基本介紹
- 中文名：反動式水輪機
- 外文名：reaction turbine
- 別名：反擊式水輪機
- 用途：發電
機構介紹,工作原理,類型及特點,軸流式水輪機,貫流式水輪機,混流式水輪機,斜流式水輪機,水輪機牌號,反擊式,衝擊式,水輪機套用,
機構介紹
反動式水輪機是水輪機的一種。利用導水機構，把水引入轉輪，水流流過葉輪中的葉片時，發生反擊力，推動轉輪旋轉。反動型水輪機轉換液體具有三部分能量：壓力能、位能和動能。反擊型水輪機是利用水流的動能及勢能，即具有一定水頭的水流經蝸殼，經導水葉片按一定方向，以一定流量進入轉輪，使轉輪旋轉。然後，水流經吸出管排出。隨著功率變化可改變導水葉片出口角度以調節流量。
工作原理
在一個圓錐形筒的下端焊接兩個或更多個出水曲管，圓錐形筒可繞中心豎直軸自由轉動、往筒里灌水，水從下端曲管中流出時產生沿水流方向的加速度，根據牛頓第三定律，水以相反方向的力作用於曲管上。這樣，圓筒在水流的反作用力作用下，繞豎直軸轉動，直到筒中的水流盡為止。這個現象也可以根據動量守恆定律來解釋。配圖中是水輪機模型轉動時的閃光照片。
類型及特點
按轉輪中水流相對於轉輪軸心線的流動方向，結合水輪機結構特徵可分為混流式、軸流式、斜流式和貫流式。在混流式水輪機中，水流徑向進入導水機構，軸向流出轉輪；在軸流式水輪機中，水流徑向進入導葉，軸向進入和流出轉輪；在斜流式水輪機中，水流徑向進入導葉而以傾斜於主軸某一角度的方向流進轉輪，或以傾斜於主軸的方向流進導葉和轉輪；在貫流式水輪機中，水流沿軸向流進導葉和轉輪。
軸流式、貫流式和斜流式水輪機按其結構還可分為定槳式和轉槳式。定槳式的轉輪葉片是固定的；轉槳式的轉輪葉片可以在運行中繞葉片軸轉動，以適應水頭和負荷的變化。
各種類型的反擊式水輪機都設有進水裝置，大、中型立軸反擊式水輪機的進水裝置一般由蝸殼、固定導葉和活動導葉組成。蝸殼的作用是把水流均勻分布到轉輪周圍。當水頭在40米以下時，水輪機的蝸殼常用鋼筋混凝土在現場澆注而成；水頭高於40米時，則常採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，轉輪直徑小於衝擊式水輪機。它們的最高效率也高於衝擊式水輪機，但當負荷變化時，水輪機的效率受到不同程度的影響。
反擊式水輪機都設有尾水管，其作用是：回收轉輪出口處水流的動能；把水流排向下游；當轉輪的安裝位置高於下游水位時，將此位能轉化為壓力能予以回收。對於低水頭大流量的水輪機，轉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
適用於較低水頭的電站。在相同水頭下，其比轉數較混流式水輪機為高。
軸流定槳式水輪機的葉片固定在轉輪體上。一般安裝高度在3-50m。，葉片安放角不能在運行中改變，結構簡單，效率較低，適用於負荷變化小或可以用調整機組運行台數來適應負荷變化的電站。
軸流式示意圖貫流式水輪機
導葉和轉輪間的水流基本上無變向流動，加上採用直錐形尾水管，排流不必在尾水管中轉彎，所以效率高，過流能力大，比轉數高，特別適用於水頭為3～20米的低水頭小型河床電站。
這種水輪機裝在潮汐電站內還可以實現雙向發電。這種水輪機有多種結構，使用最多的是燈泡式水輪機。燈泡式機組的發電機裝在水密的燈泡體內。其轉輪既可以設計成定槳式，也可以設計成轉槳式。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(轉槳式半貫流)裝在美國的羅克島第二電站，水頭12.1米，轉速為85.7轉/分，轉輪直徑為7.4米，單機功率為54兆瓦，於1978年投入運行。
貫流式示意圖
貫流式示意圖混流式水輪機
世界上使用最廣泛的一種水輪機，由美國工程師弗朗西斯於1849年發明，故又稱弗朗西斯水輪機。與軸流轉槳式相比，其結構較簡單，運行穩定，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範圍很寬，為5～700米，但採用最多的是40～300米。
混流式的轉輪一般用低碳鋼或低合金鋼鑄件，或者採用鑄焊結構。為提高抗汽蝕和抗泥沙磨損性能，可在易氣蝕部位堆焊不鏽鋼，或採用不鏽鋼葉片，有時也可整個轉輪採用不鏽鋼。採用鑄焊結構能降低成本，並使流道尺寸更精確，流道表面更光滑，有利於提高水輪機的效率，還可以分別用不同材料製造葉片、上冠和下環。典型例子是我國的劉家峽。
混流式示意圖
混流式示意圖斜流式水輪機
瑞士工程師德里亞於1956年發明，故又稱德里亞水輪機。其葉片傾斜的裝在轉輪體水輪機上，隨著水頭和負荷的變化，轉輪體內的油壓接力器操作葉片繞其軸線相應轉動。它的最高效率稍低於混流式水輪機，但平均效率大大高於混流式水輪機；與軸流轉槳水輪機相比，抗氣蝕性能較好，飛逸轉速較低，適用於40～120米水頭。
由於斜流式水輪機結構複雜、造價高，一般只在不宜使用混流式或軸流式水輪機，或不夠理想時才採用。這種水輪機還可用作可逆式水泵水輪機。當它在水泵工況啟動時，轉輪葉片可關閉成近於封閉的圓錐因而能減小電動機的啟動負荷。
斜流式示意圖
斜流式示意圖水輪機牌號
反擊式
混流式 HL
轉流式 ZZ
軸流式 ZD
斜流式 XL
貫流轉漿式 GZ
貫流定漿式 GD
衝擊式
水斗式 CJ
斜擊式 XJ
雙擊式 SJ
水輪機套用
水泵水輪機主要用於抽水蓄能電站。在電力系統負荷低於基本負荷時，它可用作水泵，利用多餘發電能力，從下游水庫抽水到上游水庫，以位能形式蓄存能量；在系統負荷高於基本負荷時，可用作水輪機，發出電力以調節高峰負荷。因此，純抽水蓄能電站並不能增加電力系統的電量，但可以改善火力發電機組的運行經濟性，提高電力系統的總效率。50年代以來，抽水蓄能機組在世界各國受到普遍重視並獲得迅速發展。
早期發展的或水頭很高的抽水蓄能機組大多採用三機式，即由發電電動機、水輪機和水泵串聯組成。它的優點是水輪機和水泵分別設計，可各自具有較高效率，而且發電和抽水時機組的旋轉方向相同，可以迅速從發電轉換為抽水，或從抽水轉換為發電。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輪的葉片可以轉動，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)。對於更高的水頭，需要採用混流式水泵水輪機。
抽水蓄能電站設有上、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、提高機組轉速、降低工程造價。因此，300米以上的高水頭蓄能電站發展很快。世界上水頭最高的混流式水泵水輪機裝於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，轉速為428.6轉/分，於1977年投入運行。
20世紀以來，水電機組一直向高參數、大容量方向發展。隨著電力系統中火電容量的增加和核電的發展，為解決合理調峰問題，世界各國除在主要水系大力開發或擴建大型電站外，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展。
