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从水能到电能——水轮机机械结构简介一、水力发电简介自电力大范围应用之日起水力发电就以其独特的魅力吸引着人们的注意。1880年前后法国、美国等国先后建起本国第一座水电站。水力发电作为唯一大范围使用的清洁可再生能源有着独特的优势。如今大到出力超过两千万千瓦的三峡水电站，小到几万千瓦的水电灌站；从水头接近2000米的瑞士毕奥德隆（Bieudron）水电站到几十米的低水头径流式水电站如葛洲坝水电站再到几米的超低水头电站，各种流量都可以选择相应的水轮机加以开发利用；从常规发电站到抽水蓄能电站，水电的应用无处不在。然而水力发电最大的魅力还在别处。火力发电效率一直在40%徘徊，光伏发电峰值效率超不过30%，光热电站峰值效率不会超过25%，核电的效率也不会超过火电，发电效率上不去意味着巨量能源的流失与经济损失。而水电最大的魅力便是转化效率超高，大型水轮机的最高效率已达95%~96%以上，单机功率已达700~800MW以上；而应用于超高水头的冲击式水轮机效率也能达到80%以上的水平。二、水力发电的原理与几种主要水轮机发电原理水轮机是将水能转化为机械能的一种水力原动机，或者说水轮机是一种将河流中蕴藏的水能转化为旋转机械能的原动机。通过在河流上筑坝，抬高水位并通过引水机构将水流引入水力机械，水流将自己的能量传给水力机械，水力机械获得能量后旋转做功。水力机械带动发电机转子旋转，使发电线圈不断切割磁感线，从而将水能转化为电能。水流经过水力机械能量发生改变的过程就是水轮机的工作过程。火电需要加热工质利用蒸汽推动汽轮机做功，尾气余热的浪费导致其效率低下；而水力发电直接将水的势能和（或）动能转化为旋转机械能，水头损失很低，因此水力发电效率远远优于火电。两种种主要的水轮机水轮机反击式冲击式图1水轮机的分类水斗式斜击式双击式混流式轴流式轴流定桨式轴流转桨式斜流式贯流式灯泡式竖井式轴伸式虹吸式明槽式半贯流式全贯流式根据能量转换原理的不同，现代水轮机大致被划分为反击式水轮机和冲击式水轮机。前者即利用水流的势能也利用水流的动能，并以势能（压能）为主；后者则利用水流的动能。由于能量转换原理的不同两类水轮机的结构差异很大。图1中为水轮机大致分了类。以下就反击式水轮机和冲击式水轮机各举一例大致说明其机械结构。混流式水轮机轴流式水轮机，又叫法兰西斯式水轮机；其有应用水头范围较广（约20——700米）、结构简单、可靠性高、效率高的特点。同时其单机容量由几十千瓦到几十万千瓦不等，是目前应用最广的一种水轮机。三峡七十万千瓦水电机组采用的就是混流式水轮机。图2混流式水轮机结构示意图混流式水轮机中水流从四周沿径向进入转轮后以轴向流出转轮，原理类似台风气旋，水流由四周流向中央，压力的不均使得转轮旋转。其主要结构分为转轮、导水机构、主轴以及数个环状结构。其中转轮主要由上冠（轮毂）、叶片（轮片）、泄水锥以及下环的组成。叶片上端固定于上冠，下端固定于下环，三者焊接为一个整体。泄水锥呈圆锥形，用于引导水流从径向（辐向）转为轴向，减少水流互相冲击造成的效率下降。1234561-蜗壳；2-座换立柱；3-导叶；4-主轴；5-转轮叶片；6-尾水管；（吴尧绘制）图3混流式水轮机转轮结构示意图导水机构主要作用是根据机组负荷调节进入转轮的流量，其主要结构为顶盖、底环、导叶及其传动机构。混流式水轮机一般采用径向导水机构。为减小水利损失，导叶断面一般为翼形，通过彼此之间角度的调节控制流量大小。图4径向导水机构结构示意图图5混流式水轮机叶片断面图5123641-上冠；2-叶片；3-泄水锥；4下环；5、6-止漏环（吴尧绘制）121-导叶；2-转轮叶片（吴尧绘制）11-导叶；（吴尧绘制）主轴是连接水轮机转轮与发电机的结构，其一般采用高强度、高硬度钢制造，为减轻重量常常被设计为带有中心孔或薄壁空心轴，这样的设计还有利于轴质量检查和向转轮室补气。此外，主轴靠近水轮机一端有一个导轴承用以承受主轴传来的径向力和振动力。环状结构主要包括底环、基础环和止漏环。其主要起支撑、连接和防漏的作用。水斗式水轮机水斗式水轮机，也叫切击式水轮机或培尔顿式水轮机；按主轴的布置方式分为卧轴和立轴两种，无论哪种其转轮始终位于大气中。这种水轮机适用于高水头、小流量水电站；大型水斗式水轮机应用水头约300—1700米，小型的也可达到40—250米；目前世界上水头高于1000米的电站均采用水斗式水轮机，单机功率可以达到400MW以上。其主要结构包括输水管、喷流机构、转轮、折向器和机壳等。图6水斗式水轮机结构示意图喷流机构主要由喷管、喷嘴、喷针（针阀）和喷针移动机构组成；其作用是把水流势能转化为射流动能，并通过移动喷针来调节流量。转轮由圆盘和固定在它上面的水斗组成，射流冲向水斗，水斗与射流相互作用，射流动能转化为转轮旋转机械能；由于承受射流，水头越高对转轮强度要求也越高。折向器就是一块高强度钢板（和驱动装置），机组甩负荷时折向器迅速使射流偏转，避免使机组转速过快。机壳则主要起支撑水轮机轴承、排水的作用。值得说明的是水斗水轮机中喷流机构和折向器都不只一套，其数量因型号各异，一般水头低时选4—6个，水头高时选2—3个。三、一种特殊的水轮机——水泵水轮机9276831541-输水管；2-喷管；3-折向器；4-制动喷管；5-转轮；6-机壳；7-喷嘴；8-喷针；9-喷针移动机构；（吴尧绘制）水电站中有一类叫做抽水蓄能电站，其作用主要是调节电网峰谷。这类电站往往有上下两个水库，电网负荷低是，电站利用富余电力将水从下水库抽到上水库；电网负荷高时，通过管道将上水库的水引下来发电。此类水电站的综合效率一般在65%—70%，性能较好的可以达到70%—80%。此类电站被公认为最经济、最成熟的大规模储能装置，因而水电站中此类电站所占比重很高，至2010年全世界抽水蓄能电站总装机容量已达135,000MW。很有趣同时也很有意义的是此类水电站中水轮机的发展。早期，此类电站使用四机式机组，即水轮机与发电机，水泵与电动机完全分开布置，只公用管网设施，造成的问题就是设备多、占地大、施工难度高、投资高。随着技术发展出现了三机式机组，即水轮机、水泵共用一台电机，很大程度减少了土建费用。后来又出现了二机可逆式机组，即转轮正转为水轮机，反转为水泵，电动发电机既可作发电机也可作电动机，尽管由于设备功能合并造成效率部分下降，但由于结构简单、初始投资少等特点成为目前多数蓄能电站的选择。可逆式水泵数轮机与常规水轮机一样可以设计为混流、斜流、贯流等多种形式。其中混流式水泵水轮机占绝大多数；工作水头在30~700米都有应用。斜流式主要应用于150米水头以下且水头变化较大的场合；贯流式多用于潮汐电站，水头一般不超过20米。作为一种即可发电也可蓄能的电站，抽水蓄能电站对大规模电网建设、智能电网建设和新能源发展（调节不稳定发电）都有重大意义。希望技术能尽快取得突破，应用能得到领导的重视。四、参考文献[1]于波，肖惠民.水轮机原理与运行[M].北京：中国电力出版社，2008：1.[2]陈婧.水力机械[M].北京：中国水利水电出版社，2015：3.[3]郑源，陈德新.水轮机[M].北京：中国水利水电出版社，2011：7-12.