（机械电子工程专业论文）水轮机筒阀液压控制系统研究与设计.pdf

天津大学硕士学位论文 摘要 水轮机筒阀液压控制系统是筒阀的关键控制设备。筒阀直径大、自身很重， 启闭时需多只接力器共同作用。如何保证接力器运行速度和位置同步，以及根 据其位移调节运行速度是整个筒阀液压控制系统的关键技术。本文以实现水轮 机筒阀的同步提升为目的，受天津市天发重型水电设备制造有限公司委托，根 据水轮机筒阀的启闭特性，对筒阀液压控制系统进行了分析和研究。通过工程 实际应用，验证了该装备各项功能、达到了预期性能指标。论文主要研究内容 和成果如下： ( 1 ) 研究了简阀的作用和结构特征。筒阀主要由筒体、操作机构和同步机构 三部分组成。筒体是实现水轮机进口阀门功能的实体；液压马达和接力器液压 缸是筒阀启闭的两种执行机构；不同的执行机构设计相应的同步机构。 ( 2 ) 采取以液压机械同步和电气同步相结合的先进控制方式，保证筒阀运 行过程六只接力器速度同步和位置同步。针对筒阀的工作特性，分模块设计了 液压系统的各功能模块。筒阀液压控制系统基本上由泵站压力油罐系统、同步 回路、平衡回路和速度调节回路组成。为筒阀集成式液压系统设计液压集成块。 ( 3 ) 对筒阀液压控制系统设计的参数进行计算。分析筒阀工况特征、确定接 力器的负载大小；对液压系统各项参数进行计算；以此为依据选取液压系统所 需的液压缸、泵、电机、控制阀、液压马达以及辅助元件；验证液压系统的性 能，确保系统的安全性。 ( 4 ) 提出了一种用g a m b i t 建立由蜗壳、固定导叶、筒阀、活动导叶、转轮 和尾水管组成的水轮机全流道模型，并用f l u e n t 软件仿真模拟筒阀动水关闭过 程的研究方法。利用仿真手段预测简阀动水关闭过程中各过流部件流体的速度 场和压力场的变化，并得到水流对关闭过程中的筒阀产生的液动下拉力。 关键词：水轮机，筒阀，液压系统，同步，全流道，流动计算 天津大学硕士学位论文 a b s t r a c t ac o n t r o ls y s t e mf o rar i n gg a t ed i s p o s e di nah y d r a u l i ct u r b i n ei n s t a l l a t i o ni s t h em o s ti m p o r t a n td e v i c ef o rt h er i n gg a t e t h ec o n t r o ls y s t e mi n c l u d e sas e to f a c t u a t o r st ol mt h er i n gg a t ea n dt h e r e b ye a s em a i n t e n a n c e t ol i f tt h er i n gg a t e s a f e l y , am e t h o do fc o n t r o l l i n ga n ds y n c h r o n i z i n gt h ea c t u a t o r si sr e s e a r c h e di nt h i s p a p e r n o w , t h ef u n c t i o n sa n dp e r f o r m a n c e so ft h ee q u i p m e n ta r ev e r i f i e db y e n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n s t h em a i nc o n t e n t so ft h i sd i s s e r t a t i o na r el i s t e da sf o l l o w s ： ( 1 ) t h es t r u c t u r ea n dt h ef u n c t i o no fr i n gg a t ea r ei n v e s t i g a t e d t h er i n gg a t ei s c o m p o s e db yt h r e ep a r t s ：t h eb o d yo ft h er i n gg a t e ，t h eo p e r a t i n gm e c h a n i s m ，t h e s y n c h r o n i z i n gm e c h a n i s m t h eb o d yi su s e dt os h u t o f ft h ew a t e rf l o w h y d r a u l i c m o t o r sa n dh y d r a u l i c c y l i n d e r sa r et w od i f f e r e n to p e r a t i n gm e c h a n i s m s f o r d i f f e r e n to p e r a t i n gm e c h a n i s m , t h e r ea r ed i f f e r e n ts y n c h r o n i z i n gm e t h o d 。 ( 2 ) t oe n s u r et h es y n c h r o n i z a t i o no fa c t u a t o r s ，an e wm e t h o dc o m p o s e db y m e c h a n i c a lc o n t r o ls y s t e m sa n de l e c t r i c a lc o n t r o ls y s t e m si s a d o p t e d f o rt h e c h a r a c t e r i s t i co fm o v e m e n to ft h er i n gg a t e ，t h eh y d r a u l i cc o n t r o ls y s t e mi sd i v i d e d i n t od i f f e r e n ts e c t i o n sa c c o r d i n gt of u n c t i o ni t s e l f ：t h ep u m p p r e s s u r ej a rs y s t e m ，t h e s y n c h r o n i z i n gl o o p ，t h eb a l a n c el o o pa n dt h er e g u l a t i n gl o o po fv e l o c i t y d e s i g n h y d r a u l i cm a n i f o l db l o c kf o rt h ei n t e g r a t e dh y d r a u l i cs y s t e m ( 3 ) t oo b t a i nm a n yi m p o r t a n tp a r a m e t e r so fh y d r a u l i cs y s t e m , ag r e a tm a n yo f c o m p u t a t i o ni sd o n e a c c o r d i n gt ot h ed a t a ，a c t u a t o r sa r ed e s i g n e da n de l e c t r o m o t o r , p u m p ，v a l v e sa r ec h o s e n t oe n s u r et h es a f e t yo ft h es y s t e m , s o m ec h e c k i n g c o m p u t a t i o n sa b o u tt h ec a p a b i l i t yo fs y s t e mi sm a d e ( 4 ) t u r b i n ei sc o m p o s e db ys p i r a lc a s e ，s t a yv a n e s ，r i n gg a t e ，w i c k e tg a t e s ， m n l l e ra n dd r a f tt u b el i n e r w i t ht h eg a m b i ts o f t w a r e ，t h ew h o l ep a s s a g em o d e lo f t u r b i n ei sf o u n d e da n dt h es i m u l a t i o nb a s e do nt h em o d e li sm a d ew i t hf l u e n t s o f t w a r e t h er e s u l to fs i m u l a t i o nw i l ld i s c l o s et h ec h a n g eo fv e l o c i t ya n dp r e s s u r e o ff l u i dw h e nr i n gg a t ei ss e l f - c l o s i n g k e yw o r d s ：h y d r a u l i ct u r b i n e ，r i n gg a t e ，h y d r a u l i cs y s t e m , s y n c h r o n i z a t i o n , w h o l ep a s s a g e ，f l o ws i m u l a t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得鑫鲞盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：匆t ，1 鸣签字吼m 彦年f 月矿日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解基奎盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨鲞盘茔可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：勃j 傍 签字日期：砂? 年f 月p 日 导师签名：动对膪、 签字日期：溅多月争日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题研究背景和意义 中国水能资源十分丰富，理论蕴藏量为6 9 4 亿k w ，年发电量为6 0 8 2 9k w h ； 技术可开发装机容量为5 4 2 亿k w ，相应年发电量为2 4 7 亿k w h 。根据最新的 水利资源复查结果，我国大陆水力资源理论蕴藏量在1 0 m w 及以上的河流共 3 8 8 6 条，居世界第一位l i j 。 建国以前，我国几乎没有大型水电站，其中具有代表性的是位于第二松花 江上的丰满水电站，现装机容量为1 0 0 4 万k w 。新中国成立以来，我国水电事 业稳步发展，相继建成了刘家峡水电站( 装机容量1 2 2 5 万k w ) 、葛洲坝水电站( 装 机容量2 7 1 5 万k w ) 、李家峡水电站( 装机容量2 0 0 万k w ) 等。2 0 世纪9 0 年代， 我国的水电建设的规模进一步加大，建设的一些水利工程其规模和技术已经进 入了世界领先的行列。特别是1 9 9 4 年开工建设的长江三峡水利枢纽工程，水电 站装机容量达到1 8 2 0 万k w ，为世界第一大水电站。进入2 1 世纪，我国水电事 业进入了一个高速发展的时期，相继建设和规划了一大批大型水利水电工程。 这些大型水电工程中比较有代表性的有奚落度、糯扎渡、龙滩、拉西瓦、小湾、 白鹤滩、向家坝、锦屏二级、虎跳峡、观音岩、白鹤滩等水电工程。尤其是2 0 0 2 年开工建设的奚落度水电工程，坝址位于金沙江干流上，装机容量1 2 6 0 万k w ， 采用混凝土双曲拱坝，坝高达到2 7 8 m ，名列世界高拱坝之列1 2 j 。 红河是云南六大水系之一，发源于大理州魏山县北部茅草哨。流经巍山、 南涧、红河、河口等县，于河口镇出境越南，为亚洲著名的国际性河流。红河 水系在云南境内流域面积7 4 8 万平方千米，干流全长6 9 2 千米，在云南境内水 资源总量为4 7 2 亿立方米，水能理论蕴藏量为9 8 8 7 7 万千瓦。可开发的水力资 源为3 5 9 9 0 万k w 。目前，红河流域已投产、开工建设和计划开工的主要水电 项目有那兰电站、泗南江电站、南门峡梯级电站、清桥河梯级电站、麻子河宝 石电站、金河二级电站、那么果河电站等。南沙水电站正是其中重要项目之一。 水轮机是把水流的能量转换为旋转机械能的动力机械，是水电站的核心设 备。水轮机包含反击式和冲击式两种类型。混流式水轮机是世界上使用最广泛 的一种水轮机，属于反击式 3 1 。其主要部件有：蜗壳、座环( 含固定导叶) 、筒 阀、活动导叶、顶盖、转轮、主轴、导轴承、尾水管等【4 j 。见图1 - 1 图1 - 5 。 转轮是带有叶片的可旋转轮体，也是能量转换的核心部件。见图1 - 1 。 第一章绪论 图i i 混流式水轮机转子图1 2 蜗壳和座环 图l 一4 蜗壳和尾水管图1 - 5 筒阀和接力器 第一章绪论 蜗壳将引水道流来的水沿圆周方向导入水轮机，其外形如蜗牛的壳体。座 环由上下环和若干个固定导叶组成。它支承着水轮发电机组和座环上混凝土的 重量，承受水轮机的轴向水推力，并把荷载传给厂房基础。见图1 2 。 活动导叶是调节进入转轮水流量的部件，主要由沿圆周对称均匀布置的多 片可转动的导叶组成。有调速器通过接力器操作水轮机顶盖上的控制环，调节 导叶开度，控制通过水轮机的流量。见图1 3 。 尾水管，又称吸出管，是水轮机转轮向下游泄水的部件。它使转轮出口形 成一定的负压，通过尾水管的扩散回收利用转轮出口的一部分动能。见图1 4 。 筒阀是一个簿而短的筒形部件，其作为隔离阀起关闭水流作用。见图1 5 。 筒阀设置于导水机构的固定导叶和活动导叶之间，上下两端置于水轮机顶盖与 座环之间，筒体为圆筒形。正常运行时，活动导叶关闭，水轮机停机后，筒阀 才关闭。筒阀关闭后可阻断导水机构和座环之间的水流通路，并在固定导叶和 活动导叶之间形成一个封闭的与项盖组成的阀室。在活动导叶开启前，先打开 筒阀。在发生事故需紧急停机时，筒阀直接进行动水关闭，以保护导水机构、 转轮及其它流道p 】。 红河水电站采用的是反击式水轮机，并采取筒阀代替蝶阀和球阀作为水轮 机进水阀。筒阀作为一种先进的进水阀，随着水电事业的蓬勃发展，在国内外 都得到了广泛的应用。筒阀的液压控制设备是筒阀的核心，综合了机械、液压 和电子等几个领域的知识。目前，筒阀的生产已经实现了国产化，但是已应用 的筒阀同步机构及其控制系统多由外国垄断。因此，研制完善的、系统的，用 于筒阀同步控制的全自动、智能化工程设备，具有一定的现实意义。 用f l u e n t 数值模拟简阀动水关闭过程，代替复杂的实验来验证筒阀动水关 闭对水轮机过流部件流场的影响。并得到此过程筒阀所受到的水动力下拉力的 大小。具有一定的理论和实际工程应用上的意义。 1 2 水轮机筒阀国内外研究与应用现状 1 2 1水轮机简阀国外研究与应用现状 水力发电是获取清洁能源的工程，西欧和北美发达国家，非常重视环保， 相关的法律法规也鼓励水力发电的发展。因此，水能资源开发程度都较高，大 多在6 0 以上。作为水轮机关键部件的筒阀最早在欧洲出现，并得到了广泛的 应用。水轮机筒阀专利权由法i 蓍n e y r p i c 公司于1 9 4 7 取得，通过一些中小水轮 机的应用实践，逐步得到完善嘲。 第一章绪论 世界上第一台筒阀是由法国奈尔皮克公司于1 9 6 2 年为m o n t e y n a r d 水电站 制造的，电站装机容量4 8 3m w ，水头1 3 7 m 。该筒阀布置在水轮机活动导叶 和转轮之间。当时采用筒阀的目的主要是减小大坝中间厂房的宽度和防止机组 渗水，而不是为截断进入水轮机的的水流。该电站筒阀控制方式为：筒阀支持 在相隔1 2 0 0 的三点上，有三台电控起重液压油缸操作垂直的螺杆；每台机有一 个伞齿轮减速器，减速器由带制动器和力矩限制联轴器的电动机驱动；3 个操 作油缸由1 个微分自整角机装置保持同步。该公司还为t e i l l e t a r g e n t y 电站生产 一套自关闭筒阀，这台筒阀是为阻截机组最大流量设计的，用三个垂直液压油 缸操作，在运行初期，曾发生过卡阀现象，经对操作装置进行改造，并更换了 三个同步油缸，才消除筒阀启闭过程中的各种故障。随后，又为葡萄牙t o r r a o 电站的可逆式水泵水轮机制造一套筒阀。此后，筒阀在法国一些水电站得到了 推广应用【7 1 。 到2 0 世纪6 0 年代后期，该技术在加拿大得到广泛应用f 8 】。1 9 6 9 年，加拿大 g e 公司为o u t a r d e s l t i 电站提供了4 套机组筒阀，用以代替常用的水轮机进水 阀。7 0 年代初期，该公司又有6 套筒阀安装于m a n i c l l l 水电站。1 9 7 9 年，加拿 大玛林工业公司( m i l ) 先后为当时最大的拉格朗德( l ag r a n d e ) 二级水电站设计 制造8 套自关闭筒阀，为l ag r a n d l v 电站设计制造9 套筒阀。该简阀布置在水 轮机固定导叶和活动导叶之间。该阀的应用开始引起各国注意，许多优点得到 公认。并被更多的水电站采用。 苏联对简阀技术开发较晚，但发展迅速，8 0 年代末为则连丘水电站制成了 0 2 5 4 m 的筒阀，并为罗贡水电站6 1 5 m w 机组( 水头3 1 0 m ) 研制了直径为2 5 4 m 的筒阀，又为德聂斯特洛夫斯克蓄能电站的混流可逆式水泵水轮机研制了直径 大于1 1 m 的巨型筒阀【9 】，这是目前世界上最大直径的筒阀。 国外筒阀应用情况见表1 2 【1 0 - 1 7 。 1 2 2 水轮机筒阀国内研究与应用现状 我国江河含沙量较多，水轮机泥沙磨损问题突出，并出现因导叶磨损破坏 造成电站机组不能正常停机等严重问题。水头1 0 0 m 以上的调峰电站，水轮机 导叶空蚀已成为十分棘手的问题。而应用筒阀可较好地解决这类问题。因此， 国内许多电站相继采用此项先进技术【l 引。 1 9 8 6 年9 月，东方电机公司与加拿大多米宁公司签订筒阀生产协议书，购 买该厂筒阀的专利技术。1 9 8 8 年东方电机应用多米宁公司的专利技术自行设计 漫湾水电站2 5 0 m w 机组用的大型筒阀，该筒阀于1 9 9 2 年生产完工，1 9 9 3 年投 第一章绪论 入运行 1 9 1 。由于漫湾电站是国内首次使用筒阀，由于对该技术尚存疑虑，因此 继续保留快速工作门。漫湾电站5 台机组从1 9 9 5 年6 月开始陆续投产以来，到 2 0 0 1 年3 月共运行3 5 台年，筒阀共计启闭8 8 2 6 次，未出现过一次事故；水电 站不再为活动导叶的磨蚀空化和漏水损失操心。漫湾电站的运行实践证明：筒 阀技术引进是成功的；大型水电站使用筒阀是安全可靠的、性能和作用与通常 使用的快速闸门相比更为优越。 漫湾电站筒阀应用取得成功后，大朝山电站不仅仍然使用筒阀，而且取消 了快速工作闸门。大朝山电站于2 0 0 1 年1 2 月1 4 日首台机并网发电，2 0 0 3 年 1 0 月1 6 日6 台机全部投产，至今所有机组运行状况良好，未因取消快速闸门 而出现事故。大朝山电站这一举措为我国多泥沙江河大型水电站设计的发展开 创了先河。 1 9 9 3 年漫湾电站首次应用筒阀取得成功后，国内小浪底、石泉扩机、大朝 山等电站相继使用筒阀并已投入运行，目前建设中的红河、小湾、光照、瀑布 沟等电站在水轮机导叶的二次保护设备中也选择筒阀技术，这说明筒阀正在被 越来越多水电业界的同仁所认识，并在我国西部山高坡陡的多泥沙河流上逐渐 得到应用，这无疑是水电业对防范泥沙的一种进步 2 0 - 2 2 】。 国内筒阀应用情况见表1 2 t 2 3 - 3 0 。 筒阀是水轮机进水阀的一项先进技术，满足调峰快速启闭、阻断水流保护 导叶、减少漏水、提高效益，技术性能和经济价值优化的筒阀在水电站装备选 型中有着广阔的发展前景。 1 3 水轮机简阀控制系统研究现状 筒阀在应用过程中，保证多只接力器同步运动是筒阀控制的关键问题。目 前，筒阀同步采用的方式有两种，即机械同步和电液同步。机械同步方式主要 依靠活塞、螺杆、链条等部件相互配合，保证各接力器升、降同步运动。电液 同步由机械液压系统和电气控制系统组成，两个系统缺一不可。机械液压系统 由电气控制系统精密控制，电气控制系统通过机械液压系统操作筒阀接力器。 两种同步方式各有优缺点，但都能安全可靠地实现控制任纠3 1 j 。 国外文献，主要介绍筒阀结构设计、安装和调试，介绍同步控制原理的资 料很少。从已有资料来看，加拿大、法国等筒阀使用较早、较多的国家，多采 用机械同步。 漫湾、大朝山、石泉水电站水轮机筒阀采用机械同步方式。每个接力器活 塞中央孔安装一套滚动螺杆副，可将接力器活塞的上、下直线运动转换成螺杆 第一章绪论 顶端同步链轮的旋转运动。链轮为双层，链条将相邻各螺杆顶端的同步链轮两 两串联，6 个接力器在工作过程中使螺杆以相等的角速度旋转，6 个接力器活塞 同步运动，保证筒阀在运动过程中始终处于相对水平状态【3 2 3 3 】。见图1 - 6 。 表卜1 国外电站筒阀的主要参数 序 厶 电站名称国别 口单机容量水头外径壁厚高度投运 号数( m w )( m )( m m )( 衄)( m m ) 年份 1 m o n t e y n a r d 法国48 31 2 73 5 6 07 59 8 01 9 6 2 2 泰耶阿让蒂 法国1 6 44 1 73 4 1 03 07 8 31 9 6 5 3o u t a r d e s3 加拿大 41 9 0 1 4 46 4 5 01 8 7 51 9 6 9 4 m a n i c o u a g a n3 加拿大61 9 7 29 4 26 9 9 01 9 7 5 5l a g r a n d e 2 加拿大 1 63 3 91 3 7 27 8 4 61 2 71 4 6 0 1 9 7 9 6s a r r a n s 法国 13 8 58 4 4 0 7 48 59 0 01 9 8 1 7 l a i g l e 法国 1 1 3 37 76 2 4 01 2 01 4 0 01 9 8 2 8s t g u i n e r m e 法国 25 82 7 53 1 5 01 0 02 7 01 9 8 2 9 则连丘原苏联 25 8 2 7 53 1 5 01 0 0 2 7 0 1 9 8 2 1 0l a g r a d e 4 加拿大 93 0 01 1 6 77 6 4 01 2 01 4 4 41 9 8 4 1 1 g o u e s g u e 法国 16 0 55 65 2 0 01 0 01 1 5 41 9 8 4 1 2 罗贡原苏联 93 0 01 1 6 77 6 4 01 2 01 4 4 41 9 8 4 1 3l a g r a n d e2 a法国 l1 2 1 7 36 2 4 01 2 01 3 3 21 9 8 5 1 4t o r r a o 甸甸才 27 3 1 55 1 88 0 0 01 2 01 5 5 01 9 8 6 德聂斯特洛 1 5原苏联27 3 1 55 1 88 0 0 01 2 01 5 5 01 9 8 6 夫斯克 1 6l a g r a n d e2 a加拿大 63 3 81 3 8 57 4 3 01 3 6 01 9 9 1 表1 - 2 国内电站筒阀的主要参数 序 厶 单机容量水头外径壁厚高度投运 电站名称国别 口 号数( m w )( 曲( 衄)( 衄)( m m )年份 1漫湾中国52 5 01 0 07 4 5 01 0 81 4 5 0 1 9 9 3 2 小浪底中国 63 0 61 1 28 3 9 01 4 51 7 1 01 9 9 9 3石泉中国 24 54 7 ，55 1 3 51 2 01 4 8 52 0 0 0 4 大朝山 中国 6 2 2 58 7 97 9 3 7 1 2 0 1 8 1 52 0 0 1 5红河 中国 35 01 0 05 8 6 01 1 01 4 0 5 2 0 0 7 6 光照中国 42 6 51 6 4 46 5 9 01 8 01 3 4 02 0 0 8 第一章绪论 图1 - 6 机械同步筒阀 小浪底筒阀用接力器作为执行机构，用液压马达使进入和排出各接力器液 压缸下腔的流量相等，保证各接力器的运动速度基本相同。液压马达为纯机械 形式，靠控制压力油流动方向实现均流功能。电气系统通过采集6 个接力器行 程进行比较计算、同步判断，精确调整达到同步控制目的【3 4 州j 。 由筒阀发展历史知筒阀早期采用机械同步，随着计算机硬件及软件技术的 发展，特别是软件技术的发展，现在筒阀越来越多地采用电液同步方式。 1 4 筒阀动水关闭水轮机全流道流场模拟现状 能实现筒阀动水关闭是红河筒阀设计的一个重要技术要求。筒阀动水关闭 时，使水轮机的引水元件、水轮机和尾水管的流场发生变化。为验证筒阀的动 水关闭性能，国内使用筒阀的电站，如漫湾、小浪底等都对筒阀做过详细的、 有针对性的试验。但试验耗费较多的时间和财力1 4 2 舶1 o 近年来计算流体动力学( 简称c f d ) 技术以其特有的灵活性、周期短、费用 少等多方面优势为研究者提供了一种新的有效研究手段。c f d 是通过计算机数 值计算和图像显示，对包含有流体和热传导等相关物理现象的系统所做的分析。 c f d 的基本思想可以归纳为：把原来在时间域及空间域上连续的物理量的场， 如速度场和压力场，用一系列有限个离散点上的变量值的集合来代替，通过一 定的原则和方式建立起关于这些离散点上场变量之间关系的代数方程组，然后 求解代数方程组获得场变量的近似值【4 7 j 。 c f d 可以看作是在流动基本方程( 质量守恒方程、动量守恒方程、能量守 恒方程) 控制下对流动的数值模拟。通过这种数值模拟，我们可以得到及其复杂 问题的流场内各个位置上的基本物理量( 如速度、压力等) 的分布，以及这些物 第一章绪论 理量随时间的变化情况。 筒阀位于水轮机引水元件的固定导叶和活动导叶之间，如果用由蜗壳、固 定导叶、简阀和活动导叶构成的引水元件模型进行计算，将不能很好的模拟水 轮机各过流部件间耦合干涉的真实信息，造成筒阀动水关闭时，对水轮机全部 过流部件流场变化的不准确模拟。本文进行水轮机各过流部件耦合的全流道计 算，保证了模拟计算结果的可靠性。 c f d 技术对计算机技术有很强的依赖性，随着现代计算机技术的发展，在 个人p c 机上实现全流道的计算已经成为可能。目前，已有研究者开始这方面 的尝试。筒阀是一种比较先进的水轮机进水阀，在已有的相关文献中，未见针 对筒阀动水关闭对水轮机全流道流场变化影响的研究。 1 5 本文主要研究内容 筒阀是目前国内水电站采用的一种先进的进水阀。本文针对筒阀的液压控 制系统和筒阀动水关闭对水轮机全流道流场变化的影响，受天津市天发重型水 电设备制造有限公司委托，课题组对其作详细地分析研究并设计筒阀控制系统。 全文内容编排如下： 第一章，阐述课题的研究背景和意义，综述国内外该领域的研究成果及存 在问题，提出本文主要研究内容。 第二章，详细介绍筒阀三个组成部分的结构及其作用。简要介绍筒阀安装 工作。对筒阀的优缺点概括介绍。 第三章，根据筒阀运行速度变化要求和接力器位置偏差要求等实际工况条 件，设计液压同步回路、平衡回路、速度调节回路。与电气系统有机结合，构 成筒阀电液同步控制系统。为保证油源稳定，设计泵站压力油罐系统。采用液 压集成块配置液压阀，减少管路连接和泄露。 第四章，讨论筒阀液压同步控制系统设计过程中的主要计算内容。分析 筒阀液压同步控制系统的基本要求。根据对筒阀的工况分析，确定液压系统 各参数。依据计算对液压系统所用液压元件进行选择，并对液压系统性能做 必要的验算。 第五章，利用计算流体力学的理论，用g m a b i t 软件建立由蜗壳、固定导 叶、筒阀、活动导叶、转轮和尾水管组成的水轮机全流道模型，用f l u e n t 软件 对筒阀动水关闭的全过程数值仿真。分析仿真结果，预测筒阀动水关闭过程中 各过流部件流体的速度场和压力场的变化。 第六章，汇总全文主要研究结论，提出今后研究内容。 第二章筒阀总体结构 2 1引言 第二章筒阀总体结构 筒阀主要由简体、操作机构和同步机构三部分组成。本章将详细介绍筒阀 的三个组成部分的结构及其作用。然后，简要介绍筒阀的安装工作。最后，概 括水轮机采取筒阀作为进水阀的优点。 2 2 简体介绍 筒体是薄而短的大直径圆筒。筒体的作用是：在机组停机时，筒阀处于关 闭状态，筒体落下处于座环固定导叶与活动导叶之间，上端紧压布置在顶盖上 的密封圈，下端紧压布置在底环上的密封圈，达到截流止水作用。当机组正常 开启时，首先开启筒阀，将简体提升到座环上环与顶盖形成的空腔内，筒体底 面与顶盖下端面齐平，不干扰水流流动。见图2 1 、图2 2 和图2 3 。 2 2 1 简体设计与制造 图2 1 筒阀布置简图 简体的设计与制造须满足以下条件； ( 1 ) 筒体内圆必须略大于导叶剪断销剪断后导叶与限位销相接触时的外切 圆，简体高度，筒体厚度满足： 全关时能承受外侧的最大水压力。 具有足够的强度和刚度，能承受关闭行程末端被异物卡住时产生的不平 第二章筒阎总体结构 衡操作力与周围水压力的联合作用。 ( 2 ) 筒体具有足够的强度和刚度，能够承受最大水头下水轮机飞逸时动水 关闭的所有外部作用力。 ( 3 ) 筒阀全开时，简体底面与顶盖、座环过流面圆滑过渡，不允许有凸台， 凹坑。 ( 4 ) 简体与导水机构严格保持同心和一致，活动导叶在任何工作位置或脱 离控制情况下，均不干扰简体的启闭。 ( 5 ) 筒体变形会导致卡阻，保证筒体能够抵抗外部压力直至蜗壳设计压力 而不致变形。确定筒体与邻近部件的间隙时，必须考虑简体与水轮机的相关部 件的公差。 ( 6 ) 红河水电站筒阎的简体外圆中5 8 6 0 i n n | ，壁厚1 1 0 m m ，重约2 3 t ，由2 0 块锅炉钢板卷制而成。在上、下密封区。均堆焊不锈钢层。在圆周焊有1 2 条不 锈钢导向板。由于运输的要求，筒体分成两瓣，每个接触面用8 只m 4 2 螺栓连 接及3 只巾4 0 m m 的定位销定位。螺栓采用3 5 c r m ，高强度钢并调质处理。简 体在厂内加工完后，用专用运输工具运输。如分瓣面产生错牙则采用筒体调 整架，简体在工地组台时，用顶推的办法消除分瓣面处的变形。分半面的连接 螺栓拧紧力矩为20 0 0nm 后进行分瓣面焊接。增加分瓣面的连接强度，又 起到分瓣面的密封作用。由于焊后不进行热处理，故必须严格执行焊接工艺规 范，以使焊接变形控制在技术要求的范围内。佯完分瓣面后，需将分瓣面两侧 的1 6 个中1 5 0 m m 通孔，用圆扳焊堵，厚板在外侧，薄板在内侧。座环固定导 叶的内侧焊装铜质导向扳，使安装后的导向板与简体间的间隙符合设计要求 第二章筒阀总体结构 筒体与提升杆用埋入式螺栓连接。连接螺母置于筒体上开设的窗口内，窗口外 侧用1 0m n l 不锈钢板1 c r l 8 n i 9 封堵，内侧敞开。用旋入式螺栓连接有如下优 点： 避免简体内螺纹在安装或拆卸过程中的发生磨损； 当提升杆连接螺栓折断或接力器发生事故时，无需把简体吊出机坑，可 以在机坑内检修处理，避免造成新损坏。 2 2 2 简体密封 项盖与筒简体顶部间以及底环与简体底部间都设置密封装置，以减少漏水 量。筒阀的上、下密封结构详见图2 4 、图2 5 。筒阀下密封，采用压板橡胶条 结构装于底环上；上密封用带凸缘的橡胶板及压环结构装于顶盖上，所有的压 板、压环及内六角螺钉均为不锈钢材质。上、下密封件的长度均留裕量，在装 配时可按实际情况切割，然后加热硫化形成整圈。筒阀工作时，下密封的压缩 量为1 6 2 2 m m ，上密封的压缩量为3 4i $ 1 i n 。必须在接力器及同步机构安装 完毕后，将筒体调到一定开度时进行上密封的安装。筒阀密封部件能在不拆卸 筒阀和水轮机，从蜗壳进入门进入水轮机导水机构内更换。橡胶条有足够的硬 度和必要的柔韧性，以确保筒阀与水轮机部件间有正常偏差时仍能严密地密封。 密封压紧力有足够的余量。橡胶条采用优质产品。 图2 4 上密封结构图2 - 5 下密封结构 2 2 3 筒体导向块和导向板 筒体升降运动特别是在动水中动作时，( 活动导叶未关闭) ，由于水流的作 用，将使简体在运动过程中产生较大的晃动。为此，在简体与座环固定导叶之 间加青铜制成的导向板，导向板焊于固定导叶的尾端，与筒体的单边间隙一般 第二章筒阀总体结构 为0 6 0 8 m m 。该间隙值是安装时借配磨导向板面获得，在与导向板相应的筒 体上镶焊相应数量的1 c r l 8 n i 9 t i 不锈钢钢板并与简体外圆打磨平整，以起到抗 磨防锈的作用。能在不拆卸筒阀和水轮机的情况下方便地检修、更换导向板和 固定导叶上的导向块。 2 2 4 简体下端面倾斜角 筒阀作事故阀动水关闭，简体的关闭行程达9 0 左右时，筒体下端面开始 脱流，而筒体上端面仍承受动水压力，产生强大的下拉力作用于简体上( 下拉力 与筒体下端形状有关) 。设计筒阀时必须在能量试验台水轮机模型装置上进行筒 阀水力模型试验，以寻求最佳的简体下端形状。在导叶全开时下拉力最大，并 将该力作为操作机构的操作力矩计算和强度计算的依据。通常，筒体下端面倾 斜角为2 。6 。，角度小时，筒体下端面与座环、顶盖的过流面近似齐平，但 下拉力较大；角度大时，下拉力较小，但简体下端面破坏了过流面的平滑性。 须经过多种组合工况实验，确定一个符合本电站的最佳倾斜角。 2 3 操作机构和同步机构 筒阀的操作机构有两种【4 副：图2 - 6 所示液压马达是早期普遍采用的操作机 构；图2 7 和图2 - 8 所示两种接力器液压缸是后期采用的比较先进的操作机构。 同步机构的作用是使所有操作机构同步运动，使简体垂直运动，不倾斜卡阻。 液压马达操作机构的每个液压马达驱动一在导管中与螺母配合不能轴向 移动的螺杆，该导管的上端固定了螺母，下端用双头螺栓和简体连接，因此螺 杆的转动变成筒体的上、下移动，螺杆上端带动同步链轮和链条转动，保证几 个液压马达同步回转，使筒体严格保持上、下平行移动，使螺杆受力均匀，简 体运动速度基本上是匀速的。简体靠螺杆的自锁可锁定在全开、全关及任意位 置，而不必维持油压；油压过低或失压时，筒阀无法关闭，作事故阀可靠性较 差。 接力器操作机构液压缸下缸盖直接固定于顶盖法兰上，接力器液压缸的活 塞与连接筒体的提升杆做成一体。阀全关时由底环限位；全开时用顶盖法兰下 端限位块限位。每个接力器液压缸的上端都设有过载保护装置，一旦筒体卡阻， 超过额定负载，保护接点动作，切断操作接力器的油源，使筒体停止运动，保 护筒阀。根据同步机构的不同，有两种形式的接力器： 图2 7 所示接力器内有滚动螺杆副，螺杆副是接力器的核心部件，螺杆副 使活塞上螺母的直线运动转换成螺杆的旋转及同步机构链轮的回转运动。螺母 第二章筒阀总体结构 与螺杆的轴向间隙只有0 0 1 - 0 0 4 m m 。在1 1 个接力器( 假定有n 个接力器) 滚动 螺杆副的顶端装有双层链轮，用2 n 圈链条将1 1 个接力器的链轮( 一上、一下) 彼此串联，使链轮同步回转。在每圈链条的中部都装有链轮拉紧装置，使链轮 保持一定的张力，如遇筒阀卡阻，链条张力达到一定值时，行程开关动作，使 操作机构停止工作。 阀 ( a )( b ) 图2 - 6 液压马达操作机构 图2 - 8 所示接力器每个配有一个精度很高的液压马达作为分流马达，使通 往各接力器的流量相等，保证各接力器运动速度基本相同。液压同步系统根据 所用马达的种类不同分为齿轮马达同步系统和柱塞马达同步系统两种。齿轮马 达和柱塞马达比较，齿轮同步马达的同步精度远小于柱塞同步马达的同步控制 精度，齿轮同步马达的同步精度大约在9 5 左右，且受外负载影响很大，而柱 塞同步马达的同步控制精度可达9 9 以上。筒阀同步机构通常采用柱塞马达。 液压马达操作机构与接力器操作机构相比，需要较大容积的液压设备，另 外，采用液压马达时，筒体匀速运行，采用接力器在动水关闭时，筒体的运动 取决于作用于简体的动水力。为了避免由于动水力大而使简体关闭速度过快， 在压力钢管中形成过高的水锤压力，减少筒体对底环的撞击，在接力器排油腔 出口装有节流片。在9 0 左右的关闭行程时，由于动水力的作用，接力器的排 油腔中会产生比额定操作压力高出约1 倍的压力。由此可见，接力器液压缸操 第二章筒阀总体结构 作机构的筒阀具有自关闭特性，而液压马达操作机构的筒阀不具有自关闭特性 4 9 】 o ( a ) 接力器( b ) 同步机构布置 图2 7 接力器及其同步机构 传 ( a ) 接力器 ( b ) 同步回路 图2 8 接力器及其同步回路 1 4 第二章筒阀总体结构 24 筒阀的安装及优点 由于受运输条件限制简体分瓣运输至工地。筒体在安装问将分瓣面把舍， 并在分瓣面四周按图纸技术要求焊接，然后拆去运输工具，将筒体与顶盖按“筒 阀安装检修工具”将筒阀与顶盖把台到一起，整好顶盖和筒阀相对位置和同轴 度，配制好筒阀接力器下面的垫环井焊接于项盏上，装好筒阔接力器。然后整 体吊装入机坑。在调整好项盖与座环相对位置后测量座环固定导叶与筒阀导向 块问间隙，然后按实侧值配制导向块并牢固焊接到固定导叶上，其伸八到座环 上平面部分允许将顶盖和筒阀同时吊起，并在座环上装上足够支撑( 根据实际情 况自制) 固定好筒阀后焊接。将筒阀全关，装简阀上密封圈。增减上密封圈与顶 盖问的垫圈保证压紧量。简阀与接力器装配见图2 - 9 。 圈2 - 9 倚阀及接力器装配图 筒阀是水轮机安装的一种先进的进水阀，和传统的进水阀蝶阀和球阀( 见图 2 - 1 0 和图2 1 1 ) 相比，有着独特的优点： ( 1 ) 大中型机组，其运行水头高、机组尺寸大、压力钢管直径大、长度长， 不宣布置蝶阀和球阀。如果导水机构发生意外故障需停机，只能投入事放快速 闸门，在闸门关闭的过程中仍有高压水，且压力钢管直径较大，长度很长，有 可能使事故扩大，而采用筒阀后，由于其动作灵活，所以能更好地保护机组。 ( 2 ) 简阀过流部件基本上没有水力损失。机组正常运行时，筒体在座环与 项盖的空腔内下端面与顶盖过流面齐平。不阻碍水流。动永关闭时，水流的 扰动程度较蝶阀和球阔小，水轮机承受的动载荷较小。 ( 3 ) 由于筒阀直接安装在水轮机顶盖上，不单独设阔室及阀门专用起吊设 各，减少了土建工程量。所以其制造费用和土建费用都比较低，。 ( 4 ) 筒阀关闭时，自重和油压装置提供的压力使筒阀压紧座环与顶盖上的 密封橡胶条，保证了密封的可靠性漏水量极少，从而减少导承叶的漏水量 第二章筒阀总体结构 减少库容的流失。特别是中高水头，泥沙含量大的水电站，活动导叶关闭时， 漏水量较大、水流射速高，极易造成导叶泥沙磨损与间隙气蚀，设置筒阀可咀 有效地保护导叶。 ( 5 ) 提高电站运行的灵活性。筒阀动作比事故快速闸门要迅速，也比蝶阀、 球阀的动作简单。筒阀可以直接开启不需要球阀、蝶阁那样要先经过旁通阀 平压，所以启动速度快，一般筒阀启、闭时间均不超过9 0 s 。 毒譬矗。瓣h 文“了 f 舔 旨面曼邑一：= ：一= 二玉墨盥! 墨塑羔 图2 1 0 球阀 图2 - 1 1 蝶阀 国内外众多水电站的实际运行经验充分证明简阀作为进水阀的安全性和 可靠性。但筒阀仍有一些不足： ( 1 ) 筒阀的制造难度较大，关键部件仍需进口，水轮机的造价也相应增加， 筒阀价格约占水轮机造价的1 0 ；加大了水轮机的安装难度，安装时间相应延 长。 ( 2 ) 筒阀只能当事故闸门用，不能当作检修闸门只适用于单管单机的电 站。 ( 3 ) 目前，我国尚无筒阀的设计、制造、安装等方面的标准规范。制造、 设计及安装的经验较少 25 本章小结 筒阀是近十几年来我崮引进的新技术，通过在国内一些电站的应用，证明 筒阀技术是成熟的，特别是对中、高水头的大型电站有其独特的优势。随着水 电事业发展，筒阀将得到广泛的应用。 本章介绍筒阀总体结构，对其各功能部件工作原理的论述为筒阀液压系统 的设计提出技术要求。 第三章筒阀液压控制系统设计 3 1引言 第三章筒阀液压控制系统方案设计 本章根据筒阀运行速度和接力器位置偏差要求，及筒阀实际运行条件，设 计了液压同步回路、平衡回路以及速度调节回路。与电气系统有机结合，构成 筒阀电液同步控制系统。为保证油源稳定，设计泵站压力油罐系统。采用液压 集成块配置液压阀，减少管路连接和泄露。 3 2 液压控制系统基本要求 3 2 1 设计依据 1 用途用于升降水轮机固定导叶和活动导叶之间的进水阀一筒阀，实现筒阀 的设计功能。 2 工作条件 工作环境：水轮机厂房内海拔高度：大约在2 0 0 0 m 左右 环境温度：大约范围o c - - , 4 0 c环境相对湿度：9 5 工作制度：2 4 小时间断工作 3 主要技术参数 3 0 2 0 l o o 。5 1 1 5 s t m ) 图3 1 接力器位置与速度关系曲线 筒阀自重： m = 2 3 t = 2 3 x 1 0 4 k g 筒阀外径： 5 8 6 0 m m 筒阀升降方式：接力器液压缸升降 加速提升行程：4 5 0 r n m 匀速提升行程：7 5 0 r n m o 5 l1 5 s t m ) 图3 2 接力器位置偏差曲线 筒阀高： 1 4 0 5 m m 筒阀壁厚： l l o m m 开启与关闭时间： 6 0 - - - 9 0 s 加速下降行程： 1 2 5 m m 匀速下降行程： 7 5 0 r a m 第三章筒阀液压控制系统设计 提升制动