業(yè)內(nèi)資訊水電站水輪機(jī)的主要類型
2020-10-17 01:43:12 來源：宜賓富源 點(diǎn)擊：0
水輪機(jī)，英文名稱為turbine, water turbine或 hydraulic turbine，是一種將水能(water energy)轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)機(jī)械能(rotational mechanical energy)的機(jī)械裝置。水輪機(jī)通過主軸(main shaft/turbine shaft)帶動發(fā)電機(jī)(generator)將旋轉(zhuǎn)機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能(electricalenergy)。水輪機(jī)與發(fā)電機(jī)通過主軸聯(lián)接而成的整體稱為水輪發(fā)電機(jī)組(turbine-generator unit)，簡稱機(jī)組（unit）,是水電站主要設(shè)備之一,1。水輪機(jī)種類很多，目前按水輪機(jī)對水流能量的轉(zhuǎn)換特征的不同而分為兩大類，即反擊式水輪機(jī)（reaction turbine）和沖擊式水輪機(jī)（impulse turbine）。每種水輪機(jī)根據(jù)轉(zhuǎn)輪區(qū)內(nèi)水流流動特征和轉(zhuǎn)輪（runner）結(jié)構(gòu)特征的不同又進(jìn)一步細(xì)分。
（圖中箭頭代表水流方向，上半部分為發(fā)電機(jī)，下半部分為水輪機(jī)）
1. 反擊式水輪機(jī)
反擊式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪區(qū)內(nèi)的水流在通過轉(zhuǎn)輪葉片（runner blade）流道時(shí)，始終是連續(xù)的充滿整個(gè)轉(zhuǎn)輪的有壓流動，并在轉(zhuǎn)輪空間曲面型葉片的約束下，連續(xù)不斷地改變流速的大小和方向，從而對轉(zhuǎn)輪產(chǎn)生一個(gè)反作用力，驅(qū)動轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)。當(dāng)水流通過轉(zhuǎn)輪后，其動能（kinetic energy）和勢能（potential energy）（包括位能和壓能）均大部分被轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)輪的旋轉(zhuǎn)機(jī)械能。
反擊式水輪機(jī)按轉(zhuǎn)輪區(qū)內(nèi)水流相對于主軸流動方向的不同，分為混流式水輪機(jī)（mixed flow turbine）、軸流式水輪機(jī)（axial flow turbine）、斜流式水輪機(jī)（diagonal flow turbine）和貫流式水輪機(jī)（tubular turbine）四種。根據(jù)轉(zhuǎn)輪葉片是否可以轉(zhuǎn)動，又將軸流式、斜流式和貫流式分為定槳式水輪機(jī)（fixed blade turbine）和轉(zhuǎn)漿式水輪機(jī)（adjustable blade turbine）。
1.1 混流式水輪機(jī)
水流沿徑向流入轉(zhuǎn)輪，然后以軸向流出轉(zhuǎn)輪。混流式水輪機(jī)又稱為弗朗西斯水輪機(jī)，因?yàn)槠溆擅绹こ處煟‵rancis）于1849年發(fā)明，應(yīng)用水頭范圍廣、結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行穩(wěn)定且效率高，是目前應(yīng)用最廣泛的一種水輪機(jī)。
混流式水輪機(jī)三維結(jié)構(gòu)動畫演示
1.2 軸流式水輪機(jī)
水流在導(dǎo)葉與轉(zhuǎn)輪之間由徑向流動轉(zhuǎn)變?yōu)檩S向流動，而在轉(zhuǎn)輪區(qū)內(nèi)保持軸向流動。根據(jù)轉(zhuǎn)輪葉片在運(yùn)行中能否轉(zhuǎn)動，分為軸流定槳式和軸流轉(zhuǎn)槳式兩種。軸流定槳式水輪機(jī)的轉(zhuǎn)輪葉片是固定不變的，因而結(jié)構(gòu)簡單、造價(jià)較低，但在偏離設(shè)計(jì)工況時(shí)效率會急劇下降，因此主要適用于水頭（head）較低、出力(output)較小以及水頭變化幅度較小的水電站。軸流轉(zhuǎn)槳式是由奧地利工程師卡普蘭（Kaplan）于1920年發(fā)明，故又稱為卡普蘭水輪機(jī)（Kaplan turbine），其葉片（blade）可根據(jù)運(yùn)行工況的改變而轉(zhuǎn)動，從而擴(kuò)大了高效率區(qū)的范圍，提高了運(yùn)行穩(wěn)定性。但是，這種水輪機(jī)需要有一個(gè)操作葉片轉(zhuǎn)動的機(jī)構(gòu)，因此其結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，造價(jià)較高，一般應(yīng)用于水頭、出力均有較大變化幅度的大中型水電站。
1.3 斜流式水輪機(jī)
水流在轉(zhuǎn)輪區(qū)內(nèi)沿著與主軸成某一角度的方向流動。斜流式水輪機(jī)是為了提高軸流式水輪機(jī)的適用水頭而在軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)的基礎(chǔ)上改進(jìn)提出的新機(jī)型，由瑞士工程師德里亞（Deriaz）于1956年發(fā)明，故又稱德里亞水輪機(jī)（Deriaz turbine），其結(jié)構(gòu)形式及性能特征與軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)類似，但由于其傾斜槳葉操作機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)特別復(fù)雜，加工工藝要求和造價(jià)均較高，一般只在大中型水電站中使用。
1.4 貫流式水輪機(jī)
貫流式水輪機(jī)（tubular turbine）是一種流道近似直筒狀的臥軸式水輪機(jī)，不設(shè)引水蝸殼，葉片可采用固定的或可轉(zhuǎn)動的兩種。根據(jù)發(fā)電機(jī)裝置形式的不同，可分為全貫流式和半貫流式兩類。
全貫流式水輪機(jī)的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子直接安裝在轉(zhuǎn)輪葉片的外緣，優(yōu)點(diǎn)是流道平直、過流量大、效率高。但由于轉(zhuǎn)輪葉片外緣的線速度大、周線長，旋轉(zhuǎn)密封困難，很少使用。
半貫流式水輪機(jī)有軸伸式水輪機(jī)（S-type turbine）、豎井式水輪機(jī)（pit turbine）和燈泡式水輪機(jī)（bulb turbine）。
軸伸貫流式水輪發(fā)電機(jī)組采用臥式布置，也有傾斜安裝的。
豎井貫流式水輪機(jī)是將發(fā)電機(jī)組安裝在水輪機(jī)上游側(cè)的一個(gè)混凝土豎井中，水輪機(jī)部分主要由導(dǎo)葉機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)輪室、轉(zhuǎn)輪、尾水管組成，轉(zhuǎn)輪主軸伸入混凝土豎井中，通過齒輪箱等增速裝置連接到發(fā)電機(jī)。
燈泡貫流式水輪機(jī)組的發(fā)電機(jī)密封安裝在水輪機(jī)上游側(cè)一個(gè)燈泡型的金屬殼體中，發(fā)電機(jī)水平方向安裝，發(fā)動機(jī)主軸直接連接水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪。燈泡貫流式水輪機(jī)組的水輪機(jī)部分由轉(zhuǎn)輪室、導(dǎo)葉機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)輪、尾水管組成；發(fā)電機(jī)軸直接連接到轉(zhuǎn)輪，一同安裝在鋼制燈泡外殼上，發(fā)電機(jī)在燈泡殼內(nèi)，轉(zhuǎn)輪在燈泡尾端，發(fā)電機(jī)軸承通過軸承支持環(huán)固定在燈泡外殼上，轉(zhuǎn)輪端軸承固定在燈泡尾端外殼上，發(fā)電機(jī)軸前端連接到電機(jī)滑環(huán)與轉(zhuǎn)輪變槳控制的油路裝置。鋼制燈泡通過上支柱、下支柱固定在混凝土基礎(chǔ)中，上支柱也是人員出入燈泡的通道。
2.沖擊式水輪機(jī)
沖擊式水輪機(jī)的轉(zhuǎn)輪始終處于大氣中，來自壓力鋼管的高壓水流在進(jìn)入水輪機(jī)之前已轉(zhuǎn)變成高度自由射流（high speed water jet），該射流沖擊轉(zhuǎn)輪的部分輪葉，并在輪葉的約束下發(fā)生流速大小和方向的改變，從而將其動能大部分傳遞給輪葉，驅(qū)動轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)。在射流沖擊輪葉的過程中，射流內(nèi)的壓力基本保持大氣壓不變，而轉(zhuǎn)輪出口流速明顯的減少。
沖擊式水輪機(jī)按射流沖擊轉(zhuǎn)輪的方式不同，分為水斗式水輪機(jī)（tangential flow turbine）、斜擊式水輪機(jī)（turgo turbine）和雙擊式水輪機(jī)（cross flow turbine）。
2.1 水斗式水輪機(jī)
從噴嘴出來的高速自由射流沿轉(zhuǎn)輪圓周切線方向垂直沖擊輪葉。水斗式水輪機(jī)由美國工程師培爾頓（Pelton）于1989年發(fā)明，又稱為培爾頓水輪機(jī)（Pelton turbine）。水斗式水輪機(jī)適用于高水頭、小流量的水電站。
2.2 斜擊式水輪機(jī)
從噴嘴出來的自由射流沿著與轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)平面成一角度的方向，從轉(zhuǎn)輪的一側(cè)進(jìn)入輪葉，再從一側(cè)流出輪葉。與水斗式水輪機(jī)相比，斜擊式水輪機(jī)過流量大，但效率較低，一般多用于中小型水電站。
2.3 雙擊式水輪機(jī)
從噴嘴出來的射流先后兩次沖擊轉(zhuǎn)輪葉片。
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