反動(dòng)式水輪機(jī)類(lèi)型及特點(diǎn)

按轉(zhuǎn)輪中水流相對(duì)于轉(zhuǎn)輪軸心線(xiàn)的流動(dòng)方向，結(jié)合水輪機(jī)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(jī)中，水流徑向進(jìn)入導(dǎo)水機(jī)構(gòu)，軸向流出轉(zhuǎn)輪；在軸流式水輪機(jī)中，水流徑向進(jìn)入導(dǎo)葉，軸向進(jìn)入和流出轉(zhuǎn)輪；在斜流式水輪機(jī)中，水流徑向進(jìn)入導(dǎo)葉而以?xún)A斜于主軸某一角度的方向流進(jìn)轉(zhuǎn)輪，或以?xún)A斜于主軸的方向流進(jìn)導(dǎo)葉和轉(zhuǎn)輪；在貫流式水輪機(jī)中，水流沿軸向流進(jìn)導(dǎo)葉和轉(zhuǎn)輪。

軸流式、貫流式和斜流式水輪機(jī)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(yùn)行中繞葉片軸轉(zhuǎn)動(dòng)，以適應(yīng)水頭和負(fù)荷的變化。

各種類(lèi)型的反擊式水輪機(jī)都設(shè)有進(jìn)水裝置，大、中型立軸反擊式水輪機(jī)的進(jìn)水裝置一般由蝸殼、固定導(dǎo)葉和活動(dòng)導(dǎo)葉組成。蝸殼的作用是把水流均勻分布到轉(zhuǎn)輪周?chē)?。?dāng)水頭在40米以下時(shí)，水輪機(jī)的蝸殼常用鋼筋混凝土在現(xiàn)場(chǎng)澆注而成；水頭高于40米時(shí)，則常采用拼焊或整鑄的金屬蝸殼。

在反擊式水輪機(jī)中，水流充滿(mǎn)整個(gè)轉(zhuǎn)輪流道，全部葉片同時(shí)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(jī)。它們的最高效率也高于沖擊式水輪機(jī)，但當(dāng)負(fù)荷變化時(shí)，水輪機(jī)的效率受到不同程度的影響。

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

反動(dòng)式水輪機(jī)軸流式水輪機(jī)

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(jī)為高。

軸流定槳式水輪機(jī)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(yùn)行中改變，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，效率較低，適用于負(fù)荷變化小或可以用調(diào)整機(jī)組運(yùn)行臺(tái)數(shù)來(lái)適應(yīng)負(fù)荷變化的電站。

軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)是奧地利工程師卡普蘭在1920年發(fā)明的，故又稱(chēng)卡普蘭水輪機(jī)。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(fù)荷變化作相應(yīng)轉(zhuǎn)動(dòng)，以保持活動(dòng)導(dǎo)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(lèi)水輪機(jī)的最高效率有的已超過(guò)94%。典型例子就是葛洲壩。

反動(dòng)式水輪機(jī)貫流式水輪機(jī)

導(dǎo)葉和轉(zhuǎn)輪間的水流基本上無(wú)變向流動(dòng)，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(guò)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(jī)裝在潮汐電站內(nèi)還可以實(shí)現(xiàn)雙向發(fā)電。這種水輪機(jī)有多種結(jié)構(gòu)，使用最多的是燈泡式水輪機(jī)。燈泡式機(jī)組的發(fā)電機(jī)裝在水密的燈泡體內(nèi)。其轉(zhuǎn)輪既可以設(shè)計(jì)成定槳式，也可以設(shè)計(jì)成轉(zhuǎn)槳式。其中又可以細(xì)分為貫流式和半貫流式。世界上最大的燈泡式水輪機(jī)(轉(zhuǎn)槳式半貫流)裝在美國(guó)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(jī)功率為54兆瓦，于1978年投入運(yùn)行。

反動(dòng)式水輪機(jī)混流式水輪機(jī)

世界上使用最廣泛的一種水輪機(jī)，由美國(guó)工程師弗朗西斯于1849年發(fā)明，故又稱(chēng)弗朗西斯水輪機(jī)。與軸流轉(zhuǎn)槳式相比，其結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，運(yùn)行穩(wěn)定，最高效率也比軸流式的高，但在水頭和負(fù)荷變化大時(shí)，平均效率比軸流轉(zhuǎn)槳式的低，這類(lèi)水輪機(jī)的最高效率有的已超過(guò)95%?；炝魇剿啓C(jī)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(shí)也可整個(gè)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(jī)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(guó)的劉家峽。

反動(dòng)式水輪機(jī)斜流式水輪機(jī)

瑞士工程師德里亞于1956年發(fā)明，故又稱(chēng)德里亞水輪機(jī)。其葉片傾斜的裝在轉(zhuǎn)輪體水輪機(jī)上，隨著水頭和負(fù)荷的變化，轉(zhuǎn)輪體內(nèi)的油壓接力器操作葉片繞其軸線(xiàn)相應(yīng)轉(zhuǎn)動(dòng)。它的最高效率稍低于混流式水輪機(jī)，但平均效率大大高于混流式水輪機(jī)；與軸流轉(zhuǎn)槳水輪機(jī)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(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造價(jià)高，一般只在不宜使用混流式或軸流式水輪機(jī)，或不夠理想時(shí)才采用。這種水輪機(jī)還可用作可逆式水泵水輪機(jī)。當(dāng)它在水泵工況啟動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)輪葉片可關(guān)閉成近于封閉的圓錐因而能減小電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)負(fù)荷。

在一個(gè)圓錐形筒的下端焊接兩個(gè)或更多個(gè)出水曲管，圓錐形筒可繞中心豎直軸自由轉(zhuǎn)動(dòng)、往筒里灌水，水從下端曲管中流出時(shí)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(dòng)，直到筒中的水流盡為止。這個(gè)現(xiàn)象也可以根據(jù)動(dòng)量守恒定律來(lái)解釋。配圖中是水輪機(jī)模型轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的閃光照片。

反動(dòng)式水輪機(jī)是水輪機(jī)的一種。利用導(dǎo)水機(jī)構(gòu)，把水引入轉(zhuǎn)輪，水流流過(guò)葉輪中的葉片時(shí)，發(fā)生反擊力，推動(dòng)轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)。反動(dòng)型水輪機(jī)轉(zhuǎn)換液體具有三部分能量：壓力能、位能和動(dòng)能。反擊型水輪機(jī)是利用水流的動(dòng)能及勢(shì)能，即具有一定水頭的水流經(jīng)蝸殼，經(jīng)導(dǎo)水葉片按一定方向，以一定流量進(jìn)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(dǎo)水葉片出口角度以調(diào)節(jié)流量。

反動(dòng)式水輪機(jī)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(dòng)式水輪機(jī)沖擊式

水斗式 CJ

斜擊式 XJ

雙擊式 SJ

水泵水輪機(jī)主要用于抽水蓄能電站。在電力系統(tǒng)負(fù)荷低于基本負(fù)荷時(shí)，它可用作水泵，利用多余發(fā)電能力，從下游水庫(kù)抽水到上游水庫(kù)，以位能形式蓄存能量；在系統(tǒng)負(fù)荷高于基本負(fù)荷時(shí)，可用作水輪機(jī)，發(fā)出電力以調(diào)節(jié)高峰負(fù)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(jī)組的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性，提高電力系統(tǒng)的總效率。50年代以來(lái)，抽水蓄能機(jī)組在世界各國(guó)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(jī)組大多采用三機(jī)式，即由發(fā)電電動(dòng)機(jī)、水輪機(jī)和水泵串聯(lián)組成。它的優(yōu)點(diǎn)是水輪機(jī)和水泵分別設(shè)計(jì)，可各自具有較高效率，而且發(fā)電和抽水時(shí)機(jī)組的旋轉(zhuǎn)方向相同，可以迅速?gòu)陌l(fā)電轉(zhuǎn)換為抽水，或從抽水轉(zhuǎn)換為發(fā)電。同時(shí)，可以利用水輪機(jī)來(lái)啟動(dòng)機(jī)組。它的缺點(diǎn)是造價(jià)高，電站投資大。

斜流式水泵水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的葉片可以轉(zhuǎn)動(dòng)，在水頭和負(fù)荷變化時(shí)仍有良好的運(yùn)行性能，但受水力特性和材料強(qiáng)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(duì)于更高的水頭，需要采用混流式水泵水輪機(jī)。

抽水蓄能電站設(shè)有上、下兩個(gè)水庫(kù)。在蓄存相同能量的條件下，提高揚(yáng)程可以縮小庫(kù)容、提高機(jī)組轉(zhuǎn)速、降低工程造價(jià)。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(jī)裝于南斯拉夫的巴伊納巴什塔電站，其單機(jī)功率為315兆瓦，水輪機(jī)水頭為600.3米；水泵揚(yáng)程為623.1米，轉(zhuǎn)速為428.6轉(zhuǎn)/分，于1977年投入運(yùn)行。

20世紀(jì)以來(lái)，水電機(jī)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(wèn)題，世界各國(guó)除在主要水系大力開(kāi)發(fā)或擴(kuò)建大型電站外，正在積極興建抽水蓄能電站，水泵水輪機(jī)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(jī)和其他小型機(jī)組迅速發(fā)展。 2100433B

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

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

現(xiàn)代水輪機(jī)大多安裝在水電站內(nèi)，用來(lái)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。在水電站中，上游水庫(kù)中的水經(jīng)引水管引向水輪機(jī)，推動(dòng)水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。作完功的水則通過(guò)尾水管道排向下游。水頭越高、流量越大，水輪機(jī)的輸出功率也就越大。