50年来水力机电研究领域发展与回顾

第6卷　第4期2008年12月中国水利水电科学研究院学报Journal of China I nstitute of Water Resources and H ydr opow er Research V ol 16　N o.4December ,2008收稿日期223文章编号:167223031(2008)042029920950年来水力机电研究领域发展与回顾陆　力,高忠信,潘罗平,马素萍(中国水利水电科学研究院水力机电研究所,北京　100038)摘要:50年来,中国水利水电科学研究院水力机电专业经过几代人的艰苦努力,研发能力得到极大的提高。

在水力模型开发、测试技术和相关基础理论研究等方面取得了可喜的进展,目前是我国唯一专门从事水力机械应用基础和关键技术研究的国内外知名科研机构。

本文从测试技术、机电装备技术和数值模拟技术3个方面,概述了我院近50年来在水力机电研究领域的发展过程和主要成果;回顾了水力机电研究领域建立、健全和成长的历史。

最后简要阐述了水力机电研究领域今后的研究重点和发展方向。

关键词:水力机械;水轮机;水泵;模型试验;数值模拟;泥沙磨损中图分类号:T V734文献标识码:A1　水力机电研究概述解放后,为适应水电建设的发展,利用好丰富的水能资源,我国积极组建自己的专业研究队伍。

1958年后期,原电力部水电科学研究院与原中国科学院、水利部水利科学研究院合并后,组建了水力机电研究所(以下简称机电所),该所分为电气和水机两部分,共设6个专业组。

1、2、3组从事发电机、水电站自动化及水电站遥测遥控的研究,4、5、6组从事水轮机现场效率试验、水轮机模型试验装备研发与建设、水轮机模型试验以及新型水轮机组的研究等。

1966年初,机电所4、5、6专业组调整合并成1个组,即共设4个专业组,由3大课题组成:水轮机泥沙磨损,水轮机空蚀及水轮机过水建筑物,并增加了水轮机振动研究项目。

文革期间机电所大部分科研人员下放基层电站工作。

1978年全国科技大会后进行了机构调整,水电站自动化和水电站遥测遥控专业等组建自动化研究所,其他专业分成了研究室和实验室两大部分,水力机电研究所名称仍保持不变①。

建所50年来,历经几代人的艰苦努力,机电所已成为水利水电系统内唯一从事水力机械应用基础和关键技术研究的国内外知名的一流科研所。

研究所拥有大型现代化的试验装备,一流的研究手段和一批享誉国内外的知名专家学者。

承担完成了大量国家及省部级重点研究项目,为我国大型水利水电工程前期建设中的决策和后期的技术服务做出了巨大贡献,取得辉煌的成绩,研究成果为我国水电事业的发展起到了推动作用。

如:在“葛洲坝水电站轴流式水轮机转轮的研究”工作中利用自身的理论知识首先提出了轴流五叶片理论,填补了国内该项技术的空白,为此获得1987年国家科技进步特等奖。

我院恢复重建以后,研究所密切结合水利水电建设中的重大关键科技问题,开展了一系列基础理论与应用研究,先后承担和完成了黄河小浪底电站水轮机、万家寨引黄用水泵、三峡电站水轮机、二滩电站水轮机、抽水蓄能电站高水头可逆式水泵水轮机、南水北调工程用泵等大量国家和省部委下达的重大攻关任务。

完成了三峡、白山、蒲石河、万家寨、南水北调中线工程、溪洛渡等水利水电工程中关于机电设备的工程咨询任务,主持或参加制订国家及部颁标准19项,仅近年就获国家科技进步奖、国务院重大办及国家科委、国家计委、财政部表彰奖,电力部、水利部等奖励20余次。

2　主要研究领域回顾与进展水力机电专业以水和机械之间的能量转换关系为基础,以水力机械的水力特性、动力特性以及结构:200707050年来水力机电研究领域发展与回顾　陆　力　高忠信　潘罗平　马素萍特性为主要研究对象,以确保各类水力机械的高效率和安全稳定运行为主要任务。

研究内容主要有:水力机械能量特性、空化特性和运行稳定性等。

研究方法有模型试验、现场试验、数值模拟等多种手段。

50年来,中国水利水电科学研究院水力机电专业经过几代人的艰苦努力,研发能力得到极大的提高。

在水力模型开发、测试技术和相关基础理论研究等不同方面取得了可喜的进展。

以下主要就测试技术进步、装备技术进步和数值模拟技术进步3个主要方面进行回顾。

211　水力机械测试技术的发展　水力机械是一门以试验科学为主的学科,高精度的水力机械试验设备及测试技术是设计开发和验证新型水力机械产品的必要条件,也是研究解决现场实际运行中出现异常故障的重要手段。

我国的模型试验研究起步较晚,建所初期,由于资金欠缺,实验室建设遇到了很多困难。

原水电科研院于1958年建成一座1000m2的模拟试验楼,因机构改变而移交新成立的机电所改为水力机械试验室,因此各种试验设备只能在已有的空间布置建造。

当时可参考的资料很少,在艰苦的条件下和有限的空间里建成了功能较齐全的试验装置,但与国际上先进水平尚有一定的差距,测量仪表及测量方法大都以人工操作肉眼观察为主。

1962年底,能量台开始投入使用。

先后进行了新安江水电站的尾水管、瓯江水电站双机组共用1条尾水廊道的模型试验、盐锅峡水电站尾水管以及贵州红林水电站长尾水洞的模型试验等。

在100mm的试验台进行过青铜峡水电站闸墩式厂房的尾水管泄流效益及富春江水电站尾水管泄流效益,以及新疆可可托海水电站4台机组共用1条尾水廊道以及尾水管形状的试验。

这些项目都是设计中提出而国内又无其它单位有能力接受的任务。

气蚀台于1965年才完成调试,后经多次完善于1967年进行了新安江水电站H L662模型转轮叶片的切割试验。

风洞装置于1965年完成调试,后大量应用于五孔测速球的率定及其它风力测量仪表的率定。

文革后,为适应三峡水电站水轮机模型验收试验,试验台进行了大规模的改建,于1984年建成了高精度水力机械模型通用试验台,并于1987年通过部级鉴定,试验装备、技术、精度、自动化水平均达到国际先进水平,试验台承担了国家七五、八五国家攻关重大项目“三峡水轮机通流部件优化设计及试验研究”、“三峡水轮机同台对比试验研究”、“三峡工程水轮机研究”等项目,承担了“G E加拿大轴流式水轮机开发”的国际合作项目,以及如新安江、桓仁、青铜峡等大量的工程水轮机开发与改造等项目,获水电部科技进步一等奖,1989年获国家科技进步二等奖,是水力机械行业中唯一一座获得国家奖的试验台。

试验台的建成是我国水电建设史上的一个里程碑,它标志着中国水利水电科学研究院从此跻身于该行业的国际前沿,并拥有很高声望和发言权。

随着我国水电事业的蓬勃发展,特别是为满足三峡等水电站单机容量700MW以上机组的同台对比试验的需要,2006年在北京大兴中国水科院试验基地,建成了更加现代化的高精度水力机械模型试验室。

21111　高精度水力机械模型试验台　高精度水力机械模型试验台是水力机械研究、开发的重要手段,是推进水力机械学科技术进步的必备工具。

为适应我国水电事业的急速发展,特大型电站相继建设的需要,中国水利水电科学研究院于2003年开始高精度水力机械模型试验室的重建,于2006年竣工并投入使用,是目前国内唯一的行业中立试验室。

拥有当今国际先进、功能齐全、规模最大的专业试验装备,可满足百万千瓦级机组的研发、测试与验收。

该模型试验室拥有TP1、TP2和TP33个水力机械模型通用试验台,能力全面,可进行水轮机、水泵、水泵水轮机的清、浑水试验;试验台装有高精度的流量计、差压传感器、绝压传感器、力矩传感器等的原位标定系统,试验系统稳定,测试精度高;数据采集及分析和处理系统采用国际领先水平的P LC系统,各试验参数的测量精度和运行稳定性满足国际、国家有关规程的要求,试验台模型效率试验的综合误差小于±012%。

其具体功能有:能量特性试验、空化性能试验、飞逸特性试验、轴向水推力试验、导叶水力矩试验、压力脉动试验、补气试验、蜗壳压差试验、水力机械内部流速场测试等。

模型试验可通过光纤内窥镜和摄像头观测和采集水力机械各部位的流场、脱流、叶道涡、空化、涡带等流态信息,为水力机械的设计以及验证CF D的分析结果提供依据。

图1为水力机械模型试验台自动控制和操作系统。

到目前为止,中国水利水电科学研究院水力机电研究所高精度水力机械模型试验台已经完成了多图1　水力机械模型试验台自动控制和操作系统项颇具影响力的国际合作试验项目,如三峡右岸、溪洛渡、向家坝、锦屏一二级机组国际招标水轮机模型同台对比复核试验,土耳其O BRUK 电站水轮机模型验收试验等。

试验台得到了国内外专家一致认同,专家们认为水力机械试验室具有作为国内、国际水力机械模型性能验收和同台对比中立试验室的能力。

21112　浑水试验台和磨蚀强度材料破坏试验技术的发展　泥沙磨损问题是水利水电装备研究中的关键技术,也是中国水利水电装备所面临的特有问题。

为适应黄河与长江等多泥沙河流上水电开发的需要,从1987年起建设我国第1座水力机械浑水模型试验台。

水力机械浑水试验台可进行不同含沙浓度的性能试验、超声波浑水初生空化检测、流迹和模型模拟磨损试验、清、浑水试验的相似理论和比尺效应等试验研究、水力机械的磨损部位以及相对磨蚀强度的试验研究、含沙水流中水力机械磨损规律、水力参数优选、水力机械寿命与可靠性分析、磨损与空蚀联合破坏以及有关防护措施的等试验研究。

1990年承担了刘家峡水电站水轮机改造增容的浑水实验研究任务,通过流迹和模型模拟磨损试验,系统研究了水轮机的磨损规律,其结果与真机具有良好的一致性。

该试验台相继承担了万家寨引黄工程用泵、小浪底水轮机、三门峡水轮机改造、三峡工程水轮机等重大工程的研究和浑水试验任务,取得了一批重要成果。

此后在水利部天津勘测设计研究院等单位也陆续建设了水力机械浑水试验台。

为了规范水力机械模型浑水试验的各个环节,受水利部委托,从1994年起着手主持编写我国第1部《水轮机模型浑水试验验收规程》和《水泵模型浑水试验验收规程》,并于1997年颁布实施。

机电所从事泥沙磨损研究具有很长的历史。

从1990年以后,泥沙磨损研究进入了一个鼎盛时期,并走出国门,先后与HIT ACHI 公司、VOITH 公司、I MPS A 公司和E BRA 公司开展了一系列泥沙磨损机理及抗磨措施的合作研究[1]。

独立研制的超高分子量聚乙烯抗磨板在刘家峡、万家寨、西霞院等水电站水轮机上应用,取得重大的抗磨蚀成果。

图2为超高分子量聚乙烯材料与常用不锈钢的泥沙磨损对比试验结果。

图2　超高分子量聚乙烯材料与常用不锈钢的泥沙磨损对比试验结果21113　现场测试技术及发展　水力机械现场试验能够全面地反映真机的运行特性,为机组安全、经济运行提供最可靠的技术依据,同时也是检验机组设计、制造质量、安装质量的最好手段。

从1958年建所至今,先后完成了大伙房、模式口、管厅、葛洲坝、狮子滩、刘家峡、大化、新安江、富春江、岩滩、二滩、三峡、叙利亚迪什林等电站百余台次现场试验,积累了丰富的实践经验,相应的试验设备和测试技术一直处于国内领先地位,对我国水力机械现场测试技术的发展具有重要意义。