面向未來的大型水力機械關鍵技術研究

習近平總書記在第七十五屆聯(lián)合國大會一般性辯論上發(fā)表重要講話時指出，中國將提高國家自主貢獻力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現(xiàn)碳中和。這是中國對碳排放達峰、長期碳中和問題設立的更高目標。2030 年“碳達峰”和2060 年“碳中和”的戰(zhàn)略目標既是中國能源事業(yè)發(fā)展的指南針，又為我國能源領域關鍵技術研發(fā)確定了奮斗方向：一方面需要不斷研究穩(wěn)定性好、高效區(qū)寬廣、具有良好柔性的綠色水力發(fā)電技術，以滿足高比例可再生能源構架下未來電力系統(tǒng)的特殊需求；另一方面，進一步研發(fā)安全可靠、高效節(jié)能的動力系統(tǒng)技術，給國民經濟各行各業(yè)能源利用技術烙上綠色標簽。

水力機械涵蓋了利用水力發(fā)電的水輪機、將電能轉換為機械能的泵、融合了發(fā)電與抽水兩種功能的抽水蓄能機組，以及其他能量轉換裝置。目前，我國電力生產與消費市場中，水力發(fā)電約占總發(fā)電量的17%，而泵等流體機械則消耗近三分之一的總電量。因此，水力機械技術的進步與實現(xiàn)我國碳減排戰(zhàn)略目標具有極其緊密的關聯(lián)性。

水力機械技術起源可追溯至兩千多年前的阿基米德螺線泵，以及我國漢朝生產谷物的水力磨坊。盡管起源很早，水力機械技術總是隨時代發(fā)展而不斷進步，尤其經20世紀的技術革新而發(fā)生了巨大變化。縱觀我國水輪機技術發(fā)展，在20世紀80年代之前人們主要關注機組的發(fā)電效率，研究重點在于機組的高效性；在20世紀90年代至21世紀初期，水電機組的空化性能、運行穩(wěn)定性備受關注；如今的水輪機與抽水蓄能機組更加注重適應工況變化的能力，“智能”成為現(xiàn)代水力發(fā)電技術最主要的特征之一。作為工作機的泵、螺旋槳等水力機械的技術發(fā)展亦是如此。

進入21世紀以來，世界與中國社會均發(fā)生了巨大的變化，使得水力機械技術面臨嚴峻挑戰(zhàn)。現(xiàn)代水力機械技術不僅只需要具備某一種特征，而是應同時具備多種優(yōu)勢，如安全、高效、穩(wěn)定、環(huán)保、智能等。這使得水力機械技術研究范圍逐步擴大，研究對象從單部件轉向多部件與系統(tǒng)；研究內容不僅包含流動設計與優(yōu)化，更需涵蓋流體場、應力場、電磁場、溫度場等多場耦合的研究；研究分析需要關注不同部件或整體機組中多物理場信息在時間與空間上的持續(xù)變化規(guī)律；研究目標從單一效率指標變?yōu)槎嘀笜松踔寥嵝灾笜恕４送猓祟惿鐣沙掷m(xù)發(fā)展需要保證能源生產和利用與生態(tài)和環(huán)境的高度協(xié)調，這對現(xiàn)代水力機械技術發(fā)展提出了新的約束條件。

《水電與抽水蓄能》是中文學術期刊的新秀，持續(xù)關注我國能源戰(zhàn)略與碳減排的相關技術，尤其聚焦我國水電發(fā)展中的關鍵技術研究。在編輯部的指導下，本人邀請國內長期研究水力機械的學者撰寫了6篇論文，就目前學界關注度比較高的水力機械多相混合流動、轉子動力特性、固液耦合分析等問題進行了探討。由于這些問題具有普遍性，同時適用于作為原動機的水輪機和作為工作機的泵。為了結合工程實際，既考慮了我國大型調水工程中的巨型水泵，也研究了未來開發(fā)雅魯藏布江下游水能可能采用的大型沖擊式水輪機。為了契合人們對水生態(tài)的持續(xù)關切，以軸流泵為例分析了魚類通過水力機械流道過程中的運動行為與撞擊損傷。此外，人工智能已經深入人心，“智能”必然會逐漸成為現(xiàn)代水力機械不可或缺的屬性，由于篇幅所限，在本期特別策劃中未進行特別闡述。

希望這些論文能夠加深人們對水力機械技術未來發(fā)展的理解，促進我國水力機械技術的持續(xù)發(fā)展，引導全社會應用綠色、先進的水力機械技術，共同為實現(xiàn)2030年“碳達峰”和2060 年“碳中和”宏偉目標做出力所能及的貢獻。

在此，衷心感謝《水電與抽水蓄能》期刊對本期特約欄目的策劃、出版所做的細致而專業(yè)的工作。