| 单词 | 水轮机 |
| 释义 | 【水轮机】 拼译：hydraulic turbine 是一种把水能转变为机械能的水力原动机。它起源于古老的水车，最早只用于水磨、水碾及其他机械。 1827年美国富聂隆(M．Fourmyron)发明的水力原动机在世界上首次被称为水轮机，原意即水力透平，系来自拉丁文turbo。1849年美国法兰西斯(J．B．Francis)发明了混流式水轮机。1880年美国培尔顿(L．A．Pelton)完成现代水斗式水轮机的基本结构。1903年澳大利亚米契尔(A．G．Michel)发明了双击式水轮机，匈牙利班克(Banki)首先阐明了双击式水轮机的基本原理。1912年捷克卡普兰(Kaplan)首先应用轴流式水轮机，并于1913年研制成功第1台轴流转桨式水轮机。1919年美国哈查(F．L．Harza)最先推出全贯流式水轮机。1928年德国优依特(Voith)公司首次制成水泵水轮机。1930年爱雪·维斯公司首先构思出S型轴伸贯流式水轮机，1952年美国阿里斯·查摩公司制成第1台机组，容量为116kW。1935年爱雪．维斯公司制成第1台灯泡贯流式水轮机，单机容量为200kW，安装在波兰路斯汀电站。1952年瑞士捷里阿兹(P．Deriaz)研制成功第1台斜流式水轮机。早在1738年瑞士伯努利(D．Bernoulli)发表了关于液体质点能量改变规律的著作，对推动水力原动机的发展起了很大作用。1754年瑞士欧拉(L．Euler)对水力原动机的工作过程进行了认真的分析研究，提出了新结构型式的水轮机，并奠定了理论基础，发表了叶片式机械的能量平衡方程式，该方程式至今仍被作为水轮机的基本方程式。1868年亥姆霍兹(H．Helmholtz)首先根据射流理论提出了一种物体的平面绕流模型，该模型即可用于描绘一般的具体间断流束的绕流，也可用于描绘水轮机的汽蚀绕流。1869年克希霍夫(G．Kirchhoff)按亥姆霍兹模型做出了汽蚀绕流的解答。1907年由列维－茨维塔(Levii-Civita)给出了任意曲线体汽蚀绕流的解，这一方法是解任意形状物体汽蚀绕流的基础。1910年布里劳因(M．Brillouin)高度概括了汽蚀绕流时汽穴区域边界的基本几何特性与区域内的基本物理特性。1931年贝茨(A．Betz)与培特松(E．Petersohn)首先提出了亥姆霍兹模型的超汽蚀平板翼栅绕流的解法。此后前苏联的古里耶维奇(M．И．Γypвeвич)与谢多夫(Л．И．ceлoв)利用保留变换法对平板翼栅与圆孤翼栅汽蚀绕流进行了分析，给出了较理想的解答。1958年苏舍兰(Sutherland)提出了封闭汽穴模型与超汽蚀薄翼栅绕流按线性理论边值问题的解算方法，从而简化了计算，使这一方法成功地用于求解翼栅的局限汽蚀绕流。1977～1979年日本西山哲男首先提出了奇点分布法，1980年前苏联伊万诺夫(C．Ивaнoв)也提出了同样的方法。这一方法计算灵活、直观、适用范围广。它可直接用于轴流式转轮的汽蚀流动解析计算，通过变换和完善也可在混流式转轮上应用。1952年中国吴仲华提出的交替使用两类相对流面上的气动方程，把一个三元问题简化为易于求解的两个二元问题，从而奠定了现代叶轮机械三元流动解析理论的基础。以后在此基础上发展了各种二元流动的分析方法。通过两个或三个二元流动的解析的相互迭代计算，确定出叶轮中空间流场的三元流动的解析计算方法，这对研制性能优良的水轮机转轮以及改善水轮机流道中的流动状态发挥了相当大的作用。世界各国都在对直接解叶轮中三元流动进行尝识。1977年中国忻孝康、蒋锦良二人提出的透平机械三元流动任定准正交法，便是该理论中的一种。1979年艾德勒(D．Adler)与克莱梅曼(Y．Krimerman)提出一种有限元格式对涡轮机中准三元流动分析的数值计算方法。这一方法依据的数学模型来源于吴仲华的理论。实用表明，该方法精度高，尤其适宜于处理几何形状复杂区域的边界条件。准三维无粘流动模式得到了迅速发展，目前在各种叶片式水力机械转轮内流的分析和计算中准三维模式已被广泛应用。近几年来，精度更高、适应面更广的全三维方法得到人们的关注，已在无粘流动、边界层流动、抛物流动和部分抛物流动以及全三维性流动方面得到发展。1919年巴夫洛夫斯基(H．И．Лaaлoвcкий)最先把电水比拟法用于实际研究中。1938年西蒙洛夫(Л．A．Cимoнoв)建立研究了绕流叶型栅格、单独叶型及制作理想液体的轴对称流动的电水比拟法问题的理论及实际应用的方法。1847～1921年，儒可夫斯基(H．E．Жyкoвский)在历史上第一个探讨了绕流叶型栅格问题，提出了升力定理，阐明了作用于绕流物体上升力的产生原因是由于速度环量的存在，升力的大小则与环量的大小成正比。1912年恰布雷金(C．A．пaилыгин)首先给出了绕流平板叶栅问题的解法，给出了决定任意形状井物体平面绕流时作用于力矩的基本公式。1984年日本高井信男新设计出一种带双阀的双击式水轮机。由于采用双阀控制流量，从而省去了导叶。实验研究证明：即使流量变化仍可高效运行，勿需转换导叶，效率曲线平缓；不易产生汽蚀；只用一副接力器。1986年日本福富纯一郎、中漱敬之提出了单阀双击式水轮机结构，通过研究比较，证明带阀喷嘴的流量范围更宽广，可获得高效的水轮机性能。1982年日本明电舍公司开发了电动接力器，首次用于中小型水轮机上。起初用于混流式，然后用于轴流式和贯流式。1989年日本又把电动接力器用于控制水斗式水轮机的喷针的折向器，从而使水斗式水轮机全电动操作化。1963～1967年挪威克维拉公司依靠闪频仪高速摄影和计算机技术成功地展现了射流在水斗内的流态，通过对照片分析研究，改进了水斗型线，改善了水斗内工作面的抗汽蚀性能。1988年日本富士公司对水斗式水轮机的射流干扰进行了可视化研究，观察了水斗内的射流干扰现象，找到了出力下降的原因是由于水斗内表面上的射流干扰以及水斗外面的射流防碍所致。1989年日本日立公司设计制造的世界上单机容量(65MW)最大的灯炮贯流式水轮机在日本只见电站顺利投运，泡体采用T形支撑结构，即1根垂直支承和两根水平支撑，轴承采用3轴承方式，用有限元法(FEM)确定最佳流道形状，所有试验均采用1／8比例综合强度模型及1／4比例部分模型进行，从而为水轮机的安全投运提供了保障。1970年瑞士爱雪·维斯公司在总结已运行的全贯流式机组的经验上，进行了专项研究开发。1976年该公司研制成了静压轴承和静压密封，解决了全贯流式水轮机的关键技术。1984年，为加拿大安拉波里斯电站制成了单机容量为20MW、转轮直径达7．6m的全贯流式水轮发电机组，取得了明显的进展。在已投入运行的各类机组中，单机容量最大的是：混流式700MW，轴流转桨式235MW，轴流定桨式135MW，斜流式215MW，灯泡贯流式65．8MW，全贯流式20MW，轴伸式315MW，水斗式315MW。前苏联已在研制1350MW混流式水轮机，挪威已具备制造400～600MW的水斗式水轮机的能力。运行中的蓄能机组最大单机容量已达660MW。从水轮机研究到设计已实现各工序全过程自动化，可自动选择转轮参数、自动绘制通流部分应力分布曲线，自动进行数据分析的模型试验，也可用于部件强度计算、振动分析、应力分析、特性计算、叶片加工、钢板切割下料、试验分析以及绘图等。采用激光测量、电磁测量、光电感应测量，光纤维观测等测试新技术，有力地促进了水轮机模型试验的全自动化和现代化。模型机的效率已提高到93．8%。工业发达国家可经济利用的水能资源已开发殆尽，随着大型水电站和核电站的迅速发展，大力发展抽水蓄能电站用以合理调峰特别重要，各种型式的水泵水轮机都相继开发成功并投入运行。1987年日本东芝公司和东京电力公司共同研究开发了在抽水情况下可以调整电力的蓄能机组，采用了的数字控制技术和电子技术，使变速成为现实。1991年前苏联开发了一种新型水轮机——正交流水轮机。这种水轮机是在达里聂风车的理论基础上研究出来的。其叶片为直线型，采用纯流线型的支架，将叶片固定在平行于它的转轴上，转轴安装采用卧式、立式布置皆可，完全改变了传统结构，适宜于自由流、低水头及潮汐电站。世界上还有很多地区的水力资源有待开发，尤其是发达国家可供经济开发的水力资源已基本开发，迫切需要开发超低水头的水轮机以及可供潮汐能、波浪能发电的新型水轮机。开发大容量、高水头的巨型水轮机已成为新的研究课题。选用新的水轮机材料，提高抗汽蚀、抗泥砂磨损的能力，延长水轮机使用寿命一直被作为主要研究项目之一。水轮机转轮内部一维、二维和准三维无粘性流动的计算模式已日趋成熟和稳定，在转轮特性的预估和转轮设计方面得到了广泛应用。对全三维粘性流动的研究正在不断深入和探索之中。把CAD、CAE、CAM技术应用于水轮机的各个方面还有待进一步的开发。解放初期中国只能制造中小容量水轮机，现已能自行制造单机容量达34万kW的水轮发电机组。中国水轮机发展可分为3个阶段。50年代是初期，基本上是仿制前苏联等外国产品和建立技术队伍。50年代末进入第2个阶段，制造、安装和投运了一大批大中容量水轮机，同时技术上作了许多改进，逐步形成了水轮机型谱。60年代末进入了第3阶段，现中国水轮机技术有些方面已达到或接近世界先进水平，但质量还有问题。今后除需制造直径更大、容量更大的机组外，还需在性能、效率和气蚀方面进一步研究，同时发展抽水蓄能电站的水泵水轮机。中国50年代还不能制造水轮机调速器；60年代在引进基础上进行制造；70年代发展电气液压型调速器，同时利用调速器也有较大进展；80年代研制微处理调速器。调速器的发展和技术水平可从元器件和系统结构两方面考察，中国已接近国际水平，主要存在问题是可靠性和生产工艺质量。水轮机的气蚀和泥沙磨损方面，虽防治清水气蚀已有了相当成就，但我国是一个泥沙河流较多的国家，气蚀与磨损共同作用的损坏程度远比清水严重得多，曾在材料抗损害方面作过大量试验研究，至今仍是水电设计、制造方面的主要课题。【参考文献】：1 许跃铭，吴沛容，陈秉二．水轮机原理及水力设计．1961．26～472 福富纯一郎，中濑敬之，等．ク口スフ口一水车に关すゐ研究，日本机械学会论文集(B编)．昭和61，52(1)∶401～4063 华中工学院水力机械研究室译．水轮机汽蚀，1981．33～764 高井信男．神钢电机．1984，29(4)∶93～945 Brekke H，Water Power，Dam Construction，1987；39(11)∶13～166 国家机械工业委员会科学技术情报研究所．国外机械工业要览．1988．329～3367 常近时．水动力学机械．19898 彭泽元．动力工程，1990，(6)：11～159 沈祖冶．我国水轮机及其调速器发展40年．河海大学科技情报，1989，3：44～4910 青长庚．我国水轮发电机组及其辅助设备的发展．水力发电．1982，8：48～5311 韩国其，刘大恺．叶片式水力机械转轮内流计算模式的发展．河海大学科技情报．1990，3：76～8712 彭泽元．水轮机发展综述．重水技术，1992，6(1)：1～4(重庆水轮机厂彭泽元撰) |
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