頃（相當于4.3萬畝）。本課題來源于該電站水輪機部分的設計，屬于實際工程設計類型 。二、選題的目的和意義中國水能資源居世界第一位。我國的水能資源理論蘊藏量有6.78億千瓦，年發(fā)電量5.92萬億千瓦時，居世界第一位，有美好的開發(fā)前景。到1991年，我國已開發(fā)水電裝機容量3788萬千瓦，年發(fā)電量1248億千瓦時，占經(jīng)濟可開發(fā)水電發(fā)電量的9.9。預計，2000年我國水電總裝機容量可達9000萬千瓦

4、；20002020年再增加9000萬千瓦，到2020年累計達1.8億千瓦；20202050年再開發(fā)1.1億千瓦，將我國經(jīng)濟可開發(fā)水能資源全部開發(fā)出來，達到2.9億千瓦。但是我國在水輪機設計研究方面仍然未能達到世界領先水平，而且我國研制的水輪機效率低、壽命短，空化空蝕防護措施及減振措施方面都存在不足。畢業(yè)設計是我即將完成學業(yè)的一個重要環(huán)節(jié)，它既是對我所學知識的全面總結和綜合應用，又為今后走向社會的實際操作鑄就了一個良好的開端。通過畢業(yè)設提高和鞏固我所學的理論知識，培養(yǎng)我綜合運用所學理論知識和基本技能解決工程實際和科學研究問題的能力；培養(yǎng)我進行調(diào)查研究和查閱、收集、分析、整理資料的能力，而且在本次

5、畢業(yè)設計過程中不但可以培養(yǎng)制定設計方案的能力而且還能熟練我的CAD軟件繪圖技能。并且我所報的研究生專業(yè)是流體機械及工程，基于以上原因我選擇了長湖水電站水輪機結構設計及CAD，選擇該題目不僅能使我對以前所學專業(yè)知識加深理解和應用，而且對我以后上研究生也會起到促進作用。3、 本課題在國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢國內(nèi)水輪機設計新技術（1）水輪機優(yōu)化-能量分析模型預估技術CFD分析即用CFDComputational Fluid Dynamics （計算流體力學）的方法，模擬計算實際的流動。對原型或模型水輪機進行CFD分析，就是應用數(shù)值計算的方法，模擬計算水輪機各過流部件內(nèi)部的流動情況，得出內(nèi)流的速度場

6、、壓力場等。從而預估水輪機的性能，進行優(yōu)化設計。 近年來計算機與計算技術、流體機械三維流動分析與設計理論都已取得了很大的進步，使得現(xiàn)代轉(zhuǎn)輪的設計取得了長足的進步，其中水力機械過流部件的三維流動分析、三維設計和優(yōu)化算法已成為過流部件水力設計與流動分析的重要工具。 在三維粘性流設計模型的基礎上，又實現(xiàn)了設計方案的計算機自尋優(yōu)，達到了根據(jù)廠站的實際水力參數(shù)進行“量體載衣”式的設計，取得了水力機械轉(zhuǎn)輪設計方法的重大突破。到目前為止，已先后為有關電站、多家水輪機廠和有關研究單位的幾十臺水輪機轉(zhuǎn)輪進行了改型設計，全部達到了用戶提出的改造目標。這種針對某一電站進行專門設計與制造的水輪機選型方法，可

7、以保證讓每一個電站都可以選出適合自己電站條件的最優(yōu)水輪機型式，從而達到最佳運行效果，取得最大經(jīng)濟效益。通過采用先進的計算機數(shù)值模擬技術對水輪機轉(zhuǎn)輪進行增容改造，具有低投入、高產(chǎn)出、見效快的特點。在改善運行性能的同時減少了運行及維修費用、減少了機組的停機時間，使電廠費用降低并盡快受益。能量分析模型技術已經(jīng)在電廠增容改造過程中已經(jīng)顯得越來越重要，利用CFD技術真實模擬電廠運營情況，為電廠發(fā)現(xiàn)問題解決問題提供重要依據(jù)，同時利用此技術由于可以直接模擬電廠技術，從經(jīng)濟上可以避免重復投入，具有低投入、高產(chǎn)出、見效快的特點。（2）水電站增容改造-X型葉片轉(zhuǎn)輪進入上世紀90年代后，流動計算和測試技術的發(fā)展促進

8、了對水輪機先進設計方法，這個時期混流式水輪機模型轉(zhuǎn)輪的最高效率已達到94%的水平，而抗空蝕性能大幅度提高，出現(xiàn)了被譽為新一代高性能的X型葉片轉(zhuǎn)輪。 X型葉片的主要結構特點為：葉片進口具有“負傾角”，同時，靠近上冠處翼形為負曲率。為適應能量轉(zhuǎn)換和出口條件的要求，葉片出水邊不在軸面上，而是一空間曲線。X型葉片的以上特點，使其表現(xiàn)出良好的水力性能。與傳統(tǒng)葉輪相比，X葉輪具有高效率、高水力性能等許多優(yōu)點，目前這種高性能的X葉型轉(zhuǎn)輪已用于三峽等大型電站，并取得了很好的經(jīng)濟效益。隨著經(jīng)濟的發(fā)展，在中小型水電站的建設及其對老式電站的改造中，應用此種高性能葉輪已成為必然的趨勢。（3）水輪機過流部件抗磨蝕的新技

9、術1.水輪機過流部件抗磨蝕技術抗磨材料的篩選，根據(jù)渠輸沙量顆粒分析對固定部件采用環(huán)氧金剛砂修補，常溫修補經(jīng)過機組實驗，發(fā)現(xiàn)抗磨蝕性能良好。但與水輪機母體材料粘接強度差、易剝落，一般運行36個月發(fā)生60%左右的剝落。根據(jù)現(xiàn)場實際，課題組決定采取加溫至50時施工，得到了良好效果。對轉(zhuǎn)動部件根據(jù)拒馬河挾沙情況，最先使用彈性橡膠涂層，經(jīng)過實驗發(fā)現(xiàn)彈性橡膠在轉(zhuǎn)輪葉片負壓區(qū)粘接力弱，出現(xiàn)大片剝離脫落，而此處正是空蝕最嚴重區(qū)域，隨后課題組經(jīng)過研究決定改用復合尼龍保護。最后課題組經(jīng)過反復實驗、研究、比較、篩選最后確定對水輪機固定部件采用中溫環(huán)氧金剛砂修補，轉(zhuǎn)動部件使用復合尼龍噴涂粉末保護。2.轉(zhuǎn)輪采用復合尼龍

10、粉末噴涂復合尼龍粉末為灰白色粉末，由高分子材料尼龍、環(huán)氧和多種添加劑經(jīng)復合處理混合而成，既具有尼龍材料的耐磨、耐沖擊性能又兼?zhèn)洵h(huán)氧的優(yōu)異的粘接性能。粉末噴涂在表面經(jīng)過噴沙處理加熱至200左右的轉(zhuǎn)輪上，粉末噴涂就熔融流平形成保護層，經(jīng)固化成膜，具有優(yōu)良的耐磨蝕性能，其抗磨系數(shù)是30#鋼的23倍，耐磨蝕性能是30#鋼的5倍，粘接強度達60MPa以上，剪切強度35MPa，替代工件表面抵御流體中泥沙顆粒及空蝕的破壞，從而使工件使用壽命延長，保證了使用期的效率，其施工工藝也比較簡單，首先將轉(zhuǎn)輪去油污后噴沙除銹露出金屬本體，并形成一定毛糙度。用表面活性劑刷涂轉(zhuǎn)輪表面，以加強金屬與高分子材料的粘接力和界面防

11、水性，然后在烘箱內(nèi)加溫，使溫度達到200220后保溫3060分鐘，取出后用凈化的0.1M0.2MPa的壓縮空氣，通過專用噴槍，將裝在專用噴粉器內(nèi)的復合粉末噴涂到轉(zhuǎn)輪表面并熔融流平，若一次噴涂厚度不足，可多次噴涂，最后在烘箱內(nèi)保持180固化4560分鐘取出，完成全部工藝。復合尼龍粉沫噴涂工藝簡單、易操作，只要空氣能流通之處均能涂復，適合于造型復雜、流道較小的中小水電機組轉(zhuǎn)輪，且施工時間短，1015分鐘即可噴涂一個轉(zhuǎn)輪，但對溫度控制要求嚴格。3.對水輪機固定部件采用環(huán)氧金剛砂涂層保護環(huán)氧金剛砂由環(huán)氧樹脂為主體輔以多元醇縮水甘油醚為活性稀釋劑，加固化劑組成。環(huán)氧樹脂具有優(yōu)異的粘接力，并且施工工藝簡易

12、，可在常溫下施工。在加溫至5060時與鋼鐵的粘接抗拉強度為40M60MPa。剪切強度為20M35MPa，加入剛性填料金剛砂后抗磨性能優(yōu)異，抗磨系數(shù)是30#鋼的2倍，耐磨蝕性能相當于30#鋼。其加工工藝是：工件去油污后經(jīng)噴沙除銹露出金屬本體，并形成一定的毛糙度。用表面活性劑刷涂需要涂復的工件表面，以強化粘結界面的粘接力和防水性，然后將工件加熱至50左右將環(huán)氧樹脂及活性劑、固化劑按比例攪拌均勻，呈乳棕色膠體狀，用刷子或刮板，涂復在所需修復工件的表面上作為基層；再將余下的部分按15重量比例加入金剛砂，充分拌合均勻成沙漿狀，用刮板或加熱后的抹刀涂復到基層上，充分壓平使表面光滑，達到要求的厚度?？刹捎贸?/p>

13、溫23天固化或處于50左右范圍內(nèi)34小時固化后即可使用。（4）密封新技術新型密封環(huán)采用減摩改性高溫樹脂，混合有機芳綸（EVLAR）、碳纖維與無機纖維，并添加了石墨粉、二硫化鉬粉、銅粉等固體潤滑劑，通過冷熱兩次模壓成型。特點：具有優(yōu)良的減摩、耐磨、耐高溫等特性，已替代進口的密封環(huán)配件。應用范圍：大型水輪機可逆式機組水尖一水輪機主軸密封系統(tǒng)，其他制動裝置中高壓高速的制動元件。主要技術指標：使用最高溫度250300，壓力速度值PV30MPa.m/s國外水輪機設計現(xiàn)狀趨勢加拿大：加拿大魁北克水電局的研究人員通過計算機仿真，提高了水電站的水輪機效率?？笨怂娋值难芯咳藛T利用計算機能仿真流經(jīng)進水口、壓力

14、鋼管、蝸殼、導水機構、轉(zhuǎn)輪和尾水管的水流。研究人員也能觀察以不同角度進入進水口的水流。利用計算機仿真，研究人員能確定水輪機內(nèi)任意點水流的方向和速度。在分析數(shù)據(jù)后得出結論，效率低與進水口和壓力鋼管無關。分析表明，轉(zhuǎn)輪入口處的水流均勻，蝸殼內(nèi)的水流也很好。雖然上述水流流態(tài)正常，但分析確實也表明：就在最高效率點之前，在上游彎管中有很大渦流，在轉(zhuǎn)輪進水邊附近以及葉片正面靠近上冠處，也發(fā)現(xiàn)小的渦流。根據(jù)上述情況，研究人員得出結論：效率問題是由于轉(zhuǎn)輪出口處存在不良的流態(tài)，而渦流現(xiàn)象是影響效率的主要原因。研究人員認為，要改進水輪機的低效率，必須改善轉(zhuǎn)輪和尾水管之間的水流。與此同時，對轉(zhuǎn)輪出口作了修改，對轉(zhuǎn)輪

15、葉片的后緣重新設計。結果使渦流消失，流經(jīng)尾水管的水流流態(tài)極佳。一個獨立的研究小組對改進后的水輪機進行效率測試。結果表明，在所有工況下，水輪機的效率明顯提高，效率提高1.5左右，水輪機容量增加了7.8MW。雖然效率已經(jīng)提高，研究人員也發(fā)現(xiàn)：新的設計增加了入口處的空蝕。修改前后的測量表明，增加了空蝕的潛在因素。經(jīng)計算，在最高效率點，空蝕增加了30，在最大負荷時，增加85。雖然原先的空蝕很小，但研究人員認為空蝕不是重要問題?？笨怂娋终J為，效率的增加帶來的效益大大超過因維修而增加的少量費用。挪威：挪威于1968年開始采用水冷發(fā)電機，到1991年共有15臺發(fā)電機是采用全水冷方式，是世界上數(shù)量最多的。

16、目前，又設計了定子用水冷、轉(zhuǎn)子用氣冷的發(fā)電機組，容量在180360MVA之間。特倫赫姆大學的水力機械實驗室（后劃歸SINTEF）與kvarner密切合作，目前的研究主要集中于兩個方面：一個是高效的高水頭大型水輪機；一個是設計簡單、成本低廉的小型水輪機。另外，為了利用盡可能小的水庫儲蓄盡可能多的電能，這個實驗室已著手研究高水頭可逆式水輪機，目前正在運行的抽水蓄能機組的一級抽水高程為700m。SINTEF的水力實驗室有一套大型的室內(nèi)實驗設備，可以進行整個電站的模型試驗。水力學模擬與計算機模擬可以互相驗證，這對研究由隧洞、壓力管道、水輪機組成的整個系統(tǒng)的動態(tài)過程是十分重要的。美國：美國現(xiàn)有3500臺

17、水電機組分布于全國各地，發(fā)電能力為10萬兆瓦，占全國總發(fā)電能力的13%。但是，水力發(fā)電對魚有害，毀壞自然棲居地，給山谷帶來洪水，限制下游輸水。為了減輕水電對環(huán)境的影響，弗爾斯西門子公司已為太平洋西北水電廠發(fā)明了一種水輪機，這種魚類友好的水輪機可使魚的存活率提高兩倍，此外該公司還發(fā)明了一種充氣泵，它能提高下游流水的氧含量，從而解決了東南部水生動物的一個難題。東南部有許多水電設施要從水庫的底部用水，而底部氧氣含量很低。參考文獻【1】盛樹仁，吳新潤水輪機更新改造在哈電的實踐與展望全國水電站機電設備技術改造研討會交流材料c.1997.【2】程渭敏.應用新型高性能水輪機轉(zhuǎn)輪對老電站水輪機組增容改造c.全

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