淺談水輪機的發展與展望

摘要：本文通過指出水輪機目前已有的類型和在水電建設中運用時存在的一些問題，不同層次的介紹了水輪機相關技術的發展，并闡述了機器人葉片修復技術的運用對促進相關領域自動化的意義。并結合國際水電建設趨勢，簡要介紹了可逆式水泵水輪機和潮流水輪機兩種新型水輪機的發展。

關鍵詞：水輪機調節；水輪機修復；新型水輪機；發展與展望

引言

伴隨著我國水電事業的發展，以及國家政策對水電開發相關創新技術的大力支持，我國科研院所培養了一批又一批水利水電行業高端技術人才。作為水電建設的主要設備，水輪機也得到了很大程度的發展與改進。伴隨著新一輪的水電開發熱潮，新型水輪機及相關技術的發展也孕育而出。

1.水輪機的介紹及在水電建設中的發展

水輪機是一種將水能轉換成旋轉機械能的機械裝置，通過主軸帶動發電機又將旋轉機械能轉換成電能。水輪機及輔機是重要的水電設備，它的性能優劣，結構完善與否，直接涉及到水電事業發展的程度。水輪機是水力發電行業必不可少的組成部分，是充分利用清潔可再生能源實現節能減排、減少環境污染的重要設備，其技術發展與我國水電行業的發展規模相適應。在我國電力需求的強力拉動下，以及我國對清潔可再生能源科學開發的重視，我國水輪機及輔機制造行業進入快速發展期，其經濟規模及技術水平都有顯著提高，相應的我國的水輪機制造技術也已達世界先進水平。

水輪機類型有很多，按照其對水流能量轉換特征的不同可分為反擊式和沖擊式。針對各種不同的情況，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也不同。針對轉輪的布置方式不同，水輪機的裝置形式有立式和臥式兩種。而且對于同一廠家生產的水輪機，針對不同的水電站運行環境，其相應的部件尺寸也會有所改動。這些原因極大程度的促進了水輪機相關技術的發展。

2.水輪機相關技術的發展與展望

2.1水輪機調節技術的發展

近幾十年來，通過廣大工程技術人員的努力，我國水輪機調節技術取得了顯著的進步，獲得了一批具有國際先進水平的科研成果，創造了具有我國自己知識產權的微機調速器新產品，為水電建設提供了品種豐富、品質優良的水輪機控制設備，較好的滿足了迅速發展的水電建設事業的需求，有力地支持了電力工業的生產[1]。

2.2水輪機運行穩定技術的發展與運用

水輪機安全可靠的運行能夠更好的為該水電站帶來發電效益，因此我們對水輪機組運行穩定性的研究有助于水電站安全生產，并通過對問題的及時發現及時補救以減少檢修成本和提高檢修的效率。影響水輪機運行穩定的因素有很多，以空化空蝕現象為例。

水輪機在運行中，不可避免的會出現空化空蝕現象，隨著水輪機不斷地向大容量、高水頭、高比轉速方向發展，空化空蝕對水輪機穩定運行的影響也越來越大。由于空化空蝕危害的嚴重性，我國相關領域科研機構都進行了大量的研究，總結了一些有效的措施。針對設計制造方面，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。必要時選用耐蝕、耐磨性能較好的材料[2]。針對運行維護層次，進行擬定合理的水電站運行方式，盡可能避免在空蝕現象嚴重的工況區運行。最后針對工程措施方面，通過選取合理的水輪機安裝高程，確保葉片流道內最低壓力不低于汽化壓力。

2.3水輪機修復專用機器人的研究

伴隨著智能化的發展，機器人在水輪機相關部件的修復領域也得到了運用。由于水輪機運行環境及本身材質的因素，導致水輪機相關部件需要經常性的進行修復。以水輪機轉輪葉片為例，采用人工作業不僅效率低，而且工作環境惡劣，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計形狀吻合，嚴重影響到水輪機的過流，降低水輪機工作效率。采用葉片修復機器人，不僅能保證葉片設計形狀，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]，能夠帶來很好的經濟效益和社會效益，也一定程度上促進了相關領域自動化的發展。

3.現代新型水輪機的研究方向

3.1抽水蓄能及可逆式水泵水輪機

隨著電力工業的迅速發展，我國某些水資源較貧乏地區的電力系統出現了調峰容量不足、系統運行經濟性差等嚴重問題，抽水蓄能水電站的發展及相應水泵水輪機的發展顯得至關重要。

在可逆式水泵水輪機的發展中，由于增大機組尺寸和提高運行水頭具有顯著的經濟效益，所以目前的趨勢是制造高水頭、高比轉速和大容量的大型混流可逆式機組[4]。

目前可逆式水泵水輪機的發展需要克服許多問題。針對水頭增高，在轉輪、導頁、頂蓋、蝸殼等機組部件上的外力也相應增加。此外，提高水泵水輪機的運行水頭時，機組承受的水推力很大，并且在壓水啟動中，導葉漏水問題也很嚴重，所以，在高水頭可逆式水泵水輪機的設計中還應當對這些方面采取相應措施。

3.2潮流水輪機的發展

潮流水輪機是一種無壓降或低水頭的水輪機，與風力機的基本原理相近，是將流體動能轉換為機械能。潮流發電技術作為目前海洋能源開發的重要技術之一，受到了研究者們的廣泛關注。和傳統能源相比，潮能儲量大，能夠針對潮流發生時期進行預測，環境影響相對較小，因此潮流式水輪機在相關運用環境和政府的大力支持下已經得到了長足的發展，出現了多種類型的結構形式。根據其結構運行的情況，潮流水輪機可分為水平軸、豎軸和橫軸3大類，并通過水流對葉片產生的力的主要作用方式的不同來進行差別選取。

結束語

水輪機的研究在我國起步比較晚，但發展速度卻很快，本文就水輪機發展中存在的問題和相關技術以及新型水輪機的發展進行了簡單的介紹，對水輪機發展領域起到一定程度的促進作用。隨著一些技術問題的逐步解決，和新型水輪機技術的逐漸成熟，水輪機將會得到更廣泛的運用和更加迅速的發展。

參考文獻：

[1]孔昭年.水輪機調節技術的發展及展望[A].中國水力發電工程學會.2004中國水電控制設備論文集[C].中國水力發電工程學會：，2004：7.

[2]林道遠，林建興.水輪機運行穩定性的研究與展望[J].山東工業技術，2018（01）：35.

[3]陳金金，李麗榮，陳陽，陳庚，汪家斌.水輪機葉片修復專用機器人的發展現狀及應用展望[J].機械，2011，38（07）：1-6.

[4]王德意.抽水蓄能電站及可逆式水泵水輪機的發展[J].陜西水力發電，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：230208199603030029本科生研究方向：水利水電工程