負荷理論論文范文
前言：我們精心挑選了數(shù)篇優(yōu)質(zhì)負荷理論論文文章，供您閱讀參考。期待這些文章能為您帶來啟發(fā)，助您在寫作的道路上更上一層樓。
第1篇
關(guān)鍵詞超市陳列柜風幕CFD熱負荷分析濕度場
1引言
陳列冷柜已經(jīng)在各類超市中已得到認可和普及，內(nèi)外側(cè)的隔熱一般采用風幕。但是風幕對周圍空氣有較強的卷吸作用；另一方面，冬季陳列框風幕的冷泄漏又形成超市空調(diào)系統(tǒng)的一個重要冷負荷。因此，研究陳列柜風幕系統(tǒng)形成的影響因素是設計節(jié)能、性能優(yōu)良的陳列柜的關(guān)鍵，也是設計超市空調(diào)系統(tǒng)的依據(jù)。
國內(nèi)外對風幕的研究主要集中于溫度場和速度場，如DavidStribling仿真了簡化的冷柜，將他的誤差主要歸結(jié)于對濕度場的研究[1]。
南加州Edison制冷實驗室（SCERTTC）定量測試的典型陳列柜的冷負荷分布情況，提出陳列柜73%的能耗來自風幕的耗
散[2]。
本文采用CFD方法對立式陳列柜的風幕系統(tǒng)進行仿真，以期為陳列柜風幕系統(tǒng)設計提供設計思路。
2CFD模型和邊界條件
2．1計算模型
立式陳列柜通常成排放置，其長度方向尺寸遠大于高度和深度方向，故可簡化為二維模型。臥式陳列柜的結(jié)構(gòu)如圖1所示。計算時忽略外部輻射和絕熱層的傳導換熱。回風空氣在流道內(nèi)經(jīng)過蒸發(fā)器，溫度、濕度降低后，經(jīng)過噴射口水平射出，形成臥式陳列柜的風幕。與立式陳列柜相比較，臥式陳列柜的出風速度較低，在浮升力的影響下，風幕有較大的變型。因此本文中紊流模型選用帶浮升力項的雷諾應力模型（ReynoldsStressModel）。
濕度場的采用簡化的組分平衡方程：
m1表示組分1的質(zhì)量分數(shù)；J1是擴散通量；R1是反應生成率，本案例中為0。我們把水蒸氣在陳列柜中生成小液滴的反應，簡化為水蒸汽低于當?shù)芈饵c溫度就產(chǎn)生小液滴，且在固體壁面不凝結(jié)。
圖1臥式陳列柜結(jié)構(gòu)示意與實驗點分布圖
2．2邊界條件的處理
1）為使求解過程穩(wěn)定，所有邊界均采用速度為零，絕熱的第一類邊界條件，外部空間為大空間，溫度為27℃，絕對濕度為10g/kg。
2）進風口按實驗值設定速度、溫度邊界條件；回風口邊界條件按進風口設定為-10Pa的壓力邊界條件。進風口的絕對濕度為0.2g/kg，溫度為-30℃，送風速度0.6m/s。
3）壁面函數(shù)采用Spalding方法處理，該方法比較適合于Pr<1氣體。
4）為了加快收斂速度，動量方程采用QUICK算法，壓力方程采用標準SIMPLE算法。
2．3實驗裝置與誤差分析
計算所用的陳列柜原型被放在一個獨立的房間內(nèi)進行測試，該房間溫度波動小于1℃，濕度波動小于0.2k/kg。溫度的測量采用T型熱電偶，速度測量采用熱球風速儀，濕度的測量采用電阻型高分子濕度傳感器，并用TESTO-400型測量儀進行校準。實驗過程中，數(shù)據(jù)采集使用KEITHLEY-2700數(shù)據(jù)采集儀，測試前將熱電偶放在冰水混合物中進行校準。
實驗值與計算值比較如圖2、3、4所示。結(jié)果顯示：說明本文建立的模型基本能反應其速度場與溫度場的實際分布。
圖2測試點溫度比較圖
圖3測試點絕對濕度比較圖
圖4測試點速度比較圖
分析實驗值與計算值之間存在的誤差，認為主要來源于以下4點：
（1）由于采用直接測量法，測量所采用的濕度傳感器和熱球風速儀對風幕有一定的干擾作用，因此存在一定誤差。
（2）計算模型中僅考慮對流換熱的影響，并對模型進行了簡化。實際工況下，輻射傳熱和由風道外側(cè)保溫層進入的傳導熱對溫度場也有一定影響。
（3）在數(shù)值計算中，濕度場并未完全耦合。盡管在風幕上方的濕度測量結(jié)果顯示有一層濕空氣飽和區(qū)，形成的小液滴必定會在重力的影響下對濕度場有一定的作用，但是在CFD計算的每個網(wǎng)格中，僅在擴散方程中處理濕空氣，所以會產(chǎn)生一定的誤差。
（4）另外，陳列柜外側(cè)存在一定的亂流干擾。所以，實際情況下陳列柜風幕的隔熱效果比CFD計算稍差。
3CFD分析
3．1流場分析
CFD計算的優(yōu)點在于能比較方便地改變邊界條件及其參數(shù)，分析各參數(shù)的影響并對其優(yōu)化，減少實驗試制的次數(shù)，以節(jié)約研制費用并縮短周期。從風幕的流場圖（圖5）可以看出風幕按其結(jié)構(gòu)可分為三個不同的區(qū)域：
圖5陳列柜流函數(shù)分布圖
第一個區(qū)是出口區(qū)，由于風口僅僅采用兩片薄板作為氣流噴射方向的引導。所以出風口的速度分布不理想，主要表現(xiàn)在：1.出風口的橫截面沒有均勻的速度梯度，導致風幕的脈動速度較強，不利于隔熱和隔濕。如果采用塑料孔板整流，風幕的水平方向性會更強，脈動速度較弱，隔熱隔濕的效果會更好。
圖6陳列柜溫度場分布圖
第二個區(qū)是發(fā)展區(qū)，在這一區(qū)域，風幕在浮升力的作用下有較大的變形，風幕的主流與方向與陳列柜底板板呈45度角。在這一區(qū)域，風幕的中心速度進一步降低，它的兩側(cè)面受到黏性力的作用，而逐漸耗散。同時在其下方形成一個渦流。當風幕的主流遇到陳列柜底板后，風幕的主流再次改變方向，順著底板流動，并在其上方形成一個較長的渦流。該渦流的底部與溫度較低的風幕接觸，頂部與陳列柜上方的熱濕空氣接觸，所以這個渦流循環(huán)是陳列柜熱濕負荷的主要來源之一。
第三個區(qū)是回風區(qū)，在該區(qū)域，風幕在回風口的抽吸作用下重新匯合。但是其上方有一定的空氣渦流，風幕的底部又受到陳列柜壁面的影響，氣流的方向不一致，導致風幕的溫濕度進一步升高（見圖6）。
3．2濕度場分布
從絕對濕度場圖（圖7）來看，從蒸發(fā)器排出冷空氣的相對濕度一般為85%，由于送風通道有一定的漏熱，使得出風口的相對濕度降低至70%左右。在風幕與環(huán)境熱濕空氣交換的過程中，第一區(qū)域上方的絕對濕度與相對濕度最大，極有可能在該處形成小液滴。在回風口附近，溫度梯度比絕對溫度梯度大，所以應該產(chǎn)生回風口上方的相對濕度回風口下方的相對濕度小的現(xiàn)象。這一現(xiàn)象在實際測量中得到了證實（見表1）。
圖7陳列柜絕對濕度分布圖
利用CFD計算，陳列柜熱負荷的分布如表2所示。在試驗工況下陳列柜的主要熱負荷來自風幕的顯熱負荷見圖8。
圖8陳列柜熱負荷分布圖
陳列柜溫濕參數(shù)表表1溫度(K)絕對溫度（g/kg）
蒸發(fā)器出口2430.2
出風口244.980.2
回風隔篩252.980.74
回風通道入口253.350.74
總增量10.350.54
陳列柜的熱負荷分布表表2
顯熱負荷潛熱負荷
總熱負荷（J/m）488.7
出風口通道（%）16.9-
風幕（%）68.4811.4
回風口通道（%）3.17-
所占比例（%）88.611.4
現(xiàn)在的研究還存在一些問題。首先，如何準確測量風幕的速度場是困擾實論證的一個難題。由于陳列柜的速度場直接影響其溫度場與濕度場的分布。用一系列詳細的溫度場分布圖來論證CFD計算的合理性也不失為一種方法。其次，CFD模型還不能精確的計算風幕的各個場分布情況，如何使計算值與測試值相吻合可以從調(diào)整紊流模型和避免過多的結(jié)構(gòu)簡化入手。最后，蒸發(fā)器的結(jié)霜與融霜過程對風幕隔熱性能有較大的影響，考查風幕的隔熱性能還缺少一個比較權(quán)威的指標，這些問題還有待進一步的研究。
4總結(jié)
本文采用雷諾應力模型建立了超市陳列柜雙層風幕的數(shù)學模型并進行了實驗驗證，研究表明風幕的發(fā)展可以分為三個不銹鋼的區(qū)域。本文同時利用CFD方法的靈活性，對風幕的溫濕度場進行模擬，分析了風幕各個階段的熱負荷分布，證明了解決風幕變形與耗散是設計高效節(jié)能陳列柜的關(guān)鍵。最后，提出了一些有待進一步研究的問題與解決思路。
參考文獻
1DavidStribling,Savvas,A.Tassou,DouglasMarriott.Atwo-dimensionalCFDmodelofarefrigerateddisplaycase.ASHRAETrans,1996.
第2篇
關(guān)鍵詞：熱電冷聯(lián)產(chǎn)負荷模擬計算寫字樓負荷預測模型
1.前言
在熱電冷聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的方案設計中，熱電冷負荷的模擬計算是熱電冷聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)優(yōu)化設計的基礎，負荷計算結(jié)果的準確性對聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)優(yōu)化設計的成敗起著至為關(guān)鍵的作用。然而，在建筑的規(guī)劃階段，一般只能確定該建筑最基本的信息：如使用功能和相應面積等，它反映的只是該建筑類型的共性。如何從這些基本信息來模擬不同建筑類型的熱電冷負荷呢？
目前，在熱電冷聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)方案設計中，熱電冷負荷計算常采用建筑物的設計負荷來進行，即根據(jù)每平方米的設計熱負荷、冷負荷與電負荷來計算建筑物的總熱電冷負荷。樓宇熱電冷聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)機組的選取，常采取以電基本負荷定機組容量、電力并網(wǎng)不上網(wǎng)的設計原則，經(jīng)濟性的評價也采取規(guī)定運行小時數(shù)的方法來進行。這種傳統(tǒng)的設計方法可以初步確定機組的容量，但由于設計負荷不能反映出不同建筑類型負荷的逐時變化特點，不能反映熱電冷負荷間的相互作用與聯(lián)系，方案也就難以在分時電價模式下進行模擬，也就不能給出各個不同時段機組具體的運行策略，不能對系統(tǒng)進行全年逐時的技術(shù)經(jīng)濟模擬分析[1-2]，因而，基于傳統(tǒng)設計負荷方法的聯(lián)產(chǎn)方案，也就難以做到真正的優(yōu)化設計。
本文在對不同建筑類型負荷的基本構(gòu)成及變化特點進行分析的基礎上，提出利用“負荷因子”來反映不同建筑類型負荷的逐時變化特點，進而得出了負荷模擬計算的基本原理；并以寫字樓為例，提出了寫字樓的負荷預測模型，
2.負荷模擬計算原理
在建筑的規(guī)劃階段，一般只能確定該建筑最基本的信息，如建筑的使用功能和相應面積等，每種建筑類型負荷的基本構(gòu)成及變化特點是不一樣的。負荷的構(gòu)成及大小由建筑的使用功能、建筑級別等決定，它反映了設計負荷的概念；而負荷的逐時變化特點主要由建筑的使用功能、作息模式等因素決定，它主要反映了不同建筑類型之間差別。因而，對同種類型建筑來說，負荷的逐時變化特點可以利用一個反映該建筑類型屬性的無因次因子來表述，在這里，我們把這無因次因子稱為“負荷因子”，它反映的是負荷的逐時變化信息，是一個介于0～1之間逐時變化的無綱量數(shù)。各不同建筑類型的“負荷因子”，是在對該建筑類型的負荷變化機理進行分析的基礎上，模擬計算而獲得的。在不知道建筑更深入信息的情況下，其可根據(jù)該建筑類型的典型設置條件來相應求取。
2.1冷熱負荷的計算
建筑的冷熱負荷主要包括：圍護結(jié)構(gòu)傳熱負荷、新風負荷、人員設備負荷等，這三種負荷基本上各占總負荷的三分之一左右。圍護結(jié)構(gòu)傳熱負荷主要與建筑的圍護結(jié)構(gòu)及地理位置有關(guān)，而對于同地同種類型同檔次的建筑而言，圍護結(jié)構(gòu)一般相差不大。新風負荷主要與人員的作息時間及密度等相關(guān)，人員設備負荷的大小主要與建筑類型及作息時間有關(guān)。當建筑類型確定時，人員設備及新風負荷的相對逐時變化信息就可基本確定了。因而，冷熱負荷逐時的變化信息主要與建筑類型有關(guān)，即“負荷因子”主要由建筑類型來決定。
另外，由于同種類型建筑的級別和服務對象的差別，其冷熱負荷相對大小也會相差較大，因而，可將每種類型建筑的冷熱負荷分高、中、低三個等級來處理。這樣就可通過設計負荷或在調(diào)研分析的基礎上，確定不同等級負荷的相對大小，結(jié)合“負荷因子”的概念，就可最終確定規(guī)劃階段不同建筑類型的逐時冷熱負荷，其建模計算流程如圖1
2.2電負荷的模擬計算
電力負荷主要由不同建筑功能房間內(nèi)各種用電設備所造成。電力負荷的大小及逐時變化
特征與建筑物內(nèi)各種用電設備的安裝功率、設備的耗電使用性能及作息時間直接相關(guān)。
根據(jù)常見的用電設備，電力負荷主要由如下幾種類型構(gòu)成：
（1）照明：包括各種功能房間照明（如辦公室、客房、商店等）、樓梯過道照明、立面照明、安全和疏散誘導照明等；其安裝功率主要取決于建筑類型和房間功能，不同的建筑類型和房間功能有不同的照明安裝功率指標；而各設備耗電使用性能主要與使用的照明設備性能相關(guān)，作息時間由功能房間所決定；
（2）空調(diào)：包括冷凍泵、冷卻泵、冷卻塔、采暖泵、風機盤管、空調(diào)箱、新風機組等；不同空調(diào)形式的電耗特點也不相同；
（3）動力運輸：主要指電梯，如客梯、貨梯、消防電梯、觀景電梯、自動扶梯等。電梯功耗受到樓層高度、上下電梯人數(shù)、運行時間等因素的影響。
（4）常用電器：主要指各功能房間內(nèi)所使用的電器設備；如辦公室內(nèi)的電腦、打印機等，電器設備種類及其安裝功率可由房間功能決定，對應不同的功能房間，各設備種類及相應的安裝功率不同。
（5）其它：包括各種生活水泵、消防、排煙、安全監(jiān)控、損耗等；
通過上述對各用電構(gòu)成的分析，可以發(fā)現(xiàn)：建筑類型或房間功能決定影響著其用電設備的種類、相應設備的安裝功率及作息時間等，因而，也可利用“負荷因子”的概念，反映不同建筑類型電負荷的逐時變化特點，電負荷的相對大小可由建筑負荷的構(gòu)成、各用電設備類型的典型耗電性能等來確定。電力負荷預測模型的計算流程如圖2。
逐時電負荷的計算公式如下：
（1）
其中，為逐時總電負荷，n代表各建筑類型中各功能房間類型，j為各功能類型房間內(nèi)所分擔的設備類型，如照明、空調(diào)、電梯、電腦等，為各功能區(qū)面積比，，為各設備投入使用系數(shù)，它主要反映各時刻設備投入的相對量，為各設備的實際功耗性能。為與的乘積，它反映的是各設備逐時耗電系數(shù)，為“負荷因子”，為負荷設計指標。
圖1冷熱負荷計算模型流程圖
圖2電力負荷計算模型流程圖
3.寫字樓熱電冷負荷計算模型
根據(jù)以上計算原理，在對北京典型中高層（7層～20層）寫字樓進行大量的實地調(diào)研分析的基礎上，可得出應用于寫字樓熱電冷負荷預測的計算模型，下節(jié)為某典型寫字樓熱電冷負荷計算模型的設置條件。
3.1典型設置條件
3.1.1各功能區(qū)面積比
對于典型的寫字樓而言，功能房間除了辦公間外，還應有一些保證辦公正常運轉(zhuǎn)的輔助房間，如冷站、機房、職工餐廳、衛(wèi)生間、樓道及大廳等，另外，由于停車場有地上地下之分，故將其單獨列出，其不作為寫字樓的輔助功能區(qū)。各功能區(qū)的對應面積比如表1
表1寫字樓各功能區(qū)對應面積比建筑分區(qū)
辦公區(qū)
公共區(qū)
輔助功能區(qū)
總計
房間功能
辦公間
過道＋電/樓梯間
衛(wèi)生間
冷站＋地下室
大廳＋門廳
職工餐廳
空調(diào)機房
面積比
73%
8%
2%
5%
5%
5%
2%
100%
另外，對人員密度而言，辦公區(qū)可取為0.1人/m2，輔助功能區(qū)可取為0.03人/m2
3.1.2各時段人數(shù)相對百分比
由于寫字樓具有較強的作息規(guī)律，根據(jù)調(diào)研結(jié)果，典型寫字樓的作息時間可設置如表2
表2各時段人數(shù)相對百分比
各時段人數(shù)相對百分比
時間段
22:00-6:00
7:00
8:00-17:00
18:00-19:00
20:00-21:00
工作日
0%
10%
100%
30%
10%
節(jié)假日
0%
0%
25%
10%
0%
3.1.3各用電設備額定功率指標
(1)照明根據(jù)建筑照明標準及實地調(diào)查結(jié)果，寫字樓各功能區(qū)照明安裝功率指標見表2；
(2)辦公設備辦公間電腦安裝功率取為25W/m2，打印機、復印機等可取為5W/m2；
(3)電梯對于建筑層數(shù)在7～20間的寫字樓，根據(jù)調(diào)研結(jié)果，其單位面積電梯安裝功率基本滿足y=12.1-0.27×n其中n為樓層數(shù)，y為電梯安裝功率(W/m2)，現(xiàn)取中間值8*W/m2；
(4)空調(diào)根據(jù)理論計算及調(diào)查結(jié)果，可得出各種空調(diào)設備的輸送系數(shù)范圍，其中冷站部分各設備的輸送系數(shù)見表4；
(5)其它設備其他用電主要包括各種生活水泵用電、安全監(jiān)控、地下車場照明及送排氣用電等；由于生活水泵主要是滿足人員的用水要求，根據(jù)這類生活水泵的性能特點及人均日用水的標準，可以確定各種生活水泵消耗每單位電功供水所能滿足的人數(shù)。安全監(jiān)控、地下車場照明及送排氣用電等可根據(jù)調(diào)研結(jié)果概算。
表3寫字樓各功能區(qū)照明安裝功率指標房間功能
辦公間
冷站＋地下室
大廳＋門廳
內(nèi)部餐廳
過道＋電/樓梯間
衛(wèi)生間
一般照明
非常照明
單位面積功率(W/m2)
20
10
15
20
10
5
15
表4冷站部分各設備的輸送系數(shù)冷站部分各設備
冷卻水泵
二次泵系統(tǒng)
一次泵系統(tǒng)
冷卻塔
冷凍水一次泵
冷凍水二次泵
冷凍水泵
輸送系數(shù)范圍
35~45
35~45
32~42
30~45
150~200
缺省輸送系數(shù)
38
38
34
32
160
3.2冷熱負荷計算模型
根據(jù)上述設置參數(shù)，利用DeST對典型的寫字樓進行冷熱負荷計算，得到寫字樓全年的冷熱負荷逐時變化無因次因子，即負荷因子，如圖3、圖4。根據(jù)負荷因子及寫字樓的典型設計負荷，就可以計算寫字樓的冷熱負荷。
圖3(中高檔)寫字樓冷負荷“負荷因子”
圖4(中高檔)寫字樓熱負荷“負荷因子”
3.3電負荷計算模型
3.3.1耗電系數(shù)
耗電系數(shù)是用電設備逐時電耗與其額定功率的比值，它集中反映了各用電設備的實際耗電性能、同時使用系數(shù)等因素。正由于寫字樓作息的規(guī)律性，導致了多種用電設備的耗電系數(shù)一般也只呈現(xiàn)工作日與節(jié)假日的差別，因而在下列部分用電設備的耗電系數(shù)圖中，也只列出工作日、節(jié)假日的逐時耗電系數(shù)，其中前24小時為工作日，后24小時為節(jié)假日。
由于冷凍泵、冷卻泵、冷卻塔、采暖泵、風機盤管等空調(diào)相關(guān)設備的電耗與冷熱負荷有關(guān)，因而這部分用電設備的耗電系數(shù)不能簡單的采用上述工作日、節(jié)假日的區(qū)別來進行描述，其需根據(jù)冷熱負荷及設備的性能來進行計算。當給定典型寫字樓的冷熱負荷時，就可得出空調(diào)相關(guān)設備全年逐時的耗電系數(shù)。
圖5辦公間照明設備耗電系數(shù)
圖6辦公間辦公設備耗電系數(shù)
圖7辦公間風機盤管耗電系數(shù)
圖8公共區(qū)電梯耗電系數(shù)
3.3.2電負荷計算模型
在求得各用電設備的額定選型功率和耗電系數(shù)后，就可以根據(jù)公式（1）得出寫字樓建筑電負荷的逐時電力負荷。圖9～圖12即為不同空調(diào)系統(tǒng)中高檔寫字樓的電負荷的“負荷因子”及該設置條件下寫字樓的單位面積電負荷。
圖9電“負荷因子”(風機盤管＋新風)
圖10電負荷“負荷因子”(全空氣系統(tǒng))
圖11寫字樓單位面積電負荷(風機盤管＋新風)
圖12寫字樓單位面積電負荷(全空氣系統(tǒng))
4.應用實例
為對負荷模型的準確性進行檢驗，利用北京某一具有代表性的中高檔寫字樓實際調(diào)研數(shù)據(jù)與負荷預測值進行比較。由于該寫字樓冷熱負荷尚無實測數(shù)據(jù)，在此只對電負荷模型進行校驗。在應用負荷模型時，考慮了該樓的一些實際情況，對電負荷模型進行了充實修正。如圖13~16所示，在全年逐時模擬的大多數(shù)時段內(nèi)，逐時電力負荷預測值的大小及變化趨勢與實際值幾乎一致，該預測結(jié)果已可滿足設計要求。另外，從電力負荷延時曲線的比較中，還可以看出：對于腰谷段電力負荷，負荷構(gòu)成較為穩(wěn)定，模型預測值與實際測量值非常吻合，而對于尖峰段電力負荷，由于制冷耗電不定因素的增多，預測難度加大，因而，尚有必要對冷熱負荷到電力負荷的轉(zhuǎn)變關(guān)系進行更深入的研究。
圖13北京某寫字樓2002年實際耗電曲線
圖14北京某寫字樓2002年計算耗電曲線
圖1512月20日-12月21日實測值與模擬值比較
圖162002年實測與預測電負荷延時曲線比較
5.小結(jié)
本章主要分析討論了熱電冷聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)中負荷的預測模型研究，提出了利用“負荷因子”來反映不同建筑類型的逐時負荷變化特征，進而提出了針對不同建筑類型的特征分別構(gòu)建熱電冷負荷計算模型的建模思路。并以寫字樓為例，建立了熱電冷負荷預測模型，并對其電力負荷模型進行了初步的驗證，實測值與預測值吻合較好，其可用于寫字樓聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)中負荷的模擬預測，為熱電冷聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的優(yōu)化設計奠定了基礎。
參考文獻
第3篇
貫流式水輪機的流道形式和軸流式水輪機不同，為保證向?qū)畽C構(gòu)均勻供水和形成必要的環(huán)量，保證導葉較平滑繞流，軸流式水輪機需設置蝸殼，其流道由蝸殼、導水機構(gòu)和彎肘型尾水管組成。貫流式水輪機沒有蝸殼，流道由圓錐形導水機構(gòu)和直錐擴散形或S型尾水管組成。通常采用臥軸式布置，從流道進口到尾水管出口，水流沿軸向幾乎呈直線流動，避免了水流拐彎形成的流速分布不均導致的水流損失和流態(tài)變壞，水流平順，水力損失小，尾水管恢復性能好，水力效率高。燈泡貫流機組的發(fā)電機裝置在水輪機流道中的燈泡形殼體內(nèi)，采用直錐擴散形尾水管，流道短而平直對稱，水流特性好。大型貫流機組幾乎都是燈泡機組，中小型多采用軸伸式、豎井式等形式。
貫流式水輪機單位過流量大，轉(zhuǎn)速高，水輪機效率高，且高效區(qū)寬，加權(quán)平均效率也較高，具有比軸流式水輪機更優(yōu)良的能量特性。其特征參數(shù)比轉(zhuǎn)速ns、可達1000以上，比速系數(shù)可達3000以上。與軸流式水輪機相比，在相同水頭和相同單機容量時，其機組尺寸小，重量輕，材料消耗少，機組造價低。貫流機組電站還可獲得年發(fā)電量的增加。
貫流式水輪機的空化性能和運行穩(wěn)定性也優(yōu)于軸流式水輪機，其空化系數(shù)相對較小，機組可靠性高，運行故障率低，可用率高，檢修時間縮短，檢修周期延長。對于低水頭資源開發(fā)，貫流式水輪機的穩(wěn)定運行范圍寬，在極低水頭時也能穩(wěn)定運行(如超低水頭1.5m以下)，是其他類型的水輪機不可比的。如廣東白垢電站，額定水頭6.2m，最大水頭10.0m，但在1.3m水頭時仍能穩(wěn)定運行。
貫流式水輪發(fā)電機組結(jié)構(gòu)緊湊，布置簡潔，廠房土建工程量較小，可節(jié)省土建投資。貫流機組設備運輸和安裝重量較輕，施工和設備安裝方便，可縮短工期，實現(xiàn)提前發(fā)電。根據(jù)國內(nèi)外有關(guān)水電站的統(tǒng)計資料，采用燈泡貫流機組比相同容量軸流轉(zhuǎn)槳機組，電站建設投資一般可節(jié)省10%～25%，年發(fā)電量可增加約3%～5%。如我國廣東白垢和廣西馬騮灘水電站，投資節(jié)省分別達22.6%和24%。小型水電站采用軸伸貫流機組與立式軸流機組比較，也可節(jié)省建設投資約10%～20%。由此可見，貫流式水輪機是開發(fā)低水頭水能資源的一種最經(jīng)濟、適宜的水輪機形式，具有資源利用充分、投資節(jié)省的優(yōu)勢和電量增值、綜合效益增值的效果。
2國內(nèi)外貫流式水輪機的應用現(xiàn)狀
貫流式水輪機自20世紀30年代問世以來，因其優(yōu)良的技術(shù)經(jīng)濟特性和適用性而得到廣泛應用和迅速發(fā)展，包括燈泡貫流發(fā)電機技術(shù)在內(nèi)的貫流機組技術(shù)日益成熟，貫流式水電站的開發(fā)、設計、運行技術(shù)與經(jīng)驗日益豐富。國外水頭25m以下的水電開發(fā)，已出現(xiàn)取代軸流式水輪機的局面。貫流機組技術(shù)在1960～1990的發(fā)展最為迅猛，這一時期投入運行的貫流機組，最大單機容量達65.8MW(燈泡貫流，日本只見)，最大水輪機轉(zhuǎn)輪直徑達8.2m(豎井貫流，美國墨累)，最高工作水頭達22.45m(燈泡貫流，日本新鄉(xiāng)第二)。
我國從20世紀60年代開始貫流式水輪機的研究和應用，到20世紀80年代，貫流機組技術(shù)及其應用取得突破性的進展，1983年引進設備的第一座大型燈泡貫流機組電站一湖南馬跡塘水電站建成，1984年自主開發(fā)的廣東白垢電站轉(zhuǎn)輪直徑5.5m，單機容量10MW燈泡貫流機組投運，標志著具備自行開發(fā)研制大型貫流機組設備的能力。貫流式水輪機的應用研究和運行技術(shù)也獲得了發(fā)展，積累了經(jīng)驗。最近20年來，相繼開發(fā)建成引進設備、技術(shù)合作或自行裝備的大型燈泡貫流機組電站數(shù)十座，如凌津灘、王甫洲、尼那、洪江等。其中洪江水電站最大工作水頭27.3m，單機容量45MW，是目前世界上應用水頭最高、國內(nèi)單機容量最大的燈泡貫流機組。國內(nèi)已運行的燈泡貫流式水輪機最大轉(zhuǎn)輪直徑已達7.5m。目前規(guī)劃或在建的貫流式水電站遍布全國各地，在建的廣西長洲水電站裝機15臺，總裝機容量達621.3MW。在西北地區(qū)，20世紀80年代開始貫流式水電站的規(guī)劃設計，并完成了柴家峽等電站的可行性研究。在黃河干流上現(xiàn)已建成青海尼那電站，寧夏沙坡頭電站即將竣工，甘肅柴家峽、青海直崗拉卡等電站在建。尼那電站是我國海拔最高的大型燈泡貫流機組電站，沙坡頭則是應用于高含沙水流的第一座大型燈泡貫流機組電站，各具特色，為貫流式水電站的開發(fā)提供了新的經(jīng)驗。
對于低水頭小型水電站，軸伸貫流水輪機和豎井貫流水輪機具有與燈泡貫流水輪機相當?shù)募夹g(shù)經(jīng)濟優(yōu)勢，國外20m以下的小水電開發(fā)，已逐步取代軸流機組。據(jù)文獻介紹，國外已運行的軸伸貫流式水輪機轉(zhuǎn)輪直徑達8.6m，單機容量達到31.5MW，最大使用水頭達到38m。我國軸伸貫流式水輪機的技術(shù)開發(fā)起步較晚，自行研制的GZ006、GZ007(5葉片)等轉(zhuǎn)輪的性能達到或超過國際先進水平，但尚沒有得到普遍的技術(shù)推廣和形成相應的生產(chǎn)和市場規(guī)模。國內(nèi)已運行的軸伸貫流水輪機多采用定槳式轉(zhuǎn)輪，最大轉(zhuǎn)輪直徑2.75m，單機容量3.5MW，最大使用水頭22m。而豎井貫流和全貫流機組技術(shù)開發(fā)程度較低，應用很少，與國外存在明顯差距。
3貫流式水輪機的應用及技術(shù)發(fā)展探討
我國水電資源豐富，第四次水力資源復查成果顯示，全國江河水電資源蘊藏量達7億kW，可開發(fā)量5億kW，經(jīng)濟可開發(fā)量4億kW。現(xiàn)已開發(fā)量1億kW，只占到經(jīng)濟可開發(fā)量的25%。我國江河的低水頭水力資源，根據(jù)文獻估算，水頭在10m左右的資源量占到可開發(fā)資源的約500，達0.2億kW以上。此外，我國大陸和島嶼海岸線蘊藏著巨大的海洋潮汐能資源，可開發(fā)量超過0.21億kW，尚未進行規(guī)模開發(fā)。以上數(shù)據(jù)說明，我國適用于貫流式水輪機開發(fā)的低水頭水能資源蘊藏巨大，貫流式水輪機應用前景廣闊，需求巨大。經(jīng)過40余年的研究與實踐，我國對貫流機組設備開發(fā)、研制以及貫流水電站設計和運行技術(shù)都取得了很大的發(fā)展和成就。對于25m以下低水頭水電開發(fā)，優(yōu)先選擇貫流機組，已基本形成共識。但目前國內(nèi)貫流機組設備技術(shù)和供給能力還不能滿足水電建設的需要，許多大型或頂級的機組設備需要國際市場供貨，國內(nèi)外同類產(chǎn)品在設備性能、單位千瓦材料消耗等技術(shù)方面存在著較明顯的差別，中小型貫流機組產(chǎn)品的多樣性和技術(shù)適應性也不能滿足國內(nèi)或適應國際市場的需求。由于研發(fā)能力和技術(shù)水平的限制，又影響貫流式水輪機的廣泛應用。因此，全面提升我國貫流式水輪機的技術(shù)水平，任務迫切，意義深遠。
推進我國貫流水輪機技術(shù)的進步，應當關(guān)注貫流機組大型化技術(shù)的發(fā)展，并致力于提高國內(nèi)貫流機組整體技術(shù)水平。
根據(jù)對貫流式水輪機的應用及其技術(shù)發(fā)展的分析，應用水頭逐漸提高、貫流機組大型化是國際貫流水輪機技術(shù)發(fā)展的趨勢，這也和我國低水頭水電開發(fā)對大型貫流機組的應用需求相吻合。貫流機組對開發(fā)低水頭水電資源具有優(yōu)勢，而這些資源的開發(fā)地點往往位于經(jīng)濟發(fā)達、人口稠密的平原或河谷地區(qū)，自然資源富集或處于交通要道(如黃河上游等地區(qū))。這類水電資源經(jīng)濟合理的開發(fā)，要求實現(xiàn)發(fā)電、防洪、航運等綜合利用功能，保護生態(tài)環(huán)境和土地資源，減少移民搬遷及交通設施等淹沒、浸沒及賠償，修建高壩大庫通常已不適宜。為了優(yōu)化開發(fā)方案和工程總體布置，便于工程綜合功能經(jīng)濟地實現(xiàn)，有利于保護生態(tài)和環(huán)境等資源，往往需要采用單機容量(機組尺寸)更大或應用水頭更高的貫流機組。
大型化貫流式水輪機的水力設計不存在重大的技術(shù)難題，但機組設計、制造與安裝等方面的一些關(guān)鍵技術(shù)，以燈泡機組為例，燈泡體及水輪機的支承結(jié)構(gòu)，軸系的分析計算、大噸位軸承的設計制造，發(fā)電機的設計，發(fā)電機的通風冷卻，機組的剛度及振動特性的評估、優(yōu)化，大尺寸機組的安裝技術(shù)等，存在較大的技術(shù)難度和經(jīng)濟風險。近年，我國水電業(yè)界結(jié)合湖南洪江、廣西惡灘擴建工程、四川桐子林等水電站機組的選型設計，對此進行了研究。在洪江水電站，對采用燈泡貫流機組的關(guān)鍵技術(shù)及制造難度，與日本只見、俄羅斯薩拉托夫等電站的大型燈泡機組進行了對比研究，結(jié)論是技術(shù)可行。該工程已成功實施，成為我國貫流電站技術(shù)進步的典型案例。而惡灘擴建工程采用燈泡貫流機組方案，其應用水頭和單機容量等設計參數(shù)，機組設計制造的技術(shù)難度均已超越了世界上已運行的同類電站機組，研究表明采用燈泡貫流機組在技術(shù)上是可行的。兩座電站的經(jīng)濟分析數(shù)據(jù)也都表明，可節(jié)省建設投資和獲得年電量的增加，特別是惡灘擴建工程采用8臺75MW燈泡貫流機組與采用4臺150MW軸流轉(zhuǎn)槳機組的方案比較，前者首臺機組提前9個月發(fā)電，工程總工期縮短一年，其提前發(fā)電的電費收入，與比后者高出的投資差基本相抵(貫流機組方案設備投資概算按采用2臺進口、6臺合作編制)，每年還可多獲得約3%的電量增加，其經(jīng)濟性明顯優(yōu)越。上述研究也說明，開發(fā)、應用25～35m水頭段的貫流式水輪機和單機容量75MW及以上的燈泡貫流機組，技術(shù)上可行，經(jīng)濟上仍處于有利和合理范疇。
全面提高我國貫流式水輪機的整體技術(shù)水平，實現(xiàn)包括產(chǎn)品研制技術(shù)(水力開發(fā)、結(jié)構(gòu)分析、制造工藝、試驗研究等)及產(chǎn)品的技術(shù)性能、貫流式水輪機應用開發(fā)和運行等技術(shù)水平的全面提升，結(jié)合國內(nèi)實際和借鑒國際先進經(jīng)驗，應加強計算機及信息技術(shù)如計算機CFD、FE、CAD/CAM等及現(xiàn)代制造技術(shù)在貫流式水輪機開發(fā)、研制和運行等領(lǐng)域的推廣和應用，還應加強對國際先進技術(shù)的引進、消化和吸收．研究具有自主知識產(chǎn)權(quán)的貫流式水輪機產(chǎn)品和技術(shù)，這是提升我國貫流式水輪機技術(shù)和產(chǎn)業(yè)競爭力的必然途徑。此外，我國的各類水電資源開發(fā)，包括廣大農(nóng)村中小低水頭資源及海洋潮汐能源的規(guī)模開發(fā)，需要技術(shù)經(jīng)濟特性優(yōu)越的，包括各類貫流式水輪機在內(nèi)的多樣性的水輪發(fā)電機組設備，因此，應加強對軸伸貫流式水輪機的研究和推廣應用，完善軸伸貫流水輪機轉(zhuǎn)輪的研究并形成系列型譜；應加強對用于潮汐能源開發(fā)的雙向可逆貫流機組、全貫流機組及豎井貫流機組的技術(shù)開發(fā)和研究；對齒輪增速技術(shù)及設備在貫流機組的應用，以及貫流水輪機適用的調(diào)速設備的開發(fā)等技術(shù)課題，應進行全面的規(guī)劃布局和系統(tǒng)的研究。
