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水轮机发展现状与研究方向综述 能源与动力工程2班 摘要：水轮机是实现流体功和能转换的流体机械，是水电站的主要设备之一。它的性能优劣，结构完善与否，直接涉及到水电事业的发展程度。通过对水轮机的学习，认识到了我国水轮机制造和水电站建设的概括，了解了水轮机主要研究和开发的方向，性能要求以及结构工艺的进展。关键词：水轮机 发展现状 结构性能 研究方向引言 我国可供开发的水利资源很大，年发电量居世界首位。至2016年，全国水电总装机容量也保持世界第一，作为一种获取廉价电力的能源，水力发电的优点众多。而水轮机作为水力发电站核心设备，更是主要研究对象。水轮机是把水流的能量转换为旋转机械能的动力机械。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。现如今现代水轮机已经发展了近百年，已经日趋完善。它的发展现状应该我们关心的重要问题，通过对它的了解，掌握它未来的研究方向。一 历史发展 水轮机系由古代的水轮或水车演变而来。 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。 1751 1755 年间俄国彼德堡院士欧拉, 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。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。二 现代水轮机水轮机制造行业进入快速发展期，其经济规模及技术水平都有显著提高， 水轮机按工作原理可分为冲击式水轮机和反击式水轮机两大类。冲击式水轮机的转轮受到水流的冲击而旋转，工作过程中水流的压力不变，主要是动能的转换；反击式水轮机的转轮在水中受到水流的反作用力而旋转。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%, 10 a 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、ROWT RAN 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 性指标三 技术现状1.反击式水轮机：（1）各种类型的反击式水轮机都设有进水装置，大、中型立轴反击式水轮机的进水装置一般由蜗壳、固定导叶和活动导叶组成。蜗壳的作用是把水流均匀分布到转轮周围。反击式水轮机都设有尾水管，其作用是：回收转轮出口处水流的动能；把水流排向下游；当转轮的安装位置高于下游水位时，将此位能转化为压力能予以回收。（2）轴流式水轮机适用于较低水头的电站。在相同水头下，其比转数较混流式水轮机为高。轴流定桨式水轮机的叶片固定在转轮体上。一般安装高度在3-50m。，叶片安放角不能在运行中改变，结构简单，效率较低，适用于负荷变化小或可以用调整机组运行台数来适应负荷变化的电站。其转轮叶片一般由装在转轮体内的油压接力器操作，可按水头和负荷变化作相应转动，以保持活动导叶转角和叶片转角间的最优配合，从而提高平均效率，这类水轮机的最高效率有的已超过94%。典型例子就是葛洲坝。（3）贯流式水轮机的导叶和转轮间的水流基本上无变向流动，加上采用直锥形尾水管，排流不必在尾水管中转弯，所以效率高，过流能力大，比转数高，特别适用于水头为320米的低水头小型河床电站。这种水轮机有多种结构，使用最多的是灯泡式水轮机。（4）混流式水轮机是世界上使用最广泛的一种水轮机，与轴流转桨式相比，其结构较简单，运行稳定，最高效率也比轴流式的高，但在水头和负荷变化大时，平均效率比轴流转桨式的低，这类水轮机的最高效率有的已超过95%。混流式水轮机适用的水头范围很宽，为5700米，但采用最多的是40300米。（5）斜流式水轮机叶片倾斜的装在转轮体上，随着水头和负荷的变化，转轮体内的油压接力器操作叶片绕其轴线相应转动。它的最高效率稍低于混流式水轮机，但平均效率大大高于混流式水轮机；与轴流转桨水轮机相比，抗气蚀性能较好，飞逸转速较低，适用于40120米水头。由于斜流式水轮机结构复杂、造价高，一般只在不宜使用混流式或轴流式水轮机，或不够理想时才采用。2.冲击式水轮机（1）理论分析证明，当水斗节圆处的圆周速度约为射流速度的一半时，效率最高。冲击式水轮机在负荷发生变化时，转轮的进水速度方向不变，加之这类水轮机都用于高水头电站，水头变化相对较小，速度变化不大，因而效率受负荷变化的影响较小，效率曲线比较平缓，最高效率超过91%。（2）水斗式水轮机是目前冲击式水轮机中应用最广泛的一种机型。其应用水头一般为300-2000m，目前最高应用水头已达到1771.3m。（3）斜击式水轮机主要工作部件和切击式水轮机基本相同，只是工作射流与转轮进口平面呈某一角度，射流斜着射向转轮。斜击式水轮机适用于水头在35-350m、轴功率为10-500kW、比转速为18-45的中小型水电站。（4）双击式水轮机水流先从转轮外周进入部分叶片流道，消耗了大约70%-80%的动能，然后离开叶道，穿过转轮中心部分的空间，又一次进入转轮另一部分叶道消耗余下大约20%-30%的动能。这种水轮机效率低，一般适用于H60m，N150kW的小型水电站。四 研究方向水轮机及辅机是重要的水电设备是水力发电行业必不可少的组成部分，是充分利用清洁可再生能源实现节能减排、减少环境污染的重要设备，其技术发展与我国水电行业的发展规模相适应。（1）水轮机动态性能的研究。动态性能研究达到了很高水平,大部分的静态工况效率已达到了极限的数值。但对大型水轮机在非设计工况下压力脉 动的减弱,失速喘振的减弱、消除等一些问题的理论认识不是十分清楚, 需要应用综合学科研究, 要以新的设计理论和思想,新的分析和计算方法,发展对其动态的实验和模拟、结构和动态强度分析。 （2） 数值模拟实验系统建立。水流在水轮机的转轮区域流动非常复杂, 是三维非等常湍流, 其内部流动涉及到各部件流动的相互作用, 还涉及到可能发生的漩涡和脱流, 故对其内部真实流动的数值模拟要作以研究, 并进行全部性能的预测。最终完成其数值模拟系统的建立。 （3） 内部空化和多相流动的研究。流体机械普遍存在多相流动现象。水轮机在某些情况下会出现空化和空蚀,空化流动、泥沙的流动都可以看作是一 种多相流动。未来对其模型需要进一步完善空化和多相流动的数值计算和实验的进展, 并能对导致水轮机在空化和多相流动工况下性能的准确预测。 （4）新型水轮机的研究。随着其他学科的发展和航天工程、生物医学工程、海洋工程、新能源工程的研究发展, 新型和微型水轮机会进一步的提出和诞生, 同时对非牛顿流体、高粘性流体水轮机研究会不断深入。对目前存在问题的研究。诸如: 关于预估压力脉动的脉动频率和振幅; 避免诱发水力机械、水工建筑物、引水系统及 电力系统共振; 模型水轮机与原型水轮机压力的 脉动频率幅值的换算关系; 压力脉动波幅取值的方法, 标准以及更有效的减小压力脉动的措施等, 有待今后深入研究解决。五 结论综上所述，现有基础虽然满足水电站的需要，但是水轮机制造业还