水輪機發(fā)展現(xiàn)狀

1、水輪機技術發(fā)展現(xiàn)狀與應用熱點羅光釗（學號： 學院：能動學院）指導老師：李琪飛 我國可供開發(fā)的水利資源達3.7810的5次方MW，年發(fā)電量居世界首位。到1990年底，全國水電總裝機容量為36045.5MW，作為一種獲取廉價電力的能源，水力發(fā)電的優(yōu)缺點如下表所示。優(yōu)點缺點它是一種不斷更新的能源，取之不盡，用之不竭；沒有空氣污染，對水沒有熱污染；水能資源的開發(fā)，一般都能滿足防洪，發(fā)電，灌溉，漁業(yè)，工業(yè)供水等綜合利用要求；如采用適當?shù)难b置，限制水壓上升，啟動和帶負荷的時間很短，靈活可靠，具有擔負尖峰負荷的能力；設備比較簡單，發(fā)熱只限于軸承和電機，便于技術改造；技術成熟，效率高；可以采用水泵，水輪機蓄能

2、。受限于自然條件，地處偏遠，分布不均；遠離消費中心，輸電距離較長；和火電相比，初期投資較高，施工期較長；有淹沒土地，城鎮(zhèn)，道路的問題，要遷移人口賠償費高；有的電站建成后，會使鹽堿地增加，可耕地減少，或使上游沉積，下游侵蝕；有的會干擾水生物的生活習性和食物鏈結構；長距離輸電，會增加事故機率；有氣蝕，水錘等特定問題；高水頭電站可能導致土地塌方或地震。在引進技術，采用國際標準，擴大外貿(mào)，提高產(chǎn)品質量的方面，取得了顯著的成績。目前，國內(nèi)生產(chǎn)廠已經(jīng)有能力按現(xiàn)代標準書設計各種水頭和直徑的混流式和軸流式水輪機。水輪機是把水流的能量轉換為旋轉機械能的動力機械，它屬于流體機械中的透平機械。早在公元前100年前后

3、，中國就出現(xiàn)了水輪機的雛形水輪，用于提灌和驅動糧食加工器械?，F(xiàn)代水輪機則大多數(shù)安裝在水電站內(nèi)，用來驅動發(fā)電機發(fā)電。在水電站中，上游水庫中的水經(jīng)引水管引向水輪機，推動水輪機轉輪旋轉，帶動發(fā)電機發(fā)電。作完功的水則通過尾水管道排向下游。水頭越高、流量越大，水輪機的輸出功率也就越大。一、 水輪機的歷史發(fā)展人類利用自然力量的初步償試是家畜, 爾后是 水力機械。遠在幾千年前, 人們就注意到利用高山 瀑布、河川、湖泊水流中蘊藏的能量來代替人力作 功。追溯到公元前幾世紀, 在中國、印度、埃及等地 的人們已經(jīng)利用水車灌溉, 帶動水磨、水碾、水碓進 行糧食加工 4 5 。繼之公元二世紀在歐洲羅馬運 河上大量使用。

4、物原上記載: 后稷作水碓, 利于踏 碓百倍。晉杜預作連機之碓, 驅水轉之。15 世紀中葉到 18 世紀末 , 水力學理論開始 有了發(fā)展, 又隨著工業(yè)的進步, 對 水力原動機 提出 了功率更大、轉速更快、效率更高的改造要求。1745 年英國學者巴克斯, 1750 年匈亞利的辛格 聶爾分別提出了一種依靠水流反作用力工作的 水 動壓能機 其效率只有 50% 左右。見圖 2。1751 1755 年間俄國彼德堡院士歐拉( Eu-Ler) , 分析了水動壓能機的工作過程, 建立了力矩, 轉速和水流作用力等參數(shù)之間的方程式( 水輪機基 本方程式) , 并依此所制造出的另一種原動機后被稱 為反擊式的水輪機,

5、其效率仍然不高。見圖 3。1824 年法國學者勃爾金在上述基礎上作了彎 板葉道轉輪的水輪機改進, 但效率仍低于 65% 。1827 1834 年由其學生富聶隆和俄國人薩富 可夫分別提出導葉不動的離心式水輪機, 效率可達70% 。1837 年德國的韓施里, 1841 年法國的榮華里提 出了圓柱形的吸水管( 尾水管) 軸向式水輪機, 可使 水輪安裝在下游水位以上, 但最大的缺憾是不能利 用出口動能。1847 1849 年美國的法蘭西斯又在上述的基 礎上不斷研究改良, 提出了向心式水輪機, 轉輪置于 導水機構之內(nèi), 吸水管成為圓錐形。1917 年的匈牙利的斑克、1921 年英國的仇戈先后分 別提出了

6、雙曲面水斗的沖擊式水輪機; 轉輪帶有外 輪環(huán)、葉片固定的螺漿式水輪機; 雙擊式水輪機和斜 擊式水輪機。從 1750 年 1880 年的一百多年中, 水輪機從 低級的結構很不完善的水輪機械發(fā)展成比較完善的 近代水輪機, 這是社會生產(chǎn)發(fā)展和人類共同努力的 結果。在這個時期主要解決的是如何加大水輪機過 流量和提高水輪機效率兩方面的問題。其實 水輪 機 這一術語( 相當于俄文中的迥轉器或漩渦發(fā)生 器) 是法國人比尤爾登約在 1826 年首先薦用的。隨著世界礦物能開發(fā)的枯竭人們將眼光投向了 水能的開發(fā), 與此同時帶動了水輪機械的發(fā)展更趨向于提高單機容量、比轉速和應用水頭, 從而使水輪 機進入了一個多品種

7、、大容量的時代。( 1) 水輪機應用水頭向著較寬的范圍發(fā)展, 以 適應不同形式存在的水能開發(fā)。從水頭2 m 到水頭 1 000 2 000 m, 都有相應的品種。繁多品種的水 輪機大體可歸納為沖擊式和反擊式兩大類。在反擊 式水輪機中根據(jù)水流在轉輪區(qū)域流動方向不同又分 為混流式、軸流式、斜流式和貫流式以及可逆式水泵 水輪機。分別適用于不同水頭和流量。而每種類型 的水輪機又有很多品種, 如貫流式水輪機, 它又包括有燈泡貫流、全貫流、軸伸貫流、虹吸貫流、潮汐雙向 貫流等等, 總起來有百種之多。( 2) 能量特性、氣蝕特性不斷優(yōu)化, 比轉速又有 較大提高。大家知道, 水輪機要同時具有良好的能 量特性和

8、空化特性以及高的比轉速顯然是不可能 的, 這三個指標是矛盾的統(tǒng)一體。因此現(xiàn)代水輪機 從設計方法、制造工藝、材料性能等多方面進行了深 入研究, 尋得了合理解決的方法。 隨著計算機的 廣泛使用, 現(xiàn)代水輪機水力設計有了很大的發(fā)展, 改 善了水力性能, 效率最高可達到 95% 左右, 同時提 高了運行穩(wěn)定性。20 世紀 80 年代以來計算機技術 和流體力學理論的不斷完善, 水輪機過流部件內(nèi)部 水流動力分析取得重大進展, 結合傳統(tǒng)的經(jīng)驗設計 與模型試驗相結合的方法遴選設計方案的設計經(jīng) 驗, 逐步形成了一套完整的現(xiàn)代水輪機水力設計方 法。這種方法對設計方案進行數(shù)據(jù)性能預估、優(yōu)化 設計方案、減少模型試驗的

9、時間和費用, 為獲取最佳 水力模型提供了有力工具。 研制出了新的葉型轉輪。在水輪機葉型設計方面取得了優(yōu)秀成果, 即 X 型葉片。早在 20 世紀 30 年代, KB 公司就有人 提出設計一種葉片上冠進水邊前傾和出水邊向后扭 曲的葉片。這種葉片最大的優(yōu)點是能控制葉片背面 壓力分布不均的情況以解決葉片背面的空蝕問題。 同時可減少尾水管中心渦帶以改善尾水管內(nèi)的壓力 脈動。從20 世紀60 年代初期開始, KB 公司在許多 電站應用的高水頭混流式水輪機上都采用了 X 型 葉片。( 3) 在制造材料和制造工藝上, 現(xiàn)代水輪機也 有了長足的發(fā)展。從鑄鐵、鑄鋼到不銹鋼, 材料的優(yōu) 選一方面改進了強度, 同時

10、又改善了抗空蝕的能力。 并為了減輕泥沙磨損, 采用陶瓷涂層新技術。為了 提高水輪機轉輪葉片的材質和型線的一致性, 減輕 鏟磨勞動強度采用模壓葉片新技術。葉片模壓后, 上冠、下環(huán)焊接坡口, 進、出水邊及正、背面還采用數(shù) 控加工等工藝。除此之外, 在轉輪焊接和熱處理技 術及葉片幾何型線測量技術以及微焊成型等一系列 技術上都有所突破。所有這些都有力地保障了水輪 機性能的提高。中國最早利用水車、水磨、水碓等簡單的水力機 械代替人力做功有文字記載的是出現(xiàn)在漢朝, 距今 有 1 900 多年。據(jù)記載, 公元 37 年( 漢光武帝建代 13 年) 在我國南陽地區(qū)就利用水排帶動鼓風設備進 行煉鐵、鑄造農(nóng)具;

11、公元 265 270 年( 西晉初期武帝 司馬炎) 在河南地區(qū)就以水輪驅動水碓舂米。當時利用這些水力機械主要是用來加工農(nóng)產(chǎn)品及灌溉農(nóng)田 。真正意義上的中國水輪機工業(yè)始于1927 年, 當時為福建南平制造了 1 臺 5 kW 的水輪機。本世 紀前 50 年所生產(chǎn)的最大水輪機單機容量只有 200 kW。近 50 年以來, 水輪機行業(yè)共生產(chǎn)了 3 000 kW 以上的水輪機 33 個系列 61 個品種, 并重新整頓淘 汰了 8 個系列 17 個品種, 在已建成的 100 多座大中 型水電站大多數(shù)安裝著自行設計生產(chǎn)的水輪發(fā)電機 組的整套設備。中國水輪機工業(yè)經(jīng)過了從小到大獨 立研究開發(fā)的迅速發(fā)展過程。1

12、952 年哈爾濱電機廠開始生產(chǎn)第一臺 800 kW 的混流式機組, 1958 年生產(chǎn)了 7. 25 萬 kW 的新安 江機組, 1968 年和 1972 年分別研制生產(chǎn)了劉家峽組, 其轉輪的標稱直徑分別達到 8. 0 m 及 8. 3 m; 還 生產(chǎn)出了高水頭轉漿式單機容量為 20 萬 kW 同類 型中的最大機組以及轉輪直徑 11. 3 m, 單機為 70 萬 kW 的混流式葛洲壩、三峽水電站機組。中國已 投運各類水輪機之最。90 年代以來更有一些大型水電機組在中標, 敘 利亞迪斯林軸流轉漿式水輪機( 10. 7 萬 kW 6, 轉 輪直徑 7. 5 m) 業(yè)已通過模型驗收試驗及廠內(nèi)預裝 試驗

13、; 伊朗卡輪工擴建項目( 25 萬 kW 4) 也已通過 類似的模型驗收試驗。中國水輪機行業(yè)在轉輪幾何型線水力設計方 面, 一元、二元及準三元 CAD 系統(tǒng)已在混流式轉輪 設計中應用, 在軸流式轉輪設計中則開發(fā)了奇點分 布法 CAD 系統(tǒng)。在流動分析和性能預估方面, 開發(fā) 了三維粘性流場的分析方法, 并將轉輪壓力脈動特 性的預測等問題也納入了研究的范圍之內(nèi) 。在水輪機制造方面, 改變了過去一直采用鑄造 后用立體樣板對葉片型面進行測量并據(jù)此進行鏟磨 的制造工藝。目前采用熱壓成型及數(shù)控加工葉片的 工藝, 再輔以數(shù)字顯示三坐標測量裝置進行測量, 在 轉輪焊接方面采用氣體保護焊, 同時對焊材的選擇 進

14、行大量的試驗研究。目前中國在水輪機行業(yè) 50 多年當中, 在大型混 流式和軸流式機組的許多方面諸如單機容量已達到 或接近世界水平。見圖 8、圖 9。二、現(xiàn)代水輪機發(fā)展的主要績效隨著科學技術的發(fā)展和新學科邊緣學科交叉學 科的誕生, 計算機的應用、水輪機技術得到了進一步的完善發(fā)展, 并取得了卓著績效。具體體現(xiàn)在以下 4 個方面當前, 特別在近 10 a 來, 水輪機制造業(yè)都在不 斷提高水輪機效率上下功夫, 無論是其最高效率和 平均效率都有了新的突破。模型水輪機最高效率已 達到 94. 9%, 10 a 內(nèi)幾乎提高了 2% 。流體動力計算技術和計算機技術的結合, 水輪 機模型加工, 試驗中的高技術,

15、 水輪機真機上新材料 新工藝的應用。當代水輪機流體動力學計算技術從解歐拉方程 發(fā)展到解 N- S 方程, 從不考慮粘性到考慮粘性, 從 解定常流到解不定常流, 從計算單個部件到全流道 模擬, 一大批先進的數(shù)據(jù)庫軟件, 如 I - DEAS、 TASCFLOW、ROWT RAN 以及ANSYS 成功用于水 輪機水力設計。采用水輪機轉輪水力設計 CAD、CFD( 計算流 體動力學分析) , 流動分析結果處理, 轉輪葉片間葉 道漩渦結果分析, 全流道模擬計算, 性能預估精度和 速度的提高技術, 優(yōu)化目標函數(shù)損失最小, 效率最高 才得以實現(xiàn)。水輪機向著大容量的方向發(fā)展, 機組運行的可 靠性越來越受到大

16、家的重視。壓力脈動、空蝕與磨 損、材料機械與化學性能都會直接影響機組的可靠 性指標。方案, 諸如: 混流式水輪機采用新型的 X 形葉 片, 改善非設計工況下運行穩(wěn)定性, 提高運行可靠 性; 全三維粘性流動分析, 提高分析精度, 改善葉 片背面壓力分布, 改善局部空化性能, 以延長大修周 期和使用壽命; 成功設計了高效率、低單位轉速、 大流量轉輪, 降低轉輪內(nèi)的流速( 從 40 50 m/ s 下 降到 36 m/ s 以下) , 改善水輪機抗磨損能力延長大 修周期和使用壽命。 過流部件易磨損部位抗磨蝕 表面處理采用了新工藝, 等離子滲氮抗磨層, 金屬 陶瓷噴焊層, 優(yōu)質抗磨不銹鋼( 12Cr1

17、8Ni9Ni) 堆焊層 等等; 提高材質, 嚴格控制內(nèi)部缺陷( 夾渣、裂紋) , 采用鋼板模壓葉片等新工藝。 控制加工質量, 以 減少水力、機械不平衡力、殘余應力; 采用新工藝, 新材料, 新結構, 控制三漏( 漏水、漏油、漏氣) 提高可 用率。 提高大部件剛度、強度; 機組整機動力特 性軸系穩(wěn)定計算, 嚴格避免共振; 考慮交變荷載 ( 動應力) , 加工殘余應力及常規(guī)應力( 水壓力、離心 應力) 的疲勞破壞計算。 利用斷裂力學預測設備 使用壽命技術研究取得很大進展。 無損探傷, 高 精度測試技術, 電站機組運行在線監(jiān)測、事故診斷技 術也同步發(fā)展。提高比轉速 ns, 縮小水輪機轉輪直徑, 提高

18、發(fā) 電機組轉速, 減小機組尺寸, 提高大部件剛度, 強度 計算的準確性, 允許應力可適當提高( 減輕機組重量 20% ) 簡化部件結構, 減少加工工作量, 采用新工藝, 新技術減少工序和工裝來降低成本。近年來, 環(huán)境友好也是水輪機技術發(fā)展的方向 之一, 嚴格控制三漏, 防止對河水等污染, 改善外觀 設計, 減少噪聲; 適應水利工程防洪、灌溉、航運等要 求, 擴大水輪機穩(wěn)定運行范圍。反擊式水輪機的工作原理是，在一個圓錐形筒的下端焊接兩個或更多個出水曲管，圓錐形筒可繞中心豎直軸自由轉動、往筒里灌水，水從下端曲管中流出時產(chǎn)生沿水流方向的加速度，根據(jù)牛頓第三定律，水以相反方向的力作用于曲管上。這樣，圓

19、筒在水流的反作用力作用下，繞豎直軸轉動，直到筒中的水流盡為止。這個現(xiàn)象也可以根據(jù)動量守恒定律來解釋。配圖中是水輪機模型轉動時的閃光照片。反擊式水輪機可分為混流式、軸流式、斜流式和貫流式。軸流式、貫流式和斜流式水輪機按其結構還可分為定槳式和轉槳式。各種類型的反擊式水輪機都設有進水裝置，大、中型立軸反擊式水輪機的進水裝置一般由蝸殼、固定導葉和活動導葉組成。蝸殼的作用是把水流均勻分布到轉輪周圍。(1) 當水頭在40米以下時，水輪機的蝸殼常用鋼筋混凝土在現(xiàn)場澆注而成；(2) 水頭高于40米時，則常采用拼焊或整鑄的金屬蝸殼。反擊式水輪機都設有尾水管，其作用是：回收轉輪出口處水流的動能；把水流排向下游；當

20、轉輪的安裝位置高于下游水位時，將此位能轉化為壓力能予以回收。對于低水頭大流量的水輪機，轉輪的出口動能相對較大，尾水管的回收性能對水輪機的效率有顯著影響。三、水輪機的應用方向水輪機的本體由水輪機轉輪、水輪機座環(huán)、水輪機蝸殼和水輪機主軸組成。除此以外，根據(jù)型號的不同，還配有附屬裝置和部件。不同型式的水輪機，其結構和適用范圍不甚相同。水輪機及輔機是重要的水電設備是水力發(fā)電行業(yè)必不可少的組成部分，是充分利用清潔可再生能源實現(xiàn)節(jié)能減排、減少環(huán)境污染的重要設備，其技術發(fā)展與我國水電行業(yè)的發(fā)展規(guī)模相適應。在我國電力需求的強力拉動下，我國水輪機及輔機制造行業(yè)進入快速發(fā)展期，其經(jīng)濟規(guī)模及技術水平都有顯著提高，我

21、國水輪機制造技術已達世界先進水平。水輪機按工作原理可分為沖擊式水輪機和反擊式水輪機兩大類。沖擊式水輪機的轉輪受到水流的沖擊而旋轉，工作過程中水流的壓力不變，主要是動能的轉換；反擊式水輪機的轉輪在水中受到水流的反作用力而旋轉，工作過程中水流的壓力能和動能均有改變，但主要是壓力能的轉換。四、現(xiàn)代水輪機研究熱點水輪機動態(tài)性能的研究。動態(tài)性能研究達 到了很高水平, 大部分的靜態(tài)工況效率已達到了極 限的數(shù)值。但對大型水輪機在非設計工況下壓力脈 動的減弱, 失速喘振的減弱、消除等一些問題的理論 認識不是十分清楚, 需要應用綜合學科研究, 要以新 的設計理論和思想, 新的分析和計算方法, 發(fā)展對其 動態(tài)的實

22、驗和模擬、結構和動態(tài)強度分析。數(shù)值模擬實驗系統(tǒng)建立。水流在水輪機的 轉輪區(qū)域流動非常復雜, 是三維非等常湍流, 其內(nèi)部流動涉及到各部件流動的相互作用, 還涉及到可能 發(fā)生的漩渦和脫流, 故對其內(nèi)部真實流動的數(shù)值模 擬要作以研究, 并進行全部性能的預測。最終完成 其數(shù)值模擬系統(tǒng)的建立。內(nèi)部空化和多相流動的研究。流體機械普 遍存在多相流動現(xiàn)象。水輪機在某些情況下會出現(xiàn) 空化和空蝕, 空化流動、泥沙的流動都可以看作是一 種多相流動。未來對其模型需要進一步完善空化和 多相流動的數(shù)值計算和實驗的進展, 并能對導致水 輪機在空化和多相流動工況下性能的準確預測。新型水輪機的研究。隨著其他學科的發(fā)展 和航天工程、生物醫(yī)學工程、海洋工程、新能源工程 的研究發(fā)展, 新型和微型水輪機會進一步的提出和 誕生, 同時對非牛頓流體、高粘性流體水輪機研究會 不斷深入。對目前存在問題的研究。諸如: 關于預估壓力脈動的脈動頻率和振 幅; 避免誘發(fā)水力機械、水工建筑物、引水系統(tǒng)及 電力系統(tǒng)共振; 模型水輪機與原型水輪機壓力的 脈動頻率幅值的換算關系; 壓力脈動波幅取值的 方法