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。优点缺点它是一种不断更新的能源，取之不尽，用之不竭；没有空气污染，对水没有热污染；水能资源的开发，一般都能满足防洪，发电，灌溉，渔业，工业供水等综合利用要求；如采用适当的装置，限制水压上升，启动和带负荷的时间很短，灵活可靠，具有担负尖峰负荷的能力；设备比较简单，发热只限于轴承和电机，便于技术改造；技术成熟，效率高；可以采用水泵，水轮机蓄能。受限于自然条件，地处偏远，分布不均；远离消费中心，输电距离较长；和火电相比，初期投资较高，施工期较长；有淹没土地，城镇，道路的问题，要迁移人口赔偿费高；有的电站建成后，会使盐碱地增加，可耕地减少，或使上游沉积，下游侵蚀；有的会干扰水生物的生活习性和食物链结构；长距离输电，会增加事故机率；有气蚀，水锤等特定问题；高水头电站可能导致土地塌方或地震。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2m到水头1000~2000m,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1900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5kW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200kW。近50年以来,水轮机行业共生产了3000kW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800kW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8.0m及8.3m;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11.3m,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kW6,转轮直径7.5m)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kW4)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10a来,水轮机制造业都在不断提高水轮机效率上下功夫,无论是其最高效率和平均效率都有了新的突破。模型水轮机最高效率已达到94.9%,10a内几乎提高了2%。流体动力计算技术和计算机技术的结合,水轮机模型加工,试验中的高技术,水轮机真机上新材料新工艺的应用。当代水轮机流体动力学计算技术从解欧拉方程发展到解N-S方程,从不考虑粘性到考虑粘性,从解定常流到解不定常流,从计算单个部件到全流道模拟,一大批先进的数据库软件,如I-DEAS、TASCFLOW、ROWTRAN以及ANSYS成功用于水轮机水力设计。采用水轮机转轮水力设计CAD、CFD(计算流体动力学分析),流动分析结果处理,转轮叶片间叶道漩涡结果分析,全流道模拟计算,性能预估精度和速度的提高技术,优化目标函数损失最小,效率最高才得以实现。水轮机向着大容量的方向发展,机组运行的可靠性越来越受到大家的重视。压力脉动、空蚀与磨损、材料机械与化学性能都会直接影响机组的可靠性指标。方案,诸如:混流式水轮机采用新型的X形叶片,改善非设计工况下运行稳定性,提高运行可靠性;全三维粘性流动分析,提高分析精度,改善叶片背面压力分布,改善局部空化性能,以延长大修周期和使用寿命;成功设计了高效率、低单位转速、大流量转轮,降低转轮内的流速(从40~50m/s下降到36m/s以下),改善水轮机抗磨损能力延长大修周期和使用寿命。过流部件易磨损部位抗磨蚀表面处理采用了新工艺,等离子渗氮抗磨层,金属陶瓷喷焊层,优质抗磨不锈钢(12Cr18Ni9Ni)堆焊层等等;提高材质,严格控制内部缺陷(夹渣、裂纹),采用钢板模压叶片等新工艺。控制加工质量,以减少水力、机械不平衡力、残余应力;采用新工艺,新材料,新结构,控制三漏(漏水、漏油、漏气)提高可用率。提高大部件刚度、强度;机组整机动力特性轴系稳定计算,严格避免共振;考虑交变荷载(动应力),加工残余应力及常规应力(水压力、离心应力)的疲劳破坏计算。利用断裂力学预测设备使用寿命技术研究取得很大进展。无损探伤,高精度测试技术,电站机组运行在线监测、事故诊断技术也同步发展。提高比转速ns,缩小水轮机转轮直径,提高发电机组转速,减小机组尺寸,提高大部件刚度,强度计算的准确性,允许应力可适当提高(减轻机组重量20%)简化部件结构,减少加工工作量,采用新工艺,新技术减少工序和工装来降低成本。近年来,环境友好也是水轮机技术发展的方向之一,严格控制三漏,防止对河水等污染,改善外观设计,减少噪声;适应水利工程防洪、灌溉、航运等要求,扩大水轮机稳定运行范围。反击式水轮机的工作原理是，在一个圆锥形筒的下端焊接两个或更多个出水曲管，圆锥形筒可绕中心竖直轴自由转动、往筒里灌水，水从下端曲管中流出时产生沿水流方向的加速度，根据牛顿第三定律，水以相反方向的力作用于曲管上。这样，圆筒在水流的反作用力作用下，绕竖直轴转动，直到筒中的水流尽为止。这个现象也可以根据动量守恒定律来解释。配图中是水轮机模型转动时的闪光照片。反击式水轮机可分为混流式、轴流式、斜流式和贯流式。轴流式、贯