当前课程知识点：流体机械基础 > 第10讲 流体机械暂态运行分析 > 10.2 流体机械暂态运行过程 > Video
流体机械的运行状态
可以分为稳态工况运行
和暂态过程运行
或称过渡过程
在稳态工况下运行时
机组的主要参数
如 水头 流量 转速
力矩 功率等
都稳定在极小幅波动的状态下
这是机组主要的工作运行状态
接下来我们将在第2部分
介绍流体机械的暂态运行过程
在讲解暂态运行过程之前
我们先来了解
瞬变流的一些知识
我们知道任何动力系统
在运行过程中
由于种种原因
不可避免地要从
某一恒定状态转换到
另一种恒定状态
这种转换
不是在一瞬间完成的
这种转换过程与时间有关
是过渡过程
在过渡过程中
整个系统将处于非恒定状态
过渡过程的研究
具有悠久的历史
自19世纪末儒可夫斯基发表
关于水击的经典理论以来
目前其深度和广度
都有了很大的发展
特征线法
作为其中一种最经典的
一维管路系统数值求解方法
在管道系统的
暂态过程分析中
得到广泛应用
已经成为一门
重要的学科分支
水电站 泵站的
水力过渡过程
就是指水电站系统
或者泵站系统
包括设备和建筑中的水流
从某一恒定状态转换到
另一恒定状态的过程
如图所示
为一机组的开机过渡过程
水流从上游水库
经过闸门井
沿着引水隧洞
流经上游调压室 压力管道
到达机组过流部件
流到下游调压室
尾水隧洞 最后到下游水库
暂态过程的研究
就是分析在非恒定状态下
的各种参数变化
在暂态过程中
油压管路中的水流受到扰动
而流速突然变大或变小
引起管路局部压力的急剧上升
和降低的交替变化
便以波的形式在管道上
往返周期性的传播
如图所示
假设初始管中入口压的
流体的流速为B0
阀门处上游水库处的
出水稳定水头H0
阀门一旦关闭
阀门处流速减小到零
引起水压升高ΔH
水压升高使得管道膨胀
流体压缩 密度增大
压力波向上游方向传播
在这个波后面流速为零
动能变成弹性势能
经过一定时间
波情到达上游水库
此时 因管线上的管子
都要膨胀 流速为零
而水压升高为H0+ΔH
管中所有水流动能
都转化为弹性能
由于水库水位恒定
当压力波到达水库端时
流态不稳定
因为侧水库侧水压为H0
在管道内连接
水库的端面水压H0+ΔH
由于这些压差
水开始向管道
以流速负的为零流入水库
使管内水压H0+ΔH
下降为H0
产生向下游阀门
传播的负压波
波和水压为H0 流速为负V0
一定时间后整个管路的水压
为H0流速为-V0
方向朝上游整个管道管壁
恢复到初始状态
下一步水流将回灌
波动将继续下去
管路中压力波的
传播速度称为波速
我们不详细讲解
波速公式的推导
同学们如果有兴趣
可以查阅相关文献
我们直接给出波速的公式
其中K为液体的体积弹性模量
ρ为液体的密度
ψ为依赖于
管道弹性的无量纲参数
Ψ =D/e
D是管道内经
小e是管壁厚度
大E是管壁的杨氏弹性模量
从公式可以看出
波速不仅于流体的体积弹性模量
和质量密度有关
还取决于管道特性和外部的约束
管道特性包括管道尺寸
管壁厚度和管壁材料
外部的约束包括
支撑结构类型和
管道在纵向移动的自由度
流体的体积弹性模量
取决于温度 压力和含气量
下图给出了波速
在水汽混合物中
随气体含量的变化
温度变化也会引起
波速的小幅变化
自由气体的存在
增加了流体的可压缩性
含气体体积为0.0001的水
波速减小大约为50%
液体中的固体对波速的影响
相对来说较小
除非它们是可压缩的
右面两张图给出一些材料的
杨氏弹性模量
常见液体的
体积弹性模量和密度
波速要根据实际的材料
借助介质的属性等
来进行求解
对于水电站 泵站水力系统
暂态过程现象主要由
流体机械的工况转换所引起
机组在开机 停机
负荷调节（增负荷、减负荷）
调相和飞逸等非稳定
状态运行时统称为暂态工况
在过渡过程中
主要参数发生了较大变化
是水电机组安全运行性能
最需要重视的内容
而对于抽水蓄能电站
其运行工况复杂
工况转换多而频繁
除与常规机组相同的
工况转换过渡过程外
水泵水轮机组还有
以下主要的过渡过程
（1）水泵工况起动
（2）水泵工况正常停机
（3）水泵工况失电
（4）水轮机工况转化为水泵工况
（5）水泵工况转为调相工况
（6）调相工况转为水轮机工况等
上述过渡过程工况
大多数是有控制的
属于操作过程
个别是部分有控制的
如水泵失电 导叶紧急关闭
有的是失控的
如水泵失电 导叶拒动
频繁的工况转换
也可能出现前后
两个过渡过程叠加
而引起更为不利的情况
根据暂态过程中
参数变化的剧烈程度
我们将暂态过程划分为
大波动过渡过程
和小波动过渡过程
上面我们所讲的
开机 停机 甩负荷等过程
主要参数的数值
会发生大幅度的变化
而且有时正负符号
也发生变化
我们称之为
大波动过渡过程
水力机械在系统中运行时
由于工作条件的经常变化
它总是处于不同工况点
之间的过渡过程中
工况参数只发生
小幅度的数值变化
而不发生大幅度乃至流量
转速 正负符号的变化
这种过渡过程可以泛称为
小波动过渡过程
下面我们以水泵水轮机为例
重点介绍大波动过渡过程
先介绍发电开机过程
以水泵水轮机为例
起动过程开始时
机组处于停机状态
导叶开度为0
给出机组起动信号后
球阀打开 导叶逐渐开启
转轮叶片开始转动
由于流量增大
水力矩也逐渐增大
当超过机组静摩擦阻力矩时
转轮开始转动
导叶继续打开到起动
开度便停止打开
此时工况点轨迹线
沿着A到B点
水力矩达到最大值后
随着转速的上升
水力矩开始下降
当转速接近额定转速时
导叶开度减小
等转速稍经振荡
稳定在额定转速时
导叶开度便稳定在
空载开度B
此时机组进入空载工况
在空载工况时
机组并入电网
但无输出功率
水力矩仅用于克服摩擦力
给出增负荷信号后
导叶开度增大
流量也随之增大
出力增加
当出力达到
所要求的负荷C时
导叶开度停止增大
机组进入发电模式
发电停机过程开始时
机组处于带负荷工况
给出停机信号后
导叶开始关闭
机组出力减少
工况点随着导叶的关闭
而向下移动 流量减小
当出力接近零时
机组脱离电网
进入制动工况区
然后导叶继续关闭
水力矩降为负值
水流阻碍转轮转动
因此转速开始下降
之后导叶完全关闭
当转速下降至一定程度时
投入制动措施使机组停机
发电甩负荷过程
当机组突然脱离电网时
其阻力矩骤减为零
所以转速迅速升高
工况点随着导叶开度的减小
而向下移动 流量迅速减小
由于水泵水轮机的转轮流道较短
飞逸转速值较小
所以常会出现倒流现象
如果调节过程
以导叶完全关闭而告终
轨迹线最终进入
单位流量为0的线上
如果甩负荷后导叶拒动
工况点沿着等开度线移动
最终处在该开度下的
飞逸工况线上运行
此时机组转速上升很快
直至到达该水头与导叶
开度下的飞逸转速
机组运行在飞逸工况时
由离心力
转动部分质量不平衡
和机组过流部件中
出现的不稳定现象
引起的动力作用
将使动负荷大大增加
因此 不允许机组
在飞逸工况下长期运行
一般用事故配压阀关闭导叶
当机组即将进入飞逸工况时
给出事故配压阀动作信号
导叶开始关闭
机组转速继续上升
达到最大值后
机组进入制动工况
抽水开机过程
水泵起动
可采用SFC变频起动
也可采用背靠背对拖方式
SFC变频起动
是利用变频启动装置
将主变低压侧电源转变为
从零到额定值的变频电源
同步将机组拖动起来
背靠背起动是让两台机组
通过电气联系在一起
其中一台作发电机起动
作为拖动机
另外一台作抽水调相起动
称为被拖动机
两台机组都加上励磁
同时启动
被拖动机并网后
拖动机立刻断开其电气联系
然后转入发电
发电调相运行 或者停机
起动过程转速从零
增加到同步转速阶段
需要采用压水起动操作过程
即采用压缩空气
将转轮室的水位压下
使转轮在空气中旋转
主要目的是
为降低起动力矩
因此机组工况点
先沿着零开度线上
单位转速增大
接着将空气
从转轮区排走
然后充水
使整个转轮全部浸入水中
之后导水机构打开
流量增大到额定值
进入稳态工况运行
工况点在导叶
开启过程流量迅速增大
抽水停机的过程
与发电停机过程相似
在接到停机令后
开始关闭导叶卸负荷
待导叶关至空载位置时
跳开主断路器 关球阀
采取制动让机组停机
抽水甩负荷过程导叶关闭
过渡过程的轨迹线
穿过水泵区
水泵制动区和水轮机区
朝单位转速值较小的
飞逸工况线移动
而后通过水轮机制动区域
到达单位转速为0的
坐标轴线上结束
暂态过程中对各参数的
变化进行计算分析
称为调节保证计算
其主要任务是根据
水力输水系统和调节规律
进行管道压力
和机组转速变化计算
使之均在允许的范围内
调节保证的主要参数有
机组转速最大上升率
蜗壳进口处最大压力
尾水管进口最小压力
调压井最高 最低水位
管道中心线压力变化
分析上述参数的动态过程
主要基于一维管路系统
特征线法数值计算
但此方法无法得到
机组内部流动以及力矩等变化
目前 着重发展的
三维非定常湍流数值计算
考虑了导叶关闭规律
力矩变化方程
不仅可以得到机组转速
蜗壳 尾水管压力变化
同时还能得到轴向水推力
导叶 转轮 尾水管
内部的流场变化
三维非定常过渡过程计算分析
已逐步成为目前研究的热点
-1.1 流体机械定义
--Video
-1.2 流体机械分类
--Video
-1.3 水轮机工作过程概述
--Video
-1.4 泵与风机工作过程概述
--Video
-1.5 其他流体机械工作过程概述
--Video
-1.6 流体机械工程应用
--Video
-参考文献
--html
-第一讲习题--作业
-2.1 流体机械的主要性能参数
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-2.2 转轮内部的典型流态
--Video
-2.3 速度三角形
--Video
-2.4 工况发生变化时速度三角形分析
--Video
-2.5 欧拉方程
--Video
-参考文献
--html
-第二讲习题--作业
-3.1 水轮机过流部件工作原理
--Video
-3.2 泵与风机过流部件工作原理
--Video
-3.3 机组能量传递过程与效率分析
--Video
-3.4例题分析
--Video
-参考文献
--html
-第三讲习题--作业
-4.1 空化的定义与分类
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-4.2 空化余量与空化系数
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-4.3 吸出高度与安装高程
--Video
-4.4 空蚀现象与类型
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-4.5 空化空蚀的危害及防护
--Video
-参考文献
--html
-第四讲习题--作业
-5.1 泥沙磨损基本概念
--Video
-5.2 泥沙磨蚀基本概念
--Video
-5.3 流体机械磨损磨蚀现象
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-5.4 流体机械常见抗磨措施
--Video
-5.5 腐蚀基本概念
--Video
-5.6 流体机械腐蚀现象及防腐措施
--Video
-参考文献
--html
-第五讲作业--作业
-6.1 流动相似概述
--Video
-6.2 常用相似准则数
--Video
-6.3 流体机械的相似准则分析
--Video
-6.4 流体机械单位参数与相似换算
--Video
--Video
--Video
-6.5 综合相似判别数——比转速
--Video
-6.6 相似准则的工程应用
--Video
-参考文献
--html
-第六讲作业--作业
-7.1 特性曲线概述
--Video
-7.2 模型试验
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-7.3 典型模型机组综合特性曲线
--Video
-7.4 水轮机运转特性曲线
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-7.5 水轮机的选型计算
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-第七讲作业--作业
-8.1 流体机械多相多组分非定常流动概述
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-8.2 二次流动现象
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-8.3 动静干涉
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-8.4 脱流
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-8.5 间隙流动
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-8.6 叶道涡
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-8.7 卡门涡
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-8.8 尾水管涡带
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-8.9 泵的旋转失速
--Video
-8.10 泵的喘振
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-8.11 压力波传递与叠加
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-参考文献
--html
-第八讲作业--作业
-9.1 流体机械四象限特性概述
--Video
-9.2 水泵水轮机全特性曲线
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-9.3 水泵水轮机典型工况流动现象
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-9.4 水泵水轮机调相运行工况流动现象
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-9.5 双向潮汐机组复杂运行工况认识
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-参考文献
--html
-第九讲作业--作业
-10.1 流体机械在管网系统中的工作特性
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-10.2 流体机械暂态运行过程
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-10.3 调节系统与调速器
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-10.4 改善流体机械暂态运行性能工程措施
--Video
-参考文献
--html
-第十讲作业--作业
-11.1 流体机械多场耦合特性概述
--Video
-11.2 转轮流固耦合特性
--Video
-11.3 轴承热流固耦合特性
--Video
-11.4 轴系多场耦合特性
--Video
-参考文献
--html
-第十一讲作业--作业
-12.1 标准化概述
--Video
-12.2 流体机械行业标准
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-12.3 水轮机型号
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-12.4 泵型号
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-12.5 风机型号
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-12.6 阀门型号
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-12.7 流体机械工业流程
--Video
-12.8 流体机械质量监督
--Video
-参考文献
--html
-第十二讲作业--作业
-13.1 空化、通（补）气、压力脉动与安装高程
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-13.2 压力脉动与水锤
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-13.3 智能流体机械
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-13.4 流体机械及工程学科知识体系与学术交流
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