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水轮机的当前技术进展与未来方向

作者:原创论文网 时间:2018-07-26 15:01 加入收藏

摘要

  水轮机是一类可将水能转换为机械功的流体机械, 依照作用原理可分为反击式水轮机与冲击式水轮机。同时利用水流动能与势能进行能量转换的水轮机被称为反击式水轮机, 而仅利用水流动能的水轮机则为冲击式水轮机。反击式水轮机分为混流式、轴流式、斜流式与贯流式;冲击式水轮机可分为水斗式、双击式及斜击式。

水轮机的当前技术进展与未来方向

  1、水轮机的当前技术进展

  1.1、混流式水轮机的当前技术进展

  混流式水轮机通常应用于30~700m的水头, 由于其最高效率及满负荷工况下效率较高, 空化系数较小, 结构简易、运行可靠, 因此在我国应用最为广泛, 单机容量也最高[1]。

  我国目前已可设计并制造直径超过10m的水轮机转轮及成套设备, 我国向家坝地区应用的水轮机单机容量也已超过800MW, 1000MW级别水轮机正在研制过程中。

  1.2、轴流式水轮机的当前技术进展

  轴流式水轮机由轮毂与桨叶构成, 叶片数通常为4~6, 在水头较低时可采用3叶片, 水头较高时可采用8叶片。轴流式水轮机可分为转桨式与定桨式, 转桨式轴流水轮机的桨叶相对于轮毂可进行转动, 通常以转桨式代表轴流式水轮机。轴流式水轮机通常可应用于3~80m水头。

  由于轴流式水轮机叶片数较少, 因此其过流能力通常大于混流式水轮机。其桨叶相对轮毂可进行转动, 可依据具体需求进行调整。相比于混流式水轮机, 其稳定性与工况适应性更为宽广。但也由于其结构复杂, 受到轮毂密封及强度等因素限制, 再加上其较差的空化性能, 限制了其使用水头的提高[2]。

  自2000年后, 我国独立研制的乐滩电站轴流式水轮机, 转轮直径达10.4m, 单机出力可达150MW, 是世界上五叶片转轮直径最大的轴流转桨式水轮机。目前我国轴流式水轮机的最高效率已超过93%。

  1.3、贯流式水轮机的当前技术进展

  贯流式水轮机的转轮结构与轴流式水轮机相同, 但区别在于, 贯流式水轮机通常为横轴或以接近横轴的姿态进行布置, 不配备蜗壳, 导叶采用空间导叶, 尾水管采用直锥管。贯流式水轮机通常采用3~5叶片, 使用水头通常小于25m, 性能与轴流式水轮机相似, 但过流能力更大, 同时空化性能也更差, 低水头条件下则具备更多优势。

  贯流式水轮机通常可分为竖井贯流式水轮机、轴伸贯流式水轮机与灯泡贯流式水轮机。前二者通常用于低水头小型水电站, 灯泡式则为应用最广的贯流式水轮机[3]。

  近年来的贯流式水轮机制造技术已得到了跨越式发展, 2009年为巴西基诺水电站开发的贯流式机组出力可达75MW, 直径达到7.9m。贯流式水轮机的最高效率也已超过93%。

  1.4、冲击式水轮机的当前技术进展

  冲击式水轮机由转轮与喷嘴组成, 依照结构可分为水斗式、斜击式与双击式等。斜击式与双击式通常为小型水轮机。水斗式为应用最广泛的冲击式水轮机, 一般应用于300~1700m水头, 水斗数为20个左右。

  相比于高水头混流式水轮机, 冲击式水轮机有以下特点:结构简易、尾水在大气中, 安装高程较高, 厂房开挖量较小, 空化磨损较轻, 便于维修, 并可采用折向器与喷针双重调节方式。其最高效率略低于混流式水轮机, 但是效率随负荷变化曲线平坦, 该机型适合于高水头小流量的电站[4]。

  我国目前最大的冲击式水轮机为金窝电站的冲击式水轮机, 出力可达160MW, 具有21个水斗。冲击式水轮机的最高效率目前已超过91.5%。

  1.5、水泵水轮机的当前技术进展

  水泵水轮机是一类特殊的水轮机, 转轮在正向旋转时可用作水轮机, 将水能转换为机械功输出;转轮在反向旋转时可用作水泵, 将机械功转换为水能。水泵水轮机是抽水蓄能电站的主要动力装置。

  水泵水轮机的适用水头与反击式水轮机基本一致, 但是其通流部件的结构则与水轮机有所不同。通常为满足水泵与水轮机两种工况下的工作要求, 水泵水轮机的尺寸要比相同水头及容量的水轮机更大。水泵水轮机也可分为混流式、轴流式、贯流式等。混流式水轮机结构简单, 应用的水头范围宽广, 应用也最为广泛[5]。

  相比于混流式水轮机, 混流式水泵水轮机叶片数量更少, 通常为7片或9片, 叶片包角更大, 通常在100°以上, 形状更接近于水泵, 适用水头为100~600m。随着目前的技术进展, 单级混流式水泵水轮机的最高适用水头已经接近800m。目前水泵水轮机的最高效率约在91.5~92%左右。

  2、水轮机的技术发展方向

  2.1、混流式水轮机的技术发展方向

  混流式水轮机是目前为水轮机中应用最广泛的机型, 堪称水轮机研究、设计、制造水平的标准及代表机型。高效率、大容量的混流式水轮机是当前的重要发展方向。由于其容量主要取决于水轮机尺寸、水头以及过流能力, 而其过流能力又与有着水头密切关系, 受到水头的制约与影响。因此, 水轮机的容量实质上取决于水轮机尺寸与水头。过去主要通过增大水轮机尺寸来增加整机容量, 但尺寸的增加会受到电站布置、机组刚度、制造及运输等条件的限制。目前将主要通过增加水头来提升水轮机的容量。

  混流式水轮机在向高效率、大容量目标发展的同时, 对整机的可靠性、稳定性、安全性等提出了更高的要求, 为此应展开整机的优化研究, 利用CFD技术在水轮机水力设计中的应用, 并结合模型经验, 分析其通流部件内的水流状态, 对其几何型线进行优化, 全面提升其各项性能。

  2.2、轴流式水轮机的技术发展方向

  轴流式水轮机的应用广泛程度仅次于混流式水轮机, 由于其转轮的轮毂与叶片是装配式的, 因此轴流式水轮机的尺寸在相同的运输条件下可制成更大尺寸。轴流式水轮机的当前发展目标是高水头、大容量与环保方向, 在提高效率与过流能力的同时, 需同时重点解决强度问题与空化问题。轴流式水轮机的桨叶漏油是一项重要的环境指标, 研究可靠的密封措施或驱动方案, 用以杜绝桨叶漏油现象。

  2.3、贯流式水轮机的技术发展方向

  贯流式水轮机在20m以下的低水头电站中应用广泛, 同时也是海洋潮汐电站的首要选择。目前重点向大容量方向发展, 逐步实现其标准化, 并降低其成本, 用以实现批量生产。以用于潮汐电站的贯流式水轮机应注重对海洋条件下的使用环境研究, 如材料的防腐、防盐、防海洋生物等。

  2.4、冲击式水轮机的技术发展方向

  冲击式水轮机在高水头电站领域应用广泛, 过去长期应用于中小水轮机, 随着水电的深入开发, 其大容量化也势在必得。冲击式水轮机的发展方向是高水头、多喷嘴、巨型化。与此同时注重效率提升, 提高水力性能, 提高比转速, 增强耐久性, 同时防止射流干扰也是重要研究领域。

  2.5、水泵水轮机的技术发展方向

  水泵水轮机目前正向高转速、高性能、高稳定性的方向发展, 需重点解决以下问题[6]:

  (1) 水泵与水轮机的匹配:由于要求机组可正反两方向旋转, 设计则需要考虑水泵与水轮机两大工况相匹配的问题, 设计难度较高, 且更为复杂。

  (2) 水泵水轮机的稳定性与可靠性:水泵水轮机的转速与水头均较高, 并且启停频繁, 过渡过程较为复杂, 容易经受交变应力。因此在设计开发过程中, 应重点考虑其稳定性与可靠性。

  (3) 密封材料与球阀设计:水泵水轮机中的水流有两个方向, 其转动方向也有两个, 会对其材料密封与球阀设计带来一定问题, 需作为关键研究对象。

  3、结论

  水轮机的总体发展目标是大型化、专业化、现代化及简约化, 需在保证产品可靠的基础上, 保证其产品性能, 并针对各类水轮机的性能及应用条件差别, 进行分门别类, “对症下药”地制定其未来发展的目标及具体措施。

  参考文献
  [1]唐澍, 潘罗平.大型混流式水轮机的应用现状与技术发展[J].水利水电技术, 2009, 40 (08) :108-112.
  [2]李定芳, 易蘩, 张爱民.国内轴流转浆式水轮机改造现状[J].中国城市经济, 2011 (30) :231.
  [3]刘全慧.贯流式水轮机的应用与技术发展[J].科技创新与应用, 2012 (23) :113.
  [4]张征骥.冲击式水轮机发展概况与新技术[J].大电机技术, 2017 (04) :1-6.
  [5]刘旭阳, 王玲花.可逆式水泵水轮机研究现状综述[J].水电与新能源, 2016 (06) :39-41.
  [6]赵万勇, 马达, 曾玲.抽水蓄能电站可逆式水泵水轮机发展现状与展望[J].甘肃科学学报, 2012, 24 (02) :101-103.
  [7]伍赛特.动力机械特性对比及应用研究[J].内燃机与配件, 2018 (09) :80-81.

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