Содержание к диссертации
Введение 7
Основные условные обозначения
1. Существующие исследования пульсаций давления
в напорных водоводах ГЭС 15
1.1. Уравнения нестационарных явлений в напорных водоводах ГЭС, и их граничные условия 15
1.2. О причинах пульсаций давления в напорных водоводах
1.3. Пульсаций давления, возникающие в отсасывающей трубе
1.4. Краткий обзор методов анализа нестационарных явлений в напорных водоводах
ГЭС 34
1.5. Пульсаций давления при переходных процессах 44
1.6. О допустимой вибрации напорных трубопроводов ГЭС 45
1.7. Краткие выводы и задачи данной работы.. 49
2. Влияние демпфирования на пульсации давления в напорных водоводах ГЭС 52
2.1. Постановка задачи 5Z
2.2. Учет демпфирования в расчетах нестационарных явлений в напорных водоводах ГЭС
2.3. Характеристика системы турбина - напорный
водовод ГЭС с учетом демпфирования 57
2.4. Влияние изменения коэффициента демпфирования на распределение амплитуды пульсаций давления по длине напорного водовода ГХ
2.5. Вы в о д ы 70
3. Натурные исследования пульсаций давления в про точном тракте гидротурбины и в напорном водоводе ГЭС
3.1. Постановка задачи
3.2. Натурные испытания агрегатов Нурекской ГЭС, Саяно-Щщенской ГХ и Кубанской ГЭС-2 73
3.3. Обработка записей пульсаций давления в проточной части агрегатов ГЭС 83
3.4. Оценка связи между пульсациями давления за рабочим колесом гидротурбины (в конусе отсасывающей трубы) и в напорном водоводе ГЭС 66
3.5. Исследование пульсаций давления в проточном тракте агрегата Нурекской ГЭС 89
3.6. Исследование пульсаций давления потока в проточном тракте агрегатов Саяно-Щушенекой
ГЭС ЮЗ
3.7.Исследование пульсаций давления в проточном тракте агрегата Кубанской ГЭС-2 ff4
3.8. Анализ полученных результатов 124
3.9. Вы в о д ы 126
4. Вероятностные характеристики пульсаций давления в напорных водоводах ГЭС при случайных возмущающих воздействиях Ї28
4.1. Постановка задачи 128
4.2. Основные принятые допущения f29
4.3. Случайное возмущающее воздействие в системе турбина - напорный водовод ГЭС
4.4. Вероятностные характеристики принятого случайного возмущающего воздействия
4.5. Преобразование случайных сигналов линейными системами
4.6. Влияние параметров d и сс на вероятностные характеристики пульсаций давления
в напорном водоводе ГЭС f38
4.7. Влияние коэффициента демпфирования на вероятностные характеристики пульсаций давления в напорном водоводе ГЭС f57
4.8. Выводы 162
5. Определение амплитуды пульсаций давления в напорных водоводах ГЭС при случайных возмущающих воздействиях 165
5.1. Постановка задачи 165
5.2. Распределение амплитуд пульсаций давления по длине напорного водовода при различных
видах возмущающего воздействия /65
3. Влияние изменения диапазона частот на распределение среднеквадратических отклонений амплитуды пульсаций давления по длине напорного водовода ГХ 173
4. Влияние изменения коэффициента затухания по частоте на распределение среднеквадратических отклонений амплитуды пульсаций давления по длине напорного водовода ГЭС 176
5. Влияние изменения частоты возмущающего воздействия на распределение среднеквадратических отклонений амплитуды пульсаций давления по длине напорного водовода ГЭС 180
6. Влияние изменения коэффициента демпфирования на распределение среднеквадратического отклонения амплитуды пульсаций давления по длине напорного водовода ГЭС
7. Параметры рекомендуемого расчетного вида случайного возмущающего воздействия
8. Распределение плотности вероятности пульсаций возмущающего воздействия и давления в напорном водоводе ГЭС 205
9. Определение максимального значения амплитуды пульсаций давления в напорных водоводах ГХ 209
10. Вы в о д ы 219
Заключение 225
Приложение I 2 32.
Приложение 2 234
Литература 2
Введение к работе
Как определено решениями ХХУІ съезда КПСС: "Главная задача одиннадцатой пятилетки состоит в обеспечении дальнейшего роста благосостояния советских людей на основе устойчивого, поступательного развития народного хозяйства, ускорения научно-технического прогресса и перевода экономики на интенсивный путь развития, более рационального использования производственного потенциала страны, всемерной экономии всех видов ресурсов и улучшения качества работы" [I] .
Ведущее место в развитии народного хозяйства принадлежит энергетике. В одиннадцатой пятилетке закладываются основы дальнейшего роста энергетического потенциала страны преимущественно за счет использования гидроэнергетики и атомной энергии. Еще двадцать лет назад был определен экономический гидроэнергетический потенциал в 1100 млрд.квт.ч. В настоящее время использовано менее одной пятой его части, и в то же время выявлено много перспективных и высокоэффективных объектов, которые намечены к осуществлению. Эффективное развитие современной гидроэнергетики требует дальнейшего снижения капиталовложений и повышения технико-экономических показателей гидроэнергетических установок, при обеспечении их высокой надежности. Указанные факторы, а также ускоряющиеся темпы развития отечественного гидротурбостроения, его роет в количественном и качественном отношениях, требуют все более углубленного теоретического и практического анализа работы гидроэнергетических установок.
Дульсации давления в проточной части гидротурбины и в напорных водоводах ГЭС, снижающие надежность работы сооружений и оборудования ГЭС, являются одной из важных, но недостаточно изученных проблем динамики системы турбина - напорный водовод ГХ.
Дульсации давления в проточной части и в напорных водоводах имеют место как в установившихся, так и в неустановившихся режимах работы агрегатов. В установившихся режимах особенно опасными являются резонансные явления, когда амплитуда колебаний может достичь опасного для целостности трубопровода значения. Наиболее крупные аварии напорных водоводов зарубежных гидроэлектростанций, такие как на ГАЭС Лак Блан-Лак Ifyap, ГХ Кандергрунд, ГХ Берси-мис-2, ГАХ Шестинйог произошли, как считают многие специалисты, из-за возникновения гидравлического резонанса в напорных водоводах [74] .
Опыт эксплуатации, а также многочисленные исследования показывают, что наиболее интенсивные пульсации давления при работе агрегата наблюдаются в режимах перегрузок и в режимах малых нагрузок. Это влечет за собой повышенные вибрации напорных трубопроводов, а длительное воздействие переменных нагрузок и вибраций приводит к усталостному ослаблению металла, и может оказаться первопричиной аварии трубопровода. В отечественной практике такие случаи имели место на Канакерской и Краснополянской ГХ [42].
В неустановившихся режимах работы агрегата пульсации давления, сопровождающие переходные процессы, накладываются на эпюру гидравлического удара и могут вызвать ее значительное изменение.
Таким образом пульсации давления в напорных водоводах должны учитываться с двух точек зрения: как дополнительное повышение или понижение давления при прочностных расчетах облицовок туннелей, оболочек стальных напорных трубопроводов, спиральных камер и т.п., и как источник усталостных явлений, которые могут возникать в напорных водоводах при длительных воздействиях перегрузок.
Обеспечение надежности напорных водоводов ГХ, с учетом нестационарных явлений при различных режимах работы агрегатов, следует начинать при проектировании, когда назначаются параметры конструкции, условия работы гидроустановок. Однако из-за неполной изученности нестационарных явлений при установившихся режимах работы агрегатов, в процессе проектирования такие расчеты не проводятся. Это тем более относится к неустановившимся режимам.
Наиболее полно пульсации давления в напорных водоводах ГХ исследованы при гармонических возмущающих воздействиях ( в установившемся режиме), причем существует несколько методов решения этой задачи. Для случайных возмущающих воздействий, которые ближе к реальным условиям работы гидроагрегата, этот вопрос изучен пока слабо и ему посвящено сравнительно небольшое количество работ. Один из основных вопросов в проблеме нестационарных явлений в напорных водоводах - нахождение характеристик возмущающих воздействий пульсаций давления и теоретическое прогнозирование возмущений, - практически не решен из-за многообразия причин, вызывающих колебания давления.
Также сравнительно мало работ посвящено вопросу о допустимых границах амплитуд пульсаций давления, вибраций стальных напорных трубопроводов при длительных воздействиях циклических нагрузок.
Зцесь перечислены лишь некоторые из основных аспектов проблемы нестационарных явлений, решение которых дало бы возможность прогнозировать и давать количественную оценку пульсаций давления при проектировании сооружений и оборудования ГЭС, выбирать оптимальные решения в части конструкций и режимов работы, что принесло бы определенный экономический эффект народному хозяйству. Это послужило обоснованием для выбора направления данной работы.
Из вышеизложенного вытекает сложность проблемы нестационарных явлений в напорных водоводах ГХ и невозможность ее полного решения в одной диссертационной работе. Поэтому здесь освещены лишь некоторые вопросы, неотраженные в предшествующих исследованиях, а также сделан переход к качественно иному подходу в решении задачи: анализу пульсаций давления в напорных водоводах при случайном характере возмущающих воздействий. При этом необходимо отметить, что в данной работе анализ нестационарных явлений в напорных водоводах ГЭС проводился для установившихся режимов работы агрегата. Эту же задачу при переходных процессах еще предстоит решить.
Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения.
В первой главе производится обзор имеющихся данных о возможных причинах пульсаций давления, а также рассмотрение методов анализа нестационарных явлений в напорных водоводах ГХ преимущественно при гармоническом возмущающем воздействии, где основное внимание уделяется условиям возникновения резонансных режимов колебаний давления.
Во второй главе проведен анализ возможной структуры формулы возмущающего воздействия, главным образом в части учета взаимосвязи между изменениями давления и расхода, характеризуемой показателем, названным нами коэффициентом демпфирования. Дано исследование влияния коэффициента демпфирования на амплитуду и характер распространения пульсаций давления по длине напорного водовода.
Третья глава посвящена рассмотрению результатов натурных испытаний Цурекской ГЭС, Саяно-Щушенской ГХ и Кубанской ГЭС-2, а также получению вероятностных характеристик пульсаций давления в проточном тракте агрегата, на основании данных натурных исследований.
В четвертой и пятой главах проблема пульсаций давления рассматривается при возмущающем воздействии, представленном стационарным случайным процессом. Причем анализ проводится для различных типов случайных воздействий. В четвертой главе на основе срав нения вероятностных характеристик полученных случайных возмущений выявляется наиболее приемлемая модель входного воздействия. В пятой главе рассматривается задача по определению величины сред-неквадратического отклонения амплитуды пульсаций давления в напорном водоводе, анализируется влияние некоторых факторов на величину амплитуды пульсаций.
В заключении даются предложения, рекомендации по использованию результатов проделанной работы.
На защиту выносятся следующие основные положения:
- возмущающее воздействие, создаваемое гидротурбиной и вызывающее пульсации давления в напорных водоводах ГЭС, представляет изменение пропускной способности гидротурбины и имеет вид случайного процесса;
- корреляционная функция возмущающего воздействия, создаваемого гидротурбиной, может задаваться в виде экспоненциально-косинусной зависимости с тремя определяющими параметрами: среднеквадратическое отклонение пульсаций пропускной способности, коэффициент затухания по частоте и частота;
- параметры вероятностных характеристик возмущающего воздействия, необходимые для нахождения амплитуды пульсаций давления, зависят от режима работы турбины, и могут определяться по предлагаемым формулам;
- расчетные значения давления в напорном водоводе должны учитывать пульсационную составляющую, определяющуюся среднеквадра-тическим отклонением амплитуды пульсаций давления с соответствующим коэффициентом по обеспеченности; среднеквадратическое отклонение амплитуды пульсаций давления может определяться рекомендуемым методом и с помощью предлагаемой зависимости.
Настоящая работа выполнена на кафедре "Использование водной энергии" Московского инженерно-строительного института им.В.В.Куйбышева. Автор благодарен сотрудникам кафедры ИВЭ МИСИ им.В.В.Куйбышева к.т.н., ст.науч.сотр. Е.В.Квятковской, к.т.н.,ст.науч.сотр. Б.Б.Поспелову, к.т.н.,мл.науч.сотр. Орехову Г.В.; ст.науч.сотр. отдела электроэнергетических исследований научно-исследовательского сектора института "Гидропроект" В.М.Клабукову; начальнику отдела гидротехнических и энергетических исследований Ленинградского отделения института "Гидропроект" Ю.М.Голицинскому и начальнику сектора В.Ф.Ляхову - за предоставление материалов экспериментальных и натурных исследований. Автор признателен начальнику гидромеханического отдела Среднеазиатского отделения института "Гидропроект" С.Н. Остроумову и главному специалисту К.А.Любицкому - за содействие, оказанное при внедрении результатов работы в практику. Автор также благодарен инженерам Среднеазиатского отделения института "Гидропроект" И.Г.Резниковой и С.П.Резниковой за большую помощь, оказанную при оформлении диссертации.