水电是可再生能源中的主力军，是我国推进清洁能源转型、实现“双碳”战略的重要保障。我国水能资源分布极为不均,西部地区占可开发资源的80%以上。以白鹤滩为代表的水利及服役条件均较优越的中水头段项目开发接近尾声,我国在中水头段超大容量机组的技术水平已经达到了国际领先，水电开发的重心转向水头多变且运行变幅较大的高水头及超高水头段。作为这一水头段的主力机型，超高水头混流式水轮机和大容量冲击式水轮发电机组的关键技术仍被德国福伊特、奥地利安德里兹、美国通用-阿尔斯通等欧美企业垄断。我国在该水头段的自主设计制造能力尚未成熟,复杂服役环境下超高水头大容量机组高效稳定运行面临诸多技术难题：1）超高水头大容量机组在全水头宽负荷运行时, 存在由于转轮设计非最优导致的脱流、叶道涡、卡门涡以及尾水管涡带等水力不稳定现象。交变动应力以及频繁的压力脉动严重影响转轮等高承压部件的动刚度和动强度，导致过流部件产生塑性变形、撕裂损伤和疲劳破坏。2）大型发电机在复杂交变载荷下存在轴系挠度大、重载推力轴承润滑不及时造成烧瓦以及通风散热效果差导致发电机温升高等问题。3）大变幅水头运行下机组载荷复杂多变，水力激振导致机组振动明显，机组运维严重依赖经验导致电站智能化程度弱、故障诊断准确率低、调控时效性差等。
针对上述技术难题,本项目在国家自然科学基金、科技部重点研发计划、浙江省重点研发计划的支持下，依托浙江大学流体动力与机电系统国家重点实验室、国家工程技术中心、浙江省重点企业研究院等创新载体,围绕超高水头大容量水轮发电机组设计、制造以及运维中的关键技术进行持续攻关,取得如下创新成果：创建了高水头转轮宽负荷全参数数字化设计技术，攻克了发电机轴系润滑及通风散热仿真优化技术，突破了大容量机组远程智能运维及调控技术，实现了超高水头大容量水轮发电机组的自主设计制造及工程应用。本项目技术难度大,有重大技术创新,具有自主知识产权,获授权发明专利21件，形成国家标准3项、行业标准14项,论文35篇，软著10项，完成了亚洲水头第一的老挝谢潘超高水头混流式水轮发电机组以及世界单机容量最大的卧式冲击式水力发电机组等重大项目，产品及技术应用于国家电网、中国葛洲坝集团、中国长江三峡集团等知名企业。此项目近三年实现新增销售额71.4亿元，新增利润5.7亿元，经济和社会效益显著。
1. 创建了高水头转轮宽负荷全参数数字化设计技术
提出了流动特征驱动的转轮全三维反问题设计方法，设计了热-流-固多场耦合的全流道水轮机多参数虚拟样机，建立了涡特征瞬变流动数值模拟方法，揭示了转轮表面瞬态多相流动机理与水流干涉能量损失机理，实现了超高水头水轮机偏工况下的二次流、脱流、回流、尾水管涡带以及空蚀等非稳态流动结构的精确模拟；建立了动静流道参数自适应反向迭代优化匹配模型，实现了转轮流固混合协同优化设计，拓宽了整机高效运行区间；发明了三维斗型曲面参数化设计方法及整体特征复用算法，揭示水斗型面空间表达的高精度建构转型与特征解析，实现水斗型谱系列化构型的快速高效建模；研制了超高水头大容量转轮智能优化选型平台, 实现了超高水头大容量机组快速数字化设计。
2.攻克了发电机轴系润滑及通风散热仿真优化技术
构建了变分约束下流体动压转子轴承动力学建模方法，分析了系统非线性瞬态运动及不平衡响应，降低水轮机振动响应；创建了散热通风系统磁-热-流-固多场耦合一体化协同技术通风系统优化设计方法，量化内部热源节点产热量及涡流损耗并耦合等效风路，发明了一种磁极线圈高效散热系统，解决电机磁极散热问题；研制了专用的重载低损耗双向推力轴承，建立运动机构及运动轴系应力计算模型，量化了交变载荷下机组轴系的模态与水力平衡；建立轴承热弹流油膜润滑分析模型，改善高速高温下轴承承载能力和润滑性能；研发了大型卧式冲击式滑动轴承压力油箱供油系统，发明了轴承防油雾装置以及机组快速制动方法，确保了机组轴系安全稳定运行。
3.突破了大容量机组远程智能运维及调控技术
建立了基于改进递归变分模态的流动空化特征辨识方法，提取了压力脉动与斗叶交变空化振动特性；提出了基于振动信号辨识的叶片根部裂纹识别技术，揭示了疲劳裂纹形成机制；创建了奇异值特征重构空化信号在线辨识及自适应调控技术，协同调控了转速、补气量、导叶开度、喷嘴开度、折向器角度等关键参数，突破了机组多工况控制适应性弱的瓶颈；研制了大型水轮机组在线监测与远程维护平台，针对海量运行数据工况复杂、监测数据庞杂的问题，提出了基于模糊诊断理论的数据预处理方法，实现了水电机组多源运行数据融合，建立了基于数据学习的水轮发电机故障预警模型以及健康状态预测模型，实现了机组故障溯源和常态化运维，保障了全水头段机组高效稳定运行。
