浅谈水轮机发展趋势与研究方向
摘 要：水轮机是一种将河流中蕴藏的水能转化成旋转机械能的原动机，是水电站的主要设备之一。它的性能优劣，结构完善与否，直接关系到水电事业的发展程度。
关键词：水轮机；发展趋势；研究方向
引言
水轮机自1824年发明以来，近200年的发展历史，现代水轮机水力设计有了很大的发展，水力性能得到改善，效率最高可达到95%，同时运行稳定性得到了很大提高。从现阶段来看，现代水轮机的发展已到达一个较高的水平。但仍有些问题，有待深入研究。
1.水轮机发展简史
1.1中国水轮机发展背景
我们的祖先很早以前就和洪水开展了斗争并学会了利用水能。公元37年中国人发明了用水轮带动的鼓风设备——水排，公元260-270年中国人创造了水碾，公元220-300年间发明了用水轮带动的水磨，这些水力机械结构简单。但出力小、效率低。真正大规模地对水力资源合理开发和利用，是在近代工业发展和有关发电、航运等技术发展以后。真正意义上的中国水轮机工业始于1927年，为福建南平制造了1台5kW的水轮机。
我国的水电发展设备事业也是在新中国成立以后才有了蓬勃发展，近30多年来，中国水轮机事业蓬勃发展，自行设计了很多水轮机之最。混流式单机30.25万kW的岩滩和24万kW的五强溪机组，其转轮直径分别到达8.0m及8.3m等辉煌成就。
1.2水轮机现状及趋势
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，与此同时带动了水轮机械的发展更趋，向于提高单机容量、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。
1.2.1应用水头
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 m到水头1000至2000m都有相应的种类。繁多品种的水轮机大体可归纳为冲击式和反击式两大类。
1.2.2单机容量
单机容量正不断提高，符合未来水轮机发展的方向。自20世纪60年代，世界第一台单机容量超过50kW的水轮机在前苏联诞生，提高水轮机转速比、增加单机容量的风潮在全球兴起。
1.2.3设计、制造与材料
水轮机要具有良好的能量特性和空化特性以及高的转速比显然是不可能的。随着计算机的广泛应用，水轮机过流部件内部水流动力分析取得重大进展，传统经验设计与模型试验的结合，形成了一套完整的现代水力设计方法。此外，在水轮机叶型设计方面取得了优秀的成果，“X”型叶片，包含了水力条件好、转轮叶栅密度增加，提高了水力效率的诸多优点。而且，在制造材料和工艺上，现代水轮机从强度、泥沙磨损等不同方面进行研究，采用陶瓷涂层技术。在转轮焊接和热处理技术都有所突破，有力地保障了水轮机性能的提高。
2.水轮机研究前沿
2.1动态性能研究
大部分的静态工况效率已达到了极限，动态性能研究也到达了很高水平。但对大型水轮机在非设计工况下压力脉动的减弱、失速喘振的减弱等一些问题的理论认识仍不十分清楚，要以新的设计理论和思想，新的分析和计算方法，发展对动态的试验和模拟、结构和动态强度分析。
2.2数值模拟系统
水流在水轮机转轮区域的流动及其复杂，是三维非等常湍流，其内部流动牵涉到各个流动部件的相互作用，还涉及到可能发生的旋涡和脱流。故对其内部真实流动的数值模拟要作以研究，并进行全部性能预测，最终完成数值模拟系统的建立。
2.3内部空化与多相流
流体机械普遍存在多相流动的现象，在某些情况下会出现空化、空蚀，空化流动、泥沙的流动都可以看作是一种多相流动。未来对其模型需要进一步完善空化和多相流动的数值计算和试验进程，并能对导致水轮机的空化和多相流动工况下性能的准确预测。
2.4空化和空蚀研究
在国内外水电厂水轮机的运行中，空化和空蚀一直是一个普遍又棘手的问题。近几年发展的动态离子束混合技术，对常用水轮机材料Cr13Ni9Ti不锈钢的空蚀改性效果进行了研究，并取得了满意的成果。
2.5流固耦合技术
近年发展的耦合分析技术，利用有限元方法对混流式转轮叶片在空气和工作流道中的固有频率和振型进行对比分析，找出在流固耦合作用下的动态特性，为水轮机设计提供了理论依据。
2.6水輪机的修复技术
水力发电的普及，水电站中的水轮机都有或多或少的气蚀磨损，时间或长或短都要进行检修。近来提出的水轮机修复机器人，具有极其广泛的应用背景。先对水轮机叶片产生气蚀的部分进行切削去除，然后利用专用机器人进行补焊来填充，最后进行磨削还原成叶片的原始形状。
3.未来水轮机发展
20世纪90年代美国能源部启动了一项新型环境-友善型水轮机，期望水轮机对河流生态系统的影响减到最小。进行了以下几个方面的研究：
（1）鱼类在水轮机中流过时的损害机理研究，此项是涉及多学科的问题。包含压力梯度变化和负压对鱼类生存的影响等。
（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最大上限，压力的最小值。叶片数及转速，下游水压要求等。
（3）对已运行水轮机运行限制范围研究，确定对河流生态系统伤害程度最小的运行条件。
（4）新型环保低水头上流式水轮机，这种水轮机与常规水轮机相反，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。其最大的优点在于可改善下游河道水质同时减小水轮机对河流生态系统的损害。
（5）中高水头的新型环保水轮机的研制处于起步阶段，涉及到动力机械、水力学、生物和环境科学等。
参考文献
[1]吴玉林主编.流体机械及工程[M].北京：中国环境出版社，2005.
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[4]曹数良.水轮机内部的三维固液两相湍流计算.[J].工程物理学报，1997，17（5）.
（作者单位：西华大学）