水轮机技术进展与发展趋势

水轮机作为水电能源开发的核心机械装备,其性能的优劣决定了水电能源的开发利用率。在现代科技进步的推动下,水轮机技术也取得了长足发展。我国水轮机技术的发展经历了引进、吸收、消化和再创造的过程,特别是近20年的快速发展使我国水轮机技术总体上达到国际先进水平。本文在全面综合国内外水轮机领域研究成果的基础上,以近20年来水轮机技术领域所取得的主要研究进展为重点,分水轮机水动力学基础、水轮机过流部件的优化设计理论及新型水轮机研制三部分对水轮机技术进展进行了综述,探讨了部分研究领域中存在的问题,并对水轮机技术的发展趋势进行了总结和展望。     

特约文章：水轮机技术进展与发展趋势

水轮机作为水电能源开发的核心机械装备,其性能的优劣决定了水电能源的开发利用率。在现代科技进步的推动下,水轮机技术也取得了长足发展。我国水轮机技术的发展经历了引进、吸收、消化和再创造的过程,特别是近20年的快速发展使我国水轮机技术总体上达到国际先进水平。本文在全面综合国内外水轮机领域研究成果的基础上,以近20年来水轮机技术领域所取得的主要研究进展为重点,分水轮机水动力学基础、水轮机过流部件的优化设计理论及新型水轮机研制三部分对水轮机技术进展进行了综述,探讨了部分研究领域中存在的问题,并对水轮机技术的发展趋势进行了总结和展望。     

冲击式水轮机技术进展与发展趋势

与反击式水轮机相比,冲击式水轮机有着应用水头高和高效率工况范围宽的优点,是开发高水头水电能源的核心装备。然而,冲击式水轮机内部为开放式、多相非稳态流场,存在多种流动状态转换以及多部件相互匹配的复杂流动特性,影响着水轮机性能的好坏,进而决定着高水头水电能源的开发利用率。可视化试验技术、计算流体力学、有限元法和人工智能优化设计算法的快速发展加速了冲击式水轮机的技术发展。我国的冲击式水轮机技术起步较晚但发展迅速,经历了从无到有、自主设计和提升改进3个阶段,特别是近20年我国冲击式水轮机技术取得了突破性进展。本文在全面综合国内外冲击式水轮机领域研究成果的基础上,以近20年来冲击式水轮机技术的主要研究进展为重点,从水轮机内部流动特性、泥沙磨蚀研究、失效分析研究及优化设计理论等4个部分对冲击式水轮机技术进展进行了综述,探讨了冲击式水轮机性能分析和优化设计中存在的一些问题,并对冲击式水轮机技术的发展趋势进行了总结和展望。     

户用微型轴伸贯流式水轮机优化

目前,我国微型水轮机设计普遍处于利用中小型水轮机模型换算的阶段,由于比尺效应的影响,换算过来的水轮机与原始水轮机性能相差较大。本文运用CFD技术,基于RNG k-ε双方程湍流模型和三维时均N-S方程,对某户用微型轴伸贯流式水轮机进行了三维全流道流场数值模拟,找出了主要水力损失部位。并通过对转轮叶片及导叶进行修形和改变轴伸形式等方法对原始水轮机进行优化。优化后的水轮机与原始水轮机相比,流场得到明显改善、效率较原始水轮机提升了22.7%。     

水轮机转轮裂纹的原因及预防措施

笔者结合近年来水轮机转轮叶片发生的裂纹事件,分别阐述了混流式水轮机、轴流式水轮机、冲击式水轮机和贯流式水轮机的转轮叶片发生裂纹的主要原因,尤其对混流式水轮机转轮产生裂纹的原因从水力方面、设计方面、铸造缺陷、制造工艺、运行工况及共振等多因素综合作用进行了探讨,并通过实例分析,提出了裂纹处理和预防措施。     

中国水轮机调速器行业技术发展综述

概述了水轮机调速器的分类,回顾了中国水轮机调速器技术发展的历史沿革,分析了当前中国水轮机调速器的技术现状和存在的问题,基于国内智能电网建设的要求,指出了未来几年内中国水轮机调速器发展的趋势和方向。     

水轮机结构设计的发展

本文总结了我厂(公司)水轮机结构设计的发展历程。主要介绍了大型混流式水轮机、大型轴流式水轮机、贯流式水轮机、水泵水轮机及水轮机进水阀门的结构设计。文中还介绍了公司通过消化吸收国外厂家的先进技术,以及近年来所采用的水轮机新结构。     

应用型“水轮机”课程教学改革探索

建设应用型"水轮机"课程是培养热能与动力工程专业(水动方向)应用型人才的重要环节。分析了水轮机技术的发展,指出了"水轮机"课程内容改革的方法。针对"水轮机"课程的特点,提出了加强水轮机实验室建设、重视课程设计和毕业设计对学生能力的培养、采用多种教学手段建设应用型"水轮机"课程体系的具体措施。     

水轮机抗泥沙磨损技术分析

为了解决水电站水轮机泥沙磨损的问题,笔者根据国内外科研人员在水轮机抗泥沙磨损技术研究成果,分析了影响水轮机泥沙磨损的因素,提出了在水轮机抗泥沙磨蚀的设计制造,以及表面防护技术方面采取的措施,即水轮机选型、水力设计、结构设计和加工制造,以及焊条堆焊技术、环氧金刚砂涂层技术、聚氨酯涂层技术和高速燃氧碳化钨涂层技术。实践表明,水轮机泥沙磨损同泥沙的含量、泥沙颗粒属性、水轮机材料、水流的速度及流态等因素有关。水轮机设计时应选用较低的比转速和水流速度,并根据水轮机机型及水头范围选择相应的防护涂层技术。     

水斗式水轮机模型试验与相似理论

本文对水斗式水轮机模型试验、数据整理、综合特性曲线以及相似理论与水斗式水轮机之间的关系等提出了新的认识。提出了对水斗式水轮机宏观控制参数的设计思想,并对水斗式水轮机性能和规律进行了分析探讨。建议比转速应为直径比所取代,并启用水斗式水轮机新铭牌。本文还对水斗式水轮机模型试验的前景作了历史的展望。     

阻力型水平轴水轮机水动力及尾流特性分析

水轮机是水能利用与水力发电的核心技术装备。传统的升力型水平轴水轮机需满足一定流速条件才可获得既定的效率,因此该型水轮机并不适用于流速较低的区域。为了拓展水平轴水轮机的适用范围,依据阿基米德螺旋线原理,设计了两种具有不同旋叶倾角的新型阻力型水平轴水轮机,并采用计算流体力学方法对二者的水动力及尾流特性进行了三维数值模拟研究。结果表明,变角水轮机在尖速比为0.5～2.0的范围内具有更高的功率系数,且其峰值功率系数相比定角水轮机提升了16%。此外,与一些文献中所报道的升力型水轮机在尖速比为0.5～2.0的范围内相比,变角水轮机也具有较高的功率系数。以尖速比为1.5为例,其功率系数相比至少提升了60%以上。与此同时,变角水轮机在全尖速比范围内具有更低的推力系数,但其性能波动比定角水轮机要明显。流场分析显示,两种阻力型水平轴水轮机的后方均出现了呈环状螺旋形的叶尖涡带和呈条状的毂涡带,而变角水轮机的叶尖涡带和毂涡带的连续性更强,向下游发展的轨迹也更长。此外,变角水轮机的尾流恢复比定角水轮机更快。研究结果揭示了阻力型水平轴水轮机的水动力及尾流特性,为其优化设计和推广应用提供了一定的参考依据。     

中小型水轮机的合理选型

本文分析了我国过去中小型水轮机选型偏重于通用性和低价,未充分考虑发电效益,使用性能落后的转轮,甚至不合理地套用某一机型,致使水轮机长期偏离最优工况区运行,给电站造成了较大的经济损失。近年来,随着水轮机科研成果的增多,新的中小型水轮机系列型谱的建立,为中小型水轮机选型创造了条件。文章列举了我厂在国内外中小型水轮机中的合理选型以及由此带来的经济效益。     

适用于电力系统稳定分析的冲击式水轮机调节系统动态模型

为了研究冲击式水轮机接入电力系统的稳定性,建立了一种冲击式水轮机的数学模型。该模型包括考虑水轮机流量与机械功率非线性关系的水轮机解析非线性模型、引水系统弹性水击模型、喷针开度控制模型、折向器控制模型。仿真计算了其调节特性,与实测结果对比验证了所建立模型的有效性。结合云南电网的暂态过程仿真,分析了不同的冲击式水轮机及调速器模型对电力系统暂态稳定性的影响。结果表明,考虑水轮机流量与机械功率非线性关系和弹性引水系统水击的解析非线性水轮机模型能更有效模拟冲击式水轮机特性。     

灯泡混流式水轮机的研究与设计

本文将混流式水轮机的转轮应用于灯泡式机组中,介绍了这种灯泡混流式水轮机的基本原理、水力性能、水流运动规律及其过流部件的水力设计理论,并提出了这种水轮机的结构设计方法.通过分析研究,这种新型水轮机具有混流式水轮机和贯流式水轮机的优点,而避免了它们的缺点,可以在较宽的应用水头范围内替代现代应用最广的混流式水轮机,广泛使用于中小型水电站中.     

用于稳定计算的水轮机调速系统原动机模型

水轮机调速系统模型中,水轮机原动机（包括水轮机和过水系统）的强非线性对稳定计算结果有着重要影响。水轮机原动机的主要特点是强非线性以及水击,尤其在导叶开度大于50%的区间,在该区间范围内增大相同的导叶开度导致增加的功率小。通过水轮机原动机理论建模研究,并以现场试验修正理论模型,建立了适用于电力系统稳定计算的水轮机调速系统原动机模型,即“机组导叶开度与出力关系曲线加理想水轮机”的非线性模型;根据水轮机真机与模型机组的相似性,进一步提出了利用水轮机模型综合特性曲线和现场试验得出最大水头和最小水头下该曲线的方法,以满足电力系统稳定计算的不同需要。     

基于LabVIEW的水轮机效率试验系统的设计

水轮机效率是表征水轮机性能的一个重要指标,介绍了基于LabVIEW的水轮机效率试验系统的设计,详细介绍了系统结构、软件开发及用户界面。系统实现了对水轮机效率试验各数据的实时监测和后期分析处理,具有很好的实用价值。     

基于计算流体动力学的混流式水轮机性能预估

基于雷诺时均N-S方程和标准k-ε双方程湍流模型,对混流式水轮机全流道的三维定常湍流的48个工况点进行了计算。捕捉到了水轮机各过流部件内及动静部件间的流动细节和旋涡的结构与演化特征等重要流动信息。在全流道三维定常湍流计算的基础上,建立了基于N-S方程的混流式水轮机性能预估方法。预估的能量性能与试验结果相符。结果表明所提出的混流式水轮机性能预估方法应用于水轮机的水力设计和改造中,可以减少模型试验次数和缩短产品开发周期。而且此种性能预估方法不但可预估水轮机的性能,同时还可获得水轮机各过流部件内的流场信息,能从定量和定性两个方面评价水轮机的性能。     

水轮机详细模型对电力系统暂态稳定分析结果的影响

电力系统仿真研究中常采用简化的理想水轮机模型,水轮机详细模型对于电力系统暂态稳定分析结果的影响尚有待研究.文中介绍了水轮机的三种线性模型和三种非线性模型,包括基于全特性曲线的水轮机模型、水轮机内特性模型、水轮机简化解析非线性模型、基于模型综合特性曲线的水轮机线性化模型、基于水轮机内特性解析的线性化模型、理想水轮机模型.针对不同水轮机详细模型对电力系统暂态稳定分析结果的影响和适用范围进行了仿真比较分析.仿真结果表明不同的水轮机详细模型对电力系统暂态稳定分析结果的影响不大;电力系统的暂态过程对水力系统来说不一定是大扰动;不同的水轮机详细模型得出的电力系统中、长期暂态稳定仿真结果是不同的,因此在进行中、长期暂态稳定仿真分析时应采用水轮机详细模型.     

基于CFD分析的水泵水轮机活动导叶优化设计

可逆式水泵水轮机是抽水蓄能电站的关键核心部件,活动导叶又是水泵水轮机中的关键核心过流部件,活动导叶设计的水平决定着水轮机的能量指标。导叶后转轮前的区域是引起水轮机振动的关键区域,并且对水泵轮机的能量指标、水轮机工况的"S"形曲线和水泵工况的"马鞍形"曲线的形状有着极其重要影响。本文对水泵水轮机活动导叶的数目进行了详细研究,得出了其对水轮机工况"S"型、能量特性、空化特性和压力脉动特性的影响。     

水轮机压力脉动分析

水轮机压力脉动是引起水轮发电机机组振动及不稳定运行的重要因素之一,是评价水轮机水力性能的重要依据之一。文章论述和分析了几种典型的水轮机压力脉动形式及其对水轮机运行稳定性的影响,并介绍了减轻和避免压力脉动可采取的方法。