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 3.7810 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 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。 缺点 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 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