大型冲击式水力发电设备开发Word格式.docx

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但是，由于它结构简单、同比出力转轮直径约1/2、压力管引水无需筑坝，显示出投资减少及与环境和谐的绝大优势，投标首选迅速增温，受到爱戴。

预见长江、嘉陵江等上游及各支流，中西部地区已形成使用热点，可是我们对其技术拥有极低，缺乏竞争力，亟需开展这方面的研究及对应机型的研制。

大型水轮发电机组一台产值在1亿元以上，与火力发电相比其优点还在于：

能量转换过程中几乎不会排出二氧化碳；

与其它能源如风电、太阳能发电相比，在于水能转换效率要高出1.5~2倍多。

21世纪水电设备的主要特征

●环境和谐再生能源发电的比例更高、环境与人要更加友好，少筑坝。

●高比转速高效单位能量发电能力更高、损耗更低、能源综合利用效率更高

●可靠承受扰动与冲击的能力更强、运行更加安全

●制造费用适中造价能够实现电力工业利益与公众利益的平衡

利用冲击式水轮机发电，出力范围可从50kW到500MW，可以适用于30米至3000米较大的水头范围，特别是高水头范围其它类型水轮机无法适用，并且无须建筑水坝，无需建造下游尾水管，建筑经费只是其它类型水轮发电机组的几分之一，对自然环境影响也非常小。

由于转轮在大气压之下的转轮室中运转，可以省去有压过流通道的、密封等的苛刻要求，广泛为工况运行效率高且变化平缓是其具有魅力的另一个原因。

由于上述的优点，冲击式水轮机组的开发主题正在被世界关注，我国也引起了足够的重视，我国蕴藏着太多适于冲击式水轮机组开发的水力能源。

冲击式水轮机可以充分发挥其结构简单、转轮直径小、效率高的优越性，大大减少电站投资和二次资源的节省，21世纪将会成为选型热点，大型冲击式水轮机开发的成功将创造巨大的经济效益，这一课题有着较强的开创性和应用性。

水力发电系列设备中，高比转速系列混流、轴流式水轮机发电机组的开发较为充分，冲击式水轮机开发相对于落后，这是由于冲击式水轮机内流较为复杂，成为研究的瓶颈。

近年来，国外水轮机厂家在开发冲击式水轮机方面作了大量的工作，但是性能开发空间还是很大。

我国近年主要使用引进转轮、或使用较早旧型小型机种，无论国际国内市场竞争的主动性都非常悲观。

项目申报单位近年发展极快，年产值8亿元以上，成为我国前3位的水电设备生产的龙头企业，蕴藏着巨大的生产潜力及能力。

有充分的大型机生产能力和竞争能力，但是在冲击式水轮机技术储备上欠缺。

为了为水电事业贡献力量，以及应对市场热点的需要，尽快研发高性能、稳定性强的冲击式水轮发电机组迫在眉睫。

还有，创新开发也十分重要，创新开发中要注意节能、和谐、可行理念，争取有前瞻性，又能促进产业、市场发展的研发结果问世。

本研究提出的“大型多喷嘴冲击式水轮机开发及关键技术研究”符合这个要求，未见其它参考文献发表。

冲击式水轮机在我冲击式水轮机高能量的水由水轮机喷嘴喷出，大气中喷嘴的射流射至转轮的水斗，水流膜片由分水刃至出水边完成能量交换，轴转矩做功带动发电机转子切割磁力线发电。

无论是喷嘴射流及转轮水斗内水膜流都具有很强的非定常特性及多相流特性，这也是冲击式水轮机发展的瓶颈。

一方面是需要量非常之大，一方面是由于缺少技术而很少去踊跃投标。

往往花大量资金进口转轮，一次性投资高没有技术产权。

冲击式水轮机的研究制造主要在欧洲进行，瑞士阿尔卑斯山脉B水电站水头1883m，单机容量达到42万kW。

大型冲击式水轮机为了更大限度利用水能，一般可以做到6个喷嘴，6喷嘴射流能量同时供给转轮做功。

我国现在冲击式水轮机的储能非常之大，开发量比例甚少甚少。

转轮以早期哈尔滨大电机等的提供为主，但在10数年前已经停止了开发及试验。

近年各厂家要么继续使用旧型转轮或加以一些改造，要么花高价（几百万元人民币）进口转轮。

由于技术的缺乏，投标时苦于手中没有转轮，对这块空白地的竞争或束手无策，或是技术指标落后中标率低，影响了竞争力及损失了经济利益。

随着国内市场的开放这种情况会越来越严重。

影响冲击式水轮机性能的两大重要原因：

流动典型的非定常特性及射流水斗干涉现象，数字化设计及数值实验是加快冲击式水轮机开发速度问题的好办法。

冲击式水轮机流体是喷射到裸露于大气中的转轮并对其做功，空气渗入使其成为气液两相流，旋转水斗内非定常自由两相流的流动状态非常复杂，具有典型的乱流、变工况、三维、非定常特性，并且流体往往会发生严重的干涉现象，极大的制约了冲击式水轮机各项性能的提高。

冲击式水轮机中的射流干涉可分为三类：

第一类是由射流流入的水未完全从水斗流出时，随后的射流流入并在水斗内相互干扰的内壁干涉；

第二类为从水斗缺口处流出的水流阻碍由同一缺口处流入的第二次射流的直接干涉；

第三类为喷嘴外壁与折向器等反弹出流并阻碍自由射流的外部干涉。

参考文献

（1）《日本机械学会论文集》指出：

“冲击式水轮机的流动是十分复杂的三维非定常流动，有很多没有解决的问题，在其中防碍提高其比转速的核心问题是射流干涉问题”。

参考文献

（2）指出：

“IEC世界标准中对冲击式水轮机模型性能及预测还缺乏详细描述，将期待着现在及将来的研究”。

因此射流干涉已成为冲击式水轮机开发应用和大型化的瓶颈。

创意产业发展是非常重要的，是企业进步、成功的主流。

值得高兴的是，本课题组遵循产学研关联发展模式，争取科技支持促进发展。

通过产业与大学科研之间的融合互动，相辅相成、相互促进实现共同发展的过程，深度挖掘关联点，预测凝练有前瞻性的开发，不断探索，已经对冲击式水轮机、双转轮冲击式水轮机进行了较深入的研究，进展顺利并不断发表着研究成果。

为了解析这种复杂的非定常流动，本项目研究人员开发了连续动画数值解析法（3）率先进行了非定常流动的数值解析、损失解析、流动解析的研究工作，并发表了阶段性成果（4）。

动画解析法与电影的拍摄、放映原理相同，在不同时刻拍摄一系列画面，然后用一定的速度放映成连续的动态影像，它提供了我们如何将非定常流根据时间顺序离散成动画单元，每一个动画单元中通过由拉格朗日法对流体质点的加速度进行积分计算得到非定常流动的分布情况。

研究结果将科学描述其流动特性及射流干涉的规律，采用更科学的流体力学模型对流动干涉进行数值模拟，对各种工况下的干涉行为进行预测，为冲击式水轮机的优化设计及安全经济运行提供依据，通过研究提出提高比转速、适用水头及水力性能的理论依据，并且将理论研究与试验相结合开发新一代冲击式水轮机。

冲击式水轮机大型化的开发也正在进行，开发成功亦将创造巨大的经济效益。

除了要赶上国外开发大型冲击式水轮机的步伐，还要开发出更高性能更加稳定的新型发电设备。

项目申报单位与合作单位联合开发研制大型多喷嘴冲击式水轮机，旨在寻找大幅度增加出力、大幅度提高效率、高运行稳定性适合于当代要求的水力发电机械。

开发得到的水轮机应该效率高、干涉轻、运行稳定可靠。

申请者非常希望能够得到浙江省科技计划基金的援助，力争填补本领域的空白，为提高企业技术水平、竞争力做出贡献。

参考文献：

（1）×

×

“关于冲击式水轮机的知的技法”，《日本机械学会论文集》，Vol.61-59,B（1995.7）

（2）×

，金元敏明.转轮正反转式水轮发电机组水力性能研究，水电能源科学，2006

（3）IECPublicationP593;

Determinationoftheperformancefrommodelacceptancetestsofhydraulicmachines（1998）

（4）×

，×

，刘洁“数字模拟冲击式水轮机内部非定常流动”，《华中理工大学学报》P14-16，2000.11

（5）LiuJie；

etc,Hydraulicenergyconversionwithenlargementoffreejet,InternationalConferenceonEnergyConversionandApplication（ICECA2001）,VOLIANDII 

1256-1258

（6）Risberg.S,DesignandproductionofhighperformancePeltonturbines,InternationalJournalonHydropowerandDamsv9,p95-97,2002

（7）Kubota,T.,Nakanishi,Y.OutputpowergeneratedbyarotatingbucketinPeltonturbines,JSMEInternationalConf.OnFluidEngineering,Tokyo,1997

二、国内外研究现状和发展趋势

干涉现象是影响冲击式水轮机性能原因，干涉现象及负比尺效应是冲击式水轮机大型化发展的瓶颈。

如果干涉机理能够有效得到描述，流动干涉得到有效的控制，那么冲击式水轮机性能的提高还有很大的空间。

大型冲击式水轮机的研究制造主要在欧洲进行，例如：

瑞士阿尔卑斯山脉B水电站水头1883m，单机容量达到42万kW。

为了最大限度地利用水能，大型冲击式水轮机一般可以做到6个喷嘴，6喷嘴射流能量同时供给转轮做功。

但是瑞士B电站只设置了5个喷嘴，原因是担心6个喷嘴的射流干涉，影响水轮机的稳定运行，因此B电站代价是舍去了一个喷嘴的射流。

本电站一个喷嘴代表了将近10万kW的发电量，按0.20~0.50元卖出，单单一个喷嘴一年经济损失可达到2000~5000万元以上。

大型化冲击式水轮机结构亦非常简单，不需要筑坝、水下挖深、不破坏环境，近年使用率承直线上升，也更加重视技术开发及技术积累。

日本的冲击式水轮机开发以Kubota,T.教授为代表，他的特点是长年进行了干涉现象、射流干涉的负比尺效应、数值仿真实验及物理试验研究，成为世界公认的冲击式水轮机开发的权威及倡导者。

他与本课题组项目合作单位核心成员近年来合作开发的高效冲击式水轮机效率高、流量大、稳定性好。

经湖北省试验中心2002年于湖北省H电站进行了同台比较鉴定，相同机组、相同工况、相同试验人员，只置换转轮出力多发15％，运行稳定受到好评。

试验室实验结果表明：

模型机效率高于同等水轮机1.5%左右。

于世界水理学会IAHR、国内会议发表了研究成果及多篇学术论文，处于领域前沿。

学术论文中揭示了射流、水斗干涉现象的机理，实现了干涉轨迹与能量损失的定量描述，为冲击式水轮机的开发研制提供了强有力的技术支持。

我国现在冲击式水轮机的储能非常之大，开发量比例甚少。

近年各厂家要么继续使用旧型转轮或加以一些改造，要么花高价（好几百万元）进口转轮。

值得高兴的是，与本厂进行合作研究的主要合作者及核心成员在这方面有建树和实际研发经验，厂校发挥各自的优势形成强有力的开发研制队伍，以数值仿真实验与物理试验相结合的方法，研制高比转速、高效率、少干涉的大型冲击式水轮机。

本团队还将开发新型双转轮冲击式水轮机，两转轮将同时进行能量转换带动发电机发电。

从水轮机角度上看，采用两个转轮可增加喷嘴数量1倍，比单个水轮机出力可增加1倍以上，比如上述瑞士B电站40万kW的水轮机，设计成双轮后可发80万kW以上。

单机实力将和可以和三峡相比拟，但整机尺寸将是1/2，可以震惊。

我国的水能蕴藏丰富，尤其是大量高水头资源还有很大的开发前景。

由于高水头的能量密度高的原因，高水头水电是相当经济的。

而且，高水头电站的调节能力非常巨大，这是冲击式水轮机普遍受到认同的显著优点。

在水力发电中，高水头电站，尤其安装有冲击式水轮机的高水头电站应该在电力市场上发挥特别重要的作用。

由于冲击式水轮机电站具有强大的调节能力，环保能力，对电力市场的各种需求，对能源环境发展都具有很强的适应性，因而对冲击式水轮机的研究显得日益重要。

同时，发展西部经济，也是摆在冲击式水轮机研究前面的一个重大的课题。

因此加强冲击式水轮机技术的研究，把现代新兴的工艺技术、计算机技术和流体力学计算技术应用于设计和生产，已经成为刻不容缓的任务了。

我国是电力生产及装备、流体机械设备使用大国，又是输出大国。

但是电力、流体机械相关行业的技术创新能力还不是的特别高，产品附加值低，缺乏核心竞争力。

有相当一部分企业只是国外品牌的加工厂，缺乏具有自主知识产权的技术和可持续发展的能力。

因此国家将能源、电力电子等列入“十五”科技重大专项，以推动相关行业的产业升级。

本申请项目的宗旨是，在基础研究上争取有较大的研究成果，以这样的研究成果提供技术创新源头，以争取开发水轮机有良好的水力特性和稳定性，与发电机一起形成高效优良的水力发电机组。

本申请围绕新型发电设备相关的关键技术，结合电站系统、非定常流湍流理论、流体机械流动干涉理论、计算机及智能技术等展开重点攻关，旨在寻找新型大幅度节能、大幅度增加出力、大幅度提高效率、高运行稳定性适合于当代要求的水力发电机械。

因此本申请体现了本学科的发展前沿和发展趋势，又紧密结合国家相关行业的产业需求，有重大的理论意义，又具有明确工程背景的广阔市场前景。

三、研究开发内容和技术关键

为了达到本项目所制定的开发大型冲击式水轮机的目标，研究中将开展水轮机形状解析、数理设计、流动分析与优化、结果验证等几个方面的工作，具体概括为以下四项研究内容：

1）大型机组多喷嘴结构及射流干涉

主要包括：

（1）单转轮6喷嘴结构及工艺实现；

（2）零干涉射流要求的实现：

多喷嘴间射流干涉、射流与水斗背面液流干涉预测，（3）喷嘴管内支持筋板对管内流的影响，喷嘴喷针最佳配合，喷针最佳角度，最佳行程度控制。

冲击式水轮机从喷嘴高速喷射出的射流，在空气中成为气液二相自由射流，这样的混合流体喷入转轮水斗使转轮旋转做功。

无论在喷嘴及转轮内部的流动均显示出典型的乱流、变工况、三维、非定常特性，并且流体会发生干涉现象，引起效率降低甚至振动，因此射流干涉问题成为冲击式水轮机开发应用和大型化的瓶颈。

冲击式水轮机大型化的实现与增加喷嘴个数息息相关，追究多喷嘴射流干涉、射流与水斗背面发生的干涉、射流扩散引起的损失等，将为得到高质量射流提供保证。

2）超高水头、高效转轮开发及数字化设计

转轮是转换能量重要的心脏部件，流过转轮水斗表面的水膜流将高落差水的能量传给水斗做功，而后由主轴将力矩传给发电机转子切割磁力线做功。

水斗表面、水斗切口形状、水斗背面形状都十分重要，因为它们对水轮机的出力和效率都有着决定性的影响。

水斗表面属于大曲率急剧变化的自由曲面，非定常流脉流膜厚度分布、出流位置、切口出流与射流与其美妙的结合会打造出水轮机更高的效率，甚至会超过中高水头水轮机，同时会保留全运行工况效率变化平缓的优势。

与传统转轮设计最大不同的是，本项目转轮开发设计在三维空间进行，该项内容主要包括：

（1）水轮机形状解析：

三维CAD实体模型基础上的叶片、空间流道模型建模，形状数据化表示；

（2）三维叶轮空间数理表达及设计程序开发，采用动画解析法模拟喷嘴转轮的非定常流动；

（3）基于流场结果的性能预测、数理设计指标参数的计算方法研究；

（4）设计平台的建立，正设计和逆设计都会在这个设计平台中找到设计路线及方法。

（5）设计流线数据或木模图数据化。

3）新型双转轮冲击式水力发电机组

开发研制一种新型的双转轮冲击式水力发电装置。

双转轮最大的利益是可以设置2倍于单转轮的喷嘴数，对于机组大型化事半功倍。

两个转轮可使承担水头能力大幅度提高，对超高水头应用有益。

本种新型水轮机还在模型实现阶段，并朝着大型化迈步。

上述研究内容中，需要解决的关键问题包括以下五个方面：

1）减少射流干涉

需要通过CFD进行带喷针、有支持筋板的二重喷管射流干涉预测，这项工作通过模型试验量化较为困难。

优化喷嘴喷管配合、喷嘴弯管、筋板设计，以极大减少弯管引起的射流不对称扩散的影响，及喷嘴射流扩散引起的射流干涉及能量损失。

2）决定最大限度转换能量的水斗形状及水斗切口形状

转轮的水斗为复杂3维自由曲面，为减少水斗干涉现象，要寻找最佳的水斗内面及背面的形状、确保缺口无出流来设计水斗，需要通过CFD手段进行最优化设计。

这对水斗内部的不定常水膜流动要有深刻的认识和把握能力，对计算机数值仿真技术有较高的研究。

3）水轮机数理设计方法

数理设计在此主要指水力模型的三维反问题设计，它基于简单的基础模型获得详细的水力模型几何结构。

它贯穿于初步设计和优化过程，是整个软件系统的关键分系统。

需要重点解决三维反问题设计问题，即如何通过给定结构不断优化叶片表面载荷，再根据给定水斗表面的速度、压力或者动量矩等的分布计算求出相应的水斗表面的几何形状。

4）三维数值解析CFD程序开发性能预测

开发专门用于喷流与旋转水斗流动分析的三维CFD计算程序具有一定难度，但它是实现三维粘性流动分析、进而进行优化的一个基础。

程序中采用动画解析法来解决非定常的模拟、自主开发矢量表示及坐标变换，采用更合适的方法进行解析网格的实现，目的在于保证解析精度下最大限度低减解析时间。

利用数值仿真实验设计出良好质量的射流、转轮内外面形状、适当的缺口形状及外缘出流形状。

5）大型机生产技术

大型机生产会遇到技术实现的挑战，如水斗焊接工艺，强度计算等。

项目申请者正在积累着经验，各项开发研究正在进行或列入了研究日程，有信心得以解决。

关键问题的解决可对冲击式水轮机优化设计，机组大型化提供可靠的技术保证。

四、预期目标（主要技术经济指标、应用或产业化前景）

本课题研究应达到的主要技术经济指标是：

（1）本研究研发的目标是水轮机模型最高效率92%以上；

单位转速n11opt=40rpm，至最大单位流量Q11max=0.05m3/s运行时,效率仍可保持在90%，广范围偏工况运行效率如此之高是其它机型不能比拟的。

为了能得到这样好的水轮机转轮，必须经过零射流干涉的实现。

无射流干涉实现后，水斗内部能量交换更加合理顺畅，运行平稳就更平稳，为向高比转速、大流量、广范围运行工况效率性能好的目标提供技术保证及支持。

（2）大型电站单转轮增加一个喷嘴，代表增加将近10万kW的出力，按0.20~0.50元卖出，单一个喷嘴一年经济收益可达2000~5000万元以上。

我国最多喷嘴数为4个，大多为1～2个，开发空间巨大。

（3）双转轮可以布置比单转轮多1倍的喷嘴，以6喷嘴为例，双转轮可布置12个喷嘴，由此可以多产生1倍的出力。

还是以瑞士B电站42万kW为例，如果使用双转轮双喷嘴出力可达84万kW。

由发电装置的角度再看它的优点：

双转轮水轮发电机在满足相同的电压和转速时，整机尺寸可以缩小至一半，因此可大幅度地减少设备使用材料1/2左右，使得成本价也大幅度的降低增加产品的竞争能力。

还有，机组两转轮的反向转动力矩相互平衡运行会更稳定。

（4）该项目的实施完成，将使我公司的冲击式水轮发电机组的设计和制造能力实现重大的突破。

按年产5台24万kW（12喷嘴、单喷嘴2万kW），预计年增产值12000万元，年增利润1200万元，年增税收900万元。

大型化后，如单机40万kW收益将会翻一番。

由于21世纪本机型需求的激增，年产量将会大幅度的增加，会取得非常惊人的社会效益及经济效益。

因此国家将能源、电力等列入“十五”科技重大专项，以推动相关行业的产业升级。

本申请项目的宗旨是，在技术基础研究、优秀单转轮已有的成果之上，以这样的研究成果提供技术创新源头，开发出性能高、稳定性好的水轮机转轮，与双转子发电机一起形成高效优良的水力发电机组，这样可使用最少的能量获得最大限度的效益。

本申请围绕超节能新型发电设备相关的关键技术，结合电站系统、非定常流湍流理论、流体机械流动干涉理论、计算机及智能技术等展开重点攻关，旨在寻找新型大幅度节能、大幅度增加出力、大幅度提高效率、高运行稳定性适合于当代要求的水力发电机械。

因此本申请体现了本领域的发展前沿和发展趋势，又紧密结合国家相关行业的产业需求，有重大的理论意义，又具有明确工程背景的广阔市场前景。

此外还可将双转轮技术推广至其他涡轮行业，如：

可使用水、气、油的涡轮机、水泵、风机压缩机、飞机空气发动机、船舶螺旋桨等流体机械。

本项目的研制成功，将极大地推动“冲击式水轮机”的国产化开发及制造水平，社会效益和经济效益十分可观。

新型双转轮冲击式水轮发电机组具有很强的市场开发潜力和良好的产业化前景。

五、研究方案、技术路线、组织方式与课题分解

研究方案、技术路线、组织方式

本项目的研制及成果应用转化拟通过产学研联合开发与推广的方式进行，本着共同研究、共同开发、共享成果的原则，在项目的研制过程中，通过项目参与单位共同组成的科研团队进行攻关，根据实际工程情况调整研究方案，充分利用高校在理论研究、软件技术开发方面优势和企业在工程设计、产品试制方面的经验，避免理论脱离实际的问题。

通过产学研联合开发的科研方式，争取在最短的时间内，实现创新性科技成果的产业化。

项目的总体技术路线如图1所示。

项目实施过程中，将充分将水轮机设计与优化的理论研究、CAD软件系统开发与工程应用相结合。

在已有理论积累的基础上，参考相关资料，分别针对理论设计和软件技术方面的关键问题开展理论研究，在完善理论设计方法的基础上开发程序模块，并根据软件开发的要求来完善设计方法，使设计方法程序化、智能化，适于软件设计，最终形成完整的设计平台，并通过实际工程应用来验证其设计效果。

图1技术路线示意图

首先用虚拟技术的方法构建转轮、喷嘴的拓扑结构形状；

用数值计算的方法得到转轮及射流通道的速度、压力、能量场及干涉状况，反复进行数值仿真实验以得到理想的水斗表、背面、切口、出口边形状，进行优化设计；

物理试验确认其性能或对优化设计进行反馈，争取得到最理想的开发结果。

数值实验及物理试验相结合的研究方法将会对研究工作提供很好的帮助。

采取计算分析、性能预测、模型试验研究相结合的技术路线，能保证各项研究内容的完成并可达到预期的研究目标。

项目申报单位组织本项研制开发工作，项目合作单位为主进行机组方案及转轮设计，项目申报单位承担新装置的制造，研发中双方人员可交叉参加进行，这样更有力于经验交流，以确保更快更好地完成开发研制工作。

将本项目划分为四个相互关联的子课题，即：

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