弹性水击下非线性水轮机的哈密顿模型

为了将水轮机及水力系统纳入广义哈密顿框架下研究其运行控制的动力学机制,对非线性水轮机的哈密顿建模问题进行了研究.将增量形式的传递函数所描述的弹性水击水力动态,改写为相对值形式的一阶微分方程组,并与导叶开度微分方程一起构成扩展的水轮机仿射非线性系统.构造水轮机的哈密顿函数,应用哈密顿正交分解实现方法将其转化为哈密顿系统形式,进而通过结构矩阵分解和反馈耗散设计转化为耗散哈密顿模型.对所建立的水轮机哈密顿中耗散结构的变化、反馈等价以及能量流等问题进行了分析,所获得的哈密顿系统的广义能量流的物理概念与实际系统是一致的.结合实例的仿真表明,所选择的哈密顿函数包含了水轮机暂态中能量变化的主要信息,是合适的.     

混流式水轮机神经网络模型非线性仿真

针对水轮机非线性特性难以准确描述及混流式水轮机调节系统(FTGS)非线性仿真复杂性，利用前馈神经网络强大的非线性逼近能力，建立混流式水轮机神经网络模型(FTNNM)。描述流量和效率特性的FTNNM采用Levenberg—Marquardt算法进行离线训练，收敛速度快、模型精度高。训练后的FTNNM作为一个非线性环节和其他模块构成了在MATALAB的SIMUUNK环境下的非线性仿真系统。该系统实现了各种运行工况的非线性仿真，并能快速、准确地得到系统以及混流式水轮机内部各种参数的变化规律。为混流式水轮机调节系统(FTGS)控制策略的研究提供了一个良好的基础。     

计及调压井动态的水轮机微分代数模型

为了消除调压井独立变量,减少未知量个数,将调压井动态归并到管道末端的水力动态.首先将调压井动态方程转化为传递函数形式,利用连续性方程和管道传递函数,将调压井动态归并到压力管道末端水头的动态传递函数,建立包含调压井动态的水轮机进口水头-流量传递函数,进而将该传递函数转化为微分方程模型,与水轮机出力代数方程一起构成了计及调压井动态的水轮机微分代数模型.所建立的模型中,调压井动态不再是附加输入或独立变量,减少了方程的变量和程序的运算量.构建了包括典型PID调速器、励磁PI控制器、三阶发电机模型和所建立的水轮机模型的模拟运行系统.仿真表明,建立的模型水轮机水头和发电机有功计算值与传统方式建立的模型计算结果基本一致,所提出的模型能够满足研究水轮机暂态特性的需要.     

座环对微型混流式水轮机水力效率的影响

为了使冷却塔节能,使用水轮机代替电机驱动塔内风机,节约电机所需电能。水轮机串联于冷却塔循环水系统中,利用循环水余压工作,水头和流量受限于循环水系统,主轴与风机主轴直联,因此功率小、水头低,属于微型超低比转速混流式水轮机。水轮机的引水部件水力损失大,是水轮机水力损失的主要部分,针对等厚度固定导叶、翼型固定导叶和无固定导叶3种座环进行研究。研究表明：①无固定导叶座环的水轮机水力效率比等厚度固定导叶座环高出10%,利用水头降低了2m,可改进蜗壳设计提高水轮机的利用水头。②翼型固定导叶座环的水力效率比等厚固定导叶座环高出3%,其利用水头相似。     

灯泡贯流式水轮机甩负荷过渡过程仿真分析

我国较多的中小水电站都采用了灯泡贯流式机组的型式，这类机组具有水流惯性时间常数大、机组惯性时间常数小以及导桨叶双调节的特点，甩负荷过程中导桨叶处于非协联状态，特性更复杂，控制难度更大。特别是对于很多中小水电机组，汛期常因雷击造成机组甩负荷，需要较快的稳定带厂用电运行，给甩负荷过渡过程的控制提出了更高要求。建立了灯泡贯流式水轮机甩负荷过渡过程非线性模型，采用定桨特性曲线模拟水轮机特性，采用特征线法求解有压非恒定流方程，引入了调速器方程，实现了对甩负荷过渡过程的精确仿真。对实际灯泡贯流式机组甩负荷过渡过程进行了仿真计算：最大水头下机组最大转速上升值大于额定水头下机组最大转速上升值；最大水头下导叶前压力最大值大于额定水头下导叶前压力最大值；额定水头下尾水管进口最小压力值小于最大水头下尾水管进口最小压力值；额定水头下机组转速控制的超调量更大；各工况下在甩负荷初始阶段均出现明显的负水锤特征；甩75%额定负荷下机组转速最大值大于甩100%额定负荷下的值；甩75%额定负荷下导叶前最大压力值与甩100%额定负荷下的接近；甩100%额定负荷下尾水管进口最小压力值最小。通过本文的研究表明：对于灯泡贯流式水...     

基于虚拟仿真的水轮机转子故障模拟系统

为实现共享并发人员培训，提升水轮机转子故障的培训效率，设计基于虚拟仿真的水轮机转子故障模拟系统。基础层通过网络接口以及交换机等设备，向应用层传输水轮机转子的基础以及故障等全部相关数据，应用层以该数据为依据，利用VRP建模控制程序和3ds Max建立水轮机转子三维建模，并基于视觉注意机制优化模型色彩；通过该层的在线仿真模块展示水轮机转子详细情况，利用支持向量机诊断转子故障后，将结果传送至管理层；管理层可通过多种设备呈现水轮机转子模型的故障模拟情况，并通过VRML交互机制完成虚拟场景交互。测试结果表示：该系统具备良好的水轮机转子三维建模效果，并且模型的色彩视觉效果良好；获取水轮机转子故障诊断结果，能够为故障模拟提供可靠支撑，向学员呈现准确的故障模拟结果，满足多人员共享、并发交互的培训应用需求。     

基于BP神经网络的水轮机综合特性建模仿真

针对目前对水轮机特性曲线数据处理方法精度不高,不能真实地反映水力机组在过渡过程的流量特性和力矩特性的问题,利用BP神经网络与Matlab相结合,对水轮机综合特性曲线进行建模仿真。由已知综合特性曲线结合边界控制点经神经网络训练获得低效区的流量延拓、力矩延拓和导叶浆叶协联关系仿真曲面。BP神经网络模型大大提高了水轮机综合特性曲线数据处理效率与精度,是研究水轮机控制系统的一种新的非线性建模仿真模型。     

轴流转桨式水轮机神经网络建模与非线性仿真

针对水轮机非线性特性难以准确描述及轴流转桨式水轮机调节系统非线性仿真的复杂性，利用前馈神经网络强大的非线性逼近能力，首先建立轴流转桨式水轮机综合特性神经网络模型NZZM，然后建立水轮机飞逸特性神经网络模型，并据此迅速、准确地求得空载开度和空载流量，作为水轮机特性曲线向小开度特性扩展的控制点，进而得到全面描述大开度及小开度下流量特性和效率特性的综合特性神经网络模型NZZM。最后建立了轴流转桨式水轮机协联特性神经网络模型NZZC。NZZC与ZNNM及其他一些计算模块一起构成了轴流转桨式水轮机神经网络模型ZZ587。上述神经网络模型均采用Levenberg-Marquardt算法，进行离线训练，收敛速度快、模型精度高。采用Matlab语言及Simu-link仿真软件，对已建立的ZZ587进行非线性仿真，能快速、准确地得到系统以及轴流转桨式水轮机内部各种参数的变化规律。     

基于PCC的水轮机调节系统实时动态仿真研究

水轮机调速器仿真系统作为水电站的一个重要的测试手段,有着传统的调速器测试手段所无法比拟的优点。受计算机软硬件技术的限制,以前的调速器仿真系统在实时性和可用性方面存在一定的缺陷。基于奥地利B8LR公司的可编程计算机控制器（PCC）PP41,设计了一套实用可行的水轮机调速系统实时动态仿真仪,提高了数据采集和传榆的实时性和准确性,可以对水轮机调速器进行快速准确地测试调整。     

轴流转桨式水轮机组非线性实时仿真实现

介绍一种新型的用于水轮发电机组实时仿真的系统结构和原理,探讨了适用于轴流转桨式机组在该系统上的非线性仿真实现方法。通过对轴流转桨式水力机组各个系统非线性数学模型的研究,掌握了单位转速、导叶开度、桨叶开度到单位流量、单位转矩间的非线性关系,采用了基于MATLAB辅助设计的软件算法,较好的实现了机组的非线性仿真。在硬件上采用了最先进的浮点型数字信号控制器(DSC)和TCP/IP协议栈的结构,保证了复杂非线性算法实现和仿真数据传送的快速性。在软件算法上,采用了两个基于MATLAB辅助设计的三输入BP型神经网络模拟机组的非线性特性,保证了实现的简洁性、实时性和可行性。     

液力涡轮制动停机瞬态过程的数值模拟

为研究液力刹车制动系统液力涡轮在停机过程中的制动性能,建立液力涡轮三维CFD计算模型,合理设置边界条件,利用SST k-ω湍流模型模拟其制动过程.分别采用准稳态计算方法和瞬态计算方法对液力涡轮的制动过程进行模拟计算,根据计算结果对液力涡轮制动过程中有代表性意义的不同工况点进行研究,并对比准稳态计算方法与瞬态计算方法模拟出的液力涡轮性能的异同.模拟计算结果表明,在液力涡轮制动初始阶段,准稳态计算与瞬态计算结果基本相似,流动无明显的回流涡结构,但制动力矩差别较大;瞬态计算方法结果表明,当转速降低至2 000 r/min后,叶轮出现了失速现象,随着转速的降低失速越来越明显,低转速下流线呈不规则状;失速发生前,瞬态计算的转轮内部压力明显高于准稳态结果,说明转轮中的能量损失大于准稳态计算结果.     

连接引水管道的水轮机暂态过程计算

考虑水轮机工况变换过程中引水管道内瞬变流与机组内部暂态流动的相互影响,对管道瞬变流采用特征线法求解,机组内部暂态流动采用三维不可压缩流动的有限体积法求解,按照管道与机组连接处流量连续和水头平衡的原则,建立了管道瞬变流与机组内部三维暂态流动的耦合计算模型.并分别采用建立的耦合计算模型、电站常规过渡过程计算模型和常规三维流动计算模型对带有引水管道的水轮机甩负荷导叶关闭工况进行了仿真计算.结果表明:3种计算方法得到的机组压力、转速等宏观参数变化趋势一致,但采用耦合计算模型时,由于考虑了管道内水击压力的反射和叠加,导叶关闭过程中蜗壳进口的压力上升更高,机组内的压力脉动也更剧烈,能够更真实地反映动态过程中管道瞬变流与机组内部三维暂态流动的相互作用.     

基于大涡模拟的水轮机内瞬态湍流场特性分析

基于三维瞬态N-S方程,采用大涡模拟方法中的Smargorinsky模型,应用模拟动静干扰效果较好的滑移网格技术,以标准k-ε模型稳态计算的结果作为初始条件,对某混流式水轮机全流道进行了的三维瞬态湍流数值模拟.用Fluent 6.3,采用非结构化的混合网格和压力速度耦合的PISO算法,成功地模拟了水轮机在运行中的各种瞬态细节过程,如涡旋的卷起、增长、合并、破碎和脱落.模拟结果给出了偏工况下水轮机导水机构和转轮流道内大尺度涡结构的瞬态发展演变过程.计算结果表明大涡模拟方法能较好地模拟水轮机内水流的瞬态流动特性和瞬时涡的发展演化过程,该方法可为探索研究水力机械复杂流道湍流运动状态下涡旋的形成机理提供有价值的参考.     

Influence of liquid water content on wind turbine blade icing by numerical simulation

In order to research the influence of liquid water content(LWC) on blade icing of wind turbine,a numerical simulation method for blade icing was established.The numerical simulation was based on low speed viscous N-S equation.The trajectory equation of water droplets was established by Lagrangian method.The mass and energy conservation equations of the water droplets impacting on the surface of the blade were solved based on control body theory.Three sections along blade span wise of a1.5 MW wind turbine were decided to simulate icing.Five kinds of LWC were selected for simulation including 0.2,0.4,0.6,0.8 and 1.0 g/m3 under two ambient temperatures of-10 ℃ and-20 ℃.The medium volume droplet diameter(MVD) was 30 "m.The simulations included icing shape on blade surface,dimensionless icing area and dimensionless maximum stagnation thickness.Furthermore,the flow fields around both the iced blade airfoil and the original one were simulated and analyzed.According to the results,the typical icing characteristics of icing shape,icing area and thickness were greatly affected by the difference of LWCs.This study can provide theoretical reference for the research on antiicing and deicing of wind turbine blade.     

JP75型卷盘式喷灌机水涡轮能量转换数值模拟分析

为了对JP75型卷盘式喷灌机水涡轮进行能量转换分析、参数优化及探究其内部流动性能,采用CFD技术,对转速为250 r/min下的水涡轮进行三维建模、多面体网格划分以及数值模拟.分析水涡轮压力云图和速度云图,发现进口管道中不合理的弯道、喉部、喷嘴设计导致了水涡轮运行效率偏低,来流中的压力势能未能转化为有效的叶片冲击动能,大量能量仍以势能的形式储存在液流中.分析过流断面流线图,发现叶片间隙及出口管道入水口处有大量涡旋产生,造成部分能量损失,从而表明现有的JP75型水涡轮进出口设计和叶片设计需要改进.对进水管道喉部之后的射流段和转轮这两处进行能量转换计算,平均效率分别为26.31%和45.44%,转换效率明显偏低.对现有JP75型卷盘式喷灌机水涡轮进行了参数优化设计,经计算,初步确定了优化模型的标称直径为0.201 m、射流直径为0.021 m、设计水头为13.65 m.     

卷盘式喷灌机水涡轮发展与研究现状

为解决国产水涡轮效率低的问题,回顾了国内外卷盘式喷灌机的发展及研究历程和早期对水涡轮的研究,综述了近5 a国内研究人员围绕国产JP50和JP75两种水涡轮所开展的外特性试验、CFD分析和改进措施等研究现状.概述了国外目前常见的冲击式和径流式两种水涡轮的结构类型,重点介绍了国内学者针对引进国外的一种进口为射流冲击式结构的水涡轮所开展的创新性研究,在试验和CFD模拟的基础上,发现这种结构水涡轮的内外特性比国产水涡轮有很大提高,并通过正交试验分析了各种参数对性能的影响,采用GA_-BP优化算法进行了进一步优化设计,获得了一种优化的水涡轮模型,CFD分析和试验都证明,优化水涡轮的内外性能全面超过了国外水涡轮.最后,总结了水涡轮研究存在的不足,提出了今后对水涡轮研究的改进建议.     

混流式模型水轮机空化流动分析与试验研究

采用基于气泡动力学的两相流方法,对白鹤滩水电站百万千瓦级混流式模型水轮机进行定常、非定常空化流动分析,并与模型水轮机的空化试验结果进行比较.定常空化流动计算中采取降低尾水管出口绝对压力、减小装置空化系数的方式模拟模型水轮机空化试验过程,流道内压力、速度矢量、气体体积分布分析能够较好地预测水轮机流道内空化的发展特性、叶片空穴区域和尾水涡带空腔的发展过程.非定常空化流动分析能够准确地预测叶片空化和涡带空腔随时间的变化规律以及尾水压力脉动频率,其计算出的振动频率和振幅与试验结果比较相一致,结果显示尾水管空腔涡带随空化发展对压力脉动和机组不稳定运行的影响显著增大,压力脉动也对空化较为敏感,空化越为严重,压力脉动越严重,空化的产生加剧了水轮机内部流场的水力不稳定性.     

齿间间隙对双螺杆透平泄漏影响的数值模拟

为降低泄漏流对双螺杆液力透平效率的影响,以2/3齿双螺杆泵透平为例,根据双螺杆泵内齿间间隙的构成原理,首先建立其简化几何模型,利用透平腔内存在相对运动引起的剪切流动与各级腔室压差导致的压差流动理论,建立起齿间泄漏通道的数学模型.使用SCORG和Pumplinx软件对双螺杆液力透平进行全流场数值模拟,得到了双螺杆透平不同...     

前弯型叶片液力透平的数值计算

为研究具有前弯型叶片液力透平的性能,设计了3种不同比转数具有前弯型叶片液力透平.采用全流场和结构化网格技术对液力透平内部流动进行数值计算,分析了具有前弯型叶片液力透平在不同流量下的外特性、压力场和速度场,得到了液力透平叶轮和尾水管内部流场随流量变化规律.研究结果表明:透平内部压力场从蜗壳进口经叶轮到尾水管出口压力逐渐减小,随流量的增大,液力透平的进出口压差逐渐增大;在前弯型叶片工作面存在旋涡区域,旋涡位置和区域大小随着流量的变化而变化;在尾水管横截面上存在随流量而变化的圆周速度分量;叶轮内部的水力损失是前弯型叶片液力透平内部的主要的水力损失,在3种液力透平中都占总水力损失的60%以上,并随比转数增大而逐渐增大.因此,前弯型叶片液力透平的优化设计应主要集中在叶轮研究.