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本书所论及的内容都是水轮机设计、安装、运行实践中出现的新情况和新问题，经过作者深入实践，刻苦研究，提出了不少新的概念和独到的见解，在有些方面还很有创新。再如，针对混流式水轮机机组异常振动的原因通常是由于尾水管压力波动所致，并进而诱发水工建筑物和电气运行共振并导致出现破坏性事件，作者创造性地提出了与机组转频、工作水头相关的尾水压力波动频率公式，对水工建筑物和电气运行方式的设计，避开尾水管压力波动类频和倍频，从而避免有害共振提供了有益的借鉴，等等。同时，作者通过工作实践，对云南鲁布革水电站机电工程项目管理和四川二滩水电站主机设备招标采购的过程和成功经验进行了系统总结。并结合实践经验，从工程技术的观点审视工程教育的现状，指出现代工程师不仅应具备本专业理论、技术、技能，还应具备经济分析、经营管理和组织能力以及用多种语言进行交流的能力。
《现代水力发电机组工程应用与研究》是一本深入探讨水力发电机组设计、制造、运行、维护及前沿技术研究的专业性著作。本书旨在为水力发电领域的工程师、研究人员、管理者以及相关专业的学生提供一个全面、系统的知识体系和实践参考。 一、全书内容结构概览 本书共分为八个主要部分，层层递进，从基础理论到前沿应用，全面覆盖了水力发电机组的各个方面。 第一部分：水力发电机组基础理论与发展历程 引言与发展概况： 详细阐述水力发电作为一种清洁、可再生的能源形式在全球能源结构中的重要地位，以及水力发电机组在其中扮演的关键角色。回顾水力发电机组技术的发展历程，从早期简单的水轮机到如今高度集成、智能化的大型发电机组，分析技术演进的主要驱动因素和里程碑事件。 水力发电原理与能量转换： 深入解析水力发电的基本物理原理，包括势能、动能的转换过程。详细介绍水轮机将水的能量转化为机械能的原理，以及发电机将机械能转化为电能的电磁感应原理。讲解能量转换过程中的效率损耗及影响因素。 水力资源与选址评估： 介绍水力资源勘察的基本方法和评价指标，包括径流量、水头、库容等。分析水力发电站选址时需要考虑的自然条件（地形、地质、水文）和社会经济条件（移民、生态、环境影响）。 第二部分：水轮机的类型、设计与性能分析 水轮机分类与特点： 全面介绍目前主流的水轮机类型，包括冲击式（如裴尔顿式）、压力式（如弗朗西斯式、卡普兰式）和混合式（如贯流式）。详细分析各种水轮机的结构特点、适用范围、效率曲线及其优缺点。 水轮机水力设计： 深入讲解水轮机的水力设计过程，包括叶轮（或转轮）的几何形状设计、流道设计、流态分析等。介绍叶型设计的关键参数和优化方法，以及CFD（计算流体动力学）在水轮机水力优化中的应用。 水轮机结构设计与材料选择： 阐述水轮机的机械结构设计，包括转轮、导叶、主轴、轴封等主要部件的设计要点。讨论高强度、耐磨损、抗腐蚀的水轮机材料选择，以及焊接、铸造等制造工艺对性能的影响。 水轮机性能测试与评估： 介绍水轮机性能测试的标准和方法，包括效率测试、空载试验、负荷试验等。分析影响水轮机性能的主要因素，如空蚀、磨损、水力损失等，并提出相应的改进措施。 第三部分：发电机的类型、设计与关键技术 发电机分类与结构： 详细介绍水力发电机组中的发电机类型，主要包括同步发电机。深入分析发电机的基本结构，如定子（铁心、绕组）、转子（励磁绕组）、冷却系统等。 发电机电磁设计与分析： 讲解发电机的电磁设计原理，包括磁通分布、感应电势、绕组系数等。介绍有限元分析（FEA）在发电机电磁场计算和优化中的作用，以及如何提高发电机的功率密度和效率。 发电机绕组与绝缘技术： 详细阐述发电机绕组的结构、类型（如整环绕组、分段绕组）及其电气性能。深入探讨高分子绝缘材料的应用、绝缘设计要求，以及绝缘老化与寿命预测。 发电机冷却系统设计： 分析发电机运行过程中产生的热量及其影响。全面介绍各种冷却方式，如空气冷却、水冷却、氢气冷却等，并重点阐述大型水轮发电机常用的氢气冷却技术原理、优势与安全措施。 发电机稳态与暂态运行特性： 讲解发电机的稳态运行特性，如电压-电流特性、功率特性等。深入分析发电机的暂态过程，如短路瞬变、失步现象等，以及其对电网稳定性的影响。 第四部分：调速系统与励磁系统 调速系统原理与组成： 详细介绍水轮机调速系统的基本原理，其任务是维持发电机输出频率和功率的稳定。分析调速系统的组成，包括信息采集单元、控制器、执行机构（如液压伺服系统）等。 调速系统设计与整定： 讲解调速系统的设计原则，包括响应速度、稳定性、动态性能等。介绍调速器参数的整定方法，以及动态仿真在调速系统优化中的应用。 励磁系统类型与原理： 介绍水力发电机组励磁系统的分类，如直流励磁、交流励磁（无刷励磁、自并励）和静止励磁。深入分析各种励磁系统的结构、工作原理和性能特点。 励磁系统控制策略： 阐述励磁系统在发电机电压和无功功率调节中的作用。介绍现代励磁系统的控制策略，如自动电压调节（AVR）、无功功率补偿控制等，以及其在提高电网稳定性和电能质量方面的作用。 第五部分：水力发电机组的运行、维护与故障诊断 机组的启动、运行与停机操作： 详细阐述水力发电机组从启动到停机的各个操作步骤，包括并网、负荷调整、解列等。强调操作规范和安全注意事项。 运行状态监测与数据分析： 介绍运行状态监测技术，如振动监测、温度监测、油液分析等。讲解如何通过数据分析识别机组运行状态的异常，预测潜在故障。 设备维护与检修技术： 详细介绍水轮机和发电机的日常维护、定期检修规程。包括部件的检查、润滑、密封、清洗等。重点阐述大修、技改等关键检修项目。 常见故障分析与诊断： 归纳总结水力发电机组运行中可能出现的常见故障，如空蚀、磨损、绝缘击穿、轴承损坏、调速器失灵等。深入分析故障原因，并提供切实可行的诊断方法和维修对策。 第六部分：水力发电机组的工程应用与实践 不同类型电站机组的工程应用： 结合实际工程案例，分析不同水头、不同流量条件下，水轮机类型的选择原则与工程应用实例，如大型水电站、抽水蓄能电站、径流式电站等。 机组安装、调试与验收： 详细介绍水轮发电机组从运输、安装到调试、最终验收的全过程。强调安装精度、调试过程中的安全与质量控制。 电站运行经济性分析： 讲解水力发电站的经济性评价指标，如发电成本、投资回收期等。分析影响机组运行经济性的因素，并提出提高发电效率和经济效益的策略。 电站继电保护与安全自动装置： 介绍水力发电机组的继电保护原理和类型，如过流保护、过电压保护、失步保护等。阐述安全自动装置在保障机组和电网安全运行中的作用。 第七部分：水力发电机组前沿技术研究与发展趋势 大型化、高参数化发展： 探讨大型水轮发电机组的设计和制造技术，以及超高水头、大流量工况下的技术挑战。 智能化与数字化技术应用： 介绍物联网（IoT）、大数据、人工智能（AI）等技术在水力发电机组状态监测、故障预测、优化运行等方面的应用前景。 新材料与新工艺的应用： 关注水轮机叶片、发电机绕组等关键部件的新材料开发（如高性能合金、复合材料），以及先进制造工艺（如3D打印）在部件修复和制造中的潜力。 生态友好型设计与环境保护： 讨论如何通过优化设计降低水轮机对水生生物的影响，减少噪音污染，以及在电站建设和运行过程中实现环境保护。 抽水蓄能电站技术发展： 专题研究抽水蓄能电站的机组特性、运行模式以及其在构建新型电力系统中的关键作用。 第八部分：案例分析与未来展望 典型水电工程机组选型与运行案例： 精选国内外多个典型水电工程，深入分析其水轮发电机组的选型依据、设计特点、运行经验和面临的挑战。 面临的技术难题与挑战： 总结当前水力发电机组工程应用中存在的关键技术难题，如长期运行的可靠性、极端工况下的性能保持、智能化水平的提升等。 未来发展方向与研究重点： 展望水力发电机组技术的未来发展方向，包括更高效、更可靠、更环保、更智能的设计理念，以及在新能源消纳、电网柔性支撑等方面的进一步贡献。 本书以严谨的科学态度，结合大量的工程实践经验和最新的研究成果，力求为读者提供一个内容翔实、条理清晰、图文并茂的专业参考。通过对本书的学习和研究，读者将能够深刻理解水力发电机组的科学原理、工程技术和应用前景，为推动水力发电事业的可持续发展贡献力量。
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