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水轮机筒阀多缸协同关闭过程水力特性与控制策略研究
作 者: 郭春立
导 师: 阎祥安;张大卫
学 校: 天津大学
专 业: 机械电子工程
关键词: 水轮机筒阀 动水关闭 水力特性 稳定性 多液压缸协同控制 定量反馈控制
分类号: TV734.1
类 型: 博士论文
年 份: 2009年
下 载: 125次
引 用: 5次
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内容摘要
本文针对水轮机筒阀关闭过程中的水力特性和多液压缸接力器协同驱动系统的特点,在天津市科技支撑项目、天津大学青年教师培养基金项目和天津市天发重型水电设备制造有限公司的共同资助下,重点对筒阀的关闭过程进行了CFD(Computational Fluid Dynamics)数值模拟,并针对筒阀多液压缸协同控制系统的特点进行了数学建模分析和控制策略研究。论文主要研究内容和成果如下:(1)在目前普遍运用模型试验方法研究筒阀性能的基础上,运用CFD方法中的RNG k-ε湍流模型、混合物多相流模型、动网格和滑移网格技术,以云南红河南沙水电站水轮机筒阀为研究模型,对筒阀动水、静水关闭过程进行了三维数值模拟,较真实地模拟了水轮机发生飞逸时筒阀关闭的水力特性。(2)利用数值模拟的结果得出了筒阀表面压力的分布状况、轴向和周向液动力变化趋势、流量和流态特征以及水力效率和水头损失,给出了不同行程处筒阀附近引流部件的流场特征,根据轴向力载荷和对水轮机转轮工作状态的影响提出了优化的筒阀的关闭方式。(3)通过计算得出了混流式水轮机尾水管涡带的流场特征和筒阀附近压力脉动的幅频特征,结合尾水管涡带的流场特征解释了筒阀附近压力脉动的形成机理,同时给出了空化系数和转轮出口流场等因素对筒阀稳定性的影响。(4)综合CFD方法得到的筒阀倾覆力矩、轴向力计算结果得出了筒阀六缸协同控制系统数学模型。根据水轮机筒阀多缸协同控制系统对同步与速度控制性能的要求,采用定量反馈控制理论(QFT)设计了系统的控制器,满足了系统的跟踪性能、鲁棒稳定性和输入扰动抑制性能指标,有效地解决了实际液压系统不确定性、非线性和时变性等因素影响。(5)系统仿真结果说明,QFT控制策略可以有效地解决多液压缸接力器驱动情况下的同步与速度问题,避免系统的非线性和参数不确定性产生的不利影响。(6)经云南红河南沙水电站的实际应用,验证了筒阀系统同步性能的可靠性和数值模拟得出的液压缸接力器力载荷结果。
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全文目录
中文摘要 3-4 英文摘要 4-6 目录 6-9 第一章 绪论 9-21 1.1 课题研究背景和意义 9-11 1.2 水轮机筒阀国内外应用现状 11-13 1.2.1 水轮机筒阀国外应用现状 11-12 1.2.2 水轮机筒阀国内应用现状 12-13 1.3 水轮机筒阀的相关技术领域的发展现状 13-19 1.3.1 计算流体力学简介及其在水轮机设备中的现状 13-15 1.3.1.1 计算流体力学简介 13-14 1.3.1.2 计算流体力学在水轮机设备中的应用现状 14-15 1.3.2 筒阀同步控制系统的发展现状 15-16 1.3.2.1 筒阀同步控制技术 15-16 1.3.2.2 筒阀同步控制技术研究现状 16 1.3.3 鲁棒控制和定量反馈控制的发展与应用 16-19 1.3.3.1 鲁棒控制技术 16-17 1.3.3.2 QFT 简介 17-18 1.3.3.3 QFT 的发展及应用现状 18-19 1.4 本文主要研究内容 19-21 第二章 水轮机筒阀多缸协同关闭过程水力特性的计算研究 21-49 2.1 引言 21 2.2 计算方法 21-32 2.2.1 控制方程 21-22 2.2.2 计算控制域 22 2.2.3 边界条件 22-24 2.2.4 流场计算方法 24-29 2.2.4.1 不可压N-S 方程的解法 24-27 2.2.4.2 湍流模式 27-29 2.2.5 网格技术 29-31 2.2.6 多相流模型 31-32 2.2.7 计算工况 32 2.3 水力特性计算及结果分析 32-47 2.3.1 轴向力变化 32-34 2.3.2 筒阀表面压力分布 34-35 2.3.3 筒阀关闭的流量特性和附近流场的流态分析 35-40 2.3.3.1 流量特性 35-36 2.3.3.2 附近流场的流态分析 36-40 2.3.4 水力效率和水头损失计算 40-41 2.3.5 水轮机筒阀附近引流部件的流态分析 41-47 2.4 本章小结 47-49 第三章 水轮机筒阀多缸协同关闭过程中的稳定性研究 49-65 3.1 引言 49 3.2 尾水管涡带流场分析 49-55 3.2.1 涡带形成原因 49-50 3.2.2 涡带流场分析 50-53 3.2.3 尾水管压力脉动形成原因 53-55 3.3 筒阀及相邻部件压力脉动特性分析 55-58 3.4 筒阀压力脉动影响因素 58-64 3.4.1 空化系数对筒阀压力脉动的影响 58-60 3.4.2 转轮出口流场与筒阀压力脉动的关系 60-64 3.5 本章小结 64-65 第四章 水轮机筒阀多缸协同控制的数学建模与控制策略研究 65-101 4.1 引言 65 4.2 水轮机筒阀多缸协同控制系统 65-68 4.2.1 硬件组成 65-66 4.2.2 系统总体方案设计 66-67 4.2.3 筒阀协同驱动系统技术要求 67-68 4.3 筒阀多缸协同控制系统的数学建模 68-76 4.3.1 系统分析与模型建立 68-76 4.3.2 多缸协同系统的参数 76 4.4 筒阀多缸协同控制系统的控制策略研究 76-99 4.4.1 筒阀多缸协同控制系统特点 76-77 4.4.2 定量反馈控制理论基本原理 77-79 4.4.2.1 性能指标 78-79 4.4.2.2 设计方法 79 4.4.3 基于非线性系统扰动观测器的控制器设计原理 79-80 4.4.4 六缸协同驱动系统控制策略分析 80-96 4.4.5 六缸筒阀驱动系统的仿真研究 96-99 4.5 本章小结 99-101 第五章 水轮机筒阀多缸协同控制系统的试验研究 101-109 5.1 引言 101 5.2 筒阀多缸协同控制系统的硬件组成 101-105 5.3 筒阀多缸同步协同控制系统的试验研究 105-108 5.4 本章小结 108-109 第六章 结论与展望 109-111 6.1 结论 109-110 6.2 工作展望 110-111 参考文献 111-119 论文作者在攻读博士学位期间参加的科研项目和完成的学术论文 119-121 致谢 121
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中图分类: > 工业技术 > 水利工程 > 水能利用、水电站工程 > 水电站建筑与设备 > 机电设备 > 水轮机及其设备
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