水轮机的分类

本课题来源于越南DongNai5 水电项目，设计类型为水轮机结构设计。DongNai5电站，位于越南DongNai 省的DongNai 河。它配备了两台75MW混流式水轮发电机组，总装机容量150MW。电站预计2015年投入商业运行，年发电量达616万kW·h。该题目属于工程设计类题目。

二、选题的目的及意义

水轮机对于电站而言，是重中之重。它配合发电机组实现了，机械能转化为电能这一核心任务。因此，使水轮机最优化，对提高电站的效率至关重要。它的性能优劣,结构完善与否,直接涉及到水电事业发展的程度。进行水轮机的结构设计，综合考虑水轮机性能、效率、成本等，对学生个人也是一种总结和学习的过程的。通过水轮机结构设计，使得自己对大学所学的专业知识进一步掌握并运用，将书本知识实用化，为自己以后继续学习专业知识或者就业，有很大的帮助。

三、本课题在国内外的研究状况及发展趋势

电力是现代化工业生产和生活不可或缺的动力能量,水力发电是电力工业的一个门类。建国50多年来,我国的水电事业有了长足的发展,取得了令人瞩目的成绩。水电在我国的兴起是有其深刻的背景的。我国河流众多,径流丰沛,落差巨大,蕴藏着丰富的水能资源。2000～2004年, 中国水电工程顾问集团公司组织了全国水力资源复查, 水电资源理论蕴藏量为6.94亿kW,年发电量6.08万亿kW·h, 其中技术可开发容量为5.42亿kW, 年发电量2.47万亿kW·h; 经

济可开发容量为4.02亿kW,年发电量1.75万亿kW·h。

首先,我国有大规模利用水能资源的条件和必要性。我国水能资源丰富,不论是水能资源蕴藏量,还是可能开发的水能资源,在世界各国中均居第一位。但是目前我国水能的利用率仅为13%,水力发电前景广阔。随着我国经济的快速增长,能源消耗总量也大幅度增长,煤炭、石油和天然气这些常规能源的消耗量越来越大,甚至需要依靠进口。

水力发电经过一个多世纪的发展,其工程建设技术、水轮发电机组制造技术和输电技术趋于完善,单机容量也不断增大。并且水力发电成本低廉,运行的可靠性高,故其发展极为迅速。近一个世纪,特别是建国以来,经过几代水电建设者的艰苦努力,中国的水电建设从小到大、从弱到强不断发展壮大。改革开放以来,水电建设更是迅猛发展,工程规模不断扩大。

据电工行业统计数据表明，2009年我国发电设备和大中型电机的产量分别为：水轮发电机组2303万kW，汽轮发电机8654万kW，成套发电设备11993万kW，大中型电机约为7500万kW，其中大型电机约为3000万kW（含风电1380万kw的70% ）。

调查表明，全世界发电设备市场的订货量从1991年的70GW增加到了1996年的100GW，其中水电只占16%。在水电设备订货量方面，亚洲国家的订货量要占一半以上，如1996年的总订货量为18GW，其中中国占23%。

水轮机是一种流体机械。所谓流体机械就是以流体作为工作介质的机器。它是实现流体功能和热能转换的机械。( 热能转换的流体机械在此不作介绍) 。对于功和能转换的流体机械主要分为两大类,一类是流体能量对流体机械作功而提供动力; 另一类则是通过流体机械将原动力传递给流体, 使流体的能量得以提高。当然还有一种液力传动功能的机械( 如液力变矩器、液力耦合器以及流体与流体、流体与固体分离的机械) 也称为流体机械。

水力发电用的水轮机有着100 年以上的历史，一般认为是已

竭力开发的成熟机械。的确，在数十年前水轮机的效率就已达到90% ，看起来开发的余地不大。但实际上，在以计算机进行流态分析和强度分析的技术进步支撑下，水轮机的开发已达到非常先进的程度。性能的提高，不仅是简单体现在效率的提高，而是更应在更宽的水头和流量范围内仍能稳定和高效率的运转。

关于水轮机产品的优化，当今世界水电设备国际市场最为流行的热门先进技术电子计算机辅助流体动态分析（CFD）的应用，能使水轮机的性能大大提升，设置逼近它的极限值。提高水轮机性能的首要前提是：流态分析（CFD ）技术的大幅度进步。目前水轮机设计一般采用完全的三维粘性流态分析，使用着比较简单的紊流模型。由于利用了CFD ，可在短时内进行设计的优化。CFD 精度的提高与计算机技术的飞跃进步密切相关，此外，与高精度模型试验的组合也导致了CFD 利用技术的提高。

提高比转速ns, 缩小水轮机转轮直径, 提高发电机组转速, 减小机组尺寸, 提高大部件刚度, 强度计算的准确性, 允许应力可适当提高( 减轻机组重量20%) 简化部件结构, 减少加工工作量, 采用新工艺,新技术减少工序和工装来降低成本。

水轮机向着大容量的方向发展, 机组运行的可靠性越来越受到大家的重视。压力脉动、空蚀与磨损、材料机械与化学性能都会直接影响机组的可靠性指标。

我国自1950 年代初开始制造水轮机,从8O0k W起,尾随欧美发达国家的步伐,起步较晚。先是向前苏联学习,颇有收获,继而扩展至向西欧与美国学习,进一步开阔了视野。

据不完全统计, 我国已投产的各类大中型水电机组500余台之多, 其中混流机组320余台, 从统计数据看, 混流式水轮机应用最多。混流式水轮机是当今应用最普遍的一种水轮机机型, 其适用水头范围可从十几米到数百米, 实际应用水头多在20~700m之间, 适用于水头和流量变幅均较大的电站, 具有尺寸小、重量轻、结构紧凑、操作维护方便、效率高等优点, 是开发中高水头

水力资源的优良机型。目前在建和待建的巨型机组均选用混流式水轮机机型, 通过三峡、龙滩、拉西瓦等大型水电站的建设和一大批70万kW级混流式机组的成功投产, 大型混流式水轮机技术在我国得到了广泛应用,技术上取得了巨大进步。近几年, 随着国外先进技术的引进和消

化吸收, 高水头混流式水轮机技术也取得了较大进展, 对于400~600m水头段的水电站, 以往因水轮机技术限制只能采用冲击式水轮机机型, 目前许多水电站亦开始采用混流式机型。从近几年混流式水轮机的应用情况看, 其技术发展趋势将是容量更大、水头更高、稳定运行范围更宽。国外高水头混流式水轮机应用较多, 时间也较早, 特别是在欧洲应用广泛。到目前为止, 已投运的最高水头的混流式水轮机最高水头为734m, 由瑞士爱雪维斯公司于1982年制造的Hausling水电站机组,单机最大容量为18.0万kW。虽然国外高水头混流式机组的设计及制造技术已较成熟, 甚至已运用至600~700m水头段, 但国内目前超过400m水头的混流式机组还比较少。我国高水头混流式水轮机的设计和制造起步相对较晚, 经过国外先进技术的引进以及近20~30年的摸索和实践, 逐渐积累了经验。从20世纪80年代中期的鲁布革水电站引进国外先进技术开始,随着鲁布革、姚河坝、冷竹关、周宁、自一里、硗碛等一批大中型水电站的相继投入, 我国在高水头混流式机组的研究、设计和应用等方面均取得了很大的进步。国内已投运水头最高的混流式水轮发电机组安装在四川硗碛水电站, 最高水头553.6m, 单机容量8.2万kW, 2006年底投运。已投运的单机出力最大的混流式水轮发电机组是三峡水电站的75.6万kW机组, 已投运的转轮尺寸最大的混流式水轮机是三峡水电站的直径10.4m的水轮机。

经过近50年的技术发展, 我国混流式水轮机组的容量由最早石龙坝的几百千瓦发展到了今天三峡等的70.0万kW级, 以及2012年投运的向

家坝的80.0万kW级, 转轮直径由最早石龙坝的71cm发展到了目前三峡的10.4m。