淺談水輪機(jī)的發(fā)展與展望

摘要：本文通過指出水輪機(jī)目前已有的類型和在水電建設(shè)中運(yùn)用時(shí)存在的一些問題，不同層次的介紹了水輪機(jī)相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，并闡述了機(jī)器人葉片修復(fù)技術(shù)的運(yùn)用對(duì)促進(jìn)相關(guān)領(lǐng)域自動(dòng)化的意義。并結(jié)合國際水電建設(shè)趨勢(shì)，簡要介紹了可逆式水泵水輪機(jī)和潮流水輪機(jī)兩種新型水輪機(jī)的發(fā)展。

關(guān)鍵詞：水輪機(jī)調(diào)節(jié)；水輪機(jī)修復(fù)；新型水輪機(jī)；發(fā)展與展望

引言

伴隨著我國水電事業(yè)的發(fā)展，以及國家政策對(duì)水電開發(fā)相關(guān)創(chuàng)新技術(shù)的大力支持，我國科研院所培養(yǎng)了一批又一批水利水電行業(yè)高端技術(shù)人才。作為水電建設(shè)的主要設(shè)備，水輪機(jī)也得到了很大程度的發(fā)展與改進(jìn)。伴隨著新一輪的水電開發(fā)熱潮，新型水輪機(jī)及相關(guān)技術(shù)的發(fā)展也孕育而出。

1.水輪機(jī)的介紹及在水電建設(shè)中的發(fā)展

水輪機(jī)是一種將水能轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)機(jī)械能的機(jī)械裝置，通過主軸帶動(dòng)發(fā)電機(jī)又將旋轉(zhuǎn)機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能。水輪機(jī)及輔機(jī)是重要的水電設(shè)備，它的性能優(yōu)劣，結(jié)構(gòu)完善與否，直接涉及到水電事業(yè)發(fā)展的程度。水輪機(jī)是水力發(fā)電行業(yè)必不可少的組成部分，是充分利用清潔可再生能源實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排、減少環(huán)境污染的重要設(shè)備，其技術(shù)發(fā)展與我國水電行業(yè)的發(fā)展規(guī)模相適應(yīng)。在我國電力需求的強(qiáng)力拉動(dòng)下，以及我國對(duì)清潔可再生能源科學(xué)開發(fā)的重視，我國水輪機(jī)及輔機(jī)制造行業(yè)進(jìn)入快速發(fā)展期，其經(jīng)濟(jì)規(guī)模及技術(shù)水平都有顯著提高，相應(yīng)的我國的水輪機(jī)制造技術(shù)也已達(dá)世界先進(jìn)水平。

水輪機(jī)類型有很多，按照其對(duì)水流能量轉(zhuǎn)換特征的不同可分為反擊式和沖擊式。針對(duì)各種不同的情況，為了更有效的利用水資源，爭取更高的效益，不同的水電站所選取的水輪機(jī)也不同。針對(duì)轉(zhuǎn)輪的布置方式不同，水輪機(jī)的裝置形式有立式和臥式兩種。而且對(duì)于同一廠家生產(chǎn)的水輪機(jī)，針對(duì)不同的水電站運(yùn)行環(huán)境，其相應(yīng)的部件尺寸也會(huì)有所改動(dòng)。這些原因極大程度的促進(jìn)了水輪機(jī)相關(guān)技術(shù)的發(fā)展。

2.水輪機(jī)相關(guān)技術(shù)的發(fā)展與展望

2.1水輪機(jī)調(diào)節(jié)技術(shù)的發(fā)展

近幾十年來，通過廣大工程技術(shù)人員的努力，我國水輪機(jī)調(diào)節(jié)技術(shù)取得了顯著的進(jìn)步，獲得了一批具有國際先進(jìn)水平的科研成果，創(chuàng)造了具有我國自己知識(shí)產(chǎn)權(quán)的微機(jī)調(diào)速器新產(chǎn)品，為水電建設(shè)提供了品種豐富、品質(zhì)優(yōu)良的水輪機(jī)控制設(shè)備，較好的滿足了迅速發(fā)展的水電建設(shè)事業(yè)的需求，有力地支持了電力工業(yè)的生產(chǎn)[1]。

2.2水輪機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定技術(shù)的發(fā)展與運(yùn)用

水輪機(jī)安全可靠的運(yùn)行能夠更好的為該水電站帶來發(fā)電效益，因此我們對(duì)水輪機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性的研究有助于水電站安全生產(chǎn)，并通過對(duì)問題的及時(shí)發(fā)現(xiàn)及時(shí)補(bǔ)救以減少檢修成本和提高檢修的效率。影響水輪機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定的因素有很多，以空化空蝕現(xiàn)象為例。

水輪機(jī)在運(yùn)行中，不可避免的會(huì)出現(xiàn)空化空蝕現(xiàn)象，隨著水輪機(jī)不斷地向大容量、高水頭、高比轉(zhuǎn)速方向發(fā)展，空化空蝕對(duì)水輪機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行的影響也越來越大。由于空化空蝕危害的嚴(yán)重性，我國相關(guān)領(lǐng)域科研機(jī)構(gòu)都進(jìn)行了大量的研究，總結(jié)了一些有效的措施。針對(duì)設(shè)計(jì)制造方面，采用合理的翼型以盡可能使葉片背面的壓力分布趨向均勻，在加工時(shí)盡量提高翼型曲線的精度和葉片表面的光潔度，以保證葉片具有平滑的流線型斷面形狀。必要時(shí)選用耐蝕、耐磨性能較好的材料[2]。針對(duì)運(yùn)行維護(hù)層次，進(jìn)行擬定合理的水電站運(yùn)行方式，盡可能避免在空蝕現(xiàn)象嚴(yán)重的工況區(qū)運(yùn)行。最后針對(duì)工程措施方面，通過選取合理的水輪機(jī)安裝高程，確保葉片流道內(nèi)最低壓力不低于汽化壓力。

2.3水輪機(jī)修復(fù)專用機(jī)器人的研究

伴隨著智能化的發(fā)展，機(jī)器人在水輪機(jī)相關(guān)部件的修復(fù)領(lǐng)域也得到了運(yùn)用。由于水輪機(jī)運(yùn)行環(huán)境及本身材質(zhì)的因素，導(dǎo)致水輪機(jī)相關(guān)部件需要經(jīng)常性的進(jìn)行修復(fù)。以水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片為例，采用人工作業(yè)不僅效率低，而且工作環(huán)境惡劣，影響工人的身體健康。另外，人工打磨后的葉片形狀很難和原設(shè)計(jì)形狀吻合，嚴(yán)重影響到水輪機(jī)的過流，降低水輪機(jī)工作效率。采用葉片修復(fù)機(jī)器人，不僅能保證葉片設(shè)計(jì)形狀，縮短檢修周期，還能把工人從繁重、惡劣的工作條件中解放出來[3]，能夠帶來很好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，也一定程度上促進(jìn)了相關(guān)領(lǐng)域自動(dòng)化的發(fā)展。

3.現(xiàn)代新型水輪機(jī)的研究方向

3.1抽水蓄能及可逆式水泵水輪機(jī)

隨著電力工業(yè)的迅速發(fā)展，我國某些水資源較貧乏地區(qū)的電力系統(tǒng)出現(xiàn)了調(diào)峰容量不足、系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性差等嚴(yán)重問題，抽水蓄能水電站的發(fā)展及相應(yīng)水泵水輪機(jī)的發(fā)展顯得至關(guān)重要。

在可逆式水泵水輪機(jī)的發(fā)展中，由于增大機(jī)組尺寸和提高運(yùn)行水頭具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益，所以目前的趨勢(shì)是制造高水頭、高比轉(zhuǎn)速和大容量的大型混流可逆式機(jī)組[4]。

目前可逆式水泵水輪機(jī)的發(fā)展需要克服許多問題。針對(duì)水頭增高，在轉(zhuǎn)輪、導(dǎo)頁、頂蓋、蝸殼等機(jī)組部件上的外力也相應(yīng)增加。此外，提高水泵水輪機(jī)的運(yùn)行水頭時(shí)，機(jī)組承受的水推力很大，并且在壓水啟動(dòng)中，導(dǎo)葉漏水問題也很嚴(yán)重，所以，在高水頭可逆式水泵水輪機(jī)的設(shè)計(jì)中還應(yīng)當(dāng)對(duì)這些方面采取相應(yīng)措施。

3.2潮流水輪機(jī)的發(fā)展

潮流水輪機(jī)是一種無壓降或低水頭的水輪機(jī)，與風(fēng)力機(jī)的基本原理相近，是將流體動(dòng)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。潮流發(fā)電技術(shù)作為目前海洋能源開發(fā)的重要技術(shù)之一，受到了研究者們的廣泛關(guān)注。和傳統(tǒng)能源相比，潮能儲(chǔ)量大，能夠針對(duì)潮流發(fā)生時(shí)期進(jìn)行預(yù)測(cè)，環(huán)境影響相對(duì)較小，因此潮流式水輪機(jī)在相關(guān)運(yùn)用環(huán)境和政府的大力支持下已經(jīng)得到了長足的發(fā)展，出現(xiàn)了多種類型的結(jié)構(gòu)形式。根據(jù)其結(jié)構(gòu)運(yùn)行的情況，潮流水輪機(jī)可分為水平軸、豎軸和橫軸3大類，并通過水流對(duì)葉片產(chǎn)生的力的主要作用方式的不同來進(jìn)行差別選取。

結(jié)束語

水輪機(jī)的研究在我國起步比較晚，但發(fā)展速度卻很快，本文就水輪機(jī)發(fā)展中存在的問題和相關(guān)技術(shù)以及新型水輪機(jī)的發(fā)展進(jìn)行了簡單的介紹，對(duì)水輪機(jī)發(fā)展領(lǐng)域起到一定程度的促進(jìn)作用。隨著一些技術(shù)問題的逐步解決，和新型水輪機(jī)技術(shù)的逐漸成熟，水輪機(jī)將會(huì)得到更廣泛的運(yùn)用和更加迅速的發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1]孔昭年.水輪機(jī)調(diào)節(jié)技術(shù)的發(fā)展及展望[A].中國水力發(fā)電工程學(xué)會(huì).2004中國水電控制設(shè)備論文集[C].中國水力發(fā)電工程學(xué)會(huì)：，2004：7.

[2]林道遠(yuǎn)，林建興.水輪機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定性的研究與展望[J].山東工業(yè)技術(shù)，2018（01）：35.

[3]陳金金，李麗榮，陳陽，陳庚，汪家斌.水輪機(jī)葉片修復(fù)專用機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀及應(yīng)用展望[J].機(jī)械，2011，38（07）：1-6.

[4]王德意.抽水蓄能電站及可逆式水泵水輪機(jī)的發(fā)展[J].陜西水力發(fā)電，1991（04）：20-25.

作者簡介：田晶（1996年3月）女漢族河北省徐水縣身份證號(hào)：230208199603030029本科生研究方向：水利水電工程