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水輪機
本詞條是多義詞，共3個義項
將水流能量轉(zhuǎn)化為電能的設(shè)備
基本信息
| 中文名 | 水輪機 |
| 外文名 | hydroturbine |
| 用途 | |
| 原理 | |
| 性質(zhì) | 機械工程學(xué)術(shù)語 |
簡介
水輪機
我國水輪機及輔機制造行業(yè)綜合實力明顯增加，全行業(yè)呈現(xiàn)出蓬勃發(fā)展、充滿活力的可喜局面，行業(yè)趨好的標(biāo)志表現(xiàn)在經(jīng)濟運行質(zhì)量的提高和經(jīng)濟效益的顯著增長。
2010年，我國水輪機及輔機制造行業(yè)規(guī)模以上（全年銷售收入在500萬元以上）企業(yè)68家，實現(xiàn)銷售收入44.70億元，同比增長2.35%；實現(xiàn)利潤總額3.23億元，同比增長4.16%。
2010年，我國水電裝機規(guī)模達到2.11億千瓦，新增核準(zhǔn)水電規(guī)模1322萬千瓦，在建規(guī)模7700萬千瓦。根據(jù)我國對國際社會做出的“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《可再生能源中長期發(fā)展規(guī)劃》，確定到2020年水電裝機容量要達到3億千瓦，國內(nèi)11年內(nèi)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(shè)備將進一步增加，我國水輪機及輔機行業(yè)發(fā)展前景廣闊。
發(fā)展過程
早期的沖擊式水輪機的水流在沖擊葉片時，動能損失很大，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)楦咚偕淞鞯膭幽堋Ｋ啓C之最（整個本段可以全部不要了，這段上面80%的都過時了，都被取代了。很老的資料了，參考價值不大，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(zhuǎn)速為300轉(zhuǎn)/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瑟克山電站，其單機功率為22.8兆瓦，轉(zhuǎn)速750轉(zhuǎn)/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(zhuǎn)槳式水輪機是中國東方電機廠制造的，裝在中國長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(zhuǎn)速為54.6轉(zhuǎn)/分，轉(zhuǎn)輪直徑為11.3米，于1981年投入運行。世界上水頭最高的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速為375轉(zhuǎn)/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(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)邦德國的不來梅蓄能電站。其水輪機水頭237.5米，發(fā)電機功率660兆瓦，轉(zhuǎn)速125轉(zhuǎn)/分；水泵揚程247.3米，電動機功率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
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，水流徑向進入導(dǎo)水機構(gòu)，軸向流出轉(zhuǎn)輪；在軸流式水輪機中，水流徑向進入導(dǎo)葉，軸向進入和流出轉(zhuǎn)輪；在斜流式水輪機中，水流徑向進入導(dǎo)葉而以傾斜于主軸某一角度的方向流進轉(zhuǎn)輪，或以傾斜于主軸的方向流進導(dǎo)葉和轉(zhuǎn)輪；在貫流式水輪機中，水流沿軸向流進導(dǎo)葉和轉(zhuǎn)輪。
軸流式、貫流式和斜流式水輪機按其結(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)輪葉片可以在運行中繞葉片軸轉(zhuǎn)動，以適應(yīng)水頭和負荷的變化。
各種類型的反擊式水輪機都設(shè)有進水裝置，大、中型立軸反擊式水輪機的進水裝置一般由蝸殼、固定導(dǎo)葉和活動導(dǎo)葉組成。蝸殼的作用是把水流均勻分布到轉(zhuǎn)輪周圍。當(dāng)水頭在40米以下時，水輪機的蝸殼常用鋼筋混凝土在現(xiàn)場澆注而成；水頭高于40米時，則常采用拼焊或整鑄的金屬蝸殼。
在反擊式水輪機中，水流充滿整個轉(zhuǎn)輪流道，全部葉片同時受到水流的作用，所以在同樣的水頭下，轉(zhuǎn)輪直徑小于沖擊式水輪機。它們的最高效率也高于沖擊式水輪機，但當(dāng)負荷變化時，水輪機的效率受到不同程度的影響。
反擊式水輪機都設(shè)有尾水管，其作用是：回收轉(zhuǎn)輪出口處水流的動能；把水流排向下游；當(dāng)轉(zhuǎn)輪的安裝位置高于下游水位時，將此位能轉(zhuǎn)化為壓力能予以回收。對于低水頭大流量的水輪機，轉(zhuǎn)輪的出口動能相對較大，尾水管的回收性能對水輪機的效率有顯著影響。
軸流式水輪機
軸流定槳式水輪機的葉片固定在轉(zhuǎn)輪體上。一般安裝高度在3-50m。，葉片安放角不能在運行中改變，結(jié)構(gòu)簡單，效率較低，適用于負荷變化小或可以用調(diào)整機組運行臺數(shù)來適應(yīng)負荷變化的電站。
軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機是奧地利工程師卡普蘭在1920年發(fā)明的，故又稱卡普蘭水輪機。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，可按水頭和負荷變化作相應(yīng)轉(zhuǎn)動，以保持活動導(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，這類水輪機的最高效率有的已超過94%。典型例子就是葛洲壩。
貫流式水輪機
的導(dǎo)葉和轉(zhuǎn)輪間的水流基本上無變向流動，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。
燈泡式機組的發(fā)電機裝在水密的燈泡體內(nèi)。其轉(zhuǎn)輪既可以設(shè)計成定槳式，也可以設(shè)計成轉(zhuǎn)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(zhuǎn)槳式半貫流)裝在美國的羅克島第二電站，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，故又稱弗朗西斯水輪機。與軸流轉(zhuǎn)槳式相比，其結(jié)構(gòu)較簡單，運行穩(wěn)定，最高效率也比軸流式的高，但在水頭和負荷變化大時，平均效率比軸流轉(zhuǎn)槳式的低，這類水輪機的最高效率有的已超過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(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，有時也可整個轉(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，故又稱德里亞水輪機。其葉片傾斜的裝在轉(zhuǎn)輪體上，隨著水頭和負荷的變化，轉(zhuǎn)輪體內(nèi)的油壓接力器操作葉片繞其軸線相應(yīng)轉(zhuǎn)動。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(zhuǎn)槳水輪機相比，抗氣蝕性能較好，飛逸轉(zhuǎn)速較低，適用于40～120米水頭。
由于斜流式水輪機結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造價高，一般只在不宜使用混流式或軸流式水輪機，或不夠理想時才采用。這種水輪機還可用作可逆式水泵水輪機。當(dāng)它在水泵工況啟動時，轉(zhuǎn)輪葉片可關(guān)閉成近于封閉的圓錐因而能減小電動機的啟動負荷。
發(fā)展史
水輪機
水利資源的綜合開發(fā)和利用，是指通過修建水利樞紐工程來進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(shè)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(shè)計制造7.5萬千瓦的新安江水電站，我國已能自行設(shè)計制造單機容量70萬千瓦的混流式水輪機發(fā)電機組及單機容量17萬千瓦的軸流轉(zhuǎn)槳式水輪發(fā)電機組。我國的水力設(shè)備的設(shè)計、制造水平已達到世界先進水平。我國設(shè)計、制造的水力發(fā)電設(shè)備遠銷到美國、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(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
水泵水輪機主要用于抽水蓄能電站。在電力系統(tǒng)負荷低于基本負荷時，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(tǒng)負荷高于基本負荷時，可用作水輪機，發(fā)出電力以調(diào)節(jié)高峰負荷。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)電機組的運行經(jīng)濟性，提高電力系統(tǒng)的總效率。50年代以來，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)電電動機、水輪機和水泵串聯(lián)組成。它的優(yōu)點是水輪機和水泵分別設(shè)計，可各自具有較高效率，而且發(fā)電和抽水時機組的旋轉(zhuǎn)方向相同，可以迅速從發(fā)電轉(zhuǎn)換為抽水，或從抽水轉(zhuǎn)換為發(fā)電。同時，可以利用水輪機來啟動機組。它的缺點是造價高，電站投資大。
斜流式水泵水輪機轉(zhuǎn)輪的葉片可以轉(zhuǎn)動，在水頭和負荷變化時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(shè)有上、下兩個水庫。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(zhuǎn)速、降低工程造價。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(zhuǎn)速為428.6轉(zhuǎn)/分，于1977年投入運行。
20世紀以來，水電機組一直向高參數(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)峰問題，世界各國除在主要水系大力開發(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(shù)
水頭H（米）
連續(xù)水流兩斷面間單位能量的差值稱為水頭。水頭是水輪機的一個重要參數(shù)，它的大小直接影響著水輪機出力的大小和水輪機型式的選擇。
流量
單位時間內(nèi)流經(jīng)水輪機的水量（體積）稱為水輪機的流量，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通過水輪機水流的出力Np^0之比，稱為水輪機的效率，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，是一個無量綱的物理量，用百分數(shù)（%）表示。
轉(zhuǎn)速
水輪機主軸在單位時間內(nèi)的旋轉(zhuǎn)次數(shù)，稱為水輪機的轉(zhuǎn)速，用n表示，通常采用“轉(zhuǎn)/分”作單位。
參考資料
[1]
《中國電力百科全書》編輯部 編. . 中國電力百科全書·水力發(fā)電卷. : 北京：中國電力出版社 ，2001-9-3
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