水電站水輪機的主要類型

2020-10-17 01:43:12 來源：宜賓富源點擊：0

水輪機，英文名稱為turbine, water turbine或 hydraulic turbine，是一種將水能(water energy)轉換成旋轉機械能(rotational mechanical energy)的機械裝置。水輪機通過主軸(main shaft/turbine shaft)帶動發電機(generator)將旋轉機械能轉換成電能(electricalenergy)。水輪機與發電機通過主軸聯接而成的整體稱為水輪發電機組(turbine-generator unit)，簡稱機組（unit）,是水電站主要設備之一,1。
水輪機種類很多，目前按水輪機對水流能量的轉換特征的不同而分為兩大類，即反擊式水輪機（reaction turbine）和沖擊式水輪機（impulse turbine）。每種水輪機根據轉輪區內水流流動特征和轉輪（runner）結構特征的不同又進一步細分。

（圖中箭頭代表水流方向，上半部分為發電機，下半部分為水輪機）
1. 反擊式水輪機
反擊式水輪機轉輪區內的水流在通過轉輪葉片（runner blade）流道時，始終是連續的充滿整個轉輪的有壓流動，并在轉輪空間曲面型葉片的約束下，連續不斷地改變流速的大小和方向，從而對轉輪產生一個反作用力，驅動轉輪旋轉。當水流通過轉輪后，其動能（kinetic energy）和勢能（potential energy）（包括位能和壓能）均大部分被轉換成轉輪的旋轉機械能。
反擊式水輪機按轉輪區內水流相對于主軸流動方向的不同，分為混流式水輪機（mixed flow turbine）、軸流式水輪機（axial flow turbine）、斜流式水輪機（diagonal flow turbine）和貫流式水輪機（tubular turbine）四種。根據轉輪葉片是否可以轉動，又將軸流式、斜流式和貫流式分為定槳式水輪機（fixed blade turbine）和轉漿式水輪機（adjustable blade turbine）。
1.1 混流式水輪機
水流沿徑向流入轉輪，然后以軸向流出轉輪。混流式水輪機又稱為弗朗西斯水輪機，因為其由美國工程師（Francis）于1849年發明，應用水頭范圍廣、結構簡單、運行穩定且效率高，是目前應用最廣泛的一種水輪機。
混流式水輪機三維結構動畫演示
1.2 軸流式水輪機
水流在導葉與轉輪之間由徑向流動轉變為軸向流動，而在轉輪區內保持軸向流動。根據轉輪葉片在運行中能否轉動，分為軸流定槳式和軸流轉槳式兩種。軸流定槳式水輪機的轉輪葉片是固定不變的，因而結構簡單、造價較低，但在偏離設計工況時效率會急劇下降，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。軸流轉槳式是由奧地利工程師卡普蘭（Kaplan）于1920年發明，故又稱為卡普蘭水輪機（Kaplan turbine），其葉片（blade）可根據運行工況的改變而轉動，從而擴大了高效率區的范圍，提高了運行穩定性。但是，這種水輪機需要有一個操作葉片轉動的機構，因此其結構較復雜，造價較高，一般應用于水頭、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
水流在轉輪區內沿著與主軸成某一角度的方向流動。斜流式水輪機是為了提高軸流式水輪機的適用水頭而在軸流轉槳式水輪機的基礎上改進提出的新機型，由瑞士工程師德里亞（Deriaz）于1956年發明，故又稱德里亞水輪機（Deriaz turbine），其結構形式及性能特征與軸流轉槳式水輪機類似，但由于其傾斜槳葉操作機構的結構特別復雜，加工工藝要求和造價均較高，一般只在大中型水電站中使用。
1.4 貫流式水輪機
貫流式水輪機（tubular turbine）是一種流道近似直筒狀的臥軸式水輪機，不設引水蝸殼，葉片可采用固定的或可轉動的兩種。根據發電機裝置形式的不同，可分為全貫流式和半貫流式兩類。
全貫流式水輪機的發電機轉子直接安裝在轉輪葉片的外緣，優點是流道平直、過流量大、效率高。但由于轉輪葉片外緣的線速度大、周線長，旋轉密封困難，很少使用。
半貫流式水輪機有軸伸式水輪機（S-type turbine）、豎井式水輪機（pit turbine）和燈泡式水輪機（bulb turbine）。
軸伸貫流式水輪發電機組采用臥式布置，也有傾斜安裝的。

豎井貫流式水輪機是將發電機組安裝在水輪機上游側的一個混凝土豎井中，水輪機部分主要由導葉機構、轉輪室、轉輪、尾水管組成，轉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電機。

燈泡貫流式水輪機組的發電機密封安裝在水輪機上游側一個燈泡型的金屬殼體中，發電機水平方向安裝，發動機主軸直接連接水輪機轉輪。燈泡貫流式水輪機組的水輪機部分由轉輪室、導葉機構、轉輪、尾水管組成；發電機軸直接連接到轉輪，一同安裝在鋼制燈泡外殼上，發電機在燈泡殼內，轉輪在燈泡尾端，發電機軸承通過軸承支持環固定在燈泡外殼上，轉輪端軸承固定在燈泡尾端外殼上，發電機軸前端連接到電機滑環與轉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中，上支柱也是人員出入燈泡的通道。

2.沖擊式水輪機
沖擊式水輪機的轉輪始終處于大氣中，來自壓力鋼管的高壓水流在進入水輪機之前已轉變成高度自由射流（high speed water jet），該射流沖擊轉輪的部分輪葉，并在輪葉的約束下發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，驅動轉輪旋轉。在射流沖擊輪葉的過程中，射流內的壓力基本保持大氣壓不變，而轉輪出口流速明顯的減少。
沖擊式水輪機按射流沖擊轉輪的方式不同，分為水斗式水輪機（tangential flow turbine）、斜擊式水輪機（turgo turbine）和雙擊式水輪機（cross flow turbine）。
2.1 水斗式水輪機
從噴嘴出來的高速自由射流沿轉輪圓周切線方向垂直沖擊輪葉。水斗式水輪機由美國工程師培爾頓（Pelton）于1989年發明，又稱為培爾頓水輪機（Pelton turbine）。水斗式水輪機適用于高水頭、小流量的水電站。

2.2 斜擊式水輪機
從噴嘴出來的自由射流沿著與轉輪旋轉平面成一角度的方向，從轉輪的一側進入輪葉，再從一側流出輪葉。與水斗式水輪機相比，斜擊式水輪機過流量大，但效率較低，一般多用于中小型水電站。
2.3 雙擊式水輪機
從噴嘴出來的射流先后兩次沖擊轉輪葉片。

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