面向未来的大型水力机械关键技术研究

习近平总书记在第七十五届联合国大会一般性辩论上发表重要讲话时指出，中国将提高国家自主贡献力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和。这是中国对碳排放达峰、长期碳中和问题设立的更高目标。2030 年“碳达峰”和2060 年“碳中和”的战略目标既是中国能源事业发展的指南针，又为我国能源领域关键技术研发确定了奋斗方向：一方面需要不断研究稳定性好、高效区宽广、具有良好柔性的绿色水力发电技术，以满足高比例可再生能源构架下未来电力系统的特殊需求；另一方面，进一步研发安全可靠、高效节能的动力系统技术，给国民经济各行各业能源利用技术烙上绿色标签。

水力机械涵盖了利用水力发电的水轮机、将电能转换为机械能的泵、融合了发电与抽水两种功能的抽水蓄能机组，以及其他能量转换装置。目前，我国电力生产与消费市场中，水力发电约占总发电量的17%，而泵等流体机械则消耗近三分之一的总电量。因此，水力机械技术的进步与实现我国碳减排战略目标具有极其紧密的关联性。

水力机械技术起源可追溯至两千多年前的阿基米德螺线泵，以及我国汉朝生产谷物的水力磨坊。尽管起源很早，水力机械技术总是随时代发展而不断进步，尤其经20世纪的技术革新而发生了巨大变化。纵观我国水轮机技术发展，在20世纪80年代之前人们主要关注机组的发电效率，研究重点在于机组的高效性；在20世纪90年代至21世纪初期，水电机组的空化性能、运行稳定性备受关注；如今的水轮机与抽水蓄能机组更加注重适应工况变化的能力，“智能”成为现代水力发电技术最主要的特征之一。作为工作机的泵、螺旋桨等水力机械的技术发展亦是如此。

进入21世纪以来，世界与中国社会均发生了巨大的变化，使得水力机械技术面临严峻挑战。现代水力机械技术不仅只需要具备某一种特征，而是应同时具备多种优势，如安全、高效、稳定、环保、智能等。这使得水力机械技术研究范围逐步扩大，研究对象从单部件转向多部件与系统；研究内容不仅包含流动设计与优化，更需涵盖流体场、应力场、电磁场、温度场等多场耦合的研究；研究分析需要关注不同部件或整体机组中多物理场信息在时间与空间上的持续变化规律；研究目标从单一效率指标变为多指标甚至柔性指标。此外，人类社会可持续发展需要保证能源生产和利用与生态和环境的高度协调，这对现代水力机械技术发展提出了新的约束条件。

《水电与抽水蓄能》是中文学术期刊的新秀，持续关注我国能源战略与碳减排的相关技术，尤其聚焦我国水电发展中的关键技术研究。在编辑部的指导下，本人邀请国内长期研究水力机械的学者撰写了6篇论文，就目前学界关注度比较高的水力机械多相混合流动、转子动力特性、固液耦合分析等问题进行了探讨。由于这些问题具有普遍性，同时适用于作为原动机的水轮机和作为工作机的泵。为了结合工程实际，既考虑了我国大型调水工程中的巨型水泵，也研究了未来开发雅鲁藏布江下游水能可能采用的大型冲击式水轮机。为了契合人们对水生态的持续关切，以轴流泵为例分析了鱼类通过水力机械流道过程中的运动行为与撞击损伤。此外，人工智能已经深入人心，“智能”必然会逐渐成为现代水力机械不可或缺的属性，由于篇幅所限，在本期特别策划中未进行特别阐述。

希望这些论文能够加深人们对水力机械技术未来发展的理解，促进我国水力机械技术的持续发展，引导全社会应用绿色、先进的水力机械技术，共同为实现2030年“碳达峰”和2060 年“碳中和”宏伟目标做出力所能及的贡献。

在此，衷心感谢《水电与抽水蓄能》期刊对本期特约栏目的策划、出版所做的细致而专业的工作。