水轮机、汽蚀

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1、1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：P9.804Hq。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） ； 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

2、，水头越高、流量越大，水轮机的输出功率也就 越大。分类 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

3、 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

4、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 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。水斗式（切击式）水轮机 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.

5、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 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

6、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 26 个喷管；卧轴水斗式水轮机由于布置上的原因 一般只装 12 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

7、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。斜击式水轮机 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

8、组。反击式水轮机 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2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 824 片固定导叶。座环的内侧布置活动导叶，一般有 832 片。活动导叶绕自身轴线转动，在调速器的操 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 38 片，斜流式装 812 片，混流式装 91

9、9 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

10、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

11、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

12、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。轴流式水轮机 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，

13、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

14、，于 1959 年投入运行。贯流式水轮机 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 320 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

15、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 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 5700 米，但采用最多的是 40300 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

16、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3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