水电站实验指导书12

《水电站》课程实验

实 学生学号：学生姓名：指导老师：实验地点：实验时间：验 指 导 书

张礼兵 范文莹 土水学院水力学实验室

2012年12月

0 前言

水电站课程教学实验包括3个内容，分别为参加认识与演示实验，水锤的计算机数值模拟实验和引水系统非稳定流的综合性实验。教师重点讲授实验目的、内容、要求以及实验原理，实验室人员具体操作并作一些具体讲解，要求学生在实验中认真思考，敢于动手，大胆提问。

1 水轮机演示、水电站厂房等模型参观实验

1.1水轮机演示实验

1.1.1目的和要求

通过模型水轮机的参观和讲解，了解各种型号水轮机各主要部件的名称、构造、作用以及它们的相对位置。对水轮机各主要部件及其整体建立初步的感性认识。要求看到实物或模型能叫出各主要部件的名称，看到机组的立面图、剖面图能分辨出各主要部件的位置和构造形式。

1.1.2实验内容

主要是了解反击式水轮机（混流式及轴流式）及水斗式水轮机的主要构件及其构造，并以前者为重点。各型水轮机详细掌握内容如下：

1）混流式水轮机：其主要构件为：（1）引水部件：蜗壳、座环；（2）导水机构（认清导叶、拐柄、连杆、调节环各部件的构造、相对位置及其连接）；（3）能量转换部件（转轮）（要求认清轮叶、轮冠、轮箍的构造及泄水锥、减压孔和止漏环的位置和作用等）；（4）尾水管（包括圆锥形及弯曲形）；以及转轮主轴等。 2）轴流式水轮机：主要构件与混流式相同。重点是了解引水部件如混凝土蜗壳的构造特点及转轮的构造（即轮叶、轮毂、支承盖、泄水锥及止漏环的位置）。 3）除水轮机的构造外，本次参观还结合装有混流式机组的厂房整体模型的学习，了解水轮机各过流部件在厂房中的相对位置及构造，并通过科研的真机做放水、发电表演，了解水能转换成旋转机械能一直到电能的全过程。

1.1.3注意事项

本次参观实习，着重是认识各种型式水轮机的构造作用，及各部件间的相对位置，工作原理（如尾水管的作用）及特性等留待之后讲课解决。要特别弄清水轮机各过流部件水流的运动路线。应有比较的进行参观，注意各种水轮机在构造上的差别及特点。应特别注意转轮进出口的位置及表征水轮机尺寸的各种水轮机标称直径D1的表示方法和含义。

1.2 水电站厂房模型参观实验

1.2.1目的和要求

1）了解厂房枢纽的组成及布置。

2）了解地面厂房的空间概念、结构组成等。 1.2.2实验内容

1）关于水电站枢纽部分：讲解、引导学生观看主厂房、副厂房、主变、开关站的布置及相对位置。引发学生们展开思考，对水电站厂房的结构及设备布置只作一般的了解，目的是建立感性认识。着重是了解水轮机各过流部件在厂房中的相对位置及构造。

2）讲解、观看地面厂房横剖面图，并讲解各层的设备布置及要求。对主厂房平面设计，重点介绍主厂房上部结构部分的主机室、装配场，下部结构部分的水轮机层、蜗壳层、尾水管层、装配场下层及尾水平台的机电设备布置。对主厂房剖面设计部分，了解控制性高程水轮机安装高程的确定，以及基础开挖高程、水轮机层地面高程、发电机装置高程、发电机楼板高程、起重机及顶高程。厂房的立面设计从略。介绍和讨论厂房的辅助设备布置，关于油、气、水系统布置原则及方法，厂房的电气设备布置包括高低压电气设备布置原则及注意事项。同时对厂房的通风、空调、采暖及采光要求加以讨论。副厂房及厂区枢纽的布置，主要指副厂房组成、位置及布置原则和要求等。厂房结构的组成和荷载组成和传力途径，对厂房混凝土浇筑分期和分块原则进行详介，同时对厂房的设缝和止水构造部分，包括永久变形缝止水、施工浇筑缝止水等构造给予着重探讨。关于厂房上部结构构件结构计算，讨论屋盖、屋架、屋面大梁、吊车梁、排架柱、楼板等结构构件结构计算方法和原则。对下部结构中，分析和研究不同形式的发电机墩、蜗壳、尾水管等结构构件结构计算方法和原则。

3）讲解、观看压力管道主要附件如蝶阀、球阀等设备的工作原理及结构组成。 1.2.3注意事项

参观实验过程中，要充分结合实验室的模型参观及演示实验，着重分析厂房的构造特征、传力承力结构，并对不同开发方式的水电站厂房进行对比，以增加认识。让学生重点掌握主厂房上部结构部分的主机室、装配场，下部结构部分的水轮机层、蜗壳层、尾水管层布置，以及对主厂房剖面设计部分的控制性高程－水轮机安装高程和其他相关高程的确定方法。

1.3实验安排及作业

时间控制在一节课。首先由教师简略介绍一下参观实习的目的要求、内容、注意事项以及参观重点等，然后以小组为单位由教师带领学生边讲、边看、边提示问题，最后由同学自由组合参观、讨论，教师在旁作适当指导并对同学提出的问题给予解答。

考虑如下课后作业：

1）试绘出立轴装置混流式水轮机的横剖面图，图中应注明各主要构件的名称及水轮机的标称直径D1。

2）试绘出厂房发电机层、水轮机层主要机电设备，并标明各设备、设施的名称及相对位置。

实验二 水锤压力的计算机数值模拟实验

2.1实验目的

开展水电站压力引水系统中导叶启闭时间（及规律）和水锤压力变化的数值计算分析、研究，进一步提高学生用现代计算技术研究和解决引水系统不稳定流现象，同时增强学生的计算机编程的能力和水平。在充分学习、分析了水电站水锤压力数值计算原理的基础上，采用计算机数值分析计算的方法，建立水电站水锤压力的计算机数值模拟的数学模型，并在计算机上编程实现自动分析计算。 2.2实验内容与方法 2.2.1电算程序框图

读入原始数据

时间增量T＝0到T＝Tmax次循环

启动 计算初始时刻稳定流态时的Q0、H0值，并存贮 打印输出管道原始数据 计算网格内部各点（即中间断面上）的QP1至QpN及HP1至HpN值 T＞＝TYes 阀门关闭 No 计算网格边界点的QP1至QpS及HP1至HpS值 τ＝0 反复将全部QPi、Hpi存贮在Qi、Hi单元 打印输出Qi、Hi值 No T＞Tmax Yes 停机

2.2.2电算实验步骤

按程序框图编制计算机源程序，注意合理定义管线节点数、计算时间步长、压力钢管特性参数以及初边界点的数值化处理。

1）合理确定计算时间步长Δt，若采用矩形网格计算则一般Δt=Δx/a，Δx为管段长度，a为水锤波速。建立稳定流时的引水系统各节点数值计算方程。

2）增加一个Δt，按节点计算公式计算管道各内点、库点、岔点、封点及室点等处的水头和流量值。

3）改变3-5个阀门关闭规律（或时间），分别给出模拟计算和数据结果输出，并与前工况参数比较、分析。对压力管道的引水系统中水流量、水流速、压力值进行数值分析。 2.2.3注意事项

1）在确定Δt时，由于水锤波速a为相对常量，故取决于管段长度Δx的大小，通过可根据管道布置及精度要求将整个管路系统分析很多管段，各管段的两端或为内点，或为边界点。同时由于各管段的管道特性不同，故各管段的Δx可有不同。

2）由于Δt很小，考虑到成果输出方便，故通常没有必要每隔一个Δt打印一次，程序中可用一输出控制参数NT控制打印输出间隔。

2.3实验成果

本实验以计算机和打印机设备件为基础，编程语言可选用Fortrain、Vc、C++或VB等。给出如下实验成果：

1）水电站水锤压力计算的程序框图及源程序。

2）结合引水系统中计算节点划分情况，给出稳定流动时引水系统中水流量、水流速、压力值。

3）给出不同阀门关闭规律下，引水系统各节点的流量、水流速、压力值随时间变化的过程值。

实验三 水锤调保和调压室水位波动定量分析实验

3.1实验目的

1）熟悉引水系统布置、试验装置和设备。

2）对水电站过渡过程中水锤压力、导叶启闭时间（及规律）的物理现象进行定性认识和定量分析。进一步了解水电站水力过渡过程中的非恒定流现象和调压室的基本型式、功用。

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