水輪機

水輪機是將水流的能量轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)機械能的動力機械，屬于流體機械中的渦輪機械。早在公元前100年左右，我國就出現(xiàn)了水輪機——的雛形，用于提水灌溉，帶動糧食加工設(shè)備。現(xiàn)代水輪機大多安裝在水電站，帶動發(fā)電機發(fā)電。在水電站中，上游水庫的水通過引水管引向水輪機，帶動水輪機的轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)動，帶動發(fā)電機發(fā)電。成品水通過尾水管向下游排放。水頭越高、流量越大，渦輪的輸出功率越大。

水輪機及輔機是重要的水電設(shè)備，是水電行業(yè)不可或缺的組成部分，充分利用清潔可再生能源，實現(xiàn)節(jié)能減排、減少環(huán)境污染的重要設(shè)備的技術(shù)開發(fā)與中國的發(fā)展規(guī)模相適應(yīng)美國水電行業(yè)。由中國驅(qū)動美國的電力需求，中國 美國汽輪機及輔機制造業(yè)進入快速發(fā)展期，經(jīng)濟規(guī)模和技術(shù)水平顯著提高，中國 美國的汽輪機制造技術(shù)已達(dá)到世界先進水平。

中國的綜合實力與中國的發(fā)展水輪機及輔機制造業(yè)增長明顯，整個行業(yè)呈現(xiàn)蓬勃發(fā)展的態(tài)勢、充滿活力的可喜局面，工業(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，中國 美國汽輪機及輔機制造業(yè)規(guī)模以上（年銷售收入500萬元以上）68家企業(yè)，實現(xiàn)銷售收入的44.7億元，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，中國水電裝機容量達(dá)到2.11億千瓦，新批水電1322萬千瓦，在建7700萬千瓦。據(jù)中國 美國對國際社會的承諾“2020年非石化能源將達(dá)到總能源的15%承諾，中國 2020年美國水電行業(yè)裝機容量必須達(dá)到3.8億千瓦。甚至根據(jù)我國公布的《可再生能源中長期發(fā)展規(guī)劃》，確定到2020年水電裝機達(dá)到3億千瓦，11年內(nèi)我國將新增單機容量50千瓦以上大型水電機組近300臺，平均每年新增裝機容量50萬千瓦及以上大型水電機組25臺。如果到2020年達(dá)到3，.隨著裝機容量達(dá)到8億千瓦，中國所需的水輪機及輔助設(shè)備將進一步增加，中國水輪機及輔助設(shè)備行業(yè)發(fā)展前景廣闊。1]

早期沖擊式水輪機的水流沖擊葉片時，動能損失大，效率不高。1889年，美國工程師佩爾頓Pelton發(fā)明了戽斗式水輪機，它具有流線型收縮噴嘴，能高效地將水流的能量轉(zhuǎn)化為高速射流的動能。水輪機之最（整段完全可以省略，80以上%它們都過時了，已經(jīng)被取代了。It 這是非常古老的信息，沒有什么參考價值，所以它 我們建議刪除這一段）20世紀(jì)80年代初，世界上單機功率最大的戽式水輪機安裝在挪威·西馬電站單機容量315 MW，水頭885米，轉(zhuǎn)速300 rpm/它于1980年投入運營。最高水頭的戽式水輪機安裝在奧地利的雷塞克山電站，其單機功率為22.8 MW，750 rpm/分鐘，水頭達(dá)到1763.5米，1959年投產(chǎn)。

在20世紀(jì)80年代，世界 中國最大的螺旋槳式水輪機由中國東方電機廠制造，安裝在中國長江中游的葛洲壩電站其單機功率為170 MW，揚程為18.6米，轉(zhuǎn)速54.6轉(zhuǎn)/點，流道直徑為11.3米，1981年投產(chǎn)。世界上水頭最高的槳式水輪機安裝在意大利mbia電站，水頭88.4米，單機功率13.375轉(zhuǎn)分時為5毫瓦/它于1959年投入運營。

世界上水頭最高的混流式水輪機安裝在奧地利的羅斯柴克電站，水頭672米，單機功率58.4 MW，1967年投產(chǎn)。功率和尺寸最大的混流式水輪機安裝在美國達(dá)古利第三電站，單機功率700 MW，轉(zhuǎn)輪直徑約9.75米，頭87米，速度85.7轉(zhuǎn)/它于1978年投入運營。

世界與中國世界上最大的混流式水泵水輪機安裝在聯(lián)邦德國的不來梅抽水蓄能電站。它的渦輪頭部237.5米，發(fā)電機功率660 MW，轉(zhuǎn)速125 rpm/分；水泵揚程247.3米，電機功率700 MW，轉(zhuǎn)速125轉(zhuǎn)/分。世界與中國蘇聯(lián)捷亞電站安裝了我國最大的斜流式水輪機，單臺功率215 MW，水頭78.5米。

水輪機

根據(jù)工作原理，水輪機可分為兩類沖擊式水輪機和反動式水輪機。沖擊式水輪機的轉(zhuǎn)輪在水流的沖擊下旋轉(zhuǎn)，工作過程中水流壓力保持不變，主要是由于動能的轉(zhuǎn)換；反動式水輪機的轉(zhuǎn)輪在水流的反作用力下旋轉(zhuǎn)，工作過程中水流的壓力能和動能是變化的，但主要的是壓力能的轉(zhuǎn)換。

沖擊式水輪機

沖擊式水輪機根據(jù)水流方向可分為剪切式(又稱水斗式)和斜擊式兩類。斜沖擊式水輪機的結(jié)構(gòu)與斗式水輪機基本相同，只是射流方向有一個傾角，只用于小機組。

理論分析證明，當(dāng)葉片節(jié)圓處的圓周速度約為射流速度的一半時，效率最高。當(dāng)負(fù)載變化時，轉(zhuǎn)輪的入口速度方向不變此外，這些水輪機都用于高水頭電站，水頭變化比較小，所以效率受負(fù)荷變化影響較小，效率曲線比較平坦，最高效率超過91%

反擊式水輪機

反動式渦輪可分為混流型、軸流式、斜流式和貫流式。在混流式水輪機中，水徑向流入導(dǎo)向機構(gòu)，軸向流出轉(zhuǎn)輪；在軸流式渦輪機中，水徑向流入導(dǎo)向葉片，軸向流入和流出轉(zhuǎn)輪；在斜流式水輪機中，水以相對于主軸傾斜的角度徑向流入導(dǎo)向葉片和轉(zhuǎn)輪，或者以相對于主軸傾斜的角度流入導(dǎo)向葉片和轉(zhuǎn)輪；在貫流式水輪機中，水沿軸向流入導(dǎo)葉和轉(zhuǎn)輪。

軸流式、貫流式水輪機和斜流式水輪機按其結(jié)構(gòu)又可分為固定槳式和旋轉(zhuǎn)槳式。固定葉片轉(zhuǎn)輪的葉片是固定的；葉輪葉片在運行中可繞葉片軸旋轉(zhuǎn)，以適應(yīng)水頭和負(fù)荷的變化。

各種類型的沖擊式渦輪機都裝有進水裝置，這些進水裝置很大、中型立軸反動式水輪機的進口裝置一般由蝸殼組成、固定導(dǎo)葉和活動導(dǎo)葉。蝸殼的作用是將水流均勻地分布在轉(zhuǎn)輪周圍。當(dāng)水頭在40米以下時，水輪機蝸殼通常采用鋼筋混凝土現(xiàn)場澆筑；當(dāng)水頭高于40米時，常采用拼焊或整體鑄造的金屬蝸殼。

在反擊式水輪機中，水流充滿整個轉(zhuǎn)輪，所有葉片同時受到水流的作用，所以在相同水頭下，轉(zhuǎn)輪的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(fù)荷變化時，水輪機的效率受到不同程度的影響。

沖擊式水輪機均配有尾水管，其功能如下：轉(zhuǎn)輪出口水流動能的回收；把水流排向下游；當(dāng)轉(zhuǎn)輪的安裝位置高于下游水位時，這種勢能轉(zhuǎn)化為壓力能被回收。對于低水頭大流量的水輪機，轉(zhuǎn)輪出口動能比較大，尾水管的恢復(fù)性能對水輪機的效率有顯著影響。

軸流式水輪機

適用于水頭較低的電站。在相同水頭下，其比轉(zhuǎn)速高于混流式水輪機。

軸流式定葉渦輪的葉片固定在轉(zhuǎn)輪體上。一般安裝高度為3-50m。工作時不能改變刀片放置角度，結(jié)構(gòu)簡單，效率低適用于負(fù)荷變化較小或機組數(shù)量可以調(diào)整以適應(yīng)負(fù)荷變化的電站。

軸流式螺旋槳式水輪機是奧地利工程師卡普蘭在1920年發(fā)明的，所以也叫卡普蘭式水輪機。一般安裝高度為3-80m。轉(zhuǎn)輪葉片一般由安裝在轉(zhuǎn)輪體內(nèi)的液壓繼電器操縱，可根據(jù)水頭和負(fù)荷的變化而轉(zhuǎn)動，以保持活動導(dǎo)葉轉(zhuǎn)角和葉片轉(zhuǎn)角的最佳配合，從而提高平均效率這種渦輪機的一些最高效率已經(jīng)超過94%典型的例子就是葛洲壩。

貫流式水輪機

導(dǎo)葉與轉(zhuǎn)輪之間的水流基本無方向性，采用直錐形尾水管，泄流無需在尾水管內(nèi)轉(zhuǎn)彎，因此效率高，過流能力大，比轉(zhuǎn)速高，特別適用于320m低水頭的小型河床式電站。

這種水輪機安裝在潮汐電站上也能實現(xiàn)雙向發(fā)電。這種水輪機有多種結(jié)構(gòu)，燈泡貫流式水輪機是應(yīng)用最廣泛的一種。

燈泡單元的發(fā)電機安裝在防水燈泡體內(nèi)。它的轉(zhuǎn)輪可以設(shè)計成固定槳或旋轉(zhuǎn)槳。其可細(xì)分為管狀和半管狀。

混流式水輪機

它是世界上應(yīng)用最廣泛的水輪機它是由美國工程師弗朗西斯于1849年發(fā)明的，所以也被稱為弗朗西斯水輪機。與軸流式螺旋槳相比，其結(jié)構(gòu)簡單，運行穩(wěn)定，最高效率高于軸流式但當(dāng)揚程和負(fù)荷變化較大時，其平均效率低于軸流式螺旋槳，有的最高效率已超過95%混流式水輪機適用的水頭范圍很廣，從5米到700米不等，但應(yīng)用最廣泛的是40米到300米。

混流式轉(zhuǎn)輪一般由低碳鋼或低合金鋼鑄件制成，或采用鑄焊結(jié)構(gòu)。為了提高抗汽蝕和抗泥沙磨損的性能，可在易發(fā)生汽蝕的部位堆焊不銹鋼，也可采用不銹鋼葉片，有時整個轉(zhuǎn)輪可采用不銹鋼。鑄焊結(jié)構(gòu)可以降低成本，使轉(zhuǎn)輪尺寸更加精確，轉(zhuǎn)輪表面更加光滑，有利于提高水輪機的效率葉片也可以由不同的材料制成、上冠和下環(huán)。典型的例子是中國的劉家峽。

斜流式水輪機

它是由瑞士工程師德里亞在1956年發(fā)明的，所以也被稱為德里亞渦輪機。它的葉片傾斜地安裝在轉(zhuǎn)輪體上隨著水頭和負(fù)荷的變化，轉(zhuǎn)輪體內(nèi)的液壓繼電器相應(yīng)地操縱葉片繞其軸線轉(zhuǎn)動。其最高效率略低于混流式水輪機，但平均效率遠(yuǎn)高于混流式水輪機；與軸流式螺旋槳水輪機相比，它具有更好的抗汽蝕能力和更低的飛逸速度，適用于40 ~ 120米的水頭。

由于斜流渦輪的復(fù)雜結(jié)構(gòu)、成本較高，一般只在混流式或軸流式水輪機不適合或不理想時使用。這種渦輪也可用作可逆式水泵渦輪。在水泵的條件下啟動時，轉(zhuǎn)輪葉片可以閉合成一個近乎閉合的圓錐體，從而降低電機的啟動負(fù)荷。

水頭H（米）

兩段連續(xù)流的單位能量之差稱為水頭。水頭是水輪機的重要參數(shù)，其大小直接影響水輪機的出力和水輪機選型。1]

流量

單位時間內(nèi)流經(jīng)渦輪機的水量（體積）它被稱為水輪機的流量，用q表示。通常用立方米/秒為單位。

出力

單位時間內(nèi)水流過渦輪的能量稱為通過渦輪的能量“水流的出力”，以Np^0為代表。Np^0=9.81QH（千瓦）

效率

水輪機的輸出n與水輪機流量的輸出Np^0之比稱為水輪機效率，用η表示。顯然，效率是表面渦輪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?jǐn)?shù)表示（表示。

轉(zhuǎn)速

單位時間內(nèi)水輪機主軸的轉(zhuǎn)數(shù)稱為水輪機轉(zhuǎn)速，用n表示，通常采用“轉(zhuǎn)/分”作單位。

path/Path path/path水輪機

水輪機是一種將水能轉(zhuǎn)化為機械能的動力機械。在大多數(shù)情況下，這種機械能通過發(fā)電機轉(zhuǎn)化為電能，因此渦輪機服務(wù)于水能的利用和發(fā)電。水是人類生活和生產(chǎn)所依賴的最重要的自然資源之一我們的祖先很久以前就與洪水作斗爭，并學(xué)會了利用水能。大禹 持續(xù)了公元前兩千多年的洪水控制至今仍為人們所稱道。公元37年，中國人發(fā)明了水輪驅(qū)動的鼓風(fēng)機-水派，公元260年-270年，中國人在公元220年創(chuàng)造了水磨-300年后發(fā)明了水車驅(qū)動的水車這些液壓機結(jié)構(gòu)簡單，易于制造。缺點是笨重、出力小、效率低。真正大規(guī)模合理開發(fā)利用水力資源是在現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展和相關(guān)發(fā)電中、在航運和其他技術(shù)發(fā)展之后。

水資源綜合開發(fā)利用是指通過建設(shè)水利工程控制河流水力資源的洪水、灌溉、航運、發(fā)電水產(chǎn)等發(fā)明的綜合利用。中國 新中國成立后，我國水電開發(fā)設(shè)備行業(yè)才開始蓬勃發(fā)展1975年中國只能設(shè)計制造7架.辛 容量為5萬千瓦的安江水電站已能設(shè)計制造單機容量為70萬千瓦的混流式水輪發(fā)電機組和單機容量為17萬千瓦的螺旋槳式水輪發(fā)電機組。中國液壓設(shè)備的設(shè)計、制造水平達(dá)到世界先進水平。我國設(shè)計、生產(chǎn)的水力發(fā)電設(shè)備出口到美國、加拿大、菲律賓、土耳其、南斯拉夫、越南等國都受到了這些國家的歡迎。

水泵水輪機主要用于抽水蓄能電站。當(dāng)電力系統(tǒng)負(fù)荷低于基本負(fù)荷時，可以作為水泵，利用過剩的發(fā)電能力將水從下游水庫抽到上游水庫，以勢能的形式儲存能量；當(dāng)系統(tǒng)負(fù)荷高于基本負(fù)荷時，可作為水輪機發(fā)電調(diào)節(jié)高峰負(fù)荷。因此，單純的抽水蓄能電站并不能增加電力系統(tǒng)的功率，但可以提高火力發(fā)電機組的運行經(jīng)濟性，提高電力系統(tǒng)的整體效率。自20世紀(jì)50年代以來，抽水蓄能機組在世界范圍內(nèi)得到了高度重視和迅速發(fā)展。

發(fā)展較早或水頭較高的抽水蓄能機組多采用三機式，即發(fā)電電動機、水輪機和水泵串聯(lián)連接。它的優(yōu)點是水輪機和水泵分開設(shè)計，可以有很高的效率，發(fā)電和抽水時機組的旋轉(zhuǎn)方向一致，可以從發(fā)電到抽水，或從抽水到發(fā)電快速轉(zhuǎn)換。同時，渦輪機可用于啟動機組。其缺點是成本高，電站投資大。

斜流泵水輪機轉(zhuǎn)輪葉片可以轉(zhuǎn)動，在揚程和負(fù)荷變化時仍有良好的運行性能但由于水力特性和材料強度的限制，到80年代初，其最高水頭僅為136.2米(日本高根第一核電站)對于較高的水頭，需要混流式水泵水輪機。

抽水蓄能電站配有上位、下兩個水庫。在儲存相同能量的情況下，增加升力可以減少儲存量、提高機組轉(zhuǎn)速、降低工程造價。因此，高度超過300米的高水頭蓄能電站發(fā)展迅速。世界上水頭最高的混流泵水輪機安裝在南斯拉夫Baynabashta電站，單機功率315 MW，水頭600.3米；水泵揚程623.1米，轉(zhuǎn)速428.6轉(zhuǎn)/它于1977年投入運營。1]

20世紀(jì)以來，水電機組一直在向高參數(shù)方向發(fā)展、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，為了解決合理調(diào)峰的問題，世界各國除了在各大水系大力發(fā)展或擴建大型電站外，都在積極建設(shè)抽水蓄能電站，因此水泵水輪機得到了迅速發(fā)展。為了充分利用各種水力資源，潮汐、低落差甚至有波浪的平原河流引起了人們的廣泛關(guān)注，從而帶動了貫流式水輪機等小型機組的快速發(fā)展。