程晓阳
华电福新能源股份有限公司池潭水力发电厂（福建省泰宁县，邮编354400）
摘要：随着时代的发展社会的进步，我国对于环保更加重视，电力作为人们生产生活中最重要的能源之一，利用清洁能源发电也成为了我国电力工作的重点内容，本文将针对水轮机技术进展与发展趋势进行探究。
关键词：水轮机概念；水轮机当前技术；水轮机发展趋势
本文将将首先针对水轮机的概念机那行阐述，之后对水轮机的当前技术进展进行探究，并水轮机未来发展趋势进行分析。
一、水轮机概念
水泵水轮机主要用于抽水蓄能电站。在电力系统负荷低于基本负荷时，它可用作水泵，利用多余发电能力，从下游水库抽水到上游水库，以位能形式蓄存能量；在系统负荷高于基本负荷时，可用作水轮机，发出电力以调节高峰负荷。因此，纯抽水蓄能电站并不能增加电力系统的电量，但可以改善火力发电机组的运行经济性，提高电力系统的总效率。水轮机是一种利用水能发电的机械种类，是一种较为清洁的发电方式，水轮机的应用将为我国绿色经济发展提供强大的保障。
二、水轮机当前技术进展
水轮机的工作原理不同，其形式不一，目前水轮机的类型有混流式水轮机、轴流式水轮机、贯流式水轮机等多种机械了性，下面将针对不同的水轮机技术进展进行探究。
（一）混流式水轮机
混流式水轮机转轮主要由上冠、叶片、下环组成。水流从四周径向流入转轮，然后近似轴向流出转轮，转轮由上冠，下环和叶片组成。混流式水轮机结构紧凑，效率较高，能适应很宽的水头范围，是目前世界各国广泛采用的水轮机型式之一。当水流经过这种水轮机工作轮时，它以辐向进入、轴向流出 ，所以也称为辐向轴流式水轮机。这种水轮机通常用于30至700m的水头，由于其工作效率较高，因此这类水轮机在我国也拥有十分广阔的适用范围，其单机容量也是最高的，我国现在已经能够自主研发设计10m的混流式水轮机及其配套设备，目前我国10000MW级别的水混流式回轮机机械也正在研发当中。
（二）轴流式水轮机
轴流式水轮机和混流式水轮机在结构上有一定的区别，首先是转轮区内水流方式的不同，轴流式水轮机水流保持轴向流动，混流式水轮机由径向进入、轴向流出。在叶片结构上也略有不同，混流式水轮机的叶片是固定不可调，轴流式水轮机叶片有定桨和转桨两种。混流式水轮机比轴流式水轮机的结构更紧凑，造价也比轴流式水轮机低。轴流式水轮机转轮由转轮体、叶片、泄水锥组成，叶片数少于混流式，叶片轴线与水轮机轴线垂直。适用于中低水头、大流量的水电站。在相同水头下，其比转速较混流式水轮机为高。应用水头约为3到80m。水流在导叶与转轮之间由径向流动变为轴向流动，而在转轮区内，水流保持轴向流动。在同样的水头下，它的过流能力比混流式大，但气蚀性能较混流式较弱。并且轴流式水轮机的工作性能相对混流式水轮机稳定，但由于其内部结构较为复杂，受到了一定的应用限制，我国已经全面掌握了轴流式水轮机的制作技术，例如我国独立研发的乐滩电站轴流式水轮机，就已经成为了世界上五叶片转轮直径最大的轴流式转轮机，其运转的最高效率可以达到93%。
（三）贯流式水轮机
贯流式水轮机与卧轴式轴流式水轮机结构基本相似。根据叶片是否可以转 动，贯流式水轮机也分定桨和转浆式。贯流式机组与轴流式机组不同之处在于引水室、导水机构和尾水管。贯流式水轮机采用圆锥形导水机构，圆锥形导水机构主要有导叶外室、导叶内室、导叶、导叶臂、连杆、控制环等。圆锥形导水机构导叶轴线与机组轴线成60~70°角布置。导叶内外室上都设有支撑导叶的轴承。导叶在内、外室之间组成一个圆锥面，起着调节水流或关机的作用。为了减少导叶端面漏水损失，导叶内、外室表面均为球面。贯流式水电站是开发低水头水力资源较好的方式,一般应用于25m水头以下。它低水头立轴的轴流式水电站相比,具有电站从进水到出水方向基本上是轴向贯通。
如灯泡贯流式水电站的进水管和出水管都不拐弯,形状简单,过流通道的水力损失减少,施工方便的特点，并且贯流式水轮机具有较高的过流能力和大的比转速,所以在水头和功率相同的条件下,贯流式水轮机直径要比转桨式小10%左右。贯流式水轮机在我国应用范围较小，但是在世界范围内，巴西的贯流式水轮机技术得到了有效的应用，其效率已经超过了93%。
（四）冲击式水轮机
冲击式水轮机按水流的流向可分为切击式和斜击式两类。斜击式水轮机的结构与水斗式水轮机基本相同，只是射流方向有一个倾角，只用于小型机组。理论分析证明，当水斗节圆处的圆周速度约为射流速度的一半时，效率最高。这种水轮机在负荷发生变化时，转轮的进水速度方向不变，加之这类水轮机都用于高水头电站，水头变化相对较小，速度变化不大，因而效率受负荷变化的影响较小，效率曲线比较平缓，最高效率超过91%。现代水轮机则大多数安装在水电站内，用来驱动发电机发电。在水电站中，上游水库中的水经引水管引向水轮机，推动水轮机转轮旋转，带动发电机发电。作完功的水则通过尾水管道排向下游。水头越高、流量越大，水轮机的输出功率也就越大。我国目前最大的冲击式水轮机为金窝电站所使用的冲击式水轮机，其水轮机巨大，拥有21个水斗，冲击式水轮机较之前分析的水轮机效率低，目前已经超过了91%。
三、未来发展趋势
通过上文的水轮机技术现状来看，我国对于不同种类的水轮机的制造与应用技术都已十分成熟，为我国电力实业增添了强大的发展动能，下面将针对不同种类的水轮机未来发展趋势进行分析。
（一）混流式水轮机未来发展
通过前文的分析可以得知混流式水轮机是我国应用最广泛地水轮机，在未来发展过程中，我国应当对混流式水轮机的效率及容量进行提升，其中电容量而大小取决于水轮机的尺寸及过流效率，而过流效率又与水头有着密不可分的关系，因此为了提高电容量，就应当首先提高水头尺寸。同时还应当注重提高混流式水轮发电机的可靠性，提升使用的安全性，研发人员应当善于利用CFD技术对水轮机进行全面的设计应用处理，提高水轮机的各方面性能。
（二）轴流式水轮机未来发展
轴流式水轮机未来发展方向应当放在环保、高水头之中，提高过流效率，同时还要减少轴流式水轮机内部构件复杂的问题，精简内部结构，是轴流式水轮及能够在更广阔的范围内的得到有效地利用。
（三）贯流式水轮机未来发展
贯流式水轮机一般在20m以下的水头中应用广泛，同时也是潮汐发电的首选水轮机，所以在未来贯流式水轮机应当向着潮汐发电方向继续发展，逐渐实现水轮机建设的标准化流程，降低水轮机制作成本，研究新的耐腐蚀材料提高高盐高碱环境下的持续运作能力。
（四）冲击式水轮机未来发展方向
冲击式水轮机主要应用于高水头的发电站，但是冲击式水轮机的运转效率及不上上述水轮机的效率，所以在未来发展过程中研究人员应当加强冲击式水轮机的研发质量，提高冲击式水轮机的运转效率，增强水轮转速，并且还要进行防射流干扰的设计。
三、结束语
通过水轮机技术进展与发展趋势分析可以得知，我国水轮机已经得到了广泛的应用，在未来进行水轮机技术发展过程中，相关人员应当结合水轮机的实际用途及应用特点进行技术的革新，提高水轮机的研发质量。
参考文献
[1]罗兴锜,朱国俊,冯建军.水轮机技术进展与发展趋势[J].水力发电学报,2020,39(8):1-18.
[2]伍赛特.水轮机技术现状与发展趋势[J].内燃机与配件,2018,(13):103-104.
[3]伍赛特.水轮机技术现状与发展趋势[J].内燃机与配件,2018,000 (013):P.103-104.
作者简介：姓名程晓阳（出生年份198904），性别 男，民族 汉，籍贯 河南省平顶山市叶县，职务/职称 助理工程师，中级工，学历 本科，单位华电福新能源股份有限公司池潭水力发电厂（福建省泰宁县，邮编354400），研究方向