什么是水轮机?

[拼音]：shuilunji

[外文]：hydraulic turbine

将水流的能量转换为旋转机械能的水力原动机。主要应用于水电站驱动水轮发电机产生电能，为水电站的关键动力设备。

水轮机系由古代的水轮或水车演变而来。1827年法国工程师B.富尔内隆制成 6马力的反击式水轮机。1849年经美国工程师J.B.弗朗西斯设计改进形成了现代混流式水轮机，故称为弗朗西斯水轮机。1850年出现冲击式水轮机。到1880年美国工程师L.A.佩尔顿取得水斗型冲击式水轮机的专利，世人称之为佩尔顿水轮机。随着水电开发的进展，水轮机的类型、性能和结构日趋完善。1912年奥地利工程师V.卡普兰设计出第一台转桨轴流式水轮机，故称为卡普兰水轮机。到20世纪40～50年代又相继出现贯流式和斜流式水轮机，同时水轮机又发展为水泵水轮机，应用于抽水蓄能电站。水轮机的类型已能适应水电开发的不同任务和不同水头的要求。中华人民共和国成立以后，很快建成中国的水轮机制造工业，拥有20多个水轮机制造厂，已生产出2000万kW以上的水轮机装备全国的水电站，并向国外出口。

水轮机分为反击式和冲击式两大类。反击式水轮机按转轮区域内水流运动的方向分为混流式、轴流式、斜流式和贯流式。其组成部件有蜗壳(引水室)、导水机构、转轮、尾水管、轴和轴承等。冲击式水轮机按射流冲击水斗的方式不同分为水斗式、斜击式和双击式，后两种仅适用于小型水轮机。其组成部件有喷嘴、转轮、机壳、轴与轴承等。各类水轮机在使用水头、单机容量和尺寸方面的世界最高水平见表。（见彩图）

水流沿径向进入转轮然后沿轴向自转轮流出的水轮机（图1）。适用水头一般为20～700m，适用水头范围广，结构简单，运行可靠，应用最为广泛。中国制造的最大混流式水轮机安装在青海省龙羊峡水电站，水轮机容量32.65万kW。中国混流式水轮机的最高使用水头为318m，安装在四川省渔子溪一级水电站，水轮机额定出力为4.15万kW。

水流进、出转轮沿轴向流动的水轮机（图2）。轴流式水轮机的转轮没有转环，叶片形如螺旋桨，又可分为转桨式和定桨式。定桨式水轮机的叶片固定，常用于单机容量不大和水头变化幅度不大的电站，适用水头一般为3～70m。转桨式水轮机桨叶可以转动并与导水叶的开度相配合。其平均效率比混流式水轮机高，运行稳定，缺点是结构复杂，适用水头一般为3～80m。中国葛洲坝水利枢纽转轮直径 11.3m水轮机是世界上最大尺寸的轴流转桨式水轮机，出力为17.55万kW。陕西省石门水电站的水轮机最大水头77m，是中国水头最高的转桨式水轮机。

水流经转轮叶片时倾向于轴线某一方向的水轮机（图3）。其叶片可转动，在结构和特性方面介于混流式和轴流式水轮机之间，适用水头一般为40～120m，比轴流式水轮机的适用水头高，比混流式水轮机的平均效率高，对水头、负荷变化的适应性好。缺点是制造工艺复杂，造价高，小型电站不宜采用。中国在1969年制成第一台斜流式水轮机，容量为8800kW。北京市密云水电站抽水蓄能机组水轮机设计出力1.3万kW，是中国最大容量的斜流式水轮机。

流道呈直线状的卧轴水轮机(图4)，分为定桨式和转桨式两种。其转轮与轴流式水轮机相似，但效率和过流量比轴流式水轮机大，适用水头一般为3～20m，是开发低水头和潮汐水力资源的新型水轮机。按发电机的布置方式分为全贯流式和半贯流式两种。半贯流式又分为竖井式、轴伸式和灯泡式，其中以灯泡式水轮机应用最广泛。中国的贯流式水轮机自20世纪70年代才开始发展，最大单机容量的灯泡式水轮机为1万kW，而用于潮汐发电的灯泡式水轮机单机容量最大为700kW，安装在温岭县江厦潮汐电站，该机具有双向发电，双向泄水的功能。

由喷嘴喷射的高速射流沿转轮圆周切线方向冲击水斗的水轮机(图5)。它的转轮是由若干个瓢形水斗固定在轮缘上所组成，适用水头一般为100～1700m。四川省磨房沟二级水电站的1.3万kW容量水轮机是中国制造的最大水斗式水轮机。中国制造的水斗式水轮机最高水头已超过600m。

不论何种类型的水轮机均系利用水流的能量给叶片的反力推动转轮作功，以达到能量转换的目的。水流传递给水轮机的功率为9.81QHzs其中Q为通过水轮机的流量；H为有效水头;ηs为水轮机水力效率。水轮机得到的功率为Mω（M为水流对转轮的作用力矩，ω为角速度）。水轮机基本方程式为：

式中 g为重力加速度；v1、v2分别为水流进入和流出转轮时的绝对速度；u1、u2分别为转轮进口、出口的旋转速度；α1、α2分别为水流进入和流出转轮时的绝对速度与圆周分速度的夹角。在设计水轮机转轮的通流部分时应遵循这一基本方程式。

反击式水轮机利用水流的压能（位能）和动能，水流经过转轮叶片时受叶片的作用而改变压力与流速的大小和方向，而对转轮叶片产生反作用，形成转轮的旋转力矩使水轮机工作。冲击式水轮机利用水流的动能，通过喷嘴把高压水流全部转化为动能以高速射向转轮叶片而使转轮旋转。

反映水轮机工作过程的特性，有以下参数：

（1）工作水头即作用在水轮机上作功的有效水头，以m计。水轮机设计水头指水轮机发出额定功率时的最低水头。

（2）流量即单位时间内通过水轮机的水流体积，以m3/s计。在设计水头、额定转速下发出额定功率时通过水轮机的流量称为额定流量。

（3）轴功率指水轮机立轴输出的机械功，以kW计。轴功率随工作水头而变化，在设计水头、额定流量、额定转速下水轮机输出的轴功率称为额定功率。

（4）效率指轴功率与水流在单位时间内输入水轮机的能量之比。

（5）转速指水轮机在单位时间内旋转的次数，以r/min计。

（6）转轮直径是水轮机最主要的代表性尺寸。对不同类型水轮机的转轮标称直径有统一规定。中国规定的标称直径见图1～图5中所示D1。

（7）吸出高度是反击式水轮机的转轮叶片上压力最低点到下游水位的高程差，又称静态真空，常用符号Hs表示。在电站设计中按允许的Hs值和电站下游水位确定水轮机的安装高程。

水轮机内水流运动十分复杂，计算理论至今还不完善。水轮机水力部件设计时除进行理论计算外，还应进行模型水力试验，得出模型转轮的能量和空蚀特性，然后推算原型水轮机的参数。模型是根据水流运动相似条件与原型水轮机几何相似按比例缩小制成。具有几何相似而尺寸不同的转轮的水轮机组成一个水轮机系列。同系列转轮的能量、空蚀等水力特性相同。

由于河流自然条件不同，每个水电站都有一定的水头和流量，而且参加电网运行的要求也不同，因此需要根据电站的具体情况，经过技术经济比较并与制造部门联系，合理选择水轮机的类型和参数，优选效率高、抗空蚀性能好、运行安全可靠、尺寸小、造价低的水轮机。

提高水轮机的比转速，增强抗汽蚀性能，扩大单机容量和各类水轮机适用的水头范围，在结构、工艺、材料和强度、水力计算方面进一步改进，以提高水轮机运行的可靠性，减少金属耗量，降低造价。

参考书目

程良骏主编:《水轮机》，机械工业出版社，北京，1981。H.M.沙波夫著，黄明忠、徐纪方译：《水电站的水轮机设备》，中国工业出版社，北京，1964。

参考文章

水轮机的由来工业博览

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