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摘要：针对冲击式水轮机转轮的设计影响因素、设计方法、制造限制、制造工艺进行梳理总结，概括出设计制造现状，并结合数字模拟、机械化生产等因素，对冲击式水轮机转轮设计制造的发展动态进行了全面分析。
关键词：三维设计；现代设计技术；整体制造；动态发展
1.前言
近年我国提出生态文明建设与绿色发展的新发展理念，而水力发电为当前最高效的能源转换方式，并且考虑到我国水利资源丰富，水利发电将在我国的能源结构调整和节能减排等重大举措中发挥至关重要的作用。
冲击式水轮机与反击式相比较，特点突出，其有水头更高、受空蚀与流量变化的影响更小等优点，使其在我国的应用广泛。本文通过总结相关技术资料，阐述了冲击式水轮机设计制造的主要方法，并分析其发展趋势，以期为冲击式水轮机的发展提供有价值的参考。
2.冲击式水轮机转轮的设计
冲击式水轮机结构尺寸一般直接由设计参数确定，喷嘴直径由流量和射流速度决定，而转轮直径直接由水头确定，水斗大小取决于射流直径，喷嘴数以及水斗数则是独立设定的。
2.1影响转轮设计的因素
冲击式水轮机转轮设计需综合考虑水轮机工作条件、机组稳定运行、水轮机效率、抗疲劳性能、造价和养护的经济合理性等方面，从而确定机组布置形式、转轮结构组成（主要任务有喷嘴的选择）、引水连接部件（包括引水管路和排水管路）、效率换算修正值等要素。
2.2水轮机转轮设计方法
2.2.1机械设计
通过以反击式水轮机为研究基础，总结经验、归纳出冲击式水轮机的基本原理模型与最佳效率的普遍变化规律方程为：
基于上述方程，我国周文桐【1.2】、马锐等【3】学者进行了多项干扰的定量分析、空蚀磨损分析等研究，不断完善冲击式水轮机转轮的机械设计，并为其他设计方法奠定理论基础。
2.2.2水力设计
根据水轮机中的水力特性，拟定适宜的假設条件，构建水力模型，再配合对CFD等技术的运用，分析和预估冲击式水轮机长工作特性和各种工况下的工作状态，进行冲击式水轮机转轮设计的方法。目前我国专家、学者已尝试运用三维模型【5】，来确定水利性能，并改善对转轮的设计。
2.2.3图纸设计
利用图纸描绘，直观表现冲击式转轮的结构组成及过流流线特性，从而完成对水轮机转轮设计的方法。目前普遍采用二维设计图纸，但随着对转轮设计精度要求的不断提高，较为先进的三维设计取得快速发展，其对流线描绘更加精确、设计效率更佳。
2.2.4现代设计技术
利用计算机，对冲击式水轮机转轮的水力设计和机械设计进行综合模拟和检验，并在设计过程的初期就考虑动态和静态荷载的设计方法，即为现代设计技术。该设计方法可以提高设计质量、便于频率分析及改善制造工艺，并降低制造成本、缩短工期。
目前部分学者通过从应以、应变分析开始，讨论冲击式水轮机转轮的频谱及共振问题，目前在实际工程中，已取得了可靠成果【5】。
3.冲击式水轮机转轮的制造
3.1冲击式水轮机转轮制造的基本技术问题
冲击水轮机转轮生产中所面临得首要问题是其复杂的几何形状。【6】其次还有转轮材料缺陷的限制，加工工艺技术的限制等问题。
3.2冲击式水轮机转轮的制造技术
对水轮机转轮的制造技术，根据转轮轮毂与水斗的加工、组装等工作的先后顺序，将转轮的制造技术主要分为分体制造技术和整体制造技术。
3.2.1转轮分体制造技术
转轮分体制造技术，即先分别独立制造轮毂与水斗，再通过焊接或铆接等方式，将其连接形成一个整体。如图1所示为轮毂、水斗的分体机构示意图，其中连接方式为铆接，ω为转轮角速度，D为转轮节圆直径，C为射流速度。
转轮分体制造技术有明显的缺陷，即构造连接处易产生疲劳破坏，且该类型转轮的水斗背面流线特性不稳定，易形成空蚀破坏，并增加其养护的成本、缩短使用寿命。
3.2.2转轮整体制造技术
转轮整体制造技术，即先通过铸造或锻造等方式将转轮整体加工，制成圆坯，再利用数控机床进行一次装夹和加工。整体制造技术避免了多次装夹的定位误差和水斗与轮毂的装配误差，并且减少了构造连接，提高了结构的抗磨损性能，改善了加工精度及效率。
目前国外将整体制造技术应用于冲击式转轮的制造较为成熟，数家转轮制造公司，【7】均采用通过数控装备进行转轮水斗的整体机械加工方法。
4.冲击式水轮机转轮设计制造发展动态
随着对冲击水轮机转轮研究的不断深入，并且依赖于材料性能的不断提高、新工艺的应用、数字模拟的研究、机械化生产的发展，冲击式水轮机转轮的设计制造工艺将逐渐简化，通过优化设计、改善制造技术和合理的控制与检验措施，向着以高水头、大直径水轮，提高效率，多喷嘴、高转速并有简单控制系统，降低成本等方向发展。
其发展过程是类似于反馈调节机制，是复杂的动态变化过程，其发展应遵从以下几条基本原则：（1）加大对三维设计图纸的利用，改善计算模型模拟，加强对现代设计技术的利用；（2）重视结构缺陷，制造偏采用整体制造技术，利用数控设备对整体机械加工；【8】（3）不断挖掘现有材料的利用潜力，同时开发耐磨蚀损耗、性能更稳定的新型材料；（4）在锻造、铸焊及无损探伤检验等工艺不断提高，以更好保障转轮的制造质量。
5.综述
由于我国对能源结构的发展要求，以及冲击式水轮机的利用优势，冲击式水轮机在我国将具有良好的市场前景，但目前我国在其转轮的设计制造等方面，与发达国家相较，仍有明显差距。关于其转轮的发展方向将是结合三维模型的现代设计技术，逐渐取代手工设计技术，以转轮整体制造技术为主，并不断加强数字化技术的改进，总体上我国在冲击式水轮机转轮的设计与制造技术方面仍存在巨大的发展空间。
参考文献：
[1]周文桐.水斗式水轮机基本理论与设计[M].中国水利水电出版社，2007.
[2]周文桐.水斗式水轮机转轮设计[J].大电机技术，2001（5）：44-53.
[3]刘宇华，马锐.高水头冲击式水轮机的设计与发展趋势的探讨[J].西北水电，2003（2）：27-29.
[4]石建伟.多喷嘴斜击式水轮机转轮水力模型的研究[D].四川：西华大学，2014.
[5]E帕全森.冲击式转轮的现代设计技术[J].水利水电快报，2008，29（3）：28-30.
[6]J.韦塞利等.冲击式水轮机转轮的现代制造技术[N].水利水电快报，第22期.
[7]罗静，龚文均等.冲击式水轮机转轮整体设计制造技术研究[N].现代制造工程，2010年第10期.
[8]罗静，韩俊等.冲击式水轮发电机转轮设计制造现状和发展趋势. 重庆科技学院学报[N].第12卷第3期
关键词：三维设计；现代设计技术；整体制造；动态发展
1.前言
近年我国提出生态文明建设与绿色发展的新发展理念，而水力发电为当前最高效的能源转换方式，并且考虑到我国水利资源丰富，水利发电将在我国的能源结构调整和节能减排等重大举措中发挥至关重要的作用。
冲击式水轮机与反击式相比较，特点突出，其有水头更高、受空蚀与流量变化的影响更小等优点，使其在我国的应用广泛。本文通过总结相关技术资料，阐述了冲击式水轮机设计制造的主要方法，并分析其发展趋势，以期为冲击式水轮机的发展提供有价值的参考。
2.冲击式水轮机转轮的设计
冲击式水轮机结构尺寸一般直接由设计参数确定，喷嘴直径由流量和射流速度决定，而转轮直径直接由水头确定，水斗大小取决于射流直径，喷嘴数以及水斗数则是独立设定的。
2.1影响转轮设计的因素
冲击式水轮机转轮设计需综合考虑水轮机工作条件、机组稳定运行、水轮机效率、抗疲劳性能、造价和养护的经济合理性等方面，从而确定机组布置形式、转轮结构组成（主要任务有喷嘴的选择）、引水连接部件（包括引水管路和排水管路）、效率换算修正值等要素。
2.2水轮机转轮设计方法
2.2.1机械设计
通过以反击式水轮机为研究基础，总结经验、归纳出冲击式水轮机的基本原理模型与最佳效率的普遍变化规律方程为：
基于上述方程，我国周文桐【1.2】、马锐等【3】学者进行了多项干扰的定量分析、空蚀磨损分析等研究，不断完善冲击式水轮机转轮的机械设计，并为其他设计方法奠定理论基础。
2.2.2水力设计
根据水轮机中的水力特性，拟定适宜的假設条件，构建水力模型，再配合对CFD等技术的运用，分析和预估冲击式水轮机长工作特性和各种工况下的工作状态，进行冲击式水轮机转轮设计的方法。目前我国专家、学者已尝试运用三维模型【5】，来确定水利性能，并改善对转轮的设计。
2.2.3图纸设计
利用图纸描绘，直观表现冲击式转轮的结构组成及过流流线特性，从而完成对水轮机转轮设计的方法。目前普遍采用二维设计图纸，但随着对转轮设计精度要求的不断提高，较为先进的三维设计取得快速发展，其对流线描绘更加精确、设计效率更佳。
2.2.4现代设计技术
利用计算机，对冲击式水轮机转轮的水力设计和机械设计进行综合模拟和检验，并在设计过程的初期就考虑动态和静态荷载的设计方法，即为现代设计技术。该设计方法可以提高设计质量、便于频率分析及改善制造工艺，并降低制造成本、缩短工期。
目前部分学者通过从应以、应变分析开始，讨论冲击式水轮机转轮的频谱及共振问题，目前在实际工程中，已取得了可靠成果【5】。
3.冲击式水轮机转轮的制造
3.1冲击式水轮机转轮制造的基本技术问题
冲击水轮机转轮生产中所面临得首要问题是其复杂的几何形状。【6】其次还有转轮材料缺陷的限制，加工工艺技术的限制等问题。
3.2冲击式水轮机转轮的制造技术
对水轮机转轮的制造技术，根据转轮轮毂与水斗的加工、组装等工作的先后顺序，将转轮的制造技术主要分为分体制造技术和整体制造技术。
3.2.1转轮分体制造技术
转轮分体制造技术，即先分别独立制造轮毂与水斗，再通过焊接或铆接等方式，将其连接形成一个整体。如图1所示为轮毂、水斗的分体机构示意图，其中连接方式为铆接，ω为转轮角速度，D为转轮节圆直径，C为射流速度。
转轮分体制造技术有明显的缺陷，即构造连接处易产生疲劳破坏，且该类型转轮的水斗背面流线特性不稳定，易形成空蚀破坏，并增加其养护的成本、缩短使用寿命。
3.2.2转轮整体制造技术
转轮整体制造技术，即先通过铸造或锻造等方式将转轮整体加工，制成圆坯，再利用数控机床进行一次装夹和加工。整体制造技术避免了多次装夹的定位误差和水斗与轮毂的装配误差，并且减少了构造连接，提高了结构的抗磨损性能，改善了加工精度及效率。
目前国外将整体制造技术应用于冲击式转轮的制造较为成熟，数家转轮制造公司，【7】均采用通过数控装备进行转轮水斗的整体机械加工方法。
4.冲击式水轮机转轮设计制造发展动态
随着对冲击水轮机转轮研究的不断深入，并且依赖于材料性能的不断提高、新工艺的应用、数字模拟的研究、机械化生产的发展，冲击式水轮机转轮的设计制造工艺将逐渐简化，通过优化设计、改善制造技术和合理的控制与检验措施，向着以高水头、大直径水轮，提高效率，多喷嘴、高转速并有简单控制系统，降低成本等方向发展。
其发展过程是类似于反馈调节机制，是复杂的动态变化过程，其发展应遵从以下几条基本原则：（1）加大对三维设计图纸的利用，改善计算模型模拟，加强对现代设计技术的利用；（2）重视结构缺陷，制造偏采用整体制造技术，利用数控设备对整体机械加工；【8】（3）不断挖掘现有材料的利用潜力，同时开发耐磨蚀损耗、性能更稳定的新型材料；（4）在锻造、铸焊及无损探伤检验等工艺不断提高，以更好保障转轮的制造质量。
5.综述
由于我国对能源结构的发展要求，以及冲击式水轮机的利用优势，冲击式水轮机在我国将具有良好的市场前景，但目前我国在其转轮的设计制造等方面，与发达国家相较，仍有明显差距。关于其转轮的发展方向将是结合三维模型的现代设计技术，逐渐取代手工设计技术，以转轮整体制造技术为主，并不断加强数字化技术的改进，总体上我国在冲击式水轮机转轮的设计与制造技术方面仍存在巨大的发展空间。
参考文献：
[1]周文桐.水斗式水轮机基本理论与设计[M].中国水利水电出版社，2007.
[2]周文桐.水斗式水轮机转轮设计[J].大电机技术，2001（5）：44-53.
[3]刘宇华，马锐.高水头冲击式水轮机的设计与发展趋势的探讨[J].西北水电，2003（2）：27-29.
[4]石建伟.多喷嘴斜击式水轮机转轮水力模型的研究[D].四川：西华大学，2014.
[5]E帕全森.冲击式转轮的现代设计技术[J].水利水电快报，2008，29（3）：28-30.
[6]J.韦塞利等.冲击式水轮机转轮的现代制造技术[N].水利水电快报，第22期.
[7]罗静，龚文均等.冲击式水轮机转轮整体设计制造技术研究[N].现代制造工程，2010年第10期.
[8]罗静，韩俊等.冲击式水轮发电机转轮设计制造现状和发展趋势. 重庆科技学院学报[N].第12卷第3期