水轮机结构水力发电行业必不可少的组成部分—

水电行业的重要组成部分——水轮机

水轮机概述

水轮机是将水流的能量转化为旋转机械能的动力机，是利用水流做功的水力机械。根据水流能量转换方式的不同，水轮机可分为冲击式水轮机和反作用式水轮机。水轮机在水流作用下旋转的部分称为转轮。涡轮机的主要类型见图1。

图1-水轮机主要类别图

一、脉冲涡轮

脉冲涡轮的转轮在喷射水的冲击下旋转。水流的压力在工作过程中是恒定的，主要是动能的转换。与此同时，水流只影响部分跑步者，而不是全部。图2是冲击式水轮机水流方向示意图。

图2-冲击式水轮机水流方向示意图

冲击式水轮机按流向可分为三种:剪切式、倾斜式和双击式。

图3-斗式、斜击式和双击式水轮机示意图

与脉冲涡轮机不同，脉冲涡轮机同时利用水流的势能和动能。水流充满整个转轮空，在转轮叶片的约束下改变速度和方向，从而对转轮叶片产生反作用力，带动转轮转动。水流通过水轮机的大部分动能和势能转化为转轮转动的机械能。冲击式水轮机可分为轴流、混流、斜流和贯流。

轴流式涡轮机的转轮就像风扇叶片，其工作原理类似于普通风力涡轮机。水从涡轮周围的水平方向流向中心，然后转向向下推动转轮叶片做功。因为推动转轮叶片的水流方向与转轴方向平行，所以称为轴流式水轮机。图10是轴流式涡轮机的流动方向的示意图。

图10-轴流式水轮机流向示意图

轴流式水轮机转轮安装在转轮室中。转轮室的上端是水轮机的底环。底圈上端有顶盖。顶盖中间有一个导向轴承，是支撑水轮机转轮的轴承。顶盖的中下部有密封装置，防止高压水通过轴进入顶盖上部的设备空室；导叶安装在底环和顶盖之间，控制环、继电器等与导水机构相关的部件安装在顶盖上方；导流管连接在转轮室下方。水流通过导叶进入转轮室，推动转轮旋转做功，然后从尾水管排出。浅蓝色箭头线表示水流方向，如图11所示。

图11-轴流式水轮机的转轮和导水机构

轴流式水轮机分为两种:螺旋桨式水轮机和轴流式水轮机。

图12-轴流式涡轮机转轮

轴流式定距水轮机的叶片固定在转轮体上，运行时叶片的放置角度不能改变，因此效率曲线较陡。它适用于负荷变化小的电站或机组数量可调整以适应负荷变化的电站。优点:结构简单，成本低。缺点:偏离设计条件时，效率会急剧下降。根据其特点，一般用于出力小、水头低、水头变化范围小的水电站。

卡普兰涡轮是奥地利工程师卡普兰在1920年发明的，所以也叫卡普兰涡轮。转轮叶片一般由安装在转轮体内的油压继电器操作，油压继电器可以根据水头和负荷的变化进行相应的旋转，以保持活动导叶角度和叶片角度之间的最佳配合，从而提高平均效率。这种涡轮机的一些最高效率已经超过94%。然而，这种水轮机需要一个机构来操纵叶片旋转，因此其结构复杂，成本高。一般用于水头和出力变化较大的大中型水电站。

混流式水轮机的水流从水轮机周围的水平方向向中心流入转轮，然后转向向下的出口。当水流进转轮时，它在轴向通过叶片时推动转轮，在向下通过叶片时也推动转轮。也就是说，水流在径向和轴向通过叶片时都做功，所以称之为混流式水轮机，也称振幅轴式水轮机。

混流式水轮机是冲击式水轮机的一种，由美国工程师弗朗西斯于1849年发明。图13是混流式水轮机的流向示意图。