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水輪機
本詞條是多義詞，共3個(gè)義項
將水流能量轉化為電能的設備
水輪機是把水流的能量轉換為旋轉機械能的動(dòng)力機械，它屬于流體機械中的透平機械。早在公元前100年前后，中國就出現了水輪機的雛形——水輪，用于提灌和驅動(dòng)糧食加工器械。現代水輪機則大多數安裝在水電站內，用來(lái)驅動(dòng)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(dòng)水輪機轉輪旋轉，帶動(dòng)發(fā)電機發(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，水輪機的輸出功率也就越大。
簡(jiǎn)介
水輪機
我國水輪機及輔機制造行業(yè)綜合實(shí)力明顯增加，全行業(yè)呈現出蓬勃發(fā)展、充滿(mǎn)活力的可喜局面，行業(yè)趨好的標志表現在經(jīng)濟運行質(zhì)量的提高和經(jīng)濟效益的顯著(zhù)增長(cháng)。
2010年，我國水輪機及輔機制造行業(yè)規模以上（全年銷(xiāo)售收入在500萬(wàn)元以上）企業(yè)68家，實(shí)現銷(xiāo)售收入44.70億元，同比增長(cháng)2.35%；實(shí)現利潤總額3.23億元，同比增長(cháng)4.16%。
2010年，我國水電裝機規模達到2.11億千瓦，新增核準水電規模1322萬(wàn)千瓦，在建規模7700萬(wàn)千瓦。根據我國對國際社會(huì )做出的“2020年非石化能源將達到能源總量15%”承諾，我國水電行業(yè)2020年裝機容量須達到3.8億千瓦。而即使按照我國公布的《可再生能源中長(cháng)期發(fā)展規劃》，確定到2020年水電裝機容量要達到3億千瓦，國內11年內將新增單機容量50千瓦以上的大型水電機組近300臺，每年平均新裝25臺50萬(wàn)千瓦及以上大型水電機組。若按2020年達到3.8億千瓦的裝機容量，我國所需的水輪機及輔機設備將進(jìn)一步增加，我國水輪機及輔機行業(yè)發(fā)展前景廣闊。
發(fā)展過(guò)程
早期的沖擊式水輪機的水流在沖擊葉片時(shí)，動(dòng)能損失很大，效率不高。1889年，美國工程師佩爾頓發(fā)明了水斗式水輪機，它有流線(xiàn)型的收縮噴嘴，能把水流能量高效率地轉變?yōu)楦咚偕淞鞯膭?dòng)能。水輪機之最（整個(gè)本段可以全部不要了，這段上面80%的都過(guò)時(shí)了，都被取代了。很老的資料了，參考價(jià)值不大，所以建議去除本段） 20世紀80年代初，世界上單機功率最大的水斗式水輪機裝于挪威的悉·西馬電站，其單機容量為315兆瓦，水頭885米，轉速為300轉/分，于1980年投入運行。水頭最高的水斗式水輪機裝于奧地利的賴(lài)瑟克山電站，其單機功率為22.8兆瓦，轉速750轉/分，水頭達1763.5米，1959年投入運行。
80年代，世界上尺寸最大的轉槳式水輪機是中國東方電機廠(chǎng)制造的，裝在中國長(cháng)江中游的葛洲壩電站，其單機功率為170兆瓦，水頭為18.6米，轉速為54.6轉/分，轉輪直徑為11.3米，于1981年投入運行。世界上水頭最高的轉槳式水輪機裝在意大利的那姆比亞電站，其水頭為88.4米，單機功率為13.5兆瓦，轉速為375轉/分，于1959年投入運行。
世界上水頭最高的混流式水輪機裝于奧地利的羅斯亥克電站，其水頭為672米，單機功率為58.4兆瓦，于1967年投入運行。功率和尺寸最大的混流式水輪機裝于美國的大古力第三電站，其單機功率為700兆瓦，轉輪直徑約9.75米，水頭為87米，轉速為85.7轉/分，于1978年投入運行。
世界上最大的混流式水泵水輪機裝于聯(lián)邦德國的不來(lái)梅蓄能電站。其水輪機水頭237.5米，發(fā)電機功率660兆瓦，轉速125轉/分；水泵揚程247.3米，電動(dòng)機功率700兆瓦，轉速125轉/分。世界上容量最大的斜流式水輪機裝于蘇聯(lián)的潔雅電站，單機功率為215兆瓦，水頭為78.5米。
分類(lèi)
水輪機
反擊式水輪機
綜述
反擊式水輪機可分為混流式、軸流式、斜流式和貫流式。在混流式水輪機中，水流徑向進(jìn)入導水機構，軸向流出轉輪；在軸流式水輪機中，水流徑向進(jìn)入導葉，軸向進(jìn)入和流出轉輪；在斜流式水輪機中，水流徑向進(jìn)入導葉而以?xún)A斜于主軸某一角度的方向流進(jìn)轉輪，或以?xún)A斜于主軸的方向流進(jìn)導葉和轉輪；在貫流式水輪機中，水流沿軸向流進(jìn)導葉和轉輪。
軸流式、貫流式和斜流式水輪機按其結構還可分為定槳式和轉槳式。定槳式的轉輪葉片是固定的；轉槳式的轉輪葉片可以在運行中繞葉片軸轉動(dòng)，以適應水頭和負荷的變化。
各種類(lèi)型的反擊式水輪機都設有進(jìn)水裝置，大、中型立軸反擊式水輪機的進(jìn)水裝置一般由蝸殼、固定導葉和活動(dòng)導葉組成。蝸殼的作用是把水流均勻分布到轉輪周?chē)．斔^在40米以下時(shí)，水輪機的蝸殼常用鋼筋混凝土在現場(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。
在反擊式水輪機中，水流充滿(mǎn)整個(gè)轉輪流道，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(shí)，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：回收轉輪出口處水流的動(dòng)能；把水流排向下游；當轉輪的安裝位置高于下游水位時(shí)，將此位能轉化為壓力能予以回收。對于低水頭大流量的水輪機，轉輪的出口動(dòng)能相對較大，尾水管的回收性能對水輪機的效率有顯著(zhù)影響。
軸流式水輪機
軸流定槳式水輪機的葉片固定在轉輪體上。一般安裝高度在3-50m。，葉片安放角不能在運行中改變，結構簡(jiǎn)單，效率較低，適用于負荷變化小或可以用調整機組運行臺數來(lái)適應負荷變化的電站。
軸流轉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(chēng)卡普蘭水輪機。一般安裝高度在3-80m。其轉輪葉片一般由裝在轉輪體內的油壓接力器操作，可按水頭和負荷變化作相應轉動(dòng)，以保持活動(dòng)導葉轉角和葉片轉角間的最優(yōu)配合，從而提高平均效率，這類(lèi)水輪機的最高效率有的已超過(guò)94%。典型例子就是葛洲壩。
貫流式水輪機
的導葉和轉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彎，所以效率高，過(guò)流能力大，比轉數高，特別適用于水頭為3～20米的低水頭小型河床電站。
燈泡式機組的發(fā)電機裝在水密的燈泡體內。其轉輪既可以設計成定槳式，也可以設計成轉槳式。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(轉槳式半貫流)裝在美國的羅克島第二電站，水頭12.1米，轉速為85.7轉/分，轉輪直徑為7.4米，單機功率為54兆瓦，于1978年投入運行。
混流式水輪機
是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(chēng)弗朗西斯水輪機。與軸流轉槳式相比，其結構較簡(jiǎn)單，運行穩定，最高效率也比軸流式的高，但在水頭和負荷變化大時(shí)，平均效率比軸流轉槳式的低，這類(lèi)水輪機的最高效率有的已超過(guò)95%。混流式水輪機適用的水頭范圍很寬，為5～700米，但采用最多的是40～300米。
混流式的轉輪一般用低碳鋼或低合金鋼鑄件，或者采用鑄焊結構。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)轉輪采用不銹鋼。采用鑄焊結構能降低成本，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。
斜流式水輪機
是瑞士工程師德里亞于1956年發(fā)明，故又稱(chēng)德里亞水輪機。其葉片傾斜的裝在轉輪體上，隨著(zhù)水頭和負荷的變化，轉輪體內的油壓接力器操作葉片繞其軸線(xiàn)相應轉動(dòng)。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；與軸流轉槳水輪機相比，抗氣蝕性能較好，飛逸轉速較低，適用于40～120米水頭。
由于斜流式水輪機結構復雜、造價(jià)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(shí)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(dòng)時(shí)，轉輪葉片可關(guān)閉成近于封閉的圓錐因而能減小電動(dòng)機的啟動(dòng)負荷。
發(fā)展史
水輪機
水利資源的綜合開(kāi)發(fā)和利用，是指通過(guò)修建水利樞紐工程來(lái)進(jìn)行對河流水力資源在防洪、灌溉、航運、發(fā)電以及水產(chǎn)等發(fā)明的綜合利用。我國的水電發(fā)展設備事業(yè)也是在新中國成立以后才有了蓬勃發(fā)展，1975年我國還只能自行設計制造7.5萬(wàn)千瓦的新安江水電站，我國已能自行設計制造單機容量70萬(wàn)千瓦的混流式水輪機發(fā)電機組及單機容量17萬(wàn)千瓦的軸流轉槳式水輪發(fā)電機組。我國的水力設備的設計、制造水平已達到世界先進(jìn)水平。我國設計、制造的水力發(fā)電設備遠銷(xiāo)到美國、加拿大、菲律賓、土耳其、南斯拉夫、越南等國，受到了這些國家的歡迎。
水輪機牌號
反擊式
混流式HL
轉流式ZZ
軸流式ZD
斜流式XL
貫流轉漿式GZ
貫流定漿式GD
沖擊式
水斗式CJ
斜擊式XJ
雙擊式SJ
應用
水泵水輪機主要用于抽水蓄能電站。在電力系統負荷低于基本負荷時(shí)，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；在系統負荷高于基本負荷時(shí)，可用作水輪機，發(fā)出電力以調節高峰負荷。因此，純抽水蓄能電站并不能增加電力系統的電量，但可以改善火力發(fā)電機組的運行經(jīng)濟性，提高電力系統的總效率。50年代以來(lái)，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(dòng)機、水輪機和水泵串聯(lián)組成。它的優(yōu)點(diǎn)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(shí)機組的旋轉方向相同，可以迅速從發(fā)電轉換為抽水，或從抽水轉換為發(fā)電。同時(shí)，可以利用水輪機來(lái)啟動(dòng)機組。它的缺點(diǎn)是造價(jià)高，電站投資大。
斜流式水泵水輪機轉輪的葉片可以轉動(dòng)，在水頭和負荷變化時(shí)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(gè)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，轉速為428.6轉/分，于1977年投入運行。
20世紀以來(lái)，水電機組一直向高參數、大容量方向發(fā)展。隨著(zhù)電力系統中火電容量的增加和核電的發(fā)展，為解決合理調峰問(wèn)題，世界各國除在主要水系大力開(kāi)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。
工作參數
水頭H（米）
連續水流兩斷面間單位能量的差值稱(chēng)為水頭。水頭是水輪機的一個(gè)重要參數，它的大小直接影響著(zhù)水輪機出力的大小和水輪機型式的選擇。
流量
單位時(shí)間內流經(jīng)水輪機的水量（體積）稱(chēng)為水輪機的流量，用Q表示。通常用立方米/秒為單位。
出力
效率
水輪機的出力N通過(guò)水輪機水流的出力Np^0之比，稱(chēng)為水輪機的效率，用η表示。顯然效率是表面水輪機對水流能量的有效利用程度，是一個(gè)無(wú)量綱的物理量，用百分數（%）表示。
轉速
水輪機主軸在單位時(shí)間內的旋轉次數，稱(chēng)為水輪機的轉速，用n表示，通常采用“轉/分”作單位。
參考資料
[1]
《中國電力百科全書(shū)》編輯部 編. . 中國電力百科全書(shū)·水力發(fā)電卷. : 北京：中國電力出版社 ，2001-9-3
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