反擊式水輪機(jī)
綜述
反擊式水輪機(jī)可分為混流式、軸流式、斜流式和貫流式。在混流式水輪機(jī)中,水流徑向進(jìn)入導(dǎo)水機(jī)構(gòu),軸向流出轉(zhuǎn)輪;在軸流式水輪機(jī)中,水流徑向進(jìn)入導(dǎo)葉,軸向進(jìn)入和流出轉(zhuǎn)輪;在斜流式水輪機(jī)中,水流徑向進(jìn)入導(dǎo)葉而以傾斜于主軸某一角度的方向流進(jìn)轉(zhuǎn)輪,或以傾斜于主軸的方向流進(jìn)導(dǎo)葉和轉(zhuǎn)輪;在貫流式水輪機(jī)中,水流沿軸向流進(jìn)導(dǎo)葉和轉(zhuǎn)輪。 軸流式、貫流式和斜流式水輪機(jī)按其結(jié)構(gòu)還可分為定槳式和轉(zhuǎn)槳式。定槳式的轉(zhuǎn)輪葉片是固定的;轉(zhuǎn)槳式的轉(zhuǎn)輪葉片可以在運(yùn)行中繞葉片軸轉(zhuǎn)動,以適應(yīng)水頭和負(fù)荷的變化。
各種類型的反擊式水輪機(jī)都設(shè)有進(jìn)水裝置,大、中型立軸反擊式水輪機(jī)的進(jìn)水裝置一般由蝸殼、固定導(dǎo)葉和活動導(dǎo)葉組成。蝸殼的作用是把水流均勻分布到轉(zhuǎn)輪周圍。當(dāng)水頭在40米以下時,水輪機(jī)的蝸殼常用鋼筋混凝土在現(xiàn)場澆注而成;水頭高于40米時,則常采用拼焊或整鑄的金屬蝸殼。 在反擊式水輪機(jī)中,水流充滿整個轉(zhuǎn)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(zhuǎn)輪直徑小于沖擊式水輪機(jī)。它們的最高效率也高于沖擊式水輪機(jī),但當(dāng)負(fù)荷變化時,水輪機(jī)的效率受到不同程度的影響。
反擊式水輪機(jī)都設(shè)有尾水管,其作用是:回收轉(zhuǎn)輪出口處水流的動能;把水流排向下游;當(dāng)轉(zhuǎn)輪的安裝位置高于下游水位時,將此位能轉(zhuǎn)化為壓力能予以回收。對于低水頭大流量的水輪機(jī),轉(zhuǎn)輪的出口動能相對較大,尾水管的回收性能對水輪機(jī)的效率有顯著影響。 軸流式水輪機(jī)
軸流定槳式水輪機(jī)的葉片固定在轉(zhuǎn)輪體上。一般安裝高度在3-50m。,葉片安放角不能在運(yùn)行中改變,結(jié)構(gòu)簡單,效率較低,適用于負(fù)荷變化小或可以用調(diào)整機(jī)組運(yùn)行臺數(shù)來適應(yīng)負(fù)荷變化的電站。 軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)是奧地利工程師卡普蘭在1920年發(fā)明的,故又稱卡普蘭水輪機(jī)。一般安裝高度在3-80m。其轉(zhuǎn)輪葉片一般由裝在轉(zhuǎn)輪體內(nèi)的油壓接力器操作,可按水頭和負(fù)荷變化作相應(yīng)轉(zhuǎn)動,以保持活動導(dǎo)葉轉(zhuǎn)角和葉片轉(zhuǎn)角間的最優(yōu)配合,從而提高平均效率,這類水輪機(jī)的最高效率有的已超過94%。典型例子就是葛洲壩。 貫流式水輪機(jī)
的導(dǎo)葉和轉(zhuǎn)輪間的水流基本上無變向流動,加上采用直錐形尾水管,排流不必在尾水管中轉(zhuǎn)彎,所以效率高,過流能力大,比轉(zhuǎn)數(shù)高,特別適用于水頭為3~20米的低水頭小型河床電站。
這種水輪機(jī)裝在潮汐電站內(nèi)還可以實(shí)現(xiàn)雙向發(fā)電。這種水輪機(jī)有多種結(jié)構(gòu),使用最多的是燈泡式水輪機(jī)。 燈泡式機(jī)組的發(fā)電機(jī)裝在水密的燈泡體內(nèi)。其轉(zhuǎn)輪既可以設(shè)計成定槳式,也可以設(shè)計成轉(zhuǎn)槳式。其中又可以細(xì)分為貫流式和半貫流式。世界上最大的燈泡式水輪機(jī)(轉(zhuǎn)槳式半貫流)裝在美國的羅克島第二電站,水頭12.1米,轉(zhuǎn)速為85.7轉(zhuǎn)/分,轉(zhuǎn)輪直徑為7.4米,單機(jī)功率為54兆瓦,于1978年投入運(yùn)行。 混流式水輪機(jī)
是世界上使用最廣泛的一種水輪機(jī),由美國工程師弗朗西斯于1849年發(fā)明,故又稱弗朗西斯水輪機(jī)。與軸流轉(zhuǎn)槳式相比,其結(jié)構(gòu)較簡單,運(yùn)行穩(wěn)定,最高效率也比軸流式的高,但在水頭和負(fù)荷變化大時,平均效率比軸流轉(zhuǎn)槳式的低,這類水輪機(jī)的最高效率有的已超過95%。混流式水輪機(jī)適用的水頭范圍很寬,為5~700米,但采用最多的是40~300米。 混流式的轉(zhuǎn)輪一般用低碳鋼或低合金鋼鑄件,或者采用鑄焊結(jié)構(gòu)。為提高抗汽蝕和抗泥沙磨損性能,可在易氣蝕部位堆焊不銹鋼,或采用不銹鋼葉片,有時也可整個轉(zhuǎn)輪采用不銹鋼。采用鑄焊結(jié)構(gòu)能降低成本,并使流道尺寸更精確,流道表面更光滑,有利于提高水輪機(jī)的效率,還可以分別用不同材料制造葉片、上冠和下環(huán)。典型例子是我國的劉家峽。 斜流式水輪機(jī)
是瑞士工程師德里亞于1956年發(fā)明,故又稱德里亞水輪機(jī)。其葉片傾斜的裝在轉(zhuǎn)輪體上,隨著水頭和負(fù)荷的變化,轉(zhuǎn)輪體內(nèi)的油壓接力器操作葉片繞其軸線相應(yīng)轉(zhuǎn)動。它的最高效率稍低于混流式水輪機(jī),但平均效率大大高于混流式水輪機(jī);與軸流轉(zhuǎn)槳水輪機(jī)相比,抗氣蝕性能較好,飛逸轉(zhuǎn)速較低,適用于40~120米水頭。 由于斜流式水輪機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造價高,一般只在不宜使用混流式或軸流式水輪機(jī),或不夠理想時才采用。這種水輪機(jī)還可用作可逆式水泵水輪機(jī)。當(dāng)它在水泵工況啟動時,轉(zhuǎn)輪葉片可關(guān)閉成近于封閉的圓錐因而能減小電動機(jī)的啟動負(fù)荷。