国内外水轮机发展动态.

1、国内外水轮机发展动态国内外水轮机已处于多品种、大容量时代，行业发展方向是优质、联台、高科 技;技术发展动向是改善水力性能，提高运行可靠性，降低制造成本，重视老电站改造 和环境友好。国内水轮机技术发展是以三峡700MW水轮机联台设计、台作生产、技术转让为契机，消化吸收国际先进技术，开发大容量混流式、贯流式、可逆或水泵 水轮机，使国产设奋不仅在制造能力上，而且在产品质量、性能、可靠性各方面均髓 满足国内外水电市场的需要。世界水轮机已处于多品种、大容量时代我公司是国内 生产水力发电设备的大型骨干企业之一水电作为一种可再生、投有污染、调度灵 活、成本低廉、效益显著的优质能源，一经开发，百年受益，造福当

2、代，惠及子孙。我国 水力资源得天独厚，水能资源藏量为6.76亿kW,其中可开发部分为3.78亿kW,居世 界各国之首。解放前，全国水电总装机仅160MW，水电设备制造几乎是一片空白。 解放后，党和国家对水电开发十分重视，到1996年全国水电装机已达55000MW,已开 发利用14.7。目前，以三峡工程为首，二滩、李家峡、小浪底、万家寨、天生桥、大 朝山、宝珠寺等一大批电站正在建设，据不完全统计,在建项目总容量超过了 36000MW。下世纪初，我们西部地区，又有向家坝、溪洛渡、瀑布沟、小湾、龙滩、 水布垭、拉西瓦等一大批单机容量大于 500MW的电站要动工兴建。水轮机用于水 力发电已有i00多年

3、历史，随着水电资源的开发，推动了水轮机技术的发展从而使水 轮机进入了一个多品种、大容量时代。水轮机因地制宜，水头最小12m,IO00-2000m,都有相应品种。大体可分为冲击式、混流式、斜流式、轴流式、贯流式水 轮机六大类以及相应可逆式水泵水轮机，它们分别适用于不同水头和流量每种类型 水轮机还有很多品种，如:贯流式水轮机又有灯泡贯流、全贯流、轴伸贯流、虹吸贯 流、坚井贯流、潮汐双向贯流等 总、起来有百种之余表I为已运行的单机容量最大 各类水轮机表2为已投运水轮机的最大转轮直径；表3为已投运的水头最高的各类 水轮机。自六十年代，世界上第一台500MW混流式水轮机在前苏联克拉斯诺雅尔 斯克电站投入

4、运行以来，全世界掀起了一股提高水轮机比转速、增大水轮机单机容 量的风潮，迄今容量超过500MW,可谓已进入大容量时代。为止全世界已有 7座水 电站、62台机组单机冲击式水轮机施式水轮艟流式求轮机；水轮机使用水头、流量 范围水轮机类型I国际I国内东电冲击式轴流式斜流式贯流式水泵水轮机挪威圣西玛315M中国水口 200MW前苏联泽雅2i5MWI:1本只见65.8MW美巴斯康蒂45 7Mw宋河z1 6MW永口 Z00MW 毛家村8MW百龙滩33MW广蓄300MW葛洲坝 170MW流傩埙6MW表2已投运的最大转轮直径裹 3已投运的水头最高的各类水 轮机承轮机类型国际国内东电冲击式臭地利莱塞克771ra

5、天潮10Z6.4m混流式典地利霍斯林744m鲁布革37Z,5ra渣子溪318m斛汽式日奉薪日向川113m毛家村 77m轴赢式意大利部门比亚88m石仃78ra太化40a贯流式日本只见24.3m南津菠 1 7 6m疯滩坝9.6m嘱流式水泵水轮机儡加科亚茶伊拉 701m广蓄550m由表1、 2、3可知，我国水轮机除轴流式水轮机之外，其他各类水轮机均与国际水平有较大差 距。3国外水轮机技术发展新动向目前国外水轮机制造业处于不景气状态，先进的发达国家，如日本、法国、拂威等国内水电资源已开发 8O以上，产品基本依赖出口 ；发 展中国家由于资金短缺，近十年几乎没有什么大型工程上马，国外水轮机制造面临市 场危

6、机为了生存和发展，提高市场竞争力，目前动向是：优质、联合，发展高科技。这 同我们机城部提出的三大战役有异曲同工之处。3.1优质以质量求生存，以质量求发展。提高产品质量从设计、工艺、制造 全过程中垒员的全面质量管理到产品开发前要有目标、计划，开发过程中要有措 蘸、评审、记录、确认，要 三按”生产，开发结束要有总结和验证全过程受控的 IS09001国际质量体系的认证。从保质量、无差错、无废品，到优质、追求工作质量的改善、生产质量的强化、产品质量的提高，来满足用户要求，让用户无可挑剔。水 轮机在不少人看来，是埋在土里的设备，傻、太、笨、粗的产品。而现在，国外公司 都想方设法制造 高、大、精、细”的名

7、牌产品,高是高比速、高技术；大是大型化；精 是高精度；细是精细，即在满足刚、强度要求下尽可能细，以减轻重量、降低成本这标 志着水轮机市场的要求类似我国家电、服装市场已从有没有台适产品过渡到要好 产品、要质量信得过的名牌产品的时代。如水轮机座环，不少人认为它是一件又大、又重、埋在混凝土里的部件，往往不予重视。而挪威克瓦纳公司则认为它是水 轮机中承受复杂应力、影响水力性能、且修补 4东方电机1998年第1期更换 困难,应给予充分重视的重大部件，给我国天荒坪电站生产的水泵水轮机座环竟然是 利用锻钢在数控铣上加工出来的。就是这家克瓦纳公司，肯在质量上下功夫,1 980年 以前只能生产挪威国内水轮机的无

8、知名度水轮机企业，迅速崛起，短短十多年，兼并、合资全世界（美、英、中、瑞士多家水轮机制造厂，一跃成为称霸世界水轮机市场的 跨国公司。在全世界水轮机订单中，19931994年占13 ,1995年占27%;1996年占 30%多，把水轮机强企日立、东芝、三菱、富士、德国vOITH、法国ALSTHOM、加拿大GE、债罗斯LMZ等统统抛到后面，证明了市场的竞争归根到底是质量竞争 这一真理。在赢得市场同时，优质优价制造厂亦获得很大经济效益。3,2联合联合是 指水轮机制造企业合并、合资和合作的趋势，是近年来国际水轮机行业增强竞争实 力又一举措。联合有强强联合，如德国VOITH和美国AC公司台井，组成VOI

9、TH跨 国公司。目前世界上已有四大水轮机跨国公司，以便发挥各自长处，分工负责有的负 责水力开发，有的负责结构设计，提高竞争能力有强发（发展中国家联台，如法国 ALSTHOM和天津发电设备厂合资，这是先进技术与低价劳动力的结合，提高竞争能 力;有强地（电站所在地联合，如加拿大GE公司和我公司合作生产二滩、三峡机组，便 于转让技术，节约买方外汇支出，提高竞争能力。3.3发展高科技国外水轮机技术发展 已从多品种、高比速、大痞量的发展阶段转向发展高科技即提高产品科技含量，争取企业经济效益的新阶段。具体的方向是改善水力性能，提高运行可靠性，降低制造 成本，重视老电站改造和环境友好五个方面。3.3.1改善

10、水力性能近十年来，国外各主要水轮机制造企业都在不断提高水轮机 效率上下功夫，无论是水轮机最高效率，还是水轮机平均效率都有了新的突破。图2是近来国外公司在我国水电站上效率提高趋势，模型最高效率已达94.9 .十年内提高了 2倍。二滩（GE、I 94 4芒李家峡（GEl- :1 .94.1 n隔五河强 潼（VOITFI哐i ;近年来国外套司在我国水电站上使用的水轮机模型转轮最高效率 提高趋势水轮机效率的提高无疑是得益于高科技的投入。主要有流体动力计算技术 的重大突破计算机技术的应用；水轮机模型加工、试验中的高技术；水轮机真机新 工艺、新材料的应用。（1水轮机流体动力计算技术的重大突破水轮机流体动力

11、计 算技术的突破表现在：从解欧拉方程到解拉维一斯托克斯方程（N s;从不考虑水的 粘性到考虑水的粘性、粘性流鹪（ke;从解定常流到解不定常流，大涡模拟（LES;从 计算单个部件（转轮等到全流道模拟（从蜗壳进口直到尾水管出口 （2计算机技术的应用维普资讯,5流体动力计算机技术的突破完全依赖于计算机硬、软件技术的发展，两者缺一不可用于水轮机上的计算，一靠硬件（计算机容量和速度，二靠软件，现在国际上有专门开发流体机械设计正、反问题的软件公司，一大批先进软件，如I DEAS、TAscFLOW、FLOWTRAN、ANSYS等己成功地应用于水轮机水力设计；三靠公司本身数据库，这部分是私有知 识，一般是不会

12、转让的。水轮机转轮水力设计CAE （计算机辅助设计系统（图3所示包括cAD （计算机辅助设计（见图4、CFD（计算流体动力学分析、流动分析结果、 转轮叶片问叶道旋涡分析结果、大涡模拟分析结果、全流道模拟计算（图5所示、性能预估结果（图6所示。由于计算机性能预估精度和速度的提高，优化目标函数损 失最小，效率最高才得以实现。不但提高了效率，也大大提高了开发速度，减少了模型 试验工作量。圈3水轮机转轮水力设计糸统框图（CAE（3水轮机模型2D:I:和试验中 的高技术水轮机越来越大，电站真机试验越来越困难，因此，模型验收已逐渐成为考核 水力性能唯一手段。为此，各水轮机制造公司不惜重金，在模型加工和试验

13、上狠下功 夫。现在的模型装置，不仅转轮数控加工，连蜗壳、尾水管，不是数控加工就是填塑。 他们的目标、几何尺寸，包括迷宫间骧、泄水孔在内要全模拟，、粗糙度要求小，以滴 水成璩来衡量，一滴水珠可以从蜗壳进口滚到尾水管出口。试验台精度通常在O.3以内,测试仪器仪表，从激光到光导纤维，从高速摄影到电视录像，应有尽有，使我们感 觉，他们在科研上真舍得花钱，舍得投入高技术，每年科研新产品开发费约为销售收入 的58。（4真机上新工艺瓤材斟的应用图7是水轮机转轮翻造工艺流程。四种工 艺目前都在使用。工艺a,日本各公司常采用的工艺，古里电站610MW水轮机就采 用这种工艺加工而成。现在看来，整铸转轮型线不易保证

14、，使水轮机空蚀严重，稳定性 也欠佳，该电站据说已靖公司检溯，证明型线误差大，已准备更换转轮。工艺b,我公司 目前采甫的工艺、组合样板误差大，加上手工铲磨质量当然比不上数控。工艺c,GE公司等目前采用的工艺，虽然用上了高精度经纬仪，但转轮组焊后就不好测量了，焊接 用人工焊接，据说三峡转轮焊接换焊条达1O万次之多,对焊缝质量肯定有影啊。工 艺d,是克瓦纳公司推荐用于三峡转轮加工工艺，模压叶片，数控加工，光学测量系统，整 体转轮利用光学测量，机器人焊接、激光检测焊缝质量。新工艺的采用是确保真机 水力性能提高的有效措旋。新材料的采用，目前普遍采用优质不锈水力冲击和摩擦损失，又唾提高效率。3-3.机组.

15、提运高行运可靠!性案越来越受到用户的重视，在投 标中考核项目日益增加，目前有可用系数、大修周期、使用寿命。制造加工质量等 又是直接影响可靠性指标的主要因素，任何一项因素处理得不好，就会直接影响机组 可靠运行。一项因素的研究就是一项攻关课题，综合起来就是一项庞大系统工程，因 此，运行可靠性好坏可以反映一个水轮机企业高科技水平，全流道模拟计算网格圜比圆周速鹰纳维一斯辛E死计算法比I圈研逮度圜6混流式转轮性能预估、模型试验 结果对比国外运行可靠性先进指标：可用系数95，大修周期810年，使用寿命40年 以上。为达到上述目标，它们已采用了一系列措施，取得了一定进展。（1混流式水轮 机采用x型叶片，改善

16、非设计工况下运行稳定性，提高运行可靠性。（2全三维粘性流 动分析、提高分析精度、改善叶片背面压力分布，即改善局部空化性能，延长大修周 期和使用寿命。（3设计成功了高效率、低单位转速、大流量转轮，降低转轮内流速 （从4050m/s下降到36m/s以下，改善水轮机抗磨损能力，延长大修周期和使用寿 命。（4过流部件易磨损部位抗磨蚀表面处理新工艺：等离子渗氮抗磨层；金属一陶瓷 喷焊层;优质抗磨不锈钢（12cr18Ni9Ti堆焊层.提高抗磨蚀能力，延长大修周期和使用 寿命。提高原材料质量，严格控制内部缺陷（夹渣、裂纹,采用钢板模压叶片等新工艺 即可避免水轮机运行中出现裂纹等故障同时也可改善抗磨蚀能力。转

17、轮工艺路线之二轮H丹舞铸造c转轮工艺路绒之三i l叶片模压.1 l各件丹别II依靠经纬仪II各件i I轻纬仪I I蛆焊转轮Hl I 士冠译，下环一探伤H檀测各件以L数控L造l l UT,MT I I决定加工量I l加工l l复涓l l手工半自动焊一UT, MT位置r_ H ll 1 l叶片模压.1 l各件分剐l I依靠光学 仪系统I J各件l l光学仪l 1.蛆焊Il转轮l I上冠，下王1=探伤一检测各件.以决 H数控一L 变位机加焊接罅造l l uLMT l l定U工量I I加工l l复测 l机器人一一 UT, MT H上冠、下环过魂面，己寸一r I混流式水轮机转轮加II艺路线（6控制加 工

18、质量，减少水力、机械不平衡力、残余应力，改善运行可靠性。（7采用新材料、新 工艺,新结构,控制三漏（漏水、漏油、漏气，提高可用率。（8提高大部件刚、强计算 精度,既要减轻重量，又要确保刚强度。（9机组整机动力特性轴系稳定性计算，严格避 免共振。（1O考虑交变载荷（动应力，加工残余应力及常规应力（水压力、离心应力的 疲劳破坏计算已取得很大进展。（11利用断裂力学璜测设备使用寿命技术研究已有突破。（12与可靠性相关的工厂无损探伤、高精度测试技术，电站机组运行在线监测、事故诊断技术也同步发展。上这些不可能再一一展开。下面简单介绍一下我们 很不熟悉的x型叶片。x型叶片,是径向看叶片进水边与出水边交叉成

19、 x型而得名。 混流式水轮机有个固东方电机1998年第1期有特点，即叶片固定。因此，当运行 工况（水头、出力偏离水轮机设计工况后，转轮进口会产生冲击，转轮出口水流有旋涡， 使水轮机效率下降，亦可能引起进口空化，产生叶道旋涡和尾水管涡带,1起机组振动, 如图8所示。x型叶片同常规混流式水轮机有很大差异，如图9所示从正面看，叶片 进水边向后倾斜（图9a,因此，又称负倾角进水边水轮机，而常规水轮机往往向前倾斜 或在一个轴面上。从轴截面上看（臣9b,上冠处出水边十分靠近中心，D 0,即U -0,V （而常规转轮D要大得多。，从下向上看（图9c,出水边不在一个轴面上，相差30 40。之多,常规转轮通常在

20、一个轴面上。从横截面看（图9d,上冠处叶片为负曲率，进 水角既90。，而常规为正曲率。这种水轮机 KE公司、GE公司早年就有，在水头变 幅较大的电站使用，三峡周水头变幅大,KE公司、VGS集团异途同归，都使用该x型 叶片，研究成功了世界一流的模型转轮：最高效率大于94.5，真机平均效率大于94 ;无 进口空化、无叶道旋涡、无出水边空化气泡；尾水管压力脉动小于4 .图8混流武水 轮机不同运行工记进出u流态3.3.3降低制造成本如果说，改善水轮机性能，提高运行 可靠眭，扩大市场占有率主要是社会效益.对制造厂是间接经济效益的话，那么，降低制 造成本则是直接经济效益。降低成本，要有一个前提,即确保水轮

21、机性能、运行可靠 性等质量，园此，降低成本关键亦在发展高科技（1提高水轮机比转速n提高水轮机比 转速可以缩小水轮机转轮直径，提高发电机转速，使机组尺寸小，重量轻（2提高大部件 刚、强度计算准确性水轮机部件受力复杂，刚、强计算往往建立在很多假设条件上. 计算结果正确性差.往往要留有足够安全系数随着计算机技术的发展，刚、强度计算 准确性的提高，许用应力可适当提高，部件重量就减轻，据强度专家称，仅这一点可减轻 重量2O左右如三峡转轮D 一 10m我们设计为480t，国外设计重量为407t，减轻了18。（3简化结构，减少加工工作量。常规拖潍式水轮机叠叶片拖藏式木轮机国 9 X 型叶片和常规混流式水轮机

22、转轮主要区别例如蜗壳采用大舌板、全圆断面结构；座环采用平行式座环结构；导水机构采用小套简结构和连杆偏心销结构；主轴采用无滑转子结构；发展大部件工地加工技术等。（4采用新工艺，减少工序以活动导叶为倒，一 台机24个导叶，国外先进公司的导叶加工中心 35道工序就解决问题,而成立加工中心前往往多达 20多道工序，毛坯成型、粗磨、划线、粗车、 划线、铲磨、探伤、样板检查、缺馅处理、精磨、精车、划密封刨线、刨密封面、 铣斜面、装导叶臂、绞分半键孔、预装、刷漆等。此外，提高加工精度，减少部件，如娲壳、尾水管、导水机构在工厂内预装工序也是发展方向之一。（5采用新技术、减少工装过去，水轮机制造往往采用大量工、

23、夹模具、各种样板，多得无处堆放，对单 件、小批量产品实在是一个太负担。采用新设备、新技术力求将工装减少到最低限 度。如,叶片型线检查,组合立体样板；进水边、出水边单个翼型检查样板进口角、 出口检查工装等，一般每个电站都傲一套，机组一大，各种样板就可堆成一座山现在国 外一套光学测量系统，即可检查单个叶片，又可检查整台转轮，不仅精确，长远看也很 经济。3.3-4重视老电站改造全世界161个市场经济的国家，凡有水能资源的无不优 先并发水电，水电装机己达6亿多kw不少水轮机或因设备老化、或园参数低或因 性能落后或园空蚀、磨损、裂纹等缺陷，而髂要改造增容，提高水轮机效率，提高运行 可靠性提高自动化水平电

24、站改造因投资省、厨期短、经济效益显著而成为当代热 点之一许多水轮机制造企业，俄岁斯:LMZ、挪威KE、加拿大GE都使用最新科技 成果，重视老电站改造3.3.5重视环境友好保护环境，给地球以清洁面目，给人类以优 美生活空间。尽管水电同火电比已经是一种清洁能源，但仍有改善的地方，近年来，环境友好也是水轮机技术发展方向之一 （1严格控制三漏,防止对河水等环境污染（2改 善外观设计，减少噪声，不步电站成了旅游景点（3适应水利工程防洪、灌溉、航运等， 扩大水轮机安全稳定运行范围。4国内水轮机技术发展我国水轮机制造业始于1927年，起步比国外晚了近百年，为福建南平制造了一台5kW水轮机，但直到解放前生产

25、最大水轮机单机容量只200kW,可以说是一片空白。解放后，水轮机制造走过了从无 到有、从小到大的历程，混流式、轴流式水轮机制造能力已跻身世界水平。但总体 水平，特别是技术水平,通过前面介绍，可以看出有很大差距。改革开放后，国内市场国 际化，从1984年鲁布革电站国际招标至今,德国伏依特公司、加拿大 GE公司、挪威 克瓦纳公司、法国阿尔斯通公司、奥地利奥钢联公司、瑞士苏尔寿公司、日本富士 公司、日立公司等都在我国水电市场占了一块地盘。据不完全统计，我国在建36000MW水电,2o尚未落实制造厂；50上，如三蛱左岸电站、二滩、小浪底、万家 寨、天荒坪、广蓄二期、凌津滩、贵港、王甫州等均已落入外国公

26、司或外国公司控 股合资企业手中；剩下30 ,如李家峡、天生桥I级、大朝山等大电站也使用外国水 力技术。我们面对着强大竞争对手，困难是不言而喻的。能否在今后市场上占一席 之地，关键是要打好机械部提出的三大战役 一一产品质量翻身，组织机构优化，开发能 力提高。目前国内水轮机技术发展的主攻方向应该是 ：三峡水轮机技术转让为契机， 引进、消化、吸收国外先进技术；大力发展贯流式、可逆式水泵水轮机等新品种；加 大科研力度、发挥自身优势、争创国际先进。4 1以三峡水轮机技术转让为契机，引进消化吸收国外先进技术三蛱工程前，我国虽然进口了大批水轮机.但从未引进过开 发研究的关键技术，使我们 知其然而不知其所以然

27、”。从水轮机设计理论来说，仍然 停留在5o年代理想流体、定常、有势、解欧拉方程以及单个部件设计阶段。不要 说独立设计出好转轮，用它去分析进口转轮叶片都会觉得不可理解。这次 ，李鹏总 理、邹家华副总理十分重视三蛱工程水轮发电机组技术转让，将技术转让好坏作为 授标主要条件、迫使外商很不情愿地答应转让设计软件，水轮机、电机各六条关键 技术。以水轮机来说包括转轮蜗壳、座环、导叶、尾水管等过流部件 CAE,即水力 设计、流动分析、性能预估的软件，大部件刚强度计算、分析软件和动力特性分折软件，初步设计软件，转轮加工、焊接软件，轴承等结构 设计软件，工程管理软件等。这是千载难逢的好机会，我们一定要牢牢抓住这

28、次 机遇。选派思想好，外语、计算机、专业知识过得硬的中青年优秀人才作为主体 去引进技术，花力气消化吸收、创新，我们一定能够乘三峡东风，使我国水轮机 技术产生一次飞跃，具备独立开发 70OMW大型混流式水轮机的能力。4. 2大力 发展贯流式、可逆式水泵水轮机等新品种我国长期以来，受计划经济的限制，贯 流式、可逆式水泵水轮机发展极为缓慢。贯流式水轮机，在计划经济用千瓦数多 少考核厂长业绩时代， 可以说是硬骨头，谁也不愿啃。可逆式水泵水轮机是吸收 4kwh电，发3kwh电，在计划经济年代，峰谷电一个价，明摆着做赔本生意，谁 也不愿 建设抽水蓄能电站。市场经济建立后，贯流式水轮机囤比转速高、效率 高、重量轻、卧式布置电站开挖少、土建投资省、建设周期短，电站往往靠近用 电负荷中心等优点异军突起。对制造厂来说，它尺