水轮机概述
Hydraulic Turbine Overview

在“水电站栏目”的“水力发电原理”一节中曾介绍中国传统应用的水轮机——水车,在本栏目介绍目前真正用于发电的水轮机的原理与结构。水轮机是把水流的能量转换为旋转机械能的动力机械,是利用水流做功的水力机械,根据转换水流能量方式的不同,水轮机分为冲击式水轮机和反击式水轮机两大类。 水轮机受水流作用而旋转的部件称为转轮

冲击式水轮机

冲击式水轮机的转轮受到喷射水流的冲击而旋转,工作过程中水流的压力不变,主要是动能的转换,在同一时刻内,水流只冲击着转轮的一部分,而不是全部。图1是冲击式水轮机水流向示意图。

冲击式水轮机水流向示意图

图1--冲击式水轮机水流向示意图

冲击式水轮机按水流的流向可分为切击式(又称水斗式)、斜击式、双击式三类,在后面章节会介绍常用的切击式与斜击式水轮机。

反击式水轮机

与冲击式水轮机不同,反击式水轮机同时利用了水流的势能与动能,水流充满整个转轮的空间,在转轮叶片约束下改变流速与方向,从而对转轮叶片产生反作用力,驱动转轮旋转。通过水轮机水流的大部分动能与势能都转换成转轮旋转的机械能。反击式水轮机可分为混流式、轴流式、斜流式和贯流式。

轴流式水轮机

轴流式水轮机的转轮如同风扇叶片,工作原理与常见的风力机相似。水流从水轮机四周水平方向向中心流入(径向进入),然后转为向下方向推动转轮叶片做功,由于推动转轮叶片的水流方向与转轮轴方向平行,故称为轴流式水轮机。图2是轴流式水轮机水流走向示意图

轴流式水轮机水流走向示意图

图2--轴流式水轮机水流走向示意图

混流式水轮机

混流式水轮机的转轮看起来较复杂,水流从水轮机四周水平方向向中心流入转轮(径向进入),然后转为向下方向出口,水流进入转轮内在向轴芯方向通过叶片时推动转轮,同时在向下通过叶片时也推动转轮。也就是说水流在径向与轴向通过叶片时都做功。故称为混流式水轮机,也称为幅向轴流式水轮机。图3是混流式水轮机水流走向示意图。

混流式水轮机水流走向示意图

图3--混流式水轮机水流走向示意图

斜流式水轮机

斜流式水轮机转轮有点像轴流式水轮机转轮,只不过通过叶片的水流是倾斜于轴向,是轴流式水轮机的变种,其水流能量损失小,通过调节叶片角度可适应较大的水头范围。斜流式水轮机由于制造工艺复杂、造价高,目前使用还较少。图4是斜流式水轮机水流走向示意图。

斜流式水轮机水流走向示意图

图4--斜流式水轮机水流走向示意图

贯流式水轮机

贯流式水轮机转轮与轴流式水轮机转轮基本相同,但转轴是水平方向或略有倾斜,水流是沿水轮机轴线方向进入,沿水轮机轴线方向流出。图5是贯流式水轮机水流走向示意图。

贯流式水轮机水流走向示意图

图5--贯流式水轮机水流走向示意图

可逆式水轮机

可逆式水轮机也叫水泵水轮机,是一种既可以作水轮机使用又可以作水泵使用的水力机械。理论上讲,混流式水轮机、轴流式水轮机、斜流式水轮机都可以实现可逆运转,实际上要经过专门设计才能在两种运行状态下高效运行。

在后面章节里会介绍混流式水轮机、轴流式水轮机、贯流式水轮机、斜流式水轮机、水泵水轮机。

水轮机的主要类型与适用水头
下面有一个表格列出了水轮机的主要类型与适用水头范围。

水轮机的空化

当水轮机转轮高速旋转时,高速流动的水会使局部压力降低,甚至水会脱离叶片表面,这就使水汽化,产生汽泡,汽泡会扩大,破灭,汽泡破裂会产生很大的能量,造成水流对转轮叶片的冲击、震荡,这就是水轮机的空化现象。空化对流过的表面产生各种物理与化学作用,对水轮机造成破坏,也就是空蚀;同时空化会使水轮机的效率降低。解决空化的主要方法就是把水轮机安装在出水口的水位以下,越低越好,让水轮机工作在较大的水压下,就不易发生空化现象。把水轮机低于下游水面的垂直高度称为吸出高度(也称为淹没深度),有关空化、空蚀、吸出高度的详细介绍请找有关水轮机的书籍或资料。

 
 
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