水輪機(jī)（將水流能量轉(zhuǎn)化為電能的設(shè)備）
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水輪機(jī)
本詞條是多義詞，共3個(gè)義項(xiàng)
將水流能量轉(zhuǎn)化為電能的設(shè)備
水輪機(jī)是把水流的能量轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)機(jī)械能的動(dòng)力機(jī)械，它屬于流體機(jī)械中的透平機(jī)械。早在公元前100年前后，中國(guó)就出現(xiàn)了水輪機(jī)的雛形——水輪，用于提灌和驅(qū)動(dòng)糧食加工器械。現(xiàn)代水輪機(jī)則大多數(shù)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。
基本信息
| 中文名 | 水輪機(jī) |
| 外文名 | hydroturbine |
| 用途 | |
| 原理 | |
| 性質(zhì) | 機(jī)械工程學(xué)術(shù)語(yǔ) |
簡(jiǎn)介
水輪機(jī)
我國(guó)水輪機(jī)及輔機(jī)制造行業(yè)綜合實(shí)力明顯增加，全行業(yè)呈現(xiàn)出蓬勃發(fā)展、充滿(mǎn)活力的可喜局面，行業(yè)趨好的標(biāo)志表現(xiàn)在經(jīng)濟(jì)運(yùn)行質(zhì)量的提高和經(jīng)濟(jì)效益的顯著增長(zhǎng)。
2010年，我國(guó)水輪機(jī)及輔機(jī)制造行業(yè)規(guī)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(xiàn)銷(xiāo)售收入44.70億元，同比增長(zhǎng)2.35%；實(shí)現(xiàn)利潤(rùn)總額3.23億元，同比增長(zhǎng)4.16%。
2010年，我國(guó)水電裝機(jī)規(guī)模達(dá)到2.11億千瓦，新增核準(zhǔn)水電規(guī)模1322萬(wàn)千瓦，在建規(guī)模7700萬(wàn)千瓦。根據(jù)我國(guó)對(duì)國(guó)際社會(huì)做出的“2020年非石化能源將達(dá)到能源總量15%”承諾，我國(guó)水電行業(yè)2020年裝機(jī)容量須達(dá)到3.8億千瓦。而即使按照我國(guó)公布的《可再生能源中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃》，確定到2020年水電裝機(jī)容量要達(dá)到3億千瓦，國(guó)內(nèi)11年內(nèi)將新增單機(jī)容量50千瓦以上的大型水電機(jī)組近300臺(tái)，每年平均新裝25臺(tái)50萬(wàn)千瓦及以上大型水電機(jī)組。若按2020年達(dá)到3.8億千瓦的裝機(jī)容量，我國(guó)所需的水輪機(jī)及輔機(jī)設(shè)備將進(jìn)一步增加，我國(guó)水輪機(jī)及輔機(jī)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(jī)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(guó)工程師佩爾頓發(fā)明了水斗式水輪機(jī)，它有流線(xiàn)型的收縮噴嘴，能把水流能量高效率地轉(zhuǎn)變?yōu)楦咚偕淞鞯膭?dòng)能。水輪機(jī)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(jì)80年代初，世界上單機(jī)功率最大的水斗式水輪機(jī)裝于挪威的悉·西馬電站，其單機(jī)容量為315兆瓦，水頭885米，轉(zhuǎn)速為300轉(zhuǎn)/分，于1980年投入運(yùn)行。水頭最高的水斗式水輪機(jī)裝于奧地利的賴(lài)瑟克山電站，其單機(jī)功率為22.8兆瓦，轉(zhuǎn)速750轉(zhuǎn)/分，水頭達(dá)1763.5米，1959年投入運(yùn)行。
80年代，世界上尺寸最大的轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)是中國(guó)東方電機(jī)廠制造的，裝在中國(guó)長(zhǎng)江中游的葛洲壩電站，其單機(jī)功率為170兆瓦，水頭為18.6米，轉(zhuǎn)速為54.6轉(zhuǎn)/分，轉(zhuǎn)輪直徑為11.3米，于1981年投入運(yùn)行。世界上水頭最高的轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)裝在意大利的那姆比亞電站，其水頭為88.4米，單機(jī)功率為13.5兆瓦，轉(zhuǎn)速為375轉(zhuǎn)/分，于1959年投入運(yùn)行。
世界上水頭最高的混流式水輪機(jī)裝于奧地利的羅斯亥克電站，其水頭為672米，單機(jī)功率為58.4兆瓦，于1967年投入運(yùn)行。功率和尺寸最大的混流式水輪機(jī)裝于美國(guó)的大古力第三電站，其單機(jī)功率為700兆瓦，轉(zhuǎn)輪直徑約9.75米，水頭為87米，轉(zhuǎn)速為85.7轉(zhuǎn)/分，于1978年投入運(yùn)行。
世界上最大的混流式水泵水輪機(jī)裝于聯(lián)邦德國(guó)的不來(lái)梅蓄能電站。其水輪機(jī)水頭237.5米，發(fā)電機(jī)功率660兆瓦，轉(zhuǎn)速125轉(zhuǎn)/分；水泵揚(yáng)程247.3米，電動(dòng)機(jī)功率700兆瓦，轉(zhuǎn)速125轉(zhuǎn)/分。世界上容量最大的斜流式水輪機(jī)裝于蘇聯(lián)的潔雅電站，單機(jī)功率為215兆瓦，水頭為78.5米。
分類(lèi)
水輪機(jī)
沖擊式水輪機(jī)
沖擊式水輪機(jī)按水流的流向可分為切擊式(又稱(chēng)水斗式)和斜擊式兩類(lèi)。斜擊式水輪機(jī)的結(jié)構(gòu)與水斗式水輪機(jī)基本相同，只是射流方向有一個(gè)傾角，只用于小型機(jī)組。
理論分析證明，當(dāng)水斗節(jié)圓處的圓周速度約為射流速度的一半時(shí)，效率最高。這種水輪機(jī)在負(fù)荷發(fā)生變化時(shí)，轉(zhuǎn)輪的進(jìn)水速度方向不變，加之這類(lèi)水輪機(jī)都用于高水頭電站，水頭變化相對(duì)較小，速度變化不大，因而效率受負(fù)荷變化的影響較小，效率曲線(xiàn)比較平緩，最高效率超過(guò)91%。
反擊式水輪機(jī)
綜述
反擊式水輪機(jī)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。
軸流式水輪機(jī)
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。
貫流式水輪機(jī)
的導(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。
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。
混流式水輪機(jī)
是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%。混流式水輪機(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。
斜流式水輪機(jī)
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(jī)。其葉片傾斜的裝在轉(zhuǎn)輪體上，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。
發(fā)展史
水輪機(jī)
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(duì)河流水力資源在防洪、灌溉、航運(yùn)、發(fā)電以及水產(chǎn)等發(fā)明的綜合利用。我國(guó)的水電發(fā)展設(shè)備事業(yè)也是在新中國(guó)成立以后才有了蓬勃發(fā)展，1975年我國(guó)還只能自行設(shè)計(jì)制造7.5萬(wàn)千瓦的新安江水電站，我國(guó)已能自行設(shè)計(jì)制造單機(jī)容量70萬(wàn)千瓦的混流式水輪機(jī)發(fā)電機(jī)組及單機(jī)容量17萬(wàn)千瓦的軸流轉(zhuǎn)槳式水輪發(fā)電機(jī)組。我國(guó)的水力設(shè)備的設(shè)計(jì)、制造水平已達(dá)到世界先進(jìn)水平。我國(guó)設(shè)計(jì)、制造的水力發(fā)電設(shè)備遠(yuǎn)銷(xiāo)到美國(guó)、加拿大、菲律賓、土耳其、南斯拉夫、越南等國(guó)，受到了這些國(guó)家的歡迎。
水輪機(jī)牌號(hào)
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
沖擊式
水斗式CJ
斜擊式XJ
雙擊式SJ
應(yīng)用
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。
工作參數(shù)
水頭H（米）
連續(xù)水流兩斷面間單位能量的差值稱(chēng)為水頭。水頭是水輪機(jī)的一個(gè)重要參數(shù)，它的大小直接影響著水輪機(jī)出力的大小和水輪機(jī)型式的選擇。
流量
單位時(shí)間內(nèi)流經(jīng)水輪機(jī)的水量（體積）稱(chēng)為水輪機(jī)的流量，用Q表示。通常用立方米/秒為單位。
出力
效率
水輪機(jī)的出力N通過(guò)水輪機(jī)水流的出力Np^0之比，稱(chēng)為水輪機(jī)的效率，用η表示。顯然效率是表面水輪機(jī)對(duì)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?jǐn)?shù)（%）表示。
轉(zhuǎn)速
水輪機(jī)主軸在單位時(shí)間內(nèi)的旋轉(zhuǎn)次數(shù)，稱(chēng)為水輪機(jī)的轉(zhuǎn)速，用n表示，通常采用“轉(zhuǎn)/分”作單位。
參考資料
[1]
《中國(guó)電力百科全書(shū)》編輯部 編. . 中國(guó)電力百科全書(shū)·水力發(fā)電卷. : 北京：中國(guó)電力出版社 ，2001-9-3
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