什么是水轮机?

[拼音]：shuilunji

[外文]：hydraulic turbine

把水流的能量（动能、位能和压力能）转换为旋转机械能的动力机械。它属于流体机械中的透平机械。早在公元前100年前后，中国就出现了水轮机的雏形──水轮，用于提灌和驱动粮食加工器械。现代水轮机则大多数安装在水电站内，用来驱动发电机发电。它与发电机连接在一起，组成水轮发电机组。在水电站中，上游水库中的水经引水管引向水轮机，推动水轮机转轮旋转，带动发电机发电。作完功的水则通过尾水管道排向下游。水轮机的输出功率P（千瓦）按下式计算：P＝9.804Hqη。式中H为流向水轮机的净水头（米）；q为流向水轮机的水流量（米3/秒）；η 为水轮机的效率，即水轮机的输出功率与输入功率之比。根据这个公式，水头越高、流量越大，水轮机的输出功率也就越大。

水轮机按工作原理可分为冲击式水轮机和反击式水轮机两大类（见表）。冲击式水轮机的转轮受到水流的冲击而旋转，工作过程中水流的压力不变，主要是动能的转换。反击式水轮机的转轮在水中受到水流的反作用力而旋转，工作过程中水流的压力能和动能均有改变，但主要是压力能的转换。

在水斗（切击）式水轮机（图1）中，从喷嘴出来的射流沿转轮圆周的切线方向射向双U形的水斗中部，然后在水斗中转向两侧排出。在斜击式水轮机中，射流倾斜于转轮轴线，从进口平面一侧射向叶片，通过叶片后从另一侧排出。图2为斜击式水轮机的转轮和工作原理。斜击式水轮机一般只用于2兆瓦以下的小型机组。

反击式水轮机又可分为混流式、轴流式、斜流式和贯流式。在混流式水轮机（图3）中，水流径向进入导水机构，轴向流出转轮。在轴流式水轮机（图4）中，水流径向进入导叶，轴向进入和流出转轮。在斜流式水轮机中，水流径向进入导叶，而以倾斜于主轴某一角度的方向流进转轮（图5），或以倾斜于主轴的方向流进导叶和转轮。在贯流式水轮机（图6）中，水流沿轴向流进导叶和转轮。

轴流式、贯流式和斜流式水轮机按其结构还可分为定桨式和转桨式。定桨式的转轮叶片是固定的；转浆式的转轮叶片可以在运行中绕叶片轴转动，以适应水头和负荷的变化。

各种水轮机大多可采用立轴式或卧轴式布置。大型机组多数采用立轴式布置，贯流式水轮机一般为卧轴或斜轴布置。

表中所列的各类水轮机还可按比转数（又称比转速）进一步划分成若干系列。保持几何相似和运动相似的同一系列水轮机比转数相等，水力特征相同，而与尺寸大小无关。在一定的水头下，比转数高，则机组转速高、尺寸小、质量小、造价低，因此比转数是水轮机的关键技术经验指标，但比转数的提高受气蚀和强度条件的限制。水轮机的比转数在数值上等于1米水头下发出1千瓦功率时的转速。

冲击式水轮机按水流的流向分为切击式（又称水斗式）和斜击式两类。

早期的冲击式水轮机水流在冲击叶片时，动能损失很大，效率不高。1889年，美国工程师L.A.佩尔顿发明了水斗式水轮机。它有流线型的收缩喷嘴，能把水流能量高效率地转变为高速射流的动能。它的转轮周围装有双U形断面的水斗。双U形的中央设有分水刃，使进入水斗的射流能量损失减到最小限度。这些改进使效率大大提高，因此，水斗式水轮机得到了迅速推广。

理论分析证明，当水斗节圆处的圆周速度约为射流速度的一半时，效率最高。这种水轮机在负荷发生变化时，转轮的进水速度方向不变，加之这类水轮机都用于高水头电站，水头变化相对较小，速度变化不大，因而效率受负荷变化的影响较小，效率曲线比较平缓（图7中α线），最高效率超过91％。

在水斗式水轮机中，由于1个喷管喷出的射流在同一时刻只接触几个水斗，有可能在1个转轮周围布置几个喷管，以提高单机输出功率和比转速。立轴水斗式水轮机可按需要布置2～6个喷管；卧轴水斗式水轮机由于布置上的原因一般只装1～2个喷管。为提高单机功率，卧轴水斗式水轮机也可采用双转轮(各有1个或2个喷管)的方案，但用得较少。

水斗式水轮机前，一般都设有很长的引水管，当突然卸去机组负荷时，如果调节流量的喷针动作过快，则引水管内的水流突然减速。水流的惯性作用会引起强烈的水锤（或称水击），使管内的压力上升过高，甚至造成引水钢管破裂；反之，如果喷针的动作过慢，又会因水轮机的输出功率下降太慢而使机组的转速上升过高。因此，在喷嘴前方设置了折向器。当机组卸去负荷时，调速器一方面使喷针缓慢关闭，不致在管道内引起严重水锤，另一方面则使折向器迅速切入射流，偏转部分或全部射流的方向，使之不射向转轮而直接排入尾水渠，从而降低机组的转速上升率。

20世纪80年代初，世界上单机功率最大的水斗式水轮机装于挪威的悉·西马电站，其单机容量为 315兆瓦，水头为885米，转速为300转／分，于1980年投入运行。水头最高的水斗式水轮机装于奥地利的赖瑟克山电站，其单机功率为22.8兆瓦，转速为750转／分，水头达1763.5米，于1959年投入运行。

它的结构与水斗式水轮机基本相同，只是射流方向有一个倾角，只用于小型机组。

各种类型的反击式水轮机都设有进水装置。大、中型立轴反击式水轮机的进水装置一般由蜗壳、固定导叶和活动导叶组成。蜗壳的作用是把水流均匀分布到转轮周围。当水头在40米以下时，水轮机的蜗壳常用钢筋混凝土在现场浇注而成。水头高于40米时，则常采用拼焊或整铸的金属蜗壳。蜗壳内侧装有座环，座环沿圆周布置有 8～24片固定导叶。座环的内侧布置活动导叶，一般有 8～32片。活动导叶绕自身轴线转动，在调速器的 *** 作下控制活动导叶转角，以调节水轮机的流量和功率。各种反击式水轮机的转轮形状不同，转轮上所装的叶片数也不同。轴流式转轮一般装3～8片，斜流式装8～12片，混流式装9～19片。

在反击式水轮机中，水流充满整个转轮流道，全部叶片同时受到水流的作用，所以在同样的水头下转轮直径小于冲击式水轮机。它们的最高效率也高于冲击式水轮机，但当负荷变化时，水轮机的效率受到不同程度的影响。叶片固定（定浆）的反击式水轮机因不能很好地适应水流的变化，其效率曲线较陡（图7中d线）。 为在给定的功率和水头下获得较高的效率，须正确选择转速，合理确定转轮的进出口尺寸。导叶和叶片的形状应使水流平顺，尽可能减小撞击损失。在设计工况下，应使转轮出口流速的圆周分量趋近于零，即所谓轴向出流。另外，流道的设计应保证水轮机具有良好的汽蚀性能和运行稳定性。

反击式水轮机都设有尾水管，其作用是：回收转轮出口处水流的动能;把水流排向下游;当转轮的安装位置高于下游水位时，将此位能转化为压力能予以回收。对于低水头大流量的水轮机，转轮的出口动能相对较大，尾水管的回收性能对水轮机的效率有显著影响。

由于尾水管的存在，转轮出口处水流的压力与转轮相对于尾水位的安装位置有关。转轮叶片上的压力最低点到下游水位间的距离称吸出高度。一般来说，吸出高度越高，越容易发生气蚀；吸出高度越低，则电站开挖深度增加，投资增大，因此需要合理选择水轮机的安装高程。

气蚀是指水流依次经过局部低压区和高压区时，其中的气体和蒸气相继形成气泡而又破灭的现象。对于反击式水轮机，气蚀问题比较突出，它常发生在叶片背面以及间隙出流和局部脱流的区域，造成过流表面材料的破坏。气蚀严重时，甚至会影响水轮机的工作特性。对气蚀研究的结果表明：材料表面越粗糙或水中含气体越多，气蚀越容易发生；水中含泥沙越多，在气蚀和泥沙磨损的联合作用下，材料的破坏越严重。另外，低水头、低负荷运行也会加剧气蚀破坏；检修不及时，则可能引起气蚀破坏的恶性发展。因此，设计气蚀性能良好的翼型和研制抗气蚀、抗泥沙磨损的金属材料，是现代水轮机技术发展的重要课题之一。

当反击式水轮机前有长引水管时，过快改变流量会引起严重的水击。这时，需要在靠近水轮机的引水管上设置调压井或安全阀。这样，当活动导叶迅速关闭时，水轮机减少的流量部分或全部地暂时进入调压井或经安全阀泄放，以降低引水管中的流速变化率，从而减轻水击。导叶迅速开启时，调压井还能补充一部分水到引水管内，有利于快速开启时机组调整稳定和避免引水管内出现局部降压。

对于大功率、大尺寸的水轮机，较小的扰动力就可能引起较大的振动。因此，需要特别注意减小水力扰动、提高机器刚度和避免发生共振。

适用于较低水头的电站。在相同水头下，其比转数较混流式水轮机为高。

轴流定桨式水轮机的叶片固定在转轮体上，叶片安放角不能在运行中改变，效率曲线较陡（图7中d线），适用于负荷变化小或可以用调整机组运行台数来适应负荷变化的电站。

轴流转桨式水轮机是奥地利工程师V.卡普兰在1920年发明的，故又称卡普兰水轮机。其转轮叶片一般由装在转轮体内的油压接力器 *** 作，可按水头和负荷变化作相应转动，以保持活动导叶转角和叶片转角间的最优配合，从而提高平均效率，其效率曲线甚为平缓(图7中b线)。这类水轮机的最高效率有的已超过94％。

80年代，世界上尺寸最大的转桨式水轮机（见彩图）是中国东方电机厂制造的，装在中国长江中游的葛洲坝电站，其单机功率为 170兆瓦，水头为18.6米，转速为54.6转／分，转轮直径为11.3米，于1981年投入运行。世界上水头最高的转桨式水轮机装在意大利的那姆比亚电站，其水头为88.4米，单机功率为13.5兆瓦，转速为375转／分，于1959年投入运行。

它的导叶和转轮间的水流基本上无变向流动，加上采用直锥形尾水管，排流不必在尾水管中转弯，所以效率高，过流能力大，比转数高，特别适用于水头为 3～20米的低水头电站。这种水轮机装在潮汐电站内还可以实现双向发电。这种水轮机有多种结构，使用最多的是灯泡式水轮机(bulb turbine)。另外，发电机转子直接装在水轮机叶片外缘上的全贯流式水轮机也受到许多国家的重视。灯泡式机组的发电机装在水密的灯泡体内（图6）。其转轮既可以设计成定桨式，也可以设计成转桨式。世界上最大的灯泡式水轮机（转桨式）装在美国的罗克岛第二电站，其水头为12.1米，转速为85.7转／分，转轮直径为7.4米，单机功率为54兆瓦，于1978年投入运行。

混流式水轮机是世界上使用最广泛的一种水轮机，由美国工程师J.B.弗朗西斯于1849年发明，故又称弗朗西斯水轮机（图3）。与轴流转桨式相比，其结构较简单，最高效率也比轴流式的高，但在水头和负荷变化大时平均效率比轴流转桨式的低。这类水轮机的最高效率有的已超过95％。混流式水轮机适用的水头范围很宽，为5～700米，但采用最多的是40～300米。

混流式的转轮一般用低碳钢或低合金钢铸件，或者采用铸焊结构。为提高抗汽蚀和抗泥沙磨损性能，可在易气蚀部位堆焊不锈钢，或采用不锈钢叶片，有时也可整个转轮采用不锈钢。采用铸焊结构能降低成本，并使流道尺寸更精确，流道表面更光滑，有利于提高水轮机的效率，还可以分别用不同材料制造叶片、上冠和下环。中国从50年代开始采用铸焊结构，60年代中即制成了直径5.5米的铸焊转轮。

随着单机功率的增大，水轮机转轮直径也随着加大，为解决运输问题，又研制了分瓣转轮。转轮上冠用螺栓组合，下环在工地焊合。由于控制了焊接变形和应力，采用了电感应加热进行局部热处理，焊合后不需要再在机床上加工。尺寸更大的转轮在不能整体或分瓣运输时，可以采用叶片、上冠、下环在制造厂分别初加工后运往工地组焊、热处理和切削加工的方案。美国的大古力电站所用的转轮就采用这种方案。

世界上水头最高的混流式水轮机装于奥地利的罗斯亥克电站，其水头为672米，单机功率为58.4兆瓦，于1967年投入运行。功率和尺寸最大的混流式水轮机装于美国的大古力第三电站，其单机功率为700兆瓦，转轮直径约9.75米，水头为87米，转速为85.7转／分，于1978年投入运行。

斜流式水轮机是瑞士工程师P.德里亚于1956年发明，故又称德里亚水轮机。其叶片斜装在转轮体上，随着水头和负荷的变化，转轮体内的油压接力器 *** 作叶片绕其轴线相应转动。它的最高效率稍低于混流式水轮机，但平均效率大大高于混流式水轮机。它与轴流转桨式水轮机相比，抗气蚀性能较好，飞逸转速较低，适用于40～120米水头。由于其结构复杂，造价高，一般只在不宜使用混流式或轴流式水轮机或不够理想时才采用。这种水轮机还可用作可逆式水泵水轮机。当它在水泵工况启动时，转轮叶片可关闭成近于封闭的圆锥，因而能减小电动机的启动负荷。

世界上容量最大的斜流式水轮机装于苏联的洁雅电站，单机功率为215兆瓦，水头为78.5米。

水泵水轮机用于抽水蓄能电站。在电力系统负荷低于基本负荷时，它可用作水泵，利用多余发电能力，从下游水库抽水到上游水库，以位能形式蓄存能量；在系统负荷高于基本负荷时，可用作水轮机，发出电力以调节高峰负荷。因此，纯抽水蓄能电站并不能增加电力系统的电量，但可以改善火力发电机组的运行经济性，提高电力系统的总效率。50年代以来，抽水蓄能机组在世界各国受到普遍重视并获得迅速发展。

早期发展的或水头很高的抽水蓄能机组大多采用三机式，即由发电电动机、水轮机和水泵串联组成。它的优点是水轮机和水泵分别设计，可各自具有较高效率，而且发电和抽水时机组的旋转方向相同，可以迅速从发电转换为抽水，或从抽水转换为发电。同时，可以利用水轮机来启动机组。它的缺点是造价高，电站投资大。

抽水蓄能机组的抽水工况与发电工况的水头和流量差别较小，因而有可能由同一转轮实现抽水和发电的双重功能，从而成为可逆二机式抽水蓄能机组。可逆二机式机组由发电电动机和水泵水轮机组成。水泵水轮机的转轮是两用的。进压力水时，水泵水轮机成为一台反击式水轮机，驱动发电电动机(此时作发电机用)发电。 当启动发电电动机向反方向旋转（此时作电动机用）时，它又成为一台水泵，从下游抽水到上游。因为要改变转向，工况转换时间较长。实践证明，用水泵作水轮机运行比用水轮机作水泵运行效果好，所以现代水泵水轮机的转轮都按水泵工况设计。高水头混流式水泵水轮机的转轮具有离心泵的特征，其叶片长而少，一般只有6～7片。

可逆式水泵水轮机的抽水与发电的最优工况不相重合，如选择同一转速，则水泵出现最优效率的扬程不同于水轮机出现最优效率的水头，因此选择转速时需要兼顾水泵和水轮机的效率，或者采用双速电机。水泵的流量和功率随扬程变化较大，因此水泵水轮机比较适用于水头变化较小的纯扬水发电站。否则，当水头变化幅度大时，可能造成发电电动机长时间在负荷不满的条件下运行。

斜流式水泵水轮机转轮的叶片可以转动，在水头和负荷变化时仍有良好的运行性能，但受水力特性和材料强度的限制，到80年代初，它的最高水头只用到136.2米（日本的高根第一电站）。对于更高的水头，需要采用混流式水泵水轮机。

世界上最大的混流式水泵水轮机装于联邦德国的不来梅蓄能电站。其水轮机工况为：水头237.5米，发电机功率660兆瓦，转速125转／分；水泵工况为:扬程247.3米，电动机功率700兆瓦，转速125转／分。

抽水蓄能电站设有上、下两个水库。在蓄存相同能量的条件下，提高扬程可以缩小库容、提高机组转速、降低工程造价。因此，300米以上的高水头蓄能电站发展很快。世界上水头最高的混流式水泵水轮机装于南斯拉夫的巴伊纳巴什塔电站，其单机功率为315兆瓦，水轮机水头为600.3米，水泵扬程为623.1米，转速为428.6转/分，于1977年投入运行。水头1000米左右的混流式水泵水轮机和其他类型的抽水蓄能机组尚在研制中。

供电系统要求经常保持稳定的电频率。当发电机的电力负荷发生变化时，机组的转速会随之变化，这时调速器根据测速元件发出的信号 *** 纵水轮机的流量调节机构，调节水轮机的输出功率，使之与发电机的电力负荷相适应，并使转速恢复到额定值，达到新的平衡。

调速器的测速元件称飞摆或摆，有机械式、液压式和电气液压式 3种。其执行机构由一套连杆装置和配压阀等元器件组成。为保持调节稳定，还设有缓冲装置。调速器有机械液压式和电气液压式两种。后者的调整灵敏度高，便于控制机组按预定的负荷图运行。

水轮发电机组调节系统的发展趋势是现实电子计算机程序控制。

20世纪以来，水电机组一直向高参数、大容量方向发展。从60年代开始，苏联和中国相继制成了225兆瓦的水轮发电机组，分别装于布拉茨克和刘家峡电站。接着，苏联又制成了500兆瓦的混流式机组，装于布拉斯诺雅尔斯克电站。70年代，美国的大古力第三电站安装了700兆瓦的机组。80年代，又将有一批700兆瓦左右的混流式机组投入运行。

为了提高水电建设的经济效益，世界各国还在研制容量更大的机组。预计，1000兆瓦左右或更大的机组将会在不久出现。

随着电力系统中火电容量的增加和核电的发展，为解决合理调峰问题，世界各国除在主要水系大力开发或扩建大型电站外，正在积极兴建抽水蓄能电站，水泵水轮机因而得到迅速发展。

为了充分利用各种水力资源，潮汐、落差很低的平原河流甚至波浪等也引起普遍重视，从而使贯流式水轮机和其他小型机组迅速发展。

中国已经建成单机功率为12兆瓦以下的小型水电站8万余座，到1981年，总装机达7500兆瓦。另外，中国还生产了大量直接用来驱动各种机械的小型水轮机，如水轮泵等。

参考书目

程良骏主编：《水轮机》，机械工业出版社，北京，1981。哈尔滨大电机研究所编著：《水轮机设计手册》，机械工业出版社，北京，1976。Н.Н.Ковалев，γидромурбины，Μащгиз，Μосκва，1972．

参考文章

水轮机的由来工业博览

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