水力機械研究領(lǐng)域的發(fā)展

陸 力，彭忠年，王 鑫，朱 雷，安學利，劉 娟

（中國水利水電科學研究院 水力機電研究所，北京 100038）

1 引言

解放后，為適應(yīng)我國水電建設(shè)的快速發(fā)展，充分開發(fā)豐富的水能資源，我國開始積極組建自己的水力機械專業(yè)研究隊伍。1958年后期，原電力部水電科學研究院與原中國科學院、水利部水利科學研究院相關(guān)專業(yè)合并后，組建了水力機電研究所（以下簡稱機電所），分為電氣和水機兩部分并設(shè)6個專業(yè)組，主要從事水輪機現(xiàn)場效率試驗、模型試驗裝備研發(fā)與建設(shè)、模型試驗和新型水輪機組的開發(fā)研究，以及水電站發(fā)電機、自動化及遙測遙控等的研究。1966年初，機電所四、五、六專業(yè)組調(diào)整合并為四專業(yè)組，主要從事水輪機泥沙磨損、水輪機空蝕及水輪機過水建筑物等方向的研究，并增加了水輪機振動研究項目。文革期間研究所大部分科研人員下放各基層電站工作，直至1978年全國科技大會后進行機構(gòu)調(diào)整，原水電站自動化和水電站遙測遙控專業(yè)等組建自動化研究所，其他專業(yè)分成了研究室和實驗室兩大部分，水力機電研究所名稱仍保持不變［1］。

建所60年來，歷經(jīng)幾代人的艱苦努力，機電所已成為國內(nèi)外知名的從事水力機械應(yīng)用基礎(chǔ)和關(guān)鍵技術(shù)研究的一流研究所。所內(nèi)擁有大型現(xiàn)代化的試驗平臺和測試裝備，一流的研究手段和一批享譽國內(nèi)外的知名專家學者。承擔完成了大量國家及省部級重點研究項目，為我國大型水利水電工程前期建設(shè)中的決策和后期的技術(shù)服務(wù)做出了巨大貢獻，取得輝煌的成績和研究成果為我國水電事業(yè)的發(fā)展起到了重要推動作用。在“葛洲壩水電站軸流式水輪機轉(zhuǎn)輪的研究”工作中利用自身的理論知識首先提出了軸流五葉片理論，填補了國內(nèi)該項技術(shù)的空白，并獲得1985年國家科技進步特等獎。

近年來研究所密切結(jié)合水利水電建設(shè)中的重大關(guān)鍵科技問題，開展了一系列基礎(chǔ)理論與應(yīng)用研究，承擔了三峽右岸、錦屏Ⅰ級和Ⅱ級、溪洛渡、向家壩、烏冬德、白鶴灘等特大型水電站水輪機招標的同臺對比復核試驗任務(wù)。從2010年開始，隨著抽水蓄能電站水泵水輪機組招標中引入第三方試驗臺同臺對比和驗收試驗，承擔了溧陽、仙居、績溪和敦化等電站的模型試驗任務(wù)。完成三峽、巖灘、敘利亞迪什林等多個電站的現(xiàn)場試驗任務(wù)，完成了中國長江三峽集團公司狀態(tài)監(jiān)測與診斷系統(tǒng)平臺建設(shè)，結(jié)合三峽、溪洛渡等大型水電站水輪機以及南水北調(diào)、滇池補水牛欄江泵站、引漢濟渭三河口水利樞紐工程等大型調(diào)水工程用泵和水泵水輪機的研究，利用CAD、CFD技術(shù)和高精度模型通用試驗臺，研發(fā)出了一系列性能優(yōu)異的水輪機、水泵和水泵水輪機模型，其中混流式水輪機模型效率在國內(nèi)率先突破94%。一批優(yōu)秀技術(shù)成果應(yīng)用于國內(nèi)外的水利水電工程，創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟效益和社會效益。

2014年“混流式水輪機水力優(yōu)化設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用”、2017年“大型灌溉排水泵站更新改造關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用”獲國家科技進步二等獎，“水力機械研發(fā)平臺”、“混流式水輪機全系列水力模型研究和推廣應(yīng)用”、“水電機組智能評估及診斷技術(shù)研究與應(yīng)用”分別于2014年、2017年、2018年獲得大禹水利科學技術(shù)一等獎。

2 主要研究領(lǐng)域進展

以下主要就測試技術(shù)，CFD數(shù)值模擬與優(yōu)化設(shè)計，水電機組智能評估及診斷技術(shù)和空化、空蝕及泥沙磨損研究等4個主要方面的研究進展進行介紹。

2.1 水力機械測試技術(shù)進展

2.1.1 水力機械模型測試技術(shù) 水力機械是一門以試驗科學為主的學科，高精度水力機械試驗設(shè)備及測試技術(shù)是設(shè)計開發(fā)和驗證新型水力機械產(chǎn)品的必要條件，也是研究解決現(xiàn)場實際運行中出現(xiàn)異常故障的重要手段。建所初期，由于資源欠缺，實驗室建設(shè)遇到了很多困難。原水電科研院于1958年建成一座1000 m2的模擬試驗樓，因機構(gòu)改變而移交新成立的機電所，改為水力機誡試驗室。文革后，為適應(yīng)三峽水電站水輪機模型驗收試驗，試驗臺進行了大規(guī)模改建，于1987年通過部級鑒定，水科院水輪機通用模型試驗臺達到國際先進水平，曾獲水電部科技進步一等獎，1989年獲國家科技進步二等獎。

隨著我國水電事業(yè)的蓬勃發(fā)展，特別是為滿足三峽等水電站單機容量700 MW以上機組的同臺對比試驗的需要，2006年在中國水利水電科學研究院大興試驗基地，建成了更加現(xiàn)代化的高精度水力機械模型試驗室。研制了水力機械模型通用試驗平臺，最高試驗水頭150 m，最大試驗流量2.0 m3/s，試驗條件滿足IEC60193及GB/T15613等國內(nèi)外標準的要求，模型效率試驗綜合誤差小于±0.2%。試驗平臺可以進行水輪機、水泵和水泵水輪機等模型的能量、空化、壓力脈動、飛逸特性及力特性等各項性能測試。開發(fā)了基于PXI和SCXI平臺的高精度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，實現(xiàn)了對電磁流量計、差壓傳感器、絕壓傳感器、動態(tài)壓力傳感器、力矩傳感器等多種傳感器的信號調(diào)理和高速數(shù)據(jù)采集；開發(fā)了基于圖形化程序開發(fā)語言Labview數(shù)據(jù)采集程序，試驗數(shù)據(jù)以高采樣頻率進行數(shù)據(jù)采集，并實時顯示試驗結(jié)果和數(shù)據(jù)曲線；開發(fā)了基于PLC的試驗控制系統(tǒng)，實現(xiàn)對試驗系統(tǒng)的遠程和集中控制。

表1 水力機械模型通用試驗臺比較

世界范圍內(nèi)主要的水力機械模型通用試驗臺主要有VOITH（德國海德海姆）、ALSTOM（法國格勒諾布爾）、EPFL（瑞士洛桑）、Rainpower（挪威特隆漢姆）、ANDRIZ（瑞士蘇黎世，原VA-TECH Vevey）和中國的中國水利水電科學研究院（IWHR）、哈爾濱大電機研究所（HEC）和東方電機有限公司（DEC）。各試驗臺的參數(shù)對比見表1。對比情況表明，我院的高精度水力機械模型試驗臺最大試驗水頭150 m，最大試驗流量2.2 m3/s，效率試驗的綜合不確定度優(yōu)于0.2%，達到了國際先進水平。

研制了高靈敏度的臥式和立式水輪機測力靜壓軸承，測量力矩范圍0～3000 N·m，靈敏度達到0.015 N·m，可承載軸向力2.5 t和徑向力200 kg，并可用于轉(zhuǎn)輪軸向力和徑向力測量，提高了測試精度；研制了靜態(tài)質(zhì)量法水大流量標準裝置及原位標定方法，檢測能力達到2.2 m3/s，不確定度優(yōu)于0.05%，可進行800 mm以下口徑的流量計校準，確保了模型試驗中流量的高精度測量和量值溯源。

研究了新型測試技術(shù)在水力機械模型試驗中的應(yīng)用，開展了貫流式水輪機測試技術(shù)、水輪機轉(zhuǎn)輪葉片動應(yīng)力和壓力脈動測量、水輪機內(nèi)部流動PIV測試及基于聲學法的空化檢測和識別等試驗方法和應(yīng)用，取得了良好的成果。

作為中國認監(jiān)會“水電站水力設(shè)備質(zhì)量檢驗測試中心”的重要組成部分，積極開展水力機械相關(guān)的計量和檢測工作。在國內(nèi)率先開展第三方試驗臺水輪機和水泵模型同臺對比復核試驗工作，解決了長期困擾大型水電設(shè)備招標中缺乏技術(shù)評判而導致機組性能不達標的難題，將選擇優(yōu)秀水力機械模型關(guān)口提到機組招標之前，整體提高了投標水力機械的性能水平，為電站創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟和社會效益。

2.1.2 現(xiàn)場測試技術(shù) 水電機組原型測試技術(shù)，是通過大量的傳感器對機組運行狀態(tài)進行全面的信號測量，結(jié)合計算機數(shù)據(jù)存儲技術(shù)，運用數(shù)學分析方法對測量數(shù)據(jù)進行處理，從而了解機組運行狀態(tài)，為機組優(yōu)化運行、消除機組隱患和開展狀態(tài)檢修提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)和依據(jù)。

現(xiàn)場測試通常包括水輪機效率測試、機組穩(wěn)定性測試、力特性測試。

水輪機效率測試包括絕對效率和相對效率測試，其中相對效率測試又稱指數(shù)試驗，是以水輪機流道中內(nèi)外測壓力差表征的流量，計算得到水輪機效率，在現(xiàn)場應(yīng)用最廣泛，比如軸流水輪機現(xiàn)場協(xié)聯(lián)關(guān)系的確定等。確定水輪機絕對效率主要包括流速儀法、壓力時間法、熱力學法、聲學法等。

機組穩(wěn)定性測試主要為了合理劃分機組安全穩(wěn)定運行區(qū)間，指導機組優(yōu)化運行，同時可以檢驗機組設(shè)計、制造和安裝質(zhì)量。在機組出現(xiàn)故障時，可以通過穩(wěn)定性測試與監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)引起故障的原因，提出解決措施。穩(wěn)定性測試測點通常包括機架振動、大軸擺度、壓力脈動和噪聲量。試驗項目包括機組啟動過程、停機過程、變轉(zhuǎn)速過程、變勵磁過程、變負荷過程和甩負荷試驗等。

力特性試驗主要包括軸向水推力測量、主軸扭矩測量、葉片動應(yīng)力和殘余應(yīng)力測量等等。除此之外，還有動平衡試驗、轉(zhuǎn)輪固有頻率試驗等等。

水電機組設(shè)備現(xiàn)場測試技術(shù)的發(fā)展與當代前沿科學高度融合。目前其發(fā)展主要表現(xiàn)在傳感器的精密化、測量參數(shù)和數(shù)據(jù)的集成化、試驗分析的智能化等方面。如1/1000 K高精度測溫傳感器的應(yīng)用，使得高水頭水輪機效率試驗適用的熱力學法得到廣泛的應(yīng)用。而新式轉(zhuǎn)漿流速儀的抗磨損和高密封能力，使得基于流速儀法的水輪機效率試驗的精度得到了極大的提高。

目前國內(nèi)外原型試驗技術(shù)如穩(wěn)定性試驗等經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，已經(jīng)日臻成熟，但在絕對效率、應(yīng)力應(yīng)變、磨損裂紋和空蝕等試驗測量方法領(lǐng)域，由于其安裝、檢測和分析技術(shù)均存在較多的技術(shù)難點，現(xiàn)場實施案例不多，相當一部分技術(shù)仍停留在理論和研究階段。

隨著我國及國際水電工程的建設(shè)和實施，其原型測試技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用與實踐，水平得到了極大的提高。近年，我所參與了多個原型測試領(lǐng)域測試和評價技術(shù)國際標準的編寫和制訂工作，開展了大型混流式和軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機轉(zhuǎn)輪葉片動應(yīng)力測試研究，研究轉(zhuǎn)輪葉片在不同工況下的動應(yīng)力和靜應(yīng)力水平分布情況及動應(yīng)力的頻率特征，分析動應(yīng)力成因及對轉(zhuǎn)輪葉片壽命影響，為轉(zhuǎn)輪裂紋機理研究以及指導大型水電機組的安全高效運行提供參考。特別是完成了三峽電廠升水位過程中的機組穩(wěn)定性和能量特性試驗，試驗水頭68～110 m，每隔1 m對機組效率及穩(wěn)定性進行了全面實測，積累了機組全水頭運行穩(wěn)定性及能量特性數(shù)據(jù)，為保證機組安全及經(jīng)濟運行提供了真實可靠的資料，對保障機組安全穩(wěn)定和高效運行有重要的意義。

2.2 CFD數(shù)值模擬及優(yōu)化設(shè)計研究進展利用CFD數(shù)值模擬技術(shù)，對水力機械內(nèi)部流動的微觀結(jié)構(gòu)、速度場、壓力場等流動細節(jié)以及能量損失機理等進行深入研究，充分掌握其內(nèi)部復雜的流場結(jié)構(gòu)，了解水流的實際運動狀態(tài)，對于改善水力機械的性能和可靠性具有重要意義［2-3］。

國外自1980年代即開始將CFD方法應(yīng)用于水輪機、水泵等［4］內(nèi)部流動的計算，1990年代起開始在大型計算機上嘗試水輪機全流道的數(shù)值模擬［5］。之后，水力機械內(nèi)部三維流動計算［6-7］成為本領(lǐng)域的研究熱點，以此來分析轉(zhuǎn)輪在不同工況（包括偏離最優(yōu)工況）時的特性，并通過對不同設(shè)計方案的比較獲得指導性的設(shè)計經(jīng)驗［8-10］，進一步提高轉(zhuǎn)輪性能。近年來，國外學者對水力機械內(nèi)部非定常流動現(xiàn)象的數(shù)值模擬關(guān)注較多，如水輪機內(nèi)部空化［11-14］，尾水管渦帶及壓力脈動［15-17］，部分工況點水力機械穩(wěn)定性問題［18］，轉(zhuǎn)動部件與靜止部件之間的干涉［19］，應(yīng)用CFD方法預(yù)測水力機械部件的泥沙磨損［20-21］等。

國內(nèi)學者針對水力機械開展內(nèi)部流動的CFD數(shù)值模擬研究主要包括水力機械內(nèi)部流動計算方法［22］和計算模型研究［23］、內(nèi)部空化及漩渦［24］等特殊流動現(xiàn)象的CFD模擬、汽液兩相流的數(shù)值模擬［25-26］以及考慮流固耦合的轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)動力學分析［27］等。

自1980年代初，我所開展了水力機械內(nèi)部流動的CFD數(shù)值模擬研究，對導水機構(gòu)、水輪機轉(zhuǎn)輪、蝸殼等通流部件進行模擬，還開展了固液兩相流中空泡的潰滅計算研究、固體顆粒在流體中的運動軌跡模擬研究以及轉(zhuǎn)輪內(nèi)部黏性流仿真的探索性研究［28-31］，提出了能考慮入口環(huán)量分布、考慮旋轉(zhuǎn)影響的混流式葉輪的準三維S2流面有限元設(shè)計方法［32］，自主開發(fā)了三維黏數(shù)值模擬軟件并進行了性能預(yù)估研究［33］，結(jié)合國家攻關(guān)項目開展了固液兩相流及磨損預(yù)估研究［34］。近年來，我院機電所針對水泵動靜干涉、水輪機尾水管渦帶及壓力脈動等非定常流動［35-36］、開展汽液兩相流數(shù)值模擬［37］、魚類在水輪機內(nèi)的損傷機理［38］、耦合剛體動力學模型的計算流體力學方法［39］、適用于水力機械內(nèi)部流動數(shù)值模擬的湍流模型與對比研究［40］以及應(yīng)用CFD方法進行水力機械輔助設(shè)計［41-42］等方面做了大量工作。在水力機械內(nèi)部流動數(shù)值模擬研究中我們堅持自主開發(fā)與商業(yè)軟件相互結(jié)合的研究策略，在該研究領(lǐng)域取得了顯著進步。

2.3 水電機組智能評估及診斷技術(shù)進展水電機組作為低速旋轉(zhuǎn)機械，故障是從量變到質(zhì)變的漸變過程，通過故障診斷技術(shù)捕捉事故征兆，實現(xiàn)早期預(yù)警和防范故障是可能的。通過測試或在線監(jiān)測獲取機組振動的狀態(tài)數(shù)據(jù)，開展了智能診斷的方法研究，對機組可能發(fā)生或已發(fā)生的振動故障進行預(yù)測和判斷，避免和預(yù)防振動事故的發(fā)生，其研究和應(yīng)用具有重要的現(xiàn)實意義和工程應(yīng)用前景。

當前，水電機組智能評估和故障診斷技術(shù)的研究大多停留在理論階段，研究的熱點主要集中在兩個方面：一是為提取故障特征參數(shù)的信號分析技術(shù)研究，應(yīng)用于處理非平穩(wěn)、非線性信號的濾波、降噪和深層次分析，主要包括短時傅里葉變換、維格納分布、小波變換、希爾伯特-黃變換等；二是用于故障識別和故障推理的診斷理論和方法研究，主要包括基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、貝葉斯網(wǎng)絡(luò)、支持向量機、模糊理論、粗糙集理論、混沌和分形理論、人工免疫系統(tǒng)等故障診斷理論和方法的研究。同時，針對水電機組故障的多樣性和復雜性，以及各種診斷理論和方法的局限性，出現(xiàn)了基于多種診斷方法的多信息融合診斷技術(shù)研究。

國外，商業(yè)化的水電機組智能評估和故障診斷系統(tǒng)并不多，具有代表性的有美國GE Bently公司的System1系統(tǒng)平臺、瑞士Vibro-Meter公司的VM6000系統(tǒng)、丹麥Rovsing公司的OPEN predictor系統(tǒng)和德國艾默生公司的CSI6500系統(tǒng)。

這幾套系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較完整，功能相對獨立，具備有故障庫平臺、征兆輸入接口、規(guī)則編輯工具和診斷結(jié)果解釋等功能模塊。這些模塊針對水電機組的特點和結(jié)構(gòu)特征等，主要對機組的振動、擺度、轉(zhuǎn)速、壓力脈動、絕緣、空蝕、裂紋、氣隙、磁場、溫度、水位、流量、功率、電流和電壓等參數(shù)進行了相應(yīng)的監(jiān)測診斷，基本實現(xiàn)了水電機組故障的初步診斷功能。但這些系統(tǒng)缺乏故障定位功能，故障診斷的結(jié)果也只能作為運行人員的參考，因此還需進一步地研究提高診斷結(jié)果的實用性。

大多數(shù)水電機組故障診斷系統(tǒng)只在故障診斷工程應(yīng)用方面進行了初步嘗試，實際應(yīng)用也僅限于機組某部件或某種故障的診斷，建立在整個水電機組的狀態(tài)監(jiān)測基礎(chǔ)上，能夠?qū)顟B(tài)檢修起指導作用的成熟的故障診斷系統(tǒng)還沒有。主要是因為水電機組的參數(shù)、形式各異，故障類型也各不相同，可能發(fā)生故障的部位、性質(zhì)等難以窮盡，故障信息難以建全，且部分水電故障機理尚不清楚，現(xiàn)有的故障樣本較少，不利診斷系統(tǒng)的學習與積累［43］。

故障診斷是一門實踐性極強的技術(shù)，要使故障診斷技術(shù)在理論研究和應(yīng)用方面取得突破性的進展，為實際的生產(chǎn)運行和設(shè)備安全真正提供保障手段，研究人員必須結(jié)合現(xiàn)場運行技術(shù)人員經(jīng)驗以及領(lǐng)域?qū)＜业闹R，將具體的案例轉(zhuǎn)換為計算機可以識別的規(guī)則，并將推理機制與實際診斷思維方法、診斷信息相結(jié)合，才能建立接近人工專家診斷的推理機制。

目前我國大部分己經(jīng)投入運行的系統(tǒng)在機組狀態(tài)監(jiān)測方面的技術(shù)相對較成熟，而在機組故障診斷方面一般僅停留在對機組某個環(huán)節(jié)或者部分異常狀態(tài)的診斷分析，診斷方法的研究較多，但由于這些方法都或多或少存在某些方面的不足，診斷的實時性和準確性還難以得到保證，使得其應(yīng)用方面還相對薄弱。因此，要達到水電機組故障診斷的應(yīng)用目標，把科學技術(shù)轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力，推動社會的發(fā)展，還需對故障診斷技術(shù)進行更加深入的研究。

近年來，我國在水電設(shè)備智能評估和故障診斷技術(shù)領(lǐng)域投入較大，取得了大量研究成果，理論上已達到國際水平，但在應(yīng)用技術(shù)方面仍與國外有一定差距。我所通過分析提煉機組試驗和在線監(jiān)測的海量數(shù)據(jù)，提出了表征機組運行狀態(tài)的特征參數(shù)，通過分析各特征參數(shù)與機組運行工況參數(shù)之間的耦合關(guān)系，建立了基于健康樣本的多維度水電機組健康評估、異常檢測和性能退化預(yù)測方法，該方法能及時檢測到機組存在的異常，提醒運行人員有針對性進行機組運行維護，部分成果已經(jīng)應(yīng)用到“中國長江三峽集團公司狀態(tài)監(jiān)測與診斷系統(tǒng)平臺”［44-47］。

2.4 空化、空蝕及泥沙磨損研究進展我國是一個多泥沙河流的國家，隨著水電開發(fā)的迅速發(fā)展，南水北調(diào)等跨流域重大水利工程、長江和金沙江流域內(nèi)一系列大中型電站和泵站已經(jīng)投入運行或在建或規(guī)劃中，存在磨蝕的水輪機或水泵大量增加。已建泵站和電站的運行經(jīng)驗表明，運行于含沙河流的泵站和電站常遭受到磨損、空蝕及兩者的聯(lián)合作用，其破壞十分嚴重。磨蝕破壞不僅造成巨大的經(jīng)濟損失，還嚴重影響水電站與泵站的安全運行。由于運行條件和工況復雜多變，水力機械的空化空蝕和泥沙磨損破壞是一十分復雜的物理過程，涉及復雜的氣液、泥沙磨損、摩擦學、材料學和表面防護等多學科問題，具有多相、微觀、瞬態(tài)和隨機的特點，相關(guān)的理論建模和試驗研究往往十分復雜和困難，有關(guān)的研究雖取得了一定進展但仍不充分。水力機械磨蝕學科的發(fā)展具有重要的理論研究和工程意義［48］。

我所長期從事水力機械的空蝕、磨損機理研究；材料抗泥沙磨損特性研究，并在材料防護研究方面具有優(yōu)勢及專長。

1980年代建立了轉(zhuǎn)盤、水洞、射流沖擊式等試驗平臺，先后完成遼寧蒲石河、北京板橋峪等抽水蓄能水輪機、三峽、溪洛渡等巨型工程水輪機的磨損問題研究，還與HITACHI公司、VOITH公司、GE ALSTOM公司、IMPSA公司、荏原公司等開展了國際合作項目的研究工作。在抗磨材料方面開展了環(huán)氧、噴焊和超高分子量聚乙烯等特有技術(shù)的研究。特別是改性超高分子量聚乙烯材料抗磨板的應(yīng)用取得了不菲的業(yè)績。先后為劉家峽、萬家寨、大峽、青銅峽和鹽鍋峽等大中型水電站提供了數(shù)十套抗磨板，應(yīng)用機組的最大單機容量為265 MW，抗磨板最大尺寸達8.8 m，涉及總裝機容量逾4000 MW，抗磨板凈面積累計已超過1200 m2。水泵超高分子量聚乙烯復合密封環(huán)獲得國家專利，并被列為水利部97年重點科技成果推廣項目。該水泵密封環(huán)作為定型產(chǎn)品已用于黃河流域的陜西東雷、寧夏固海、甘肅西岔等泵站，累計投入運行30余套。

1990年代建立的先進的水力機械渾水試驗臺，先后為劉家峽水電廠改造增容、山西萬家寨引黃工程耐磨蝕水泵研制及同臺對比試驗、小浪底中試增壓水泵研制等國內(nèi)大型工程項目承擔了科研攻關(guān)任務(wù)，并取得了滿意的結(jié)果。為適應(yīng)三峽、小浪底等巨型水電工程的需要，該試驗臺經(jīng)擴建改造完成后，先后完成了三門峽水電廠軸流式水輪機的渾水模型試驗、三峽水輪機的渾水模型試驗等研究工作。

2011年在國家重大科學儀器設(shè)備開發(fā)專項的支持和資助下，自主開發(fā)了我國首個綜合性水力機械磨蝕測試系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有測量精度高、分析手段與測試技術(shù)先進、應(yīng)用范圍廣且通用性好等特點。該系統(tǒng)的成功研制，可為磨蝕領(lǐng)域的基礎(chǔ)和工程應(yīng)用研究提供先進的物理平臺，對提高我國在水力機械空化、空蝕及磨損理論研究水平、提升我國水力機械的抗磨蝕防護技術(shù)水平，鞏固我國在水力機械磨蝕領(lǐng)域的優(yōu)勢地位具有重要支撐作用。系統(tǒng)為水電站水力設(shè)備質(zhì)量檢驗測試中心的認證擴項提供了技術(shù)平臺支撐，填補了我國在“磨蝕試驗和磨蝕量”檢測項目領(lǐng)域的空白。依托該系統(tǒng)已先后完成烏東德白鶴灘、西藏扎拉電站、滇中石鼓高楊程泵站、黃金峽泵站的泥沙磨損評估工作。為相應(yīng)工程提供了全面的泥沙特性分析、泥沙磨損能力及備選材料抗磨特性測試數(shù)據(jù)，并根據(jù)工程泥沙及機組運行特點對機組大修周期內(nèi)的磨損程度進行了預(yù)估，為工程的主機招標、防護措施的制定、電站運行、大修周期的制定等提供了可靠的技術(shù)支持。

3 研究領(lǐng)域發(fā)展方向

目前，中國是世界水電裝機第一大國，也是發(fā)展速度最快的國家。我國水利水電工程建設(shè)規(guī)模為世界之最，在水電站及泵站工程實踐中積累了大量的實際經(jīng)驗，已有多項水力機械技術(shù)處于世界領(lǐng)先或世界先進水平［49］。單機700 MW的水輪機組大部分安裝在中國，水輪機組國際上單機最大的800 MW水輪機組已經(jīng)完全國產(chǎn)化并成功投運于向家壩水電站，白鶴灘水電站的1000 MW水輪機組不久也將投入運行，自主開發(fā)的軸流泵水力模型在我國南水北調(diào)工程中得到全面應(yīng)用。作為水電科技工作者，為我國的水電事業(yè)繁榮發(fā)展感到高興的同時，也要清醒地認識到我們科研工作還遠不能滿足工程發(fā)展的需要，水電工程建設(shè)和設(shè)備制造中出現(xiàn)的新問題正在向我們挑戰(zhàn)。如何安全、高效、合理地利用好我國寶貴的水能資源是我們的責任，深感任重道遠。

水力機械學科涉及面廣，關(guān)系到能源和生態(tài)的可持續(xù)發(fā)展，社會經(jīng)濟效益十分可觀。水力機械學科必須鼓勵創(chuàng)新，充分吸收國外的經(jīng)驗，積極開展結(jié)合工程實際的理論研究，目前國內(nèi)應(yīng)該重點開展的研究領(lǐng)域有：

（1）水力機械多參數(shù)多目標優(yōu)化設(shè)計方法研究。水力機械不可避免的要在非設(shè)計工況區(qū)運行，由此導致運行不穩(wěn)定，實際運行加權(quán)效率過低，不能滿足實際運行的需求。目前水力機械的優(yōu)化設(shè)計幾乎都是基于設(shè)計工況進行，片面的追求設(shè)計點的特性而忽略了設(shè)計點附近區(qū)域的特性。有必要將水力機械的能量特性、空化特性、運行穩(wěn)定性、強度與疲勞特性等綜合考慮進行多參數(shù)多目標優(yōu)化設(shè)計。提高機組運行穩(wěn)定性，提高運行區(qū)加權(quán)效率水平。

（2）水力激振傳播規(guī)律及其對水輪機振動的影響研究。開展水力激振源（葉道渦、卡門渦、葉片脫流、尾水管渦帶等）的誘發(fā)和動態(tài)傳播的規(guī)律，通過對關(guān)鍵工況點的壓力脈動、振動、內(nèi)部動態(tài)流場進行測量和時域分析，確定激振源的傳播方向和速度，以及對水輪機組振動的影響。通過本研究揭示水輪機水力激振的機理，建立合適的水力設(shè)計方法以降低水力激振對機組振動的影響。

（3）超高水頭、超低水頭水輪機研發(fā)。我國水電資源豐富，但多數(shù)都集中在西部的高山深谷中，而在經(jīng)過多年的快速開發(fā)后，進一步進行大規(guī)模的高水頭水電站的開放必然成為一個趨勢。因此高水平的高水頭低比速的水輪機將成為研究和應(yīng)用的重點。超低水頭水力發(fā)電是近年來水力機械領(lǐng)域的一個研究熱點，它在進一步開發(fā)利用低水頭資源，為眾多老舊小水電的改造提供新的環(huán)境友好型解決方案，水生態(tài)文明建設(shè)和城鎮(zhèn)化建設(shè)，以及回收利用水泵余能和開發(fā)利用等方面有著重要的研究意義。

（4）魚友型水輪機基礎(chǔ)理論及關(guān)鍵技術(shù)研究。隨著對生態(tài)環(huán)保的重視，對魚友型水輪機將有一定需求。完善過機魚傷害機理，建立并完善魚友型水輪機生物設(shè)計準則；研究魚友型水輪機水力設(shè)計方法，研制魚友型水輪機模型；研究魚友型水輪機試驗技術(shù)及過機魚損傷評價方法，建立過機魚傷害模型試驗平臺，研究過機魚傷害比尺效應(yīng)。

（5）潮流能水輪機關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)。潮流能是一種開發(fā)前景廣闊的清潔可再生能源，潮流能水輪機是將潮流動能轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)輪機械能，驅(qū)動發(fā)電機產(chǎn)生電能的關(guān)鍵裝置。轉(zhuǎn)輪與流體相互作用的水動力學問題是潮流能水輪機研究中的關(guān)鍵，主要包括潮流能水輪機轉(zhuǎn)輪及周圍流場的高精度數(shù)值模擬仿真，基于反問題設(shè)計理論并結(jié)合模型試驗等手段對轉(zhuǎn)輪幾何參數(shù)和葉片翼型的優(yōu)化設(shè)計，建立適用于潮流能水輪機的翼型數(shù)據(jù)庫，發(fā)展完善潮流能水輪機轉(zhuǎn)輪的水力設(shè)計及結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，研究海洋復雜運行環(huán)境中潮流水輪機的非定常特性。

（6）空化、泥沙磨損以及兩者聯(lián)合作用機理研究。影響空化、磨損及兩者聯(lián)合作用行為的因素十分復雜，既有速度、壓力等流場參數(shù)，又有沙粒和材料特性等，目前該方面的研究大多聚焦在實驗研究，應(yīng)開展相關(guān)的數(shù)值仿真研究以期突破試驗研究的局限性?？刹捎脷W拉模型和空化模型來計算三相的作用，以期獲得不同泥沙粒徑和濃度下泥沙磨損與空化的相互影響關(guān)系以及出力變化情況。研究可提高水力機械的抗空化、磨損能力并改善其優(yōu)化設(shè)計方法。

（7）水電機組現(xiàn)場安全高效運行技術(shù)研究。當前大中型水電站都已安裝了水電機組在線監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)。但這些系統(tǒng)都存在數(shù)據(jù)孤島、業(yè)務(wù)單一等缺陷。構(gòu)建多源異構(gòu)海量信息的分布式診斷系統(tǒng)，實現(xiàn)跨學科、跨流域、跨平臺的遠程智能診斷將是未來的研究方向。借助具有超大規(guī)模分布式計算和存儲能力的云計算技術(shù)，實現(xiàn)流域內(nèi)水電機組群的知識集成和數(shù)據(jù)共享；通過移動終端和可穿戴設(shè)備的日漸普及，使水電廠工程技術(shù)人員在任何時間和地點獲取機組設(shè)備性能信息和相應(yīng)維修策略，完成定期點檢和狀態(tài)監(jiān)測的無縫融合，實現(xiàn)發(fā)電廠的可靠、經(jīng)濟、高效運行，滿足社會經(jīng)濟發(fā)展的需要。