水轮机概述 Hydraulic Turbine Overview

水轮机概述（Hydraulic  Turbine Overview）

水轮机是把水流的能量转换为旋转机械能的动力机械，是利用水流做功的水力机械，根据转换水流能量方式的不同，水轮机分为冲击式水轮机（Impulse Turbine）和反击式水轮机（Reaction Turbine）两大类。水轮机受水流作用而旋转的部件称为转轮（Runner）。 水轮机主要类别见图1。

一、冲击式水轮机（Impulse Turbine）

冲击式水轮机的转轮受到喷射水流的冲击而旋转，工作过程中水流的压力不变，主要是动能的转换，在同一时刻内，水流只冲击着转轮的一部分，而不是全部。图2是冲击式水轮机水流向示意图。

图2--冲击式水轮机水流向示意图

冲击式水轮机按水流的流向可分为切击式（又称水斗式）、斜击式、双击式三类。

图3--水斗式、斜击式、双击式水轮机示意图

（1）水斗式水轮机（Pelton Turbine），水流由喷嘴喷射出来沿着转轮圆周的切线方向冲击在斗叶上做功，图3（a）。由美国人培尔顿于1889年提出，又称为培尔顿式水轮机。适用水头范围40~2000m，尤其适用超高水头，国外单机出力目前已达40万kW，是冲击式水轮机中应用广泛的一种水轮机。

图5--双喷管水斗式水轮机

（2）斜击式水轮机（Turgo Turbine、 Inclined-jet Turbine），水流由喷嘴喷射出来沿着与转轮旋转平面成某一角度（约22.5°）进入叶片，图3（b）。适用于高水头，中小型的水电站。

图6--斜击式水轮机转轮

图7--斜击式水轮机转轮及主轴

3）双击式水轮机（Banki Turbine、Cross-flow turbine），水流从喷嘴流出后，从转轮外周通过径向叶片进入转轮中心，进行次能量交换，再从转轮中心通过径向叶片流出转轮，完成第二次能量交换，图3（c）。适用水头范围10~150m，结构简单、效率低，出力较小，应用不多。

图8 --双击式水轮机转轮

图9--双击式水轮机转轮

二、反击式水轮机（Reaction Turbine）

与冲击式水轮机不同，反击式水轮机同时利用了水流的势能与动能，水流充满整个转轮的空间，在转轮叶片约束下改变流速与方向，从而对转轮叶片产生反作用力，驱动转轮旋转。通过水轮机水流的大部分动能与势能都转换成转轮旋转的机械能。反击式水轮机可分为轴流式、混流式、斜流式和贯流式。

（1）轴流式水轮机（Axial- flow Turbine）

轴流式水轮机的转轮如同风扇叶片，工作原理与常见的风力机相似。水流从水轮机四周水平方向向中心流入（径向进入），然后转为向下方向推动转轮叶片做功，由于推动转轮叶片的水流方向与转轮轴方向平行，故称为轴流式水轮机。图10是轴流式水轮机水流走向示意图。

图10--轴流式水轮机水流走向示意图

轴流式水轮机转轮安装在转轮室中，转轮室上端是水轮机的底环，在底环上端有顶盖，顶盖中部有导轴承，是支撑水轮机转轮的轴承；顶盖中下部有密封装置，防止高压的水通过轴进入顶盖上部的设备空间；导叶安装在底环与顶盖之间，在顶盖上方安装控制环与接力器等导水机构有关部件；在转轮室下方连接有尾水管。水流经过导叶进入转轮室推动转轮旋转做功，然后再从尾水管排出，浅蓝色箭头线表示水流走向，见图11。

图 11--轴流式水轮机的转轮与导水机构

轴流式水轮机分为轴流定桨式（ Propeller turbine ）和轴流转桨式（Kaplan turbine）两种。

图12--轴流式水轮机转轮

轴流定桨式水轮机的叶片固定在转轮体上，叶片安放角度不能在运行中改变，效率曲线较陡，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。优点：结构简单，造价较低。缺点：在偏离设计工况时效率会急剧下降。根据其特点，一般用于出力较小，水头较低以及水头变化幅度较小的水电站。

轴流转桨式水轮机是奥地利工程师卡普兰在1920年发明，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操作，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配合，从而提高平均效率，这类水轮机的效率有的已超过94%。但是，这种水轮机需要一个操作叶片转动的机构，因而结构较复杂，造价较高，一般用于水头、出力均有较大变化幅度的大中型水电站。

（2）混流式水轮机（Francis Turbine、Mixed Flow Turbine）

混流式水轮机的水流从水轮机四周水平方向向中心流入转轮（径向进入），然后转为向下方向出口，水流进入转轮内在向轴芯方向通过叶片时推动转轮，同时在向下通过叶片时也推动转轮。也就是说水流在径向与轴向通过叶片时都做功，故称为混流式水轮机，也称为幅向轴流式水轮机。

混流式水轮机属反击式水轮机的一种，由美国工程师弗朗西斯于1849年发明，又称弗朗西斯水轮机。图13是混流式水轮机水流走向示意图。

图13--混流式水轮机水流走向示意图

混流式水轮机结构紧凑，效率较高，能适应很宽的水头范围，是目前世界各国广泛采用的水轮机型式之一。

混流式水轮机主要部件包括蜗壳、座环、导水机构、顶盖、转轮、主轴、导轴承、底环、尾水管等，见图14（为使图片清晰简单，图中略去了座环）。图中浅蓝色箭头线表示经过水轮机的水流走向，水从蜗壳入口进入水轮机，通过导叶形成向中心的环流进入转轮，推动转轮旋转做功后由下方尾水管排出。

图14--混流式水轮机结构图

混流式水轮机适用于水头自20米直到700米的范围内，机构简单，运行稳定，并且效率高，但它一般是用在中水头范围内（50米至400米）。单机出力从几十千瓦到几十万千瓦。目前这种水轮机出力已经超过70万千瓦。我国单机容量700兆瓦混流式机组在三峡投入运行。

图15--混流式水轮机转轮（三峡700兆瓦机组）

图16--混流式水轮机转轮

（3）斜流式水轮机（Diagonal  Flow Turbine、Inclined Flow Turbine）

斜流式水轮机转轮有点像轴流式水轮机转轮，只不过通过叶片的水流是倾斜于轴向，是轴流式水轮机的变种，其水流能量损失小，通过调节叶片角度可适应较大的水头范围。斜流式水轮机由于制造工艺复杂、造价高，目前使用还较少。图17是斜流式水轮机水流走向示意图。

图17--斜流式水轮机水流走向示意图

（4）贯流式水轮机（Straight- flow Turbine）

贯流式水轮机转轮与轴流式水轮机转轮基本相同，但转轴是水平方向或略有倾斜，水流是沿水轮机轴线方向进入，沿水轮机轴线方向流出。图18是贯流式水轮机水流走向示意图。

图18--贯流式水轮机水流走向示意图

贯流式水轮机的机组主要有轴伸贯流式（Shaft-extension type tabular turbine）、竖井贯流式（Pit-type turbine）、灯泡贯流式（Bulb turbine ）、全贯流式（Rim-generator turbine）四种形式，由于全贯流式水轮机制造工艺要求很高，目前应用很少。

图19--轴伸贯流式水轮发电机组示意图

图20--竖井贯流式水轮发电机组示意图

图21--灯泡贯流式水轮发电机组示意图

三、可逆式水轮机（Pump-Turbine）

可逆式水轮机也叫水泵水轮机，是一种既可以作水轮机使用又可以作水泵使用的水力机械。理论上讲，混流式水轮机、轴流式水轮机、斜流式水轮机都可以实现可逆运转，实际上要经过专门设计才能在两种运行状态下高效运行。

四、水轮机的主要类型与适用水头

下面一个表格列出了水轮机的主要类型与适用水头范围（不同资料，水头范围有所区别，仅供参考）。