反動式水輪機機構(gòu)介紹

反動式水輪機是水輪機的一種。利用導水機構(gòu)，把水引入轉(zhuǎn)輪，水流流過葉輪中的葉片時，發(fā)生反擊力，推動轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)。反動型水輪機轉(zhuǎn)換液體具有三部分能量：壓力能、位能和動能。反擊型水輪機是利用水流的動能及勢能，即具有一定水頭的水流經(jīng)蝸殼，經(jīng)導水葉片按一定方向，以一定流量進入轉(zhuǎn)輪，使轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)。然后，水流經(jīng)吸出管排出。隨著功率變化可改變導水葉片出口角度以調(diào)節(jié)流量。

在一個圓錐形筒的下端焊接兩個或更多個出水曲管，圓錐形筒可繞中心豎直軸自由轉(zhuǎn)動、往筒里灌水，水從下端曲管中流出時產(chǎn)生沿水流方向的加速度，根據(jù)牛頓第三定律，水以相反方向的力作用于曲管上。這樣，圓筒在水流的反作用力作用下，繞豎直軸轉(zhuǎn)動，直到筒中的水流盡為止。這個現(xiàn)象也可以根據(jù)動量守恒定律來解釋。配圖中是水輪機模型轉(zhuǎn)動時的閃光照片。

按轉(zhuǎn)輪中水流相對于轉(zhuǎn)輪軸心線的流動方向，結(jié)合水輪機結(jié)構(gòu)特征可分為混流式、軸流式、斜流式和貫流式。在混流式水輪機中，水流徑向進入導水機構(gòu)，軸向流出轉(zhuǎn)輪；在軸流式水輪機中，水流徑向進入導葉，軸向進入和流出轉(zhuǎn)輪；在斜流式水輪機中，水流徑向進入導葉而以傾斜于主軸某一角度的方向流進轉(zhuǎn)輪，或以傾斜于主軸的方向流進導葉和轉(zhuǎn)輪；在貫流式水輪機中，水流沿軸向流進導葉和轉(zhuǎn)輪。

軸流式、貫流式和斜流式水輪機按其結(jié)構(gòu)還可分為定槳式和轉(zhuǎn)槳式。定槳式的轉(zhuǎn)輪葉片是固定的；轉(zhuǎn)槳式的轉(zhuǎn)輪葉片可以在運行中繞葉片軸轉(zhuǎn)動，以適應水頭和負荷的變化。

各種類型的反擊式水輪機都設有進水裝置，大、中型立軸反擊式水輪機的進水裝置一般由蝸殼、固定導葉和活動導葉組成。蝸殼的作用是把水流均勻分布到轉(zhuǎn)輪周圍。當水頭在40米以下時，水輪機的蝸殼常用鋼筋混凝土在現(xiàn)場澆注而成；水頭高于40米時，則常采用拼焊或整鑄的金屬蝸殼。

在反擊式水輪機中，水流充滿整個轉(zhuǎn)輪流道，全部葉片同時受到水流的作用，所以在同樣的水頭下，轉(zhuǎn)輪直徑小于沖擊式水輪機。它們的最高效率也高于沖擊式水輪機，但當負荷變化時，水輪機的效率受到不同程度的影響。

反擊式水輪機都設有尾水管，其作用是：回收轉(zhuǎn)輪出口處水流的動能；把水流排向下游；當轉(zhuǎn)輪的安裝位置高于下游水位時，將此位能轉(zhuǎn)化為壓力能予以回收。對于低水頭大流量的水輪機，轉(zhuǎn)輪的出口動能相對較大，尾水管的回收性能對水輪機的效率有顯著影響。

反動式水輪機軸流式水輪機

適用于較低水頭的電站。在相同水頭下，其比轉(zhuǎn)數(shù)較混流式水輪機為高。

軸流定槳式水輪機的葉片固定在轉(zhuǎn)輪體上。一般安裝高度在3-50m。，葉片安放角不能在運行中改變，結(jié)構(gòu)簡單，效率較低，適用于負荷變化小或可以用調(diào)整機組運行臺數(shù)來適應負荷變化的電站。

軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機是奧地利工程師卡普蘭在1920年發(fā)明的，故又稱卡普蘭水輪機。一般安裝高度在3-80m。其轉(zhuǎn)輪葉片一般由裝在轉(zhuǎn)輪體內(nèi)的油壓接力器操作，可按水頭和負荷變化作相應轉(zhuǎn)動，以保持活動導葉轉(zhuǎn)角和葉片轉(zhuǎn)角間的最優(yōu)配合，從而提高平均效率，這類水輪機的最高效率有的已超過94%。典型例子就是葛洲壩。

反動式水輪機貫流式水輪機

導葉和轉(zhuǎn)輪間的水流基本上無變向流動，加上采用直錐形尾水管，排流不必在尾水管中轉(zhuǎn)彎，所以效率高，過流能力大，比轉(zhuǎn)數(shù)高，特別適用于水頭為3～20米的低水頭小型河床電站。

這種水輪機裝在潮汐電站內(nèi)還可以實現(xiàn)雙向發(fā)電。這種水輪機有多種結(jié)構(gòu)，使用最多的是燈泡式水輪機。燈泡式機組的發(fā)電機裝在水密的燈泡體內(nèi)。其轉(zhuǎn)輪既可以設計成定槳式，也可以設計成轉(zhuǎn)槳式。其中又可以細分為貫流式和半貫流式。世界上最大的燈泡式水輪機(轉(zhuǎn)槳式半貫流)裝在美國的羅克島第二電站，水頭12.1米，轉(zhuǎn)速為85.7轉(zhuǎn)/分，轉(zhuǎn)輪直徑為7.4米，單機功率為54兆瓦，于1978年投入運行。

反動式水輪機混流式水輪機

世界上使用最廣泛的一種水輪機，由美國工程師弗朗西斯于1849年發(fā)明，故又稱弗朗西斯水輪機。與軸流轉(zhuǎn)槳式相比，其結(jié)構(gòu)較簡單，運行穩(wěn)定，最高效率也比軸流式的高，但在水頭和負荷變化大時，平均效率比軸流轉(zhuǎn)槳式的低，這類水輪機的最高效率有的已超過95%?；炝魇剿啓C適用的水頭范圍很寬，為5～700米，但采用最多的是40～300米。

混流式的轉(zhuǎn)輪一般用低碳鋼或低合金鋼鑄件，或者采用鑄焊結(jié)構(gòu)。為提高抗汽蝕和抗泥沙磨損性能，可在易氣蝕部位堆焊不銹鋼，或采用不銹鋼葉片，有時也可整個轉(zhuǎn)輪采用不銹鋼。采用鑄焊結(jié)構(gòu)能降低成本，并使流道尺寸更精確，流道表面更光滑，有利于提高水輪機的效率，還可以分別用不同材料制造葉片、上冠和下環(huán)。典型例子是我國的劉家峽。

反動式水輪機斜流式水輪機

瑞士工程師德里亞于1956年發(fā)明，故又稱德里亞水輪機。其葉片傾斜的裝在轉(zhuǎn)輪體水輪機上，隨著水頭和負荷的變化，轉(zhuǎn)輪體內(nèi)的油壓接力器操作葉片繞其軸線相應轉(zhuǎn)動。它的最高效率稍低于混流式水輪機，但平均效率大大高于混流式水輪機；與軸流轉(zhuǎn)槳水輪機相比，抗氣蝕性能較好，飛逸轉(zhuǎn)速較低，適用于40～120米水頭。

由于斜流式水輪機結(jié)構(gòu)復雜、造價高，一般只在不宜使用混流式或軸流式水輪機，或不夠理想時才采用。這種水輪機還可用作可逆式水泵水輪機。當它在水泵工況啟動時，轉(zhuǎn)輪葉片可關閉成近于封閉的圓錐因而能減小電動機的啟動負荷。

反動式水輪機反擊式

混流式 HL

轉(zhuǎn)流式 ZZ

軸流式 ZD

斜流式 XL

貫流轉(zhuǎn)漿式 GZ

貫流定漿式 GD

反動式水輪機沖擊式

水斗式 CJ

斜擊式 XJ

雙擊式 SJ

水泵水輪機主要用于抽水蓄能電站。在電力系統(tǒng)負荷低于基本負荷時，它可用作水泵，利用多余發(fā)電能力，從下游水庫抽水到上游水庫，以位能形式蓄存能量；在系統(tǒng)負荷高于基本負荷時，可用作水輪機，發(fā)出電力以調(diào)節(jié)高峰負荷。因此，純抽水蓄能電站并不能增加電力系統(tǒng)的電量，但可以改善火力發(fā)電機組的運行經(jīng)濟性，提高電力系統(tǒng)的總效率。50年代以來，抽水蓄能機組在世界各國受到普遍重視并獲得迅速發(fā)展。

早期發(fā)展的或水頭很高的抽水蓄能機組大多采用三機式，即由發(fā)電電動機、水輪機和水泵串聯(lián)組成。它的優(yōu)點是水輪機和水泵分別設計，可各自具有較高效率，而且發(fā)電和抽水時機組的旋轉(zhuǎn)方向相同，可以迅速從發(fā)電轉(zhuǎn)換為抽水，或從抽水轉(zhuǎn)換為發(fā)電。同時，可以利用水輪機來啟動機組。它的缺點是造價高，電站投資大。

斜流式水泵水輪機轉(zhuǎn)輪的葉片可以轉(zhuǎn)動，在水頭和負荷變化時仍有良好的運行性能，但受水力特性和材料強度的限制，到80年代初，它的最高水頭只用到136.2米(日本的高根第一電站)。對于更高的水頭，需要采用混流式水泵水輪機。

抽水蓄能電站設有上、下兩個水庫。在蓄存相同能量的條件下，提高揚程可以縮小庫容、提高機組轉(zhuǎn)速、降低工程造價。因此，300米以上的高水頭蓄能電站發(fā)展很快。世界上水頭最高的混流式水泵水輪機裝于南斯拉夫的巴伊納巴什塔電站，其單機功率為315兆瓦，水輪機水頭為600.3米；水泵揚程為623.1米，轉(zhuǎn)速為428.6轉(zhuǎn)/分，于1977年投入運行。

20世紀以來，水電機組一直向高參數(shù)、大容量方向發(fā)展。隨著電力系統(tǒng)中火電容量的增加和核電的發(fā)展，為解決合理調(diào)峰問題，世界各國除在主要水系大力開發(fā)或擴建大型電站外，正在積極興建抽水蓄能電站，水泵水輪機因而得到迅速發(fā)展。

為了充分利用各種水力資源，潮汐、落差很低的平原河流甚至波浪等也引起普遍重視，從而使貫流式水輪機和其他小型機組迅速發(fā)展。 2100433B

水輪機按工作原理可分為沖擊式水輪機和反擊式水輪機兩類。沖擊式水輪機的轉(zhuǎn)輪受到水流的沖擊而旋轉(zhuǎn)，工作過程中水流的壓力不變，主要是動能的轉(zhuǎn)換；反擊式水輪機的轉(zhuǎn)輪在水中受到水流的反

作用力而旋轉(zhuǎn)，工作過程中水流的壓力能和動能均有改變，但主要是壓力能的轉(zhuǎn)換。

現(xiàn)代水輪機大多安裝在水電站內(nèi)，用來驅(qū)動發(fā)電機發(fā)電。在水電站中，上游水庫中的水經(jīng)引水管引向水輪機，推動水輪機轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)，帶動發(fā)電機發(fā)電。作完功的水則通過尾水管道排向下游。水頭越高、流量越大，水輪機的輸出功率也就越大。