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水力机械研发平台

2014-12-24

随着水利水电工程建设的深入发展,我国在大型跨流域调水、农业灌溉、防洪排涝、水电建设运行等方面均急需建设高水平的水力机械研发平台。为了增强国家重点科技项目攻关能力和解决国家重点工程关键技术难题的能力,提高水力机械模型测试水平,提升我国在国际水利水电行业的核心竞争力,中国水利水电科学研究院通过十余年的研究开发,建成了包括软件平台和硬件平台两大部分的水力机械研发平台。项目成果先后获得中国水利水电科学研究院2013年度科学技术奖特等奖、2014年度大禹水利科学技术一等奖。项目主要完成人有陆力、孟晓超、张海平、张建光、唐澍、徐洪泉、徐国珍、潘罗平、胡旭东、彭忠年、钟玮、高忠信、陈莹、余江成、马素萍。

一、主要成果

建成了国际领先的水力机械研发平台,硬件平台包括国际首创的浑水测试系统、国际领先的清水测试系统和自主原创的磨蚀测试系统,为新型水力机械的研发和检测应用奠定了坚实的基础。软件平台始终以自主开发为主,以商用软件为辅助,通过模型及真机试验进行验证和完善,开发了全三维粘性湍流数值模拟及优化设计、全流道三维定常及非定常流动数值模拟、水力机械内部两相流数值模拟及磨损预估等CFD软件。开发了89个性能优异的水力机械模型,编写了24项国际标准、国家标准和行业标准,发表论文112篇,出版专著3部,获得发明专利5项(如:一种螺栓紧固状态监测装置及其监测方法,ZL 201110223415.1;一种亲鱼型轴流转桨式水轮机,ZL 201110197217.2;一种用于降低水轮机过机鱼撞击伤害的缓冲和照明系统,ZL 201210238453.9),实用新型专利7项(如:高比速整装轴流定桨式水轮发电机组,ZL 200720169290.8;高精度静压轴承扭矩测量装置,ZL 2010 2 0258215.0;新型质量法流量标定装置,ZL 2010 2 0258217.X),软件著作权7项。

1.硬件平台

1)清水测试系统

清水测试系统包含高水头试验台和低水头试验台,高水头试验台的最高试验水头可达150m,最大试验流量可达2.2m3/s,效率测量总不确定度小于0.2%。与国内外先进试验台,如瑞士洛桑、德国伏依特、法国阿尔斯通等试验台相比,中国水科院试验台的试验能力处于领先地位。

低水头试验台的效率测量总不确定度小于0.2%,其特点是自主开发了具有轴向和径向两种油腔的卧式静压轴承,效率测试不确定度大幅度降低,并能同时测量水力机械模型的轴向水推力和径向力。

测试系统各主要传感器均配备了高精度的原位标定系统,提高了测试系统的综合测试精度。其中流量计原位标定系统是国内首创最大量程150吨的静态水流量标准装置,其最大扩展不确定度为0.032%,采用分散充水的消能方式,加快稳定速度,使流量计标定速度提高到体积法的5倍以上。

清水测试系统具备水力机械模型能量性能试验、压力脉动试验、桨叶水力矩试验等所有外特性的测试功能,利用内窥镜等先进设备可以对水力机械模型关键部位的流态进行观测,并在转轮内部压力场及动应力测试、内部流速场测试等方面具有突出的技术优势。

2)浑水测试系统

浑水测试系统的最高试验水头可达60m,最大试验流量可达1.0m3/s,清水条件下的效率测量总不确定度小于0.2%,浑水条件下的效率测量总不确定度小于0.4%,最大试验含沙量为50kg/m3

为了提高浑水压力测量精度,发明了薄膜隔沙装置和滤网式阻沙装置两项专利技术(发明专利《一种用于浑水压力测量的薄膜隔沙系统》,专利号:ZL201310343173.9;发明专利《一种用于浑水压力测量的滤网阻沙装置及其使用方法》,专利号:ZL201310343174.3),使浑水压力测量的不确定度降低到0.1%以下。为了提高泥沙浓度的测量精度、加快测量速度,还发明了通过浑水密度测量泥沙浓度的方法。

自主开发了“易损涂层法”,实现了水力机械模型磨损部位和强度的快速测试,填补了水力机械模型磨损测试的空白。该方法已编入水利行业标准《水轮机模型浑水验收试验规程》和《水泵模型浑水验收试验规程》。

浑水测试系统除具有清水测试系统全部功能外,在含沙水流条件下还具有水力机械模型外特性测试、空化初生测试和磨损试验等功能。

目前,国外无浑水测试系统,与国内同类设备相比,中国水科院的浑水测试系统在测试能力、精度和功能等方面均处于领先水平。

3)磨蚀测试系统

磨蚀测试系统包含旋转圆盘试验装置和旋转喷射试验装置,最大含沙浓度可达100kg/m3,其中旋转圆盘试验装置的最大试验流速可达55m/s,旋转喷射试验装置的最大试验流速可达90m/s。该系统可以进行磨损、空蚀和磨蚀试验,既可用做材料的磨损性能或抗冲击磨损能力预估,也可用于不同材料的抗磨损性能比较,进行材料优选。

2.软件平台

中国水利水电科学研究院是国内较早开展水力机械CFD软件开发的研究单位,长期坚持自主开发,掌握核心技术与核心代码,自主开发的水力机械性能预估软件包是水力机械优化设计的有力工具。

1和图2是软件对混流式水轮机和贯流泵转轮进行全三维粘性湍流数值模拟,根据压力和流速分布结果调整转轮叶形,从而完成转轮的优化设计,对改善水力机械模型的内部流态、提高各项性能起到关键作用。

应用该软件对牛栏江–滇池补水工程大型离心水泵进行内部非稳定流数值模拟,并将无叶区压力脉动数值模拟结果与试验结果进行比较,两者吻合良好。

软件还可以对水力机械内部进行两相流数值模拟与磨损预估。图3是刘家峡混流式水轮机磨损位置数值模拟结果与试验结果的对比,两者显示的磨损破坏位置基本一致。

二、主要创新点

1)发明了水沙隔离装置和高精度泥沙浓度测试方法,解决了在浑水条件下水力机械外特性、空化初生和磨损特性测试等相关技术难题,首创了水力机械模型浑水测试系统。

2)研制出了高精度的流量计原位标定系统和卧式静压轴承,提高了水力机械模型性能测试精度,建成了国际领先的水力机械模型清水测试系统。

3)自主原创开发了水力机械模型磨损试验方法,采用易损涂层实现磨损部位和强度的快速测试,填补了模型磨损测试的空白。

4CFD数值模拟和模型试验相结合,创立了具有自主知识产权的水力机械两相流数值模拟及磨损预估模型。

三、应用情况

水力机械研发平台在重大科研攻关、高性能水力机械开发、重大水利水电工程应用和相关标准技术支撑等方面发挥了巨大作用,做出了突出贡献。借助于水力机械研发平台的成功建设,完成国家攻关项目8项、自然基金项目4项、省部重点项目5项,完成三峡、溪洛渡、向家坝、乌东德和白鹤滩等重大工程的技术攻关与咨询论证30项,获得大量技术成果和突破。研发出89个性能优异的水轮机、水泵水力模型,已成功应用于国内外79座新建电站,并对52座泵站、81座水电站机组进行了技术改造。完成了三峡右岸、向家坝等大型水利水电工程同台对比复核试验 14项,水轮机、水泵水轮机模型验收试验 13项,完成模型试验的电站总装机容量已超过6500kW,约占全国水电总装机容量的1/4

四、社会经济效益

项目的实施,创造了巨大的经济和社会效益。利用水力机械研发平台,对三峡、溪洛渡、向家坝和葛洲坝等大型电站的水轮机模型进行了测试与优选,提高了水力机械的效率,延长了机组的检修周期,每年产生的经济效益为8.36亿元;开发的优秀水力模型应用于新建电站、电站和泵站技术改造、机电成套等方面,每年所创造的经济效益为1.73亿元。整体来看,该平台每年所创造的经济效益超过10亿元人民币。同时,其潜在经济效益也非常显著。项目的实施不仅提高了中国水利水电科学研究院的水力机械研发能力,还促进了国际水电设备产业的技术竞争,推动了产业进步,整体提高了水力机械的技术水平,由此在水利水电及相关各产业产生的经济和社会效益不可估量。

 

项目负责人简介

陆力,中国水利水电科学研究院教授级高工,中国电机工程学会水电设备专委会主任委员,享受政府特殊津贴专家。1988年毕业于清华大学水电系并获工学博士学位,主持或参加了20余项国家重大科研攻关专题项目和省部重点项目。在国内外公开发行的刊物及国际国内学术会议上发表论文80余篇,获发明专利3(一种螺栓紧固状态监测装置及其监测方法,ZL 201110223415.1;一种亲鱼型轴流转桨式水轮机,ZL 201110197217.2;一种用于降低水轮机过机鱼撞击伤害的缓冲和照明系统,ZL 201210238453.9,实用新型专利3(高比速整装轴流定桨式水轮发电机组,ZL 200720169290.8;高精度静压轴承扭矩测量装置,ZL 2010 2 0258215.0;新型质量法流量标定装置,ZL 2010 2 0258217.X。曾获湖北省科技进步特等奖1次,水利部科技进步二、三等奖各1次,水利部大禹科技进步二等奖1次,天津市科技进步三等奖1次,内蒙电力科技进步一等奖和四川省电力科技进步二等奖各1次,曾获国家重大装备三峡及水电领导小组办公室突出贡献奖表彰。