浅谈反击式水轮机的发展

浅谈反击式水轮机的发展

摘要：水轮机是水力原动机，主要分为反击式和冲击式，而本文主要说明了反击式水轮机的从古至今的发展历史，以及现代反击式水轮机的现状。

关键词：反击式水轮机发展

一、混流式水轮机的发展

英国人巴克在1745年和匈牙利人辛格聂尔在1750年提出了新型的水力原动机，1827年法国教师布尔旦和他的学生富尔聂隆共同制造了一台结构上可以实现、工作良好的水轮机(水头为1.4米,功率为6马力)。接着于1832年又成功地制造了50马力驱动锻造机械用的外向辐流的离心式水轮机。1836年,美国人哈马德对富尔聂隆水轮机作了改进,研制了水流由外侧向内侧流入的向心式水轮机,并因此获得了专利。1844年勃敦在富尔聂隆水轮机的外周装设了导水机构,显著地提高了水轮机的效率。1847～1849年,美国工程师法兰西斯又改进了哈马德水轮机,在转轮上装设了下环、并采用了英国人汤姆逊提出的蜗壳和导水机构。从而完成了现代混流式水轮机的基本结构形式。

混流式水轮机的比转速比冲击式水轮机高, 汽蚀系数比轴流式水轮机低,还具有结构简单、制造方便、运行可靠和满载时效率高等一系列优点, 因而成为水电机组中应用最广泛的一种机型。缺点是低负荷时效率低。

随着材料工业和制造技术的不断进步,混流式水轮机的使用水

头也不断提高。1906年为50米,1910年为15米,1920年为210米,1930年为240米,1957年为536米,1968年奥地利的劳斯亥克电站水轮机则达到625米，世界上使用水头最高的混流式水轮机是奥地利的豪依斯林（hausling）水电站，其最大水头为734m。

现代混流式水轮机由埋设部分导水机构、转动部分和辅助设备等构成。埋设部分包括蜗壳、尾水管等部件。导水机构采用水力性能良好的多个均布导叶,以保证水流均匀地沿圆周进入水轮机转轮。导叶开度大小系根据负荷的变化由调速器控制的导水机构接力器来控制。转动部分由转轮、主轴、轴承及密封装置等部件构成。

我国水力资源十分丰富，其中大部分的水头位于200～650米之间。在前些年，这样的高水头电站由于受到技术的限制只能采用冲击式水轮机机型。如今，随着国外先进技术的引进，在转速、容量和水头相匹配的情况下，许多电站都采用混流式水轮机机型。

二、轴流式水轮机的发展

最早的轴流式水轮机是由法国的琼瓦尔在改进了德国人汉希尔提出的方案以后,于1883年制成的。他的水轮机首次采用了尾水管,有效地利用了转轮与尾水管之间的水头,从而显示了其优越性。所以,在19 世纪末的一段时期内,琼瓦尔水轮机获得了一定的发展。

法兰西斯式水轮机和琼瓦尔水轮机一般适用于中水头和低水头。但为了发展平原地区的水电站,上述水轮机已不能满足提高出力的要求,当时曾通过切割混流式水轮机叶片的泄水边、提高导叶高度和增大叶片的出口直径等措施来提高比转速，但在当时比转速

也只能由275提高到400,这显然不能满足要求。

20世纪初,奥匈帝国的布尔诺(现为捷克斯洛伐克)工业大学教授卡普兰于1921年提出了适应低水头电站需要的轴流式水轮机。早期的卡普兰水轮机为定桨式并具有下环。时隔不久, 于1916年他又研制成功轴流转桨式水轮机,比速达到1000 ,单位流量2000～2200升/秒，由于这种水轮机可以实现导叶和叶片的协联调节,显著地改善了变工况条件下的运行质量,从而大大推动了低水头水轮机的发展。

现代的轴流式水轮机有定桨与转桨之分，转桨式的适用水头为3～70米,定桨式为3～50米,轴流转桨式水轮机的特点是比转速高,在水头和容量相同条件下,其转速约为混流式水轮机的两倍。因此,机组尺寸可显著缩小, 水轮机的平均效率高该型水轮机特别适宜

于低水头且水头与负荷变动较大的电站。随着水头增高, 其过流能力受到汽蚀与挖深的限制,因此,使用水头一般限制在70米以下。

定桨式水轮机的叶片固定于轮毅,因其轮毅比转桨式小,故其过流能力高,汽蚀性能有所改善。适用于小型机组或水头与负荷变化不大及多机组运行的电站。中国葛洲坝水利枢纽转轮直径 11.3m水轮机是世界上最大尺寸的轴流转桨式水轮机，出力为17.55万kw。陕西省石门水电站的水轮机最大水头77m，是中国水头最高的转桨式水轮机。

三、斜流式水轮机发展

斜流式水轮机是在20世纪50年代初为了提高轴流式水轮机适

用水头而在轴流转浆式水轮机基础上改进提出的新机型，其结构形式及性能特征与轴流转浆式水轮机类似。斜流式水轮机转轮布置在与主轴同心的圆锥面上，叶片轴线与水轮机主轴中心线形成交角，随水头不同而异。一般水头在40～80m时交角取60°，在60～130m 时取45°，在120～200m时取30°。因此，在斜流式转轮上能比轴流式转轮布置更多的叶片，降低了叶片单位面积上所承受的压力，提高了适用水头。在斜流式转轮体内布置有叶片转动机构，也能随着外负荷变化进行双重调节，因此它的平均效率比混流式高，高效区比混流式宽。由于它的轴面投影图中水流是斜向流进转轮，又斜向流出的，所以又称其为对角流转浆式水轮机。它的适用水头在轴流式与混流式水轮机之间，约为40到200米。

但由于其倾斜浆叶操作机构的结构特别复杂，加工工艺要求和造价均较高，所以一般只在大中型水电站中运用，目前这种水轮机的应用还不普遍。

四、贯流式水轮机发展

贯流式水轮机的适用水头为2～25米。它是近斗4o年发展起来的用于开发低水头水力资源的新机型，广泛用于平原河流上的电站和潮汐电站。由于通过水轮机过流部件的水流方向变化不大,因此它的效率高，过流能力大且比转速高。又由于机组间距小和土建工程量少而且具有良好的经济性,所以近年来在国外获得了较快的发展。法国、俄罗斯、加拿大、英国和芬兰等国都有大量的潮汐能可资利用, 因此, 贯流式水轮机在这些国家普遍受到重视。俄罗斯著

名贯流式电站有萨拉托夫，法国著名贯流式电站有瓦拉布勒格斯电站。

我们把发电机装在灯泡状机室内称为灯泡贯流式。把发电机置于厂房内，水轮机轴由尾水管内伸出与发电机相连的称轴伸式。把发电机置于混凝土竖井内的称竖井式。以上三种又称为半贯流式。把发电机转子装在水轮机转轮外缘的称全贯流式，这种贯流式具有结构简单轴向尺寸小等优点，但是由于转子外缘线速度大，密封十分困难，目前很少使用。

参考文献：

[1]刘大恺，主编，《水轮机》，中国水利水电出版社，1997。

[2]顾锡元，主编，《水轮机》，水利电力出版社，1992。

[3]张富钦，主编，《国内外水轮机技术发展动态》，东方电机，1998。