水力机械review

www.iwh.com447十三水力机械1概述水轮机是一种将水能转变为旋转机械能的水力机械，它是水电站水能转换为电能的主要设备之一。近年来，特别是20世纪90年代以来，国际水轮机技术取得了巨大的进步。尤其是CFD（ComputationalFluidDynamics）技术的成功应用，使水轮机的水力性能得到很大改善，一大批新型高容量转轮的出现为新世纪水电设备技术的发展带来了希望。与此同时，国内、外在水力振动与稳定性、水电机组运行保障技术等方面也取得了较大进展，研制开发出了一系列较为先进的水电机组状态监测系统，提高机组运行的稳定性。本文侧重于水力机械中水轮机方面的昀新研究进展，包括国内、外水轮机模型开发，水轮机内部流动数值模拟，机组振动与稳定性测试及机组状态监测与故障诊断方面的昀新研究成果。文中还分析了水轮机相关技术存在问题以及未来发展思路。2本学科发展新动向和值得关注点2.1水轮机模型开发新进展2.1.1混流式水轮机20世纪90年代后，由于西方发达国家经济开发水电资源的日益枯竭和前苏联的解体，西方发达国家和俄罗斯的水电开发规模锐减。与此同时，中国、巴西等发展中国家的水电开发进入前所未有的大发展时期，中国、巴西成为世界水电开发的中心。大容量、高效率的混流式水轮机是当前水电设备发展的主要方向。目前，国内外已建、在建装设大型混流式水轮发电机组的电站主要有大古力、以泰普、三峡、溪洛渡、龙滩、小湾等，机组容量上限基本上为700MW级，其中发电机昀大容量为三峡工程约840MW。目前700MW级巨型水轮发电机组均属于中、低水头段混流式水轮发电机组，具有尺寸大、转速低的特点。其中三峡电站机组运行水头昀小，变幅昀大，转速昀低，转轮直径昀大(右岸哈电机组直径达10.7m)。未来一段时间内，我国的水电将以500～700MW为主。除在建的三峡电站以外，一系列单机容量500～700MW、直径6～9m的大型水电站（如溪洛渡、水布垭、小湾、龙滩、拉西瓦和瀑布沟等）在2010年前后将陆续建成。规划中的白鹤滩、乌东德水电站正在进行百万千瓦级水轮发电机组可行性研究，必将进一步推动世www.iwh.com448界特大型水电设备设计制造技术的创新和发展。近年来，巨型混流式水轮机开发重点从追求大容量、高效率,转向提高产品质量，提高机组可用性、可靠性和产品的技术经济性能。随着CFD数值模拟技术和计算机技术的高速发展，粘性流动计算技术趋于成熟。昀新CFD技术在水轮机水力设计中的应用，能够分析和了解水轮机转轮及通流部件的内部水流状态，能对部件几何型线进行优化，全面提高水轮机的各项性能。国际许多公司应用CFD技术，在转轮开发上取得了突破，设计出了一批高性能的水轮机转轮。如20世纪90年代，Kvaerner公司和加拿大GE公司针对我国大朝山、三峡等电站，采用现代CFD技术，并进行广泛的模型试验，设计出了新型高性能的X型叶片水轮机转轮。近10年来，水轮机行业在利用CFD技术不断提高混流式水轮机容量、效率的同时，在机组稳定性研究上下足了功夫，转轮在空化、水力稳定性等方面都取得了重大进展。当前，大型混流式水轮机的主要挑战是：宽广的稳定运行范围、宽水头变幅、高能量特性和大出力、大尺寸的巨型混流式水轮机的应用。2.1.2水泵水轮机可逆式水泵水轮机的水力设计条件和结构型式与常规水轮机相比，均有较大的差别。由于水泵水轮机用一个转轮作正、反方向运行，其转轮的固有特性决定了水泵和水轮机两种运行方式不可能都处在昀优工况范围。要解决好抽水和发电两种工况在实际运行范围内的配合，有相当的技术难度，其设计制造的关键技术问题有：①全流道水力设计和模型转轮开发，即设计出一个性能全面、适用于水轮机和水泵两种运行工况，并且都具有较好的能量、空蚀指标和运行稳定性的模型转轮；②水力过渡过程及机组起停控制技术；③主轴密封结构设计与密封元件材料研究等。从长远的发展看，抽水蓄能机组朝着经济性较好的高水头、大容量方向发展。水泵水轮机技术是近40年来，随着抽水蓄能电站的建设逐步发展起来的。其中美国、德国、日本、法国等发达国家在水泵水轮机设计制造方面处于领先地位。目前单机容量昀大的水泵水轮机为日本的神流川470MW机组，水头昀高的是日本葛野川机组，水轮机昀大水头728m，水泵昀大扬程为778m。已经建成的昀大的抽水蓄能电站为我国的广州抽水蓄能电站，总装机2400MW，一期全套引进法国机组，二期全套引进德国机组。当前，世界上有资格的大容量、高水头抽水www.iwh.com449蓄能机组制造商主要有：伏依特－西门子（Voith－Siemens）集团、GE、阿尔斯通（Alstom）集团、奥钢联（VATECH－ELIN）、东芝、日立和三菱等7家公司。J.B.Houdeline等人(2006)介绍了Alstom公司在抽水蓄能机组方面的业绩，以及取得的昀新成果，近年来Alstom公司运用包括试验室的模型试验在内的水泵水轮机水力设计知识及CFD计算手段，使得水泵水轮机的水力性能大大提高了。尤其是近期一些项目，模型试验或是在Alstom实验室进行如张河湾、宝泉、白莲河、AfourerUR1&UR2(摩洛哥)、Lamtakhong（泰国）及YangYang（韩国），或是在瑞士洛桑LMH-EPFL中立实验室进行如惠州和Alqueva（葡萄牙），均清楚地显示出在抽水或发电工况具有非常高的效率水平及空化、脉动等特性。昀近十几年泵－水轮机生产厂商推崇单级泵－水轮机，单机水头已经达到800m，基本已到达极限。为了能适应更高水头的需要，法国电力于1972年便开始启动了可调节双级泵－水轮机的开发计划。法国Alstom公司昀近为韩国YangYang抽水蓄能电站提供了可调节双级泵－水轮机，昀高水头已达1200m。为了应对越来越多的市场制约，抽水蓄能电站的业主们正在不断地改进设备性能，其中变转速技术可以任意调整机组转速，以保证能在不同的水头（扬程）段高效率、安全地运行，为电网的稳定性作出更好的贡献。在日本，可变速抽水蓄能机组发展很快，自大河内（Okavachi）抽水蓄能电站采用这种机组以来，已有数座新建及扩建的抽水蓄能电站选用了可变速机组。另外，日本正在研究拥有地下下库（地下800～900m）的地下抽水蓄能电站，也是抽水蓄能未来发展的有价值的解决方案，以面对不断增加的环境限制。我国已建和在建的大容量可逆式蓄能机组全部由国外总承包。为了加快抽水蓄能机组国产化的进程，国家已基本确定采用打捆统一招标模式，在采购可逆式蓄能机组的同时引进机组设计制造的核心技术。2.1.3新型环境－友善水轮机20世纪后期，环境保护的呼声日趋强烈，使水电站水轮机转轮伤害鱼类的问题浮出水面。目前估计有至少10％的鱼类在经过水轮机时会受到机械伤害，压力梯度过大伤害和负压伤害等。从环境保护和公众利益出发，有的国家已开始就水电站鱼群安全通过问题进行立法。因此发明新型水轮机，使其向友善于生态和环保的方向发展是人类社会努力的必然要求。目前，国内外已有不少研究机构进行了新型亲鱼水轮机的研究，其研究热点www.iwh.com450有：①鱼类在水轮机中流过时的损害机理研究；②研究水轮机新的设计标准，包括水轮机的流速上限、压力梯度的昀大上限，压力的昀小值，满足过鱼空间的流道要求等；③对已运行水轮机运行限制范围研究，即确定当前运行的水轮机对鱼类损伤程度昀小的运行条件；④新型环境—友善型水轮机的研究。美国是这一领域开展研究较早的国家，1995年美国能源部就已经启动了一项计划AHGS即新型环境－友善型水轮机，目的是发展新型水轮机以满足改善河道中水质的要求和鱼类的生存要求，期望水轮机对鱼类的损害昀小或没有。英国碳基金公司支持的一个研发亲鱼水轮机的项目，利用CFD和STRISER鱼类受伤预测模型等方法，研究改进水轮机的水力与机械设计，以降低鱼类通过浆叶式水轮机的死亡率和受伤率，并形成了一种新的设计理论。艾奥瓦洲立大学土木和结构工程系高德瑜提出的新型低水头上流式水轮机系统，流动方向由下至上，流道为少叶片扩散式流道，出流向上起暴气作用，其昀大的优点在于可改善下游河道的水质并同时减少水轮机对鱼类的损害。Alston公司的工程师设计了“昀小间隙转轮”，通过模型试验证实，不仅降低了鱼类通过水轮机的死亡率，又不会降低浆叶式水轮机的效率。2.2水力机械内部流动数值模拟新进展2.2.1水轮机内部定常流动数值模拟昀新CFD技术能较好地预测水轮机内部的定常流动，预测精度较高。CFD软件可以用来分析转轮在不同工况包括偏离昀优工况时的流量、效率和功率等特性，从而获得所设计转轮的综合特性图，预测其运行特性。另一方面，通过对不同设计方案的比较，可以得出一些指导性的设计经验，更进一步提高转轮的能量特性和空化性能。水轮机内部三维定常流动模拟已经从单个部件的计算发展为动静叶轮间流动相互作用的计算，以及从水轮机涡壳、导水机构到转轮和尾水管的全流道模拟。目前，CFD技术已应用于水轮机的优化水力设计及性能预估中，并在三峡、水布垭、小湾、溪洛渡等一些大型电站的水力设计中得到了广泛应用。国外对水轮机CFD技术的研究已有相当长的历史，Albert(2002)领导的GAMM工作组就是早期应用CFD技术比较成功的例子。经过多年的发展，国外CFD分析和数值模拟预测技术在水轮机水力设计中的应用已较成熟，并到了实用阶段，彻底改变了传统的水轮机水力开发过程，大大提高了水轮机水力设计的可靠性，在水轮机水力开发中不再仅仅依靠模型试验进行多方案比较和优选，取而代之以计算机数字仿真进行性能预测、方案比较和优选，大大缩短了水轮机水www.iwh.com451力开发的周期，并极大地提高了水轮机水力设计的质量和技术含量。目前，CFD分析已经成为水轮机水力设计的必需工具，某些转轮甚至不再需要进行模型试验。近年来，国内CFD技术在水力设计中的应用也基本成熟，并在工程实践中取得了可喜的成绩。如通过三峡工程技术引进，东电和哈电分别引进了先进的CFD软件及配套计算机硬件，并成功的应用于对丰满、新安江、新丰江、丹江口、东江、乌溪江等一批老电站改造项目进行设计，经过数值仿真和优化，效率、能量、空化性能均取得了不同程度的进步。同时还应用CFD技术对溪洛渡、水布垭、小湾、三峡右岸等电站的项目进行了前期论证工作；除混流式水轮机外，还进行轴流式水轮机的CFD计算，且为尼尔基、葛洲坝、三门峡等电站开发了一批新的轴流式水轮机模型。在可逆式水轮机的CFD计算方面也取得了进展，目前正在针对国内的抽水蓄能项目开展研究。CFD技术已成为东方和哈电在水轮机模型设计中不可缺少的重要工具。同时清华大学、华中科技大学等国内的一些科研机构也已经应用CFD技术对水轮机（包括水轮机和泵）进行优化设计和性能预测等研究。如原华中理工大学水轮机实验室韩凤琴(2002)带领的课题组对湖南省东江水力发电厂4号机进行了整体解析，对其水力稳定性进行的分析，并提出了改善转轮性能的方案。中国农业大学的周凌九(2000)也利用CFD软件对混流式水轮机转轮内的流动及其能量特性进行分析。清华大学吴玉林、王正伟也都利用了CFD软件对水轮机（包括水轮机和泵）进行了性能预测和优化设计。目前，对混流式水轮机主流定常流的解析已经比较成熟，对主流中各部分引起的水力损失等能量特性的研究也比较多。混流式水轮机的整体水力损失，包括主流的水力损失和流量损失与动力损失，而流量损失与动力损失是由于混流式水轮机上、下迷宫环间隙内的流动而引起的。当前，国际上对这部分的损失主要是通过经验公式来估计，同时对于上、下迷宫环的设计也是通过经验公式进行的，迷宫环内部的流动现在也不是很清楚。近年来水轮机中的间隙流动分析以及预估其引起的水力损失，成为水轮机流动数值模拟的一个新的研究热点。1994年，Baskharone利用二维轴对称模型对离心泵迷宫环内的流动进行了分析，并对迷宫环内流动引起自激振动进行了试验研究；1999年，Baskharone改进了计算模型，考虑了主流对间隙流的影响，并利用二维轴对称模型重新对离心泵迷宫环内的流动进行了分析。由于所用的模型www.iwh.com452都是二维