水轮机的设计应用论文

水轮机的设计应用论文（精选6篇）

篇1：水轮机的设计应用论文

1转轮翻身工具的设计

我们考虑设计制作两个回转轴，把合在叶片轴孔上，钢丝绳挂在两个回转轴上，靠300t主钩吊起转轮。在翻身过程中，转轮绕着这两个回转轴，从倒装位置翻转180°到达正装的工作位置。回转轴的设计比较特殊。通常情况下，回转轴的轴线与法兰把合面是垂直的。本机转轮是5个叶片，如果按常规设计，两个回转轴把合在各自的叶片轴孔上后，它们的轴线不在一条线上，而是成144°(或者216°)夹角。这种情况，即使能把转轮吊起来，由于钢丝绳要打滑，都无法进行正常翻身。我们采用了新颖的斜法兰轴设计方案，即把合法兰的轴线与挂钢丝绳部位的轴线成72°夹角。这样，在转轮翻转过程中，两个吊点始终在一条直线上，转轮翻身过程中不憋劲，没有因钢丝绳滑移而产生的安全隐患。在重新设计的转轮翻身工具中，除提供两件特殊法兰（也就是上面提及的回转轴）外，我们还提供了几种不同的吊耳、大小支座、导向杆、压板等辅助零件。

2转轮翻身步骤

2.1几点说明

经计算，在转轮翻身过程中，副钩承受的最大重量为57.1t，这超出了桥机50t的承载能力。通过与安装部门沟通，在转轮翻身时，采用120t汽车吊吊装辅助吊点（吊耳I、II、III）。通过核算，在考虑各种安全系数后，120t汽车吊可以抬吊62.08t的重量，完全可以满足转轮翻身的需要。受安装场地的限制，转轮的翻身在厂房大门入口处进行。因此，还另外提供一个项15小支座，安装于厂房大门入口处用于放置转轮。

2.2转轮接力器缸盖、泄水锥、叶片不参加翻身。(3)转轮翻身重量（包括吊具）大约为190t。

3转轮的起吊翻身步骤

两个特殊法兰（项7、项8）用产品螺栓把合在叶片轴孔上（中间间隔一个叶片孔），这时从上往下看，挂钢丝绳的两个吊点在一条直线上。在另一侧把合项1吊耳1，这三点挂钢丝绳。同时用项3螺栓M140×4×300、项4压板I、项10压板、项11螺栓M20×90、项12螺栓M24×50固定有关零件，以防止它们在翻身过程中窜动。见图中的B向视图。用300t桥式起重机将转轮从项9支座吊装到翻身位置，平稳放置于厂房大门入口处项15小支座上，转轮与小支座之间采用3台100t千斤顶进行支撑。转轮翻身过程中，为减小特殊法兰与钢丝绳之间的摩擦力，在特殊法兰上焊接一段内径为510mm的钢管，翻身时钢管在特殊法兰上转动。将120t汽车吊挂在项1吊耳I上。同时采用120t汽车吊项1吊耳1及300t桥式起重机将转轮从小支座上起升至离支座约500mm高，如图中位置3所示，然后在小支座上垫上一层方木。缓慢下落120t汽车吊大钩，由于转轮重心不在两个特殊法兰轴线上，转轮会发生偏移，最终偏移到如图中位置4所示。在图中位置4时，安装吊耳Ⅱ、Ⅲ（项13、项14），120t汽车吊吊装吊耳Ⅱ、Ⅲ（项13、项14），300t桥式起重机吊装特殊法兰。缓慢起升120t汽车吊大钩，配合300t桥式起重机对转轮进行翻身，翻身过程中120t汽车吊、300t桥式起重机需交替缓慢进行动作。翻身过程中要注意控制120t汽车的实际载荷。用120t汽车吊及300t桥机将翻身到位后的转轮放置于小支座上。拆除120t汽车吊吊钩，换为300t桥机的吊钩挂吊耳Ⅱ、Ⅲ。用300t桥式起重机将转轮吊装至离地面4.5m高，移动桥式起重机将转轮吊装到安装间的项9支座上。完成转轮的翻身，拆除吊具，安装叶片、接力器缸盖、泄水锥等。转轮装配做动作试验。

4结语

该工具构思新颖，结构合理，使用方便，安全可靠。通过电站工地4台机的使用，该工具完全可以满足转轮翻身的要求。该工具的成功使用，解决了电站转轮翻身的难题。同时，水电站转轮翻身工具的设计运用成功，对采用单桥机、单吊钩转轮翻身的轴流转桨式电站具有很好的借鉴经验。该成果已先后在四川的铜街子电站增容改造和安谷电站中推广运用。

篇2：水轮机的设计应用论文

1,双击式水轮机已经退出历史舞台，水斗式水轮机就是射流入射角为0的斜击式水轮机，且是所有斜击式水轮机中效率最高者。

2,水斗运动速度U=3.14×D×n/60,喷嘴效率φ2=0.97，射流线速度V12==φ2×2gh,速度比ψ=U/V1,理想ψ=0.5,实际最佳为0.48。

3，水斗式水轮机必须保证在其最优单位转速下运行，所有，n1’=40r/min,速度比ψ=0.48，故Dn=40H1/2,转轮直径与出力和流量无关。

4，水斗式水轮机的直径比m过小，水斗数少，水斗根部强度差，容易裂纹或断斗，效率偏低；m过大，转轮薄，水斗多，水斗尺寸小，制造麻烦。

5,水斗式水轮机没有汽蚀，只有剥蚀，为了避免水斗裂纹和断斗，必须限制水斗式水轮机的直径比m，它不能过小。

6,射流直径d0=0.029751×N/H3/2×η

7，水斗式水轮机与相似理论没有关系，原因为（好多啊，有扫描仪就好了）：

相似理论的根本条件是几何相似，运动相似和动力相似。动力相似有三个相似准则，压力相似，重力相似和黏性力相似。冲击式水轮机的射流运动为恒压流动，故与压力无关；由于射流的高速度，水在水斗做功的过程非常短，重力和黏性力的因数可以忽略不计；因此，在冲击式水轮机中仅剩下几何相似和运行相似了。（1）冲击式水轮机的工作介质为大气中的射流，并无固定的边界可言，要保证几何相似，水汽分界面也应该相似，这就使得几何相似的条件非常苛刻，因此可能性非常小，而整机的相似就更加渺茫。

（2）运动的相似就是进出口速度三角形的相似，而这已经在水斗设计的时候得到定义，因此运动的相似也是几何相似的一种延伸。

（3）冲击式水轮机的射流是在大气中运行并工作的，其所有能量均表现为动能，射流与水斗的能量交换过程就是碰撞，其原理就是动量定理，就是牛顿第二定律。

（4）射流对水斗的做功状态时刻在变，根本无稳定可言。

（5）按任何水力条件设计的水斗式水轮机，几乎不可能与某个模型水轮机相似。

（6）水斗式水轮机几何相似的根本指数为直径比m。两台水轮机直径比相同的可能是很小的，因为其转轮直径D由水头定，而射流直径d，则源于流量。

（7）设计了一台冲击式水轮机，很难想象，会为此专门设计一台几何相似模型，然后按此进行模型试验（除非一定要这么做，那是例外），所以，就整体而言，相似理论不属于水斗式水轮机。

现在将书上的一道例题简单的说一下：

H=950m,N=30000kw,发电机效率为93%（低了一些吧），水轮机效率90%，水轮机功率为32260kw，流量Q=3.846=6×0.641m3/s, 喷嘴效率φ2=0.97, 射流线速度V1=(φ2×2gh)1/2=134.46m/s.射流直径d0=8cm,转速n=600r/min，n1’=39.9r/min,速度比ψ=0.479（在最优范围之内），转轮直径为2.05m, 水斗运动速度U=3.14×D×n/60=64.37m/s，水轮机型号为CJX-L-205/6×8

现在斗胆将shuqin118猛人的<水斗式水轮机选型>实例帖子中的实例5，额定水头540米，单机出力20000千瓦，结论为CJA237-L-155/4×12，n11＝40，n=600用速度比复核一下，U=3.14×D×n/60=3.14*1.55*600/60=48.67r/min, V1=(φ2×2gh)1/2=(0.97*2*9.81*540)0.5=101.3753 r/min，速度比ψ=U/V1=48.67/101.3753=0.480097≈0.48，为最佳速度比。

结论为CJA237-L-185/3×14，n11＝39.8，n=500用速度比复核一下，U=3.14×D×n/60=3.14*1.85*500/60=48.41r/min, V1=(φ2×2gh)1/2=(0.97*2*9.81*540)0.5=101.3753 r/min，速度比ψ=U/V1=48.41/101.3753=0.478，在最优范围之内。

冲击式水轮机的选择

摘要]主要介绍冲击式水轮机及其辅助设备的选型方法及计算程序，并提出用最优直径比检查选型及效率修正方面的一些看法，内容的重点在中小型机组。表5个。

[关键词]冲击式水轮机选型最优直径比 1引言

众所周知，冲击式水轮机适用于高水头、小流量的水力条件，其应用的最高水头已接近1800m。与混流式水轮机相比，特别是在水头大于200m的场合，其优势不容忽视。由于早期选择的冲击式机组出现的问题不少，目前关于冲击式机组的选型资料又相对较少，因此，冲击式机组的选型受到不少专业人员的关注。冲击式水轮机主要分为水斗式和斜击式，斜击式的比转速ns=30～70m·kW，是介于混流式和水斗式之间的品种，目前中小型范围内已做到转轮直径D1=100cm、发电机容量Ng=2500kW，虽斜击式效率相对偏低些，但设备价格优势不能忽视，所以仍得到广泛应用。2装置型式的选择

2．1转轮及喷嘴数目的选择

按水头和出力查水轮机应用范围图，小机组一般均用单轮单喷嘴；小型卧式双喷嘴一般在D1=90～140cm，射流直径d0在7～14m中使用；斜击双喷嘴目前还没有使用。

2．2布置方式的选择

大中型机组立式、卧式均有使用，小型机组一般用卧式。卧式布置拆卸方便，但每个转轮只能布置1～2个喷嘴，当喷嘴数目多时，必须增加转轮数；立式布置可在同一转轮上布置2～6个喷嘴，但当喷嘴数多如用3个以上时，转速不宜选得太高，以避免各射流间相互影响，而降低水轮机的效率。3改变比速法选择冲击式水轮机

冲击式水轮机的选择方法，有固定比速法和改变比速法二种。

由于这些年来各制造厂开发的新品种越来越多，可选择的D1和d0也越来越多，选型者可不必受固定比速法关于D1／d0的限制，不同的D1可以搭配不同的d0，喷针机构已成系列可以装在不同的D1的机体上，因此这种选择方法已经代替固定比速法，越来越被广泛使用。改变比速法选择的程序和方法如下所述。3．1转速n的确定

式中：ns为比转速(m·kW)；Hr为设计水头(m)；Nr为出力(kW)。

比转速可在有关手册中方便查得。框算时，对水斗式单喷嘴暂取25(多喷嘴ns=25√Z0，Z0为喷嘴数)；对斜击式取50。计算出转速n后，向上取发电机同期转速。

3．2确定转轮直径D1

式中：u为转轮节圆周速(m／s)；φ为转轮周速系数，按比转速ns值从表1查取；g为重力加速度9．8m／s2。

表1ns～φ值表

2)求出转轮直径D1，并取规格值 D1=60u／πn(m)

现在可供选择的规格值越来越多，并且还有增加的趋势，表2列出目前的规格值。

表2D1规格值

其中：卧式单喷嘴D1=45～140； 卧式双喷嘴D1=90～140； 立式双喷嘴D1=925～275； 立式四喷嘴D1=140～275。框算D1时，可用下式：

3．3确定射流直径d0并靠取规格值

式中：K为转轮数；Z0为喷嘴数；Q为水轮机设计流量(m3／s)；Hr为设计水头(m)d0规格值列于表3供选择。

表3d0规格值

其中：卧式单喷嘴d0=4．5～14； 卧式双喷嘴d0=7～16； 立式双喷嘴d0=9～24； 立式四喷嘴d0=9～24。

3．4斜击式D1／d0的配套品种。

用改变比速法选配的斜击式品种由表4列出，供选择。

表4斜击式D1／d0配套值

对小型机组，D1还有37，46，53可供选择。3．5水轮机效率的估算及额定出力的验算

1)大中型机组：原型水轮机的D1／d0与模型水轮机的相同或D1／d0=10～20时，可不作效率修正；如D1／d0与模型的差别较大时，可参照相应预期效率表估算原型水轮机效率值。

2)中小型机组：原型水轮机的D1／d0与模型的相同或D1／d0=8～10时，效率可不作修正；如D1／d0与模型的差别较大时，可参照预期效率表估算原型水轮机效率值。效率的保证值=预期效率-1％，如1个转轮2个喷嘴，在100％的负荷下应增加0．5％。

3)若计算出来的d0值不向上靠取规格值，则效率可不作修正，否则需扣除1％。4)斜击机组目前还没有公式计算，只能按预期效率确定，一般可按机型大小取△η=0．005～ 0．015，具体数值参见各制造厂提供的保证值。5)效率及出力验算

①由于射流直径取了标准值，必须重新计算水轮机设计流量：

式中：Z0为喷嘴数；Hr为设计水头(m)。

②由Q计算单位流量Q1，并计算参数取标准值后的单位转速n1：

式中：dn为喷嘴出口直径(m)；dnM为模型转轮出口直径(m)；D1M为模型转轮直径(m)。

为应用方便对常用的2种机型可简化为：

③在综合特性曲线上查取模型效率并修正为原型机效率ηr。④验算出力Nt=9．81HQηr，额定水头必须能发到额定出力。4最优直径比D1／d0的检查

最优直径比m=D1／d0，是设计水斗式水轮机的重要参数。水斗上的应力与工作水头成正比，与直径比m的平方成反比。因此，当直径比m减小时，会引起斗叶上的应力急剧增大。一般当水头H>1000m时，要求直径比m≮15，m下限值≮8～9。根据现有资料，为使水轮机具有较高效率，应使m=10～18，高水头取高值、低水头取低值。对接触较多的中小型水斗式机组，直径比统计值m=7．78～15．7，中小型斜击式m=3．57～7．15；对大中型水斗式m=10～23，高效区为10～18，其统计方程为m=D1／d0=4 0．01H(H为工作水头)。

若选出来的D1／d0过小，会导致效率下降，强度计算难以通过；若选出来的D1／d0过大，将使比转速下降，能量指标降低，又会使转轮的风损等损失增大，也会使效率下降。因此，若选出来的D1／d0过小或过大，必须采用改变转速、转轮数及喷嘴数等办法重新选择，使其处于合理的范围。对小型水斗式水轮机，可选择较小的m值。这样，水轮机的效率虽然会下降一些，但比转速增加了，使机组转速n也增加，使发电机尺寸相应减小，可降低电站造价。

经样本统计，对常用小型机组，水斗式m≥7．78，斜击式m≥3．57，当m小于上列数值应重新确定转速来选择D1。5 主阀的选择 5．1直径的确定

主阀的内径一般与喷管内径一致，可由产品样本直接查取。表5收集了一部分制造厂的统计资料供选择时参考。1个品种在表中出现不同的配套阀门，应以各厂的配套表为准，因为使用的水头段不同。

表5部分制造厂主阀内径统计资料

注：斜击不带A、B者，H≤100m，带A，H=100～160m，带B，H≥160m；球阀直径规格φ300，400，500，600，650，800，1000，1200，1600。表中Dn为球阀或闸阀的公称直径，即内径；XJ代表斜击式，CJ代表水斗式。5．2主阀型号的确定

冲击式机组一般配用闸阀，对高水头大中型机组也有选用球阀。

主阀的压力等级关系到价格，因此不宜选得太高。由于冲击式水轮机具有折向器机构，喷针关闭时间比混流式导叶关闭时间慢得多，升压相对较小，一般升压≤0．15(指相对升压≤15％)，因此对中小型机组可直接按设计水头选择，等于或略大于设计水头即可。常用闸阀的压力规格有6kg/cm2、10kg／cm2、16kg／cm2、25kg／cm2、40kg／cm2、64kg／cm2等，选用时应向规格值靠，一般压力≥16kg／cm2。阀体、阀盖、闸板的材料需用碳钢，尾部符号为C，不标C者为铸铁。同样的直径、阀门的密封面材料也有不同，关系到造价，因此，应按压力等级选择密封面材料：通常6～10kg/cm2用铜(T)，显然选择铜密封面价格要低些。闸阀有电动或手动之分：电动由φ300mm起，φ350mm及以上无电动闸阀。闸阀还有明杆和暗杆的区别，5为暗杆、1为明杆。一般暗杆用于6～10/cm2的压力，直径范围为φ300～1600mm。常用闸阀示例如下： Z941H－16CDn=800 Z—闸阀；9—电动；4—法兰联结；1—明杆；H—合金钢密封面；16—压力等级；C—碳钢阀体；Dn—公称直径； Z41T-10Dn=250 Z—闸阀；4—法兰联接；1—明杆；T—铜密封面；10—压力等级；Dn—公称直径。调速器的初步选择 6．1 调速功计算

调速功分喷针调速功和折向器调速功二部分，若二者联动，总调速功为二者调速功之和；若折向器不联动，则按喷针调速功选择调速器容量。喷针调速功A1=Z0(d0 d03Hmax/6000)(kg·m)式中：Z0为喷嘴数；d0为射流直径(cm)；Hmax为最大水头(m)1个折向器调速功A2=0.11×10-3d0Hmax或 A2=Z0(d0 d03Hmax/6000)(kg·m)式中：Z0为折向器数；d0为射流直径(cm)；Hmax为最大水头(m)。总调速功A=A1 A2=2A1 6．2 调速器容量的选择

AP=(1．3～2)A1，系数1．3～2是考虑加工装配量及润滑等因素。6．3调速器类型的选择 一般按下列原则选配调速器： 水斗式：

D1≤70cm，Ng≤800kW，配手动或电动调速器；

D1≥70cm，Ng＞800kW～2500kW，配手动或自动调速器； D1≥125cm，Ng>2500kW，配自动调速器。斜击式：

篇3：电动拆轮机设计与应用

一、电动拆轮机的用途

在生产现场或维修车间对已锈死、人工手动难以拆卸的电机轴或传动轴上的皮带轮或齿轮进行自动拆卸。

二、电动拆轮机的结构组成与工作原理

1、结构组成

如图1所示, 电动机 (1) 通过传动皮带与减速机构 (2) 连接, 螺杆 (4) 左端的花键轴与所述减速机构 (2) 的蜗轮 (3) 中心花键内孔配合, 螺杆 (4) 与导杆 (5) 中间的螺母 (11) 啮合, 两个拉钩 (6) 一端的矩形孔 (16) 分别与导杆 (5) 两侧滑动配合;所述导杆 (5) 固定在电动拆轮机机架 (12) 上;与两个拉钩 (6) 活动连接的钩尖 (10) 分别紧靠待拆传动轮 (9) 的背面两侧, 与螺杆 (4) 端头转动连接的顶尖 (7) 紧靠待拆电动机 (8) 输出轴的定心孔;所述螺杆 (4) 的花键轴左端板的两侧安装有反转复位开关 (13) 和终端停机开关 (14) ;所述钩尖 (10) 通过配合孔与拉钩 (6) 活动连接, 并依靠插销 (15) 固定;装有所述电动机 (1) 、减速机构 (2) 的电动拆轮机机架 (12) 安装在设有万向四轮的推车的升降台上。

2、工作原理

装有电动拆轮机的万向四轮推车可以在维修车间或者转运至大型设备所在现场对已锈死、人工手动难以拆卸的电机轴或传动轴上的皮带轮或齿轮进行拆卸。首先调节升降台, 将螺杆端头的顶尖对准待拆电动机输出轴或传动轴的定心孔;导杆的两端定位在机架上, 沿导杆两侧调节两个滑动配合的拉钩, 使两个拉钩的钩尖分别钩住待拆传动轮的背面两侧;开动电动拆轮机, 电动机经减速机构转动螺杆, 螺杆与导杆中间啮合的螺母之间产生强大的分离推力, 将已锈死、人工手动难以拆卸的电机轴或传动轴上的皮带轮或齿轮拆卸下来。花键轴左端板触及反转复位开关, 螺杆反转, 拉钩及钩尖松开并脱离被拆卸的皮带轮或齿轮。花键轴左端板触及终端停机开关, 电动拆轮机停机, 装有电动拆轮机的万向四轮推车离开被拆卸的电动机。

三、电动拆轮机应用实例

1、工作条件和主要性能参数要求

工作条件:在室内常温下非连续工作, 电机存在经常起动、制动和反转的情况, 电源为三相交流电, 电压380V。

主要性能参数:公称压力100t, 皮带轮传动速比i1=5.5, 齿轮传动速比i2=2.8, 蜗轮蜗杆传动速比i3=70, 总速比i=1078, 螺杆转速0.87r/min, 压头行程300mm。

驱动电机型号JZ2, 同步转速1000r/min, 功率7.5KW。

2、主要零部件设计

(1) 拉手的设计

如图2所示, 拉手由拉钩、钩尖和插销组成, 其作用是将需要拆卸的皮带轮或齿轮拉住, 在拆轮过程中使轮不随电机轴或传动轴的移动而移动, 从而达到拆轮的目的。设计时除了着重考虑拉钩、钩尖和插销的可靠性和操作方便外, 还需考虑到钩尖端部厚度应小于皮带轮或齿轮与相邻零部件 (如电机外壳) 之间的间隙。必要时, 应根据不同间隙大小, 准备几组端部厚度不同的钩尖, 以达到只要选择和更换钩尖, 不更换拉钩, 便可拆卸不同间隙大小的皮带轮或齿轮的目的。

(2) 压头部件的设计

压头部件的结构如图3所示, 主要由顶尖、顶尖壳、轴承、端盖和油封组成, 安装在螺杆上。压头部件的作用是顶住待拆轮的电机轴或传动轴, 在螺杆的带动下将电机轴或传动轴往右方推移。在拆轮过程中, 要求顶尖和顶尖套只作水平方向的移动, 不跟随螺杆旋转, 顶尖右端轴径比待拆轮的电机轴或传动轴的直径小0.5-1mm, 必要时, 可根据不同电机轴或传动轴的直径大小, 准备几个右端轴径不同的顶尖, 以达到只要选择和更换顶尖, 不更换顶尖套, 便可拆卸不同直径电机轴或传动轴上的皮带轮或齿轮的目的。

(3) 花键螺杆的设计

花键螺杆结构如图4所示, 它的作用是传递运动与压力, 材质采用40Cr, 进行淬火热处理, 表面硬度HRC45—50, 花键副规格10×82×88×12-H7/f7, 传动螺纹副规格Tr110×20-H7/e7。

3、实施效果

100t电动拆轮机所有传动副均采用开式结构, 具有结构简单、制造容易、维护方便, 操作简便、拆卸快捷等特点。皮带轮或齿轮成功折卸率达100%, 每台拆卸时间5分钟左右, 较好地解决了传统拆卸方法存在的问题, 大大降低了维修工人的劳动强度, 生产率也有了很大的提高。两种拆轮方法效果对比如表1所示。

此外, 该拆轮机的制造成本仅占同等成品压力机价格的10%左右, 占地面积小, 对使用场地没有特定要求, 多数具有机加工车间的企业都能加工制造。因此, 电动拆轮机在矿山机械、农业机械、建筑机械等野外作业设备的维修领域具有较高的推广应用价值。

四、结论

该电动拆轮机的应用可以收到如下有益效果:

1、装有电动拆轮机的四轮推车可以在维修车间也可转运至大型设备所在现场对已锈死、人工手动难以拆卸的电机轴或传动轴上的皮带轮或齿轮进行拆卸, 拆卸成功率达到100%。

2、沿导杆两侧调节两个滑动配合的拉钩, 使两个拉钩的钩尖分别钩住待拆传动轮的背面两侧, 选择和更换钩尖, 可以适应不同尺寸大小的传动轮的拆卸, 解决利用三爪拉马拆卸传动皮带轮或齿轮存在的劳动强度大、效率低下、折卸类型受限等一系列问题。

3、停机开关和返程开关确保电动拆轮机工作安全。

摘要：介绍一种电动拆轮机的用途、结构组成、工作原理及设计范例, 解决利用三爪拉马拆卸传动皮带轮或齿轮存在的劳动强度大、效率低下、折卸类型受限等一系列问题, 在矿山机械、农业机械、建筑机械等野外作业设备的维修领域具有独特的实用价值。

关键词：电动拆轮机,工作原理,零部件设计

参考文献

篇4：水轮机的设计应用论文

摘要：为了获得满足潮流能水轮机设计要求的专用翼型，基于遗传算法建立了水轮机翼型优化设计模型，该模型综合考虑了升力系数、阻力系数、升阻比和压力系数等因素，采用XFOIL评估翼型的水动力性能，对几种典型设计要求情况下的水轮机翼型进行了优化设计。数值结果表明，该模型能够根据不同的设计要求获得相对应的水轮机翼型，不仅可以改善翼型的水动力系数，还能够避免翼型空化现象的产生。在最小化压力系数情况下，最大厚度位置更靠近翼型后缘，而最大化升力系数情况下则更靠近翼型前缘。为了达到指定的设计目标，需要考虑多个攻角下的升力系数或压力系数。

关键词：潮流能；水轮机；翼型；水动性能；空化

中图分类号：TK73文献标识码：A

随着世界经济的发展，能源消耗越来越多。由于化石能源危机以及传统能源所带来的环境污染和碳排放等问题，使得清洁的可再生能源日益重要。潮流能是一种非常重要的新能源，具有可靠、周期性、分布广泛、且可持续等优点。越来越多的国家已经开展了相关的研究，潮流能将在未来的能源中扮演重要角色。为了利用潮流能，采用水轮机作为主要的能量捕获装置，叶片作为直接承受水动力并将其转化为机械能的部件，对潮流能转化效率有重要影响。因此，叶片是潮流能水轮机设计中的关键部件。

在水平轴潮流能叶片设计中，翼型选择、翼展、以及沿展向分布的弦长、厚度和扭转角度分布均为重要影响参数。此外，翼型前缘粗糙度、平台的升降运动和表面重力波等均会对水动性能产生重要影响＼[1-2＼]。为了提高水轮机效率，国内外学者已经开展了相关的研究工作。Wu等人＼[3＼]引入Schmitz理论对桨叶进行设计，并充分考虑了空泡问题，能够提高水轮机效率。Battena等人＼[4＼]采用试验对动量方法进行了研究，表明该方法具有足够的精度，并采用该方法对叶片进行设计。Reza等人＼[5＼]采用响应面方法，以最大化输出功率为目标函数对海洋水平轴水轮机叶片沿展向的厚度和扭转角等进行优化设计。翼型设计是水轮机设计中的关键问题，只有选择合理的翼型，才能最大限度地提高水轮机效率。尽管已经开展了相关的研究，但是大都采用风力机和航空专用翼型，使水轮机无法达到最佳效率。因此，有必要研究适用于水轮机的最佳翼型。

目前，国外的翼型研究与设计主要集中在飞行器和风力机领域，国内学者对风力机翼型也开展了相关研究＼[6-8＼]。通过相关学者的研究，已经获得了重要的翼型数据，如专为风力机设计的翼型有SERI翼型、为了减小前缘粗糙敏感度的DU翼型和CASW1风力机翼型等，它们的共同特点是基于空气动力学原理，大都不是水轮机叶片的理想翼型。以应用最为广泛的NACA翼型为例，该系列翼型具有较差的失速特性，并且对于前缘粗糙度较为敏感。虽然水轮机和风力机以及飞行器机翼有很多相似之处，但是水轮机叶片的载荷环境有较大的不同。水的密度是空气密度的800多倍，因此水轮机所承受的载荷要大。此外，水轮机在水中运行过程中存在的空化现象可能会对叶片产生较大的破坏。因此相对于风力机叶片，不但需要尽可能避免空化的产生，还要求翼型具有更大的厚度来满足强度要求。目前，仍然缺乏对潮流能水轮机的专用翼型及其分析方法的研究，急需开展相关的研究工作。

目前，在风力机和航空航天领域，已有学者开展了翼型优化设计的研究，Lighthill＼[9＼]采用了反设计技术。反设计方法的基本思想是由假定分布在翼型表面的压力系数来构造翼型曲线，通过迭代办法不断修正压力分布来达到指定的设计要求。尽管该方法已被广泛采用，但是在设计过程中无法同时考虑多个设计要求。由于水轮机翼型有多方面的设计要求，必须采用多目标设计方法。Grasso[10]采用基于梯度方法对水轮机翼型在7°攻角下的水动性能进行了优化设计。为了使潮流能水轮机在1～3 m/s流速下达到较好的性能，Goundar等人＼[11＼]对翼型的高升力、高升阻比、较高的强度以及空泡的出现等问题开展研究。Molland等人＼[12＼]采用XFOIL对二维水翼的空泡问题开展研究。尽管在潮流能水轮机优化设计方面已有了一些研究成果，但是在翼型设计方面仍然处于起步阶段，并且国内的相关研究工作基本处于空白，因此急需开展相关研究。

本文以潮流能水轮机叶片翼型为研究对象，建立了翼型优化设计模型，该模型同时考虑了升力系数、阻力系数、升阻比和表面压力系数等因素。为了获得全局最优解，采用遗传算法进行求解，水动性能和压力系数通过XFOIL数值仿真软件获得，最后采用该方法获得了不同设计目标情况下的翼型，通过对比分析得到了各种翼型的特点，为进一步开展水轮机设计提供依据。

1水轮机翼型设计要求与优化算法

1。1水轮机翼型设计要求

由于处于不同的流体介质中，故风力机和水轮机叶片的设计要求有较大的不同。风向和风力具有较大的随机性，风力机叶片的气动弹性等问题较为显著，在风力机设计中，选择较高的设计升力系数能够降低阵风和疲劳载荷，改善风力机的使用寿命。与风力机不同，水轮机的流体环境中的湍流较低，流速较小并且比较稳定，因此疲劳并不是水轮机的显著问题。由于阵风的影响，风力机叶片可能处于失速区域，当攻角到达失速点后，气动效率可能急剧下降。因此，翼型分离点设计显得尤为重要。对于潮流能水轮机，在设计中更希望水动性能不要随着攻角的变化过于剧烈，尤其是在失速区域＼[13＼]。在具体的翼型设计中要求分离点随着攻角的增加而缓慢向后缘移动。一般情况下，风力机叶片较为细长，可能产生较大的扭转力矩，所以风力机的力矩系数是一个非常重要的设计参数。而水轮机叶片的展弦比较小，叶片足够刚硬，所以力矩系数在水轮机叶片设计过程中并不是主要因素。

空化现象是水轮机与风力机的最大区别。空泡产生的条件如图1所示，图1中横坐标为弦线位置。由图1可知，当某一流体区域的压力绝对值大于临界空化压力值时就会形成气泡＼[12＼]。一般而言，气泡分为惯性（瞬态）空泡或者非惯性空泡。惯性空泡是由一个空气泡在水中迅速破裂，产生了一个冲击波，该类型空泡通常发生在抽水机、螺旋桨和叶轮等机械结构中。非惯性空泡则是由诸如声场等外在某种型式的能量输入迫使流体产生振荡导致的。由惯性空泡的破裂所产生的冲击波可能会对水轮机结构造成破坏，因此，在水轮机叶片翼型设计中应考虑空泡的影响。空泡参数定义如式（1）所示。

σc=p0-pvq=pAT+ρgh-pv0。5ρV2 。（1）

式中：pv为空泡压力，主要依赖于水的温度；p0为局部压力；q为动压。

压力系数定义为：

Cp=pL-p00。5ρV2。 （2）

根据翼型表面的压力分布可以判断是否产生空泡，当pL与pv相等或者最小的负压系数Cp与空泡系数相等时就会产生空泡现象。

图1空泡产生的条件

Fig。1Condition for cavitation

水轮机沿展向由不同的翼型组成，靠近桨叶外侧部位，要求翼型具有较大的升力系数和升阻比以及较小的阻力系数，使得采用较小的弦长就可以达到指定的水动力载荷。从水动力学设计的角度，翼尖区域的升阻比是最为重要的参数，由于水轮机所受到的载荷较大，为了满足结构设计的要求，一般采用较厚的翼型。由于靠近翼根部位承受了极大的载荷，为了结构布置的需要，对翼型厚度有特别要求，但此时又会牺牲较大的水动性能。在不同设计要求的情况下，翼型会出现较大的不同，如何根据水轮机的要求来设计特定的翼型成为了需要深入研究的问题。

1。2遗传算法

优化算法可以分为基于梯度和非梯度两类方法，基于梯度的优化方法难以得到全局最优解，并且对翼型设计可能会存在收敛速度慢等问题；诸如遗传算法的非梯度方法具有全局寻优性能，因此，本文采用遗传算法作为优化算法。

遗传算法是以自然选择和遗传理论为基础，将生物进化过程中适者生存规则与群体内部染色体的随机信息交换机制相结合的高效全局寻优搜索算法。该算法由一组初始解（初始种群）组成，每一个解采用二进制编码如式（3）所示，所有n个设计变量编码成一个二进制数并顺序排列，选择一个适应度函数，并对每一个解的适应度进行评估，淘汰适应度差的解，通过对编码后的二进制数进行变异、杂交等操作获得新解。从而形成了新的种群，重复上述过程，经过若干代的求解能够接近甚至获得全局最优解。

P=[01…11111…012…01…10n]。 （3）

相对于传统优化方法，遗传算法具有可行解表示广泛性、群体搜索性、随机搜索性和全局性等优点，在各类优化方法中被广泛采用＼[14-15＼]。

2翼型优化模型

2。1翼型参数化方法

设计变量的选择对优化结果非常重要，为了能够准确描述翼型，又不过多牺牲几何信息，拟合曲线的选取至关重要，多项式样条曲线能够显著减少设计变量的个数＼[16＼]。本文采用了三次样条曲线，为了尽可能扩大搜索空间，在翼型曲线上选择若干个点，采用每一个点的横坐标和纵坐标作为设计变量，通过翼型曲线上的点（xi，yi）i=1，…，k以及前缘和后缘的切线斜率（t0，t1）来拟合翼型曲线。最终翼型设计变量X如式（4）所示。

X=（t0，x1，y1，x2，y2，…，xk，yk，t1）。 （4）

2。2翼型评估方法

一般而言，翼型水动性能和压力分布可由计算流体力学（CFD）软件得到。对于流速较低的水动力学问题计算精度较高，但是由于翼型优化需要大量评估目标函数，计算量极大，因此该方法并不适合。XFOIL是一款由Drela开发的能够准确评估翼型气动力的数值软件，该软件基于面元法和粘性边界层等模型，与CFD计算结果接近，能够快速准确地评估翼型，是进行翼型优化设计的理想方法＼[17＼]。

2。3优化模型

潮流能水轮机翼型优化以升力系数、阻力系数、升阻比和压力系数的函数作为目标函数，XFOIL作为评估工具，将翼型参数化之后，建立如下所示的翼型优化模型。

目标函数为：

f（X）=f（CL，CL/CD，CD，Cpmax）。 （5）

约束条件为：

hj（X）≤0，j=1，…，m； （6）

XLi≤Xi≤XUi，i=1，…，l。 （7）

式中：CL，CL/CD，CD和Cpmax分别为升力系数，升阻比，阻力系数和压力系数最大值；Xi，XUi和XLi分别为第i个设计变量及其上下界，此处的设计变量为翼型上节点坐标等。目标函数f（X）可以是水动性能和压力系数的任意组合形式，在实际翼型设计中可以根据需要灵活选择。

依赖于翼型变量的目标函数，同时满足等式和不等式约束条件，通过求解优化模型可以得到满足设计要求的翼型。

3水轮机叶片翼型优化设计

对于潮流能水轮机，叶片沿展向的不同位置有不同的设计要求，靠近翼尖位置，具有较高升阻比的薄翼型是较优的选择，在一个较宽的攻角范围内，必须具有较高的升力系数和升阻比，阻力系数应当尽可能小。由于根部承受较大的载荷，为了保证桨叶具有足够的结构刚度和强度，要求根部翼型具有较大的厚度。此外，为了避免空化现象，可能需要选择较厚的翼型。为了验证本文方法，并探讨翼型特性，采用Reynold数为106，目标函数是攻角为3°情况的升力系数、阻力系数、升阻比和压力系数，获得不同设计要求下的翼型，并对比各个翼型的水动性能和压力分布特性。

基于本文所提出的优化模型和求解方法，对几种不同设计要求进行求解，最终得到每种情况下的翼型曲线如图2所示。由图2可知，当最小化阻力系数和最大化升力系数时，翼型曲线较为接近；当最大化升阻比时，最大厚度位于距翼型前缘35%处，最大厚度为弦长的8。8%；在最小化阻力系数情况下，最大厚度距前缘35%，最大厚度为弦长的8。3%。对于水轮机而言，由于较大的升力部分转化为垂直于水轮机平面的推力，而转化为水轮机轴向力的部分较小。不同于升力系数，阻力系数的降低能够显著提高水动性能。区别于前两种翼型，最大化升力系数和最小化最小压力系数所获得的翼型有较大的不同，在最大化升力系数情况下，翼型前部较厚，到后缘处翼型厚度减小，最大厚度位于距翼型前缘39%处，最大厚度为弦长的11。4%；而对于最小化最小负压系数，最大厚度位于距翼型前缘52%处，最大厚度为弦长的8。8%。

图2不同目标函数情况下的翼型对比

Fig。2 Hydrofoil for different objective function

不同设计目标函数情况下的升力系数、阻力系数和升阻比如图3-图5所示。与翼型数据结果类

攻角/（°）

图3不同翼型的升力系数随攻角的变化

Fig。3Lift coefficient vs。 attact angles

for different hydrofoil

攻角/（°）

图4不同翼型的阻力系数随攻角的变化

Fig。4Drag coefficient vs。 attact angles

for different hydrofoil

似，最小化阻力系数和最大化升阻比所得到的两种翼型具有非常接近的水动性能。以负压系数作为目标函数情况下，升力系数大大小于其他3种情况，阻力系数则与最小化阻力系数情况接近。尽管最大化升力系数具有较大的升力系数，但是阻力系数明显大于其他翼型的阻力系数，并且该翼型虽然在3°攻角情况下具有最大的升力系数，但是随着攻角的增加，最大化升阻比和最小化阻力系数时的翼型具有更大升力系数。因此在进行翼型设计时，不能只考虑一种攻角下的水动性能，而要进行综合考虑。

攻角/（°）

图5不同翼型的升阻比随攻角的变化

Fig。5Liftdrag ratio vs。 attact angles

for different hydrofoil

4种不同翼型在3°攻角情况下的表面压力系数如图6所示。由图6可知，最小化压力系数时的压力分布最为均匀，最小值为-0。5，可见最小化压力系数可以大大改善翼型表面的压力分布，进而避免空化现象的产生。最小化阻力系数和最大化升阻比情况下的翼型，最小压力系数为-1。1，两者较为接近。最大化升力系数情况下的最小压力系数峰值最小，达到了-1。5，也越容易产生空化现象。

弦线位置

图6不同翼型的3°攻角下的压力分布

Fig。6Pressure distributions of 3°attact angle

不同攻角下的翼型表面压力系数对比如图7-图10所示。由图可知，不同攻角下的同一翼型压力系数分布规律较为一致。随着攻角的增加，最小压力系数也随着减小，而且压力分布会更加不均匀。尽管最小化压力系数情况下，翼型在3°攻角时具有最佳的压力分布特性，但是随着攻角的增加，最小压力系数急剧增加，显然对避免空化现象不利，因此，需要综合考虑多个攻角下的压力分布系数。

弦线位置

图7最大升力系数翼型时不同攻角的压力分布

Fig。7Pressure distributions for maximum lift coefficient

弦线位置

图8最大升阻比翼型时不同攻角的压力分布

Fig。8 Pressure distributions for maximum liftdrag ratio

弦线位置

图9最小化阻力系数翼型时不同攻角的压力分布

Fig。9Pressure distributions for minimized drag coefficient

弦线位置

图10最小化压力系数翼型时

不同攻角的压力分布

Fig。10Pressure distributions for minimized

pressure coefficient

4结论

本文针对潮流能水轮机叶片翼型，提出了一种优化设计方法。该方法采用了具有全局寻优特性的遗传算法，选取的曲线拟合方法能够准确地描述翼型曲线，通过该模型获得的翼型不仅能够提高水动力性能，还能改善翼型的空化问题。在最大化升力系数情况下，翼型具有较小的阻力系数，以压力系数为目标函数能够显著改善压力系数分布特性。为了改善水轮机性能，需要考虑多个攻角进行综合设计。通过该方法能够显著改善潮流能水轮机翼型的水动性能和压力分布特性。

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篇5：水轮机的设计应用论文

轮机工程专业机械设计课程设计教学探讨

为了加强课程设计与轮机工程专业的联系,提高机械设计课程设计教学质量,针对机械设计课程设计教学中存在的`问题与不足,分析问题产生的原因,并从设计模式、时间安排、选题等方面提出具体改革措施.

作 者：朱发新 丁天明 王伟军 龚雅萍 卢金树 张志斌 作者单位：浙江海洋学院海运学院,浙江,舟山,316000刊 名：航海教育研究英文刊名：MARITIME EDUCATION RESEARCH年，卷(期)：201027(1)分类号：U676.2关键词：轮机工程 机械设计 课程设计 教学改革

篇6：水轮机的设计应用论文

论文作者：糜洪元

发表时间： 2004年11月29日

摘要：在形成自立开发能力,发展我国燃气轮机产业中,要努力提高我国燃气轮机发电设计制造和运行维修的整体水平。结合我国实际情况提出对高温部件材料,重大部件设计制造,总能系统优化,维修技术,运行管理等方面的分析意见。

关键词：燃气轮机；急切核心技术；高温部件材料；设计制造；总能系统；运行维修管理

现代燃气轮机发电技术已进入一个高度发展的时代。各种机型及其组成的各种总能系统，以其高效的性能指标，在发电领域广泛应用。在我国，随着经济的高速发展，以及能源结构的调整和电力市场的需求，发展燃气轮机技术已成十分急切的论题。在国家大力支持下，沿着统一组织国内市场资源，集中招标，引进技术，形成自主开发能力的道路来发展我国燃气轮机产业，我们正在迈出重要的一步。

研究发展燃气轮机发电的技术路线和重要环节，显示出燃气轮机基多项高新技术于一体。燃气轮机是一种多学科交叉的综合性技术，其核心技术应包括燃气轮机重大部件的设计，制造，以及总体成套和运行管理的技术。包括高温热通道部件的材料，制造工艺，涂层保护技术，高转速机械复杂结构的组合，总能系统的优化技术，控制和信息技术，以及运行管理应用技术。

本文对各关键技术进行认真分析，为提高我国燃气轮机发电设计制造和运行维修的整体水平提出建设性意见。

1.燃气轮机高温部件的材料

透平前燃气的进口温度早期仅600-700°C，现在一般水平都超过1100°C，有些已投入商业运行的机组透平进口温度达到1288°C，高的甚至达1430°C或1500°C。由于燃气轮机初温提高，简单循环热效率已由早期的16%-25%，提高到36%，有的更达38%-39.5%。透平初温的提高主要依靠燃气轮机高温部件(涡轮，喷咀，动叶)的材料，最早一般使用GJ450，V500，In738合金材料，现发展到合金金相结构控制的材料，出现了同向结晶或定向结晶的GTD111,DS GTD111，最新的机组已使用单晶工艺。金属材料的进步还表现在涂层的应用上。涂层减轻了腐蚀和氧化，使用寿命增长了10-20倍，早期有铂铝(Pt AL)涂层，后来发展等离子保护GT-29和GT-29 IN-PLUS TM等，先进材料和涂层的应用使透平前燃气进口温度提高150-200°C左右。

高温材料学科既有其丰富的理论，又必须通过大量的实验研究分析。所以燃气轮机热部件材料开发是一个不断实验研究的过程。从选择一两个具有开发潜力的材料开始，开展大量的材料性能实验，进行长期的蠕变实验或进行拉伸，断裂，高温疲劳，低温疲劳，热疲劳，刚性，抗腐蚀/氧化性，加工性能/样品的处理和全部物理性能的种种测试工作，在实验室实验的基础上再进行实物实验，例如透平转子实物挂片实验，燃烧室实验等等。美国GE公司单材料性能实验就用20多年时间，化费1000多万美元，积累大量数据并建成数据库。GE以彩虹(Rain bow)定名开展大规模实物实验课题，对50多种不同材料进行优化筛选。

我国高温材料研究有较好的基础，也有一些成果，与国外最新技术相比的差距主要是母合金性能和冶炼铸造技术上的差距。我国有条件选定一，二种自行开发的母合金或依靠国外引进一，二种母合金开展深入的研究工作。在真空冶炼技术方面，我国尚缺乏大容量的真空冶炼，精铸设备。建议有计划地引进一些先进的定向结晶和单晶炉，争取以较短的时间为新型燃气轮机提供最高水平的高温材料。

2.燃气轮机重大部件的设计，制造

国外燃气轮机制造厂商主要有美国GE公司，德国Siemens公司，法国Alstom公司和日本MHI公司等。在燃气轮机的设计，开发，制造方面，堪称力量雄厚，水平高，规模大。例如GE公司的格林威尔工厂拥有12.1万m2的制造车间，拥有7个热态试车台(其中4个试车台可以试F级燃气轮机)和15个总装配台位。GE公司的研究开发中心有高温材料，陶瓷材料和涂层，流体力学实验，冷却，传热实验，低NOx燃烧器实验等各种实验室。GE公司还以其动力，航空和研发三个部门紧密合作，在国际上无可争辩地占有领先地位。

值得注意的是四大燃气轮机制造厂商之中，三菱重工80年代中期才完全进入自主开发阶段，可以说是最年轻的成员。三菱重工60年代初生产几种功率较小的燃气轮机，后来引进美国西屋公司制造技术，这段时间与我国燃气轮机制造业的水平差距不大，但是三菱与西屋分手后，仅经过一二十年的时间成为独立研究，开发和制造技术的世界重型燃气轮机主要制造厂商，三菱重工引进技术，消化吸收到创新的经验是值得我们借鉴的。

我国自五六十年代开始引进燃气轮机发电机组，先后测绘仿制或自行设计制造过多种机型，70年代后期到80年代按国家川沪输气管线计划，曾投资建成南京汽轮电机厂的燃气轮机制造车间和实验研究基地，自行设计17.8MW燃气轮机，单机功率40MW,效率31.8%。除此之外，我国还有上汽，哈汽，东汽以及多家研究院，所，高等院校开展燃气轮机的设计制造和实验研究工作，取得不少科研成果，形成我国燃气轮机开发基础。特别是航空和造船部门的一批制造厂和科研院所在实验研究设备和型号开发等方面都已初具规模。航空部和美国普惠公司合作开发FT-8燃气轮机功率25MW，效率38.7%,我国负责制造低压压气机,动力涡轮,燃烧室,气缸成套件等,约占整机工作量的30%。我国有近十家制造厂受GE,西门子等国外公司委托生产E型或F型的叶片，喷咀，燃烧室，隔板，机壳，有的厂家年产量达40台套。机械系统的企业通过八五，九五改造，拥有大型制造厂房，大型数控加工设备和精密测试仪器。我国生产大型燃气轮机的能力缺口不大。

我国要从目前能生产中小型燃气轮机的水平，形成自主开发能力，生产高性能的大型燃气轮机，在设计，制造方面主要应该从以下方面来提高能力。

(1)在部件机加工方面要加强的是冷却叶片，喷咀加工的特种工艺技术；

(2)大型转子组装必须具有恒温或可控温度分布的转子装配坑；

(3)进一步充实多级模型压气机实验台和建设大功率驱动的整台压气轮实验台；

(4)开展空冷和蒸汽冷却的透平实验；

(5)开展低NOx燃烧室的实验研究；

(6)要建成大型燃气轮机整机试车台，并能提供液体，气体多种燃料燃烧实验。

我国现有研究院所和高等院校拥有的一批气动实验室，燃气轮机部套实验台，应该充分发挥其作用，规划和委托研究课题。在燃气轮机技术的开发过程中，必须循序渐进，一方面依靠必要的技术引进，消化，吸收；另一方面要开展型号机的开发实验，试制和生产规模可逐步扩大，但起点要高。

3.燃气轮机总能系统优化技术

燃气轮机利用燃烧产生的燃气直接做功,完成布雷顿(Bragton)循环，不同于常规蒸汽轮机由燃烧加热产生蒸汽,蒸汽做功的朗肯(Rankine)循环。蒸汽循环参数的提高受到限制,蒸汽轮机发电效率也受限制。燃气轮机可提高燃气初温来提高效率，因此燃气轮机就有效率高，重量轻，结构紧凑，以及机动灵活等一系列优点而广为人们重视。但当燃气轮机与蒸汽轮机组成联合循环后，高品位和低品位的能量得到充分利用，因而大大提高了循环的热效率，这才形成了总能系统的概况。

总能系统还应涉及到热力循环优化的各个方面。例如Alstom公司的GT26型燃气轮机采用分段燃烧的技术，是燃气轮机简单循环热力优化的典型例子，显然能提高循环热效率，是具有发展前途的技术。燃气-蒸汽联合循环由单压发展到双压，三压，再热，同样使热力循环优化，提高总能系统热效率。燃气轮机总能系统的优化还有很多方面，有待于我们开发，研究。

美国能源部ATS(先进燃气轮机系统)计划(1992-2000年)，开发具有里程碑的机组MS9001H和MS7001H，燃气-蒸汽联合循环效率接近60%，这是总能系统发展的标志性水平。ATS项目完成后，美国能源部又立即开始FY2001-2008NGGT(下一代燃气轮机)计划，和Vision21规划，提出简单循环效率至少为47%，联合循环效率达到70%。美国能源部的能源规划已包括新一代采用燃料电池联合循环的总能系统。例如美国国家能源技术实验室在30MW-150MW中等功率级燃气轮机方面提出一些新的有用的设计方案，称为CHAT电厂，其中以GE6B系列为核心机的CHAT电厂功率94MW，热效率可达52.3%,方案采用双级间冷的压气机,湿空气一级透平和二次燃烧的低压膨胀透平，以及优化的余热回收锅炉等。可见美国能源部新的能源规划正在偏重于总能系统这一方向。

从能源的有效利用方面出发，我国在发展先进燃气轮机的同时，必须重视总能系统的开发和研究，而且可以认为这一方面更加重要，更加迫切，会更快取得成效。

4.燃气轮机的维修技术

发展燃气轮机发电应该是与掌握燃气轮机的维修技术紧紧同步的。燃气轮机热通道部件使用高温优质合金，又有抗高温氧化，腐蚀的涂层，部件有复杂结构，要求精密加工制造，国内燃机电厂大部分采用进口部件。而这些部件的修复回用更有其技术上的独特性，对高温高应力下长期工作产生的裂纹，形变和腐蚀，损坏，金属材料的金相结构的变化等要经修复回用，是一门高水平的专门技术。

国外燃气轮机电厂的维修一般都与维修公司签订长期维修合同。维修公司负责制定和实施维修计划周期检查(大修，热通道检查和燃烧室检查)，长期维修合同是维修专业化的一个方向。专业的维修公司可集中人力和维修装备等方面优势，对各燃气轮机电厂进行维修服务，使维修工作更规范化。电厂则可把注意力集中在运行生产上，这更有利于规范电厂维修市场。

向电厂提供的维修服务可以由维修专业队伍，也可由设备制造商及其下属的或委托授权的维修中心。维修专业队伍可以提供长年运行更换部件，及时提供备品备件，现在更普遍建立计算机网络联系的远程监测。据介绍，优质，及时的服务，使客户少买大量备用部件，及时的维修大大减少了停机处理时间。

我国燃气轮机电厂还正在酝酿维修合同的路子，主要问题是对合同双方约定的责任范围内容，以及合同价格等方面没有明确的规范。另外燃气轮机电厂期望有国内的维修公司，能提供有效，及时的服务。但国内尚缺乏足够规模的用户可信赖的维修队伍。

我们建议筹建国内维修基地可通过新建电厂设备引进同时引进维修设备和技术，但维修基地的机制最终应与电厂脱离，独立经营。维修基地可依靠国内维修公司与国外有实力的维修公司合资的方式，引进外资和国外维修技术，并得到国际上的资格认可。

5.运行管理信息技术

利用运行管理信息对电厂进行指导管理，北美电力可靠性中心(NERC)的北美发电可用性数据系统(GADS)最具有代表性。据介绍，北美及周边的12个国家参加这数据库，并分享信息管理指导。数据库对燃煤机组，核电，燃气轮机，喷气发动机，柴油机，水电，泵站，联合循环，地热发电机组，热电联供，多炉多机的电厂共11种不同类型的装置的各种运行数据进行详细的分类。对不同的燃料，运行的负荷条件，机组运行小时数，机组的供应厂商，用户所在地区等多种因素都一一进行分类，收集的信息和数据包括机组维修的周期，零部件的损坏情况，出现故障的记录，等效可用率，强迫停机率等等。一年内，进入GADS的信息可达到50万条。一旦某电厂机组要求数据库提供咨询，数据库会选出不少于7台的同类机组进行对比分析，立即提供指导性的咨询意见。北美数据库20多年的运行经验以及高水平的软件，硬件技术，可以使运行管理信息处理及时，可靠，可发挥强有力的指导作用。

我国对常规火力发电，水力发电的可靠性统计已有二十年的历史，对燃气轮机和燃气-蒸汽联合循环至今仍是空白。我国尚未建立发电可靠性数据库。为了提高运行管理水平，我们急待建立全国性的可用性数据库。我们建议现阶段可参于或部分参于如北美发电可用性数据系统，既有责任承担义务，又有权利分享数据库的咨询指导。虽然我们要付出一定的入门费或缴纳必要的费用，电厂的得益以及我国发电技术水平的提高应该是益大于支出的。以上是作为提高我国燃气轮机发电整体水平的几点意见和建议，只是初步的，尚有待进一步探讨，仅供大家参考。