水轮机发展现状

水轮机技术发展现状与应用热点

罗光钊

（学号：1404440226 学院：能动学院）

指导老师：李琪飞

我国可供开发的水利资源达3.78×10的5次方MW，年发电量居世界首位。到1990年底，全国水电总装机容量为36045.5MW，作为一种获取廉价电力的能源，水力发电的优缺点如下表所示。

在引进技术，采用国际标准，扩大外贸，提高产品质量的方面，取得了显著的成绩。目前，国内生产厂已经有能力按现代标准书设计各种水头和直径的混流式和轴流式水轮机。

水轮机是把水流的能量转换为旋转机械能的动力机械，它属于流体机械中的透平机械。早在公元前100年前后，中国就出现了水轮机的雏形——水轮，用于提灌和驱动粮食加工器械。现代水轮机则大多数安装在水电站内，用来驱动发电机发电。在水电站中，上游水库中的水经引水管引向水轮机，推动水轮机转轮旋转，带动发电机发电。作完功的水则通过尾水管道排向下游。水头越高、流量越大，水轮机的输出功率也就越大。

一、水轮机的历史发展

人类利用自然力量的初步偿试是家畜, 尔后是水力机械。远在几千年前, 人们就注意到利用高山瀑布、河川、湖泊水流中蕴藏的能量来代替人力作功。追溯到公元前几世纪, 在中国、印度、埃及等地的人们已经利用水车灌溉, 带动水磨、水碾、水碓进行粮食加工[ 4~ 5]。继之公元二世纪在欧洲罗马运河上大量使用。物原上记载: 后稷作水碓, 利于踏碓百倍。晋杜预作连机之碓, 驱水转之。

15 世纪中叶到 18 世纪末 , 水力学理论开始有了发展, 又随着工业的进步, 对水力原动机提出了功率更大、转速更快、效率更高的改造要求。

1745 年英国学者巴克斯, 1750 年匈亚利的辛格聂尔分别提出了一种依靠水流反作用力工作的水动压能机其效率只有 50% 左右。见图 2。

1751 ~ 1755 年间俄国彼德堡院士欧拉( Eu-Ler) , 分析了水动压能机的工作过程, 建立了力矩, 转速和水流作用力等参数之间的方程式( 水轮机基本方程式) , 并依此所制造出的另一种原动机后被称为反击式的水轮机, 其效率仍然不高。见图 3。

1824 年法国学者勃尔金在上述基础上作了弯板叶道转轮的水轮机改进, 但效率仍低于 65% 。

1827~ 1834 年由其学生富聂隆和俄国人萨富可夫分别提出导叶不动的离心式水轮机, 效率可达70% 。

1837 年德国的韩施里, 1841 年法国的荣华里提出了圆柱形的吸水管( 尾水管) 轴向式水轮机, 可使水轮安装在下游水位以上, 但最大的缺憾是不能利用出口动能。

1847~ 1849 年美国的法兰西斯又在上述的基础上不断研究改良, 提出了向心式水轮机, 转轮置于导水机构之内, 吸水管成为圆锥形。

1917 年的匈牙利的斑克、1921 年英国的仇戈先后分别提出了双曲面水斗的冲击式水轮机; 转轮带有外轮环、叶片固定的螺浆式水轮机; 双击式水轮机和斜击式水轮机。

从 1750 年~ 1880 年的一百多年中, 水轮机从低级的结构很不完善的水轮机械发展成比较完善的近代水轮机, 这是社会生产发展和人类共同努力的结果。在这个时期主要解决的是如何加大水轮机过流量和提高水轮机效率两方面的问题。其实水轮机这一术语( 相当于俄文中的迥转器或漩涡发生器) 是法国人比尤尔登约在 1826 年首先荐用的。

随着世界矿物能开发的枯竭人们将眼光投向了水能的开发, 与此同时带动了水轮机械的发展更趋

向于提高单机容量、比转速和应用水头, 从而使水轮机进入了一个多品种、大容量的时代。

( 1) 水轮机应用水头向着较宽的范围发展, 以适应不同形式存在的水能开发。从水头2 m 到水头 1 000~ 2 000 m, 都有相应的品种。繁多品种的水轮机大体可归纳为冲击式和反击式两大类。在反击式水轮机中根据水流在转轮区域流动方向不同又分为混流式、轴流式、斜流式和贯流式以及可逆式水泵水轮机。分别适用于不同水头和流量。而每种类型的水轮机又有很多品种, 如贯流式水轮机, 它又包括有灯泡贯流、全贯流、轴伸贯流、虹吸贯流、潮汐双向贯流等等, 总起来有百种之多。

( 2) 能量特性、气蚀特性不断优化, 比转速又有较大提高。大家知道, 水轮机要同时具有良好的能量特性和空化特性以及高的比转速显然是不可能的, 这三个指标是矛盾的统一体。因此现代水轮机从设计方法、制造工艺、材料性能等多方面进行了深入研究, 寻得了合理解决的方法。随着计算机的广泛使用, 现代水轮机水力设计有了很大的发展, 改善了水力性能, 效率最高可达到 95% 左右, 同时提高了运行稳定性。20 世纪 80 年代以来计算机技术和流体力学理论的不断完善, 水轮机过流部件内部水流动力分析取得重大进展, 结合传统的经验设计与模型试验相结合的方法遴选设计方案的设计经验, 逐步形成了一套完整的现代水轮机水力设计方法。这种方法对设计方案进行数据性能预估、优化设计方案、减少模型试验的时间和费用, 为获取最佳水力模型提供了有力工具。研制出了新的叶型转轮。在水轮机叶型设计方面取得了优秀成果, 即 X 型叶片。早在 20 世纪 30 年代, KB 公司就有人提出设计一种叶片上冠进水边前倾和出水边向后扭曲的叶片。这种叶片最大的优点是能控制叶片背面压力分布不均的情况以解决叶片背面的空蚀问题。同时可减少尾水管中心涡带以改善尾水管内的压力脉动。从20 世纪60 年代初期开始, KB 公司在许多电站应用的高水头混流式水轮机上都采用了 X 型叶片。

( 3) 在制造材料和制造工艺上, 现代水轮机也有了长足的发展。从铸铁、铸钢到不锈钢, 材料的优选一方面改进了强度, 同时又改善了抗空蚀的能力。并为了减轻泥沙磨损, 采用陶瓷涂层新技术。为了提高水轮机转轮叶片的材质和型线的一致性, 减轻铲磨劳动强度采用模压叶片新技术。叶片模压后, 上冠、下环焊接坡口, 进、出水边及正、背面还采用数控加工等工艺。除此之外, 在转轮焊接和热处理技术及叶片几何型线测量技术以及微焊成型等一系列技术上都有所突破。所有这些都有力地保障了水轮机性能的提高。

中国最早利用水车、水磨、水碓等简单的水力机械代替人力做功有文字记载的是出现在汉朝, 距今有 1 900 多年。据记载, 公元 37 年( 汉光武帝建代 13 年) 在我国南阳地区就利用水排带动鼓风设备进行炼铁、铸造农具; 公元 265~ 270 年( 西晋初期武帝司马炎) 在河南地区就以水轮驱动水碓舂米。当时利用这些水力机械主要是用来加工农产品及灌溉农田。

真正意义上的中国水轮机工业始于1927 年, 当时为福建南平制造了 1 台 5 kW 的水轮机。本世纪前 50 年所生产的最大水轮机单机容量只有 200 kW。近 50 年以来, 水轮机行业共生产了 3 000 kW 以上的水轮机 33 个系列 61 个品种, 并重新整顿淘汰了 8 个系列 17 个品种, 在已建成的 100 多座大中型水电站大多数安装着自行设计生产的水轮发电机组的整套设备。中国水轮机工业经过了从小到大独立研究开发的迅速发展过程。

1952 年哈尔滨电机厂开始生产第一台 800 kW 的混流式机组, 1958 年生产了 7. 25 万 kW 的新安江机组, 1968 年和 1972 年分别研制生产了刘家峡组, 其转轮的标称直径分别达到 8. 0 m 及 8. 3 m; 还生产出了高水头转浆式单机容量为 20 万 kW 同类型中的最大机组以及转轮直径 11. 3 m, 单机为 70 万 kW 的混流式葛洲坝、三峡水电站机组。中国已投运各类水轮机之最。

90 年代以来更有一些大型水电机组在中标, 叙利亚迪斯林轴流转浆式水轮机( 10. 7 万 kW 6, 转轮直径 7. 5 m) 业已通过模型验收试验及厂内预装试验; 伊朗卡轮工扩建项目( 25 万 kW 4) 也已通过类似的模型验收试验。

中国水轮机行业在转轮几何型线水力设计方面, 一元、二元及准三元 CAD 系统已在混流式转轮设计中应用, 在轴流式转轮设计中则开发了奇点分布法 CAD 系统。在流动分析和性能预估方面, 开发了三维粘性流场的分析方法, 并将转轮压力脉动特性的预测等问题也纳入了研究的范围之内。

在水轮机制造方面, 改变了过去一直采用铸造后用立体样板对叶片型面进行测量并据此进行铲磨的制造工艺。目前采用热压成型及数控加工叶片的工艺, 再辅以数字显示三坐标测量装置进行测量, 在转轮焊接方面采用气体保护焊, 同时对焊材的选择进行大量的试验研究。

目前中国在水轮机行业 50 多年当中, 在大型混流式和轴流式机组的许多方面诸如单机容量已达到或接近世界水平。见图 8、图 9。

二、现代水轮机发展的主要绩效

随着科学技术的发展和新学科边缘学科交叉学科的诞生, 计算机的应用、水轮机技术得到了进一步的完善发展, 并取得了卓著绩效。具体体现在以下 4 个方面当前, 特别在近 10 a 来, 水轮机制造业都在不断提高水轮机效率上下功夫, 无论是