任务1 掌握水轮机的类型与基本构造
一、水轮机的类型
（一）水轮机的基本类型
根据水流能量转换特征不同，把水轮机分为反击式和冲击式两大类。
利用水流的势能（位能和压能）和动能的水轮机，称为反击式水轮机；只利用水流动能的水轮机，称为冲击式水轮机。
两大类水轮机按水流流经转轮的方向及结构特征不同，又分为若干种型式。近代水轮机的主要类型如图2-1所示。
1.反击式水轮机
图2-1 水轮机主要类型
反击式水轮机转轮由若干个具有空间三维扭曲面的叶片组成，压力水流充满水轮机的整个流道。当压力水流通过转轮时，受转轮叶片作用，水流的压力、流速大小和方向发生变化，因而水流便以其压能和动能给转轮以反作用力，此反作用力形成旋转力矩使转轮转动。
反击式水轮机按水流流入和流出转轮方向的不同，又可分为混流式、轴流式、斜流式和贯流式。
2.冲击式水轮机
冲击式水轮机是借助于特殊导水机构引出具有动能的自由射流，冲向转轮水斗，使转轮旋转做功，从而完成将水能转换成机械能的一种水力原动机。在冲击式水轮机中，以工作射流与转轮相对位置和做工次数的不同，可分为切击式、斜击式和双击式。
（二）水轮机的特点及应用范围
1.混流式水轮机
混流式水轮机又称法兰西斯（Francis）式水轮机，水流从四周径向流入转轮，然后近似轴向流出转轮，故称为混流式，如图2-2所示。
混流式水轮机结构简单，运行可靠，效率高，能适应很宽的水头范围，是目前世界各国广泛采用的水轮机型式之一。混流式水轮机应用水头范围大，一般为20～700m，最高达734m。我国三峡水电站700MW的水轮发电机组，就是采用的混流式水轮机。
图2-2 混流式水轮机
图2-3 轴流式水轮机
2.轴流式水轮机
水流进入和流出这种水轮机的转轮时，都是轴向的，故称轴流式，其应用水头为3～80m，如图2-3所示。在同样的水头下，它的过流能力比混流式大，气蚀性能较混流式差。根据转轮叶片在运转中能否转动，又分为轴流定桨式和轴流转桨式两种。轴流转桨式又称为卡普兰（Kaplan）式。
轴流定桨式水轮机的转轮叶片在运行时是固定不动的，因而结构简单，造价较低；由于叶片固定，当水头及负荷变化时，叶片角度不能根据水流流态变化而调整，效率会急剧下降。轴流定桨式水轮机一般用于出力较小、水头较低以及水头变化幅度较小的水电站。
轴流转桨式水轮机是奥地利工程师卡普兰在1920年发明的，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，可根据水头和负荷变化做相应转动，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。但是，这种水轮机需要一个操作叶片转动的机构，因而结构较复杂，造价较高，一般用于水头、出力均有较大变化幅度的大中型水电站，其适用水头一般为2～88m。我国葛洲坝水电站安装的175MW机组采用的就是轴流转桨式水轮机。
3.斜流式水轮机
水流流经该水轮机转轮时，水流方向与轴线呈某一倾斜角度。它是20世纪50年代发展起来的一种机型，其结构和特性均介于混流式和轴流转桨式之间，如图2-4所示。斜流式水轮机的叶片角度也可以根据运行需要进行调整实现导叶与转轮叶片的双重调节。斜流式水轮机有较高的高效率区，且具有可逆性，常作为水泵水轮机用于抽水蓄能电站中；适用水头范围一般为40～200m，因其结构复杂，造价较高，很少用于小型水电站中。
图2-4 斜流式水轮机
图2-5 贯流式水轮机
4.贯流式水轮机
贯流式水轮机的引水部件、转轮、排水部件都在一条轴线上，水流一贯平直通过，故称为贯流式水轮机。贯流式水轮机适用水头范围一般在2～25m，单机出力几千瓦到几万千瓦。由于水流在流道内基本上沿轴向运动，不转弯，因此机组的过水能力和水力效率能有所提高。贯流式水轮机作为水轮机运行和作为水泵运行均有较好的水力性能，特别适用于潮汐电站，其双向发电、双向抽水和双向泄水等功能很适合综合利用低水头水力资源，如图2-5所示。
贯流式水轮机一般分为半贯流和全贯流，而半贯流又分灯泡式、竖井式和轴伸式等。
半贯流式机组把发电机与水轮机分开，目前国内采用灯泡式贯流机较多，竖井式和轴伸式应用于小型机组。
全贯流式机组的发电机转子在水轮机转轮外圆上，水流直贯而入，全贯流式机组应用较少。
轴伸贯流式水轮发电机组采用卧式布置，也有倾斜安装的，其结构简单，造价与工程投资少，但效率较低，在低水头小水电站中应用较广，其中水平卧式用得最多。图2-6是轴伸贯流式水轮发电机组示意图。
竖井贯流式水轮机是将发电机组安装在水轮机上游侧的一个混凝土竖井中，图2-7是竖井贯流式水轮机组示意图。
灯泡贯流式水轮机组的发电机密封安装在水轮机上游侧一个灯泡型的金属壳体中，发电机水平方向安装，发动机主轴直接连接水轮机转轮。图2-8是灯泡贯流式水轮机组示意图。
图2-6 轴伸贯流式水轮发电机组
图2-7 竖井贯流式水轮机组
图2-8 灯泡贯流式水轮机组
5.切击式水轮机
切击式水轮机工作射流中心线与转轮节圆相切，故名切击式水轮机。其转轮叶片均由一系列呈双碗状水斗组成，故又称水斗式水轮机。切击式水轮机是目前冲击式水轮机中应用最广泛的一种机型，其应用水头一般为300～2000m，目前最高应用水头已达到1771.3m（澳大利亚的列塞克-克罗依采克水力蓄能电站，水轮机出力N=22.8MW），如图2-9所示。
图2-9 切击式水轮机
6.斜击式水轮机
斜击式水轮机主要工作部件和切击式水轮机基本相同，只是工作射流与转轮进口平面呈某一角度α，射流斜着射向转轮。斜击式水轮机适用于水头35～350m、轴功率为10～500kW、比转速为18～45的中小型水电站，如图2-10所示。
图2-10 斜击式水轮机
图2-11 双击式水轮机
7.双击式水轮机
双击式水轮机水流先从转轮外周进入部分叶片流道，消耗了70%～80%的动能，然后离开叶道，穿过转轮中心部分的空间，又一次进入转轮另一部分叶道消耗余下20%～30%的动能。这种水轮机结构简单，制造容易，但效率低，一般适用于H大于60m，N小于150kW的小型水电站，如图2-11所示。
二、水轮机的基本部件
水轮机的基本部件较多，这里只简要介绍对水轮机能量转换过程有直接影响的主要过流部件，以反击式水轮机为例。
反击式水轮机一般有四大基本过流部件，即引水部件、导水部件、工作部件和泄水部件，不同型式的反击式水轮机其四大部件不尽相同。
1.引水部件
引水部件又称引水室，反击式水轮机引水室的主要作用是以最小的水力损失将水流引向导水机构，尽可能保证水流沿导水机构周围均匀、轴对称地流入，并使水流进入导水机构前形成一定的环量以及保证空气不进入转轮。
为适应不同的条件，引水室有不同的型式，常用的类型有开敞式和封闭式两类。开敞式又称为明槽式；封闭式引水室中水流不具有自由水面，有压力槽式、罐式、蜗壳式三种。
（1）明槽式引水室。明槽式引水室的水面与大气相通。为了减少明槽内的水力损失及保证水流的轴对称，明槽式引水室的平面尺寸通常比较大。这种引水室一般用于水头10m以下，转轮直径小于 2m的小型电站。明槽式引水室如图2-12所示。
（2）压力槽式引水室。压力槽式引水室适用于水头8～20m的小型水轮机，如图2-13所示。
（3）罐式引水室。罐式引水室中的水流具有一定的压力，属于封闭式。它由一个圆锥形金属机壳构成，一端与压力钢管相连，另一端与尾水管连接。这种引水室结构简单，但水头损失大，一般用于标称直径D1小于 0.5m，水头10～35m，容量小于1000kW的小型水轮机。罐式引水室如图2-14所示。
图2-12 明槽式引水室
图2-13 压力槽式引水室
图2-14 罐式引水室
（4）蜗壳式引水室。蜗壳式引水室俗称蜗壳，其进口与压力引水管相连，沿进口断面向末端，断面面积逐渐缩小，它属于封闭式引水室。
垂直于压力水管来水方向的蜗壳断面，称作蜗壳的进口断面。蜗壳断面面积为零的一端，称为蜗壳的鼻（末）端，由鼻端到任意断面所形成的圆心角称为该断面的包角，鼻端与进口断面之间所形成的圆心角为最大包角（φ），称为全包角，简称为蜗壳的包角。
水轮机的应用水头不同，作用在蜗壳内的水压力也不相同。水头高则水压力大，要求蜗壳具有较高的强度，因此采用金属制造；而低水头时压力较小，强度可以降低，故一般采用混凝土制作。
金属蜗壳通常采用铸造或钢板焊接结构，其断面为圆形，最大包角接近360°（通常为345°），如图2-15所示。工作水头在40m以上时，一般采用金属蜗壳。
混凝土蜗壳用混凝土在电站施工现场浇筑而成，其断面为梯形，做成多边形梯形断面可以减小径向尺寸，便于制作模板和施工，如图2-16所示。混凝土蜗壳的最大包角通常为180°，应用水头在40m以下。
图2-15 金属蜗壳
图2-16 混凝土蜗壳
2.尾水管
尾水管的作用是将流出转轮的水流平顺地引向下游，回收转轮出口的部分动能（动力真空）及势能（静力真空）。尾水管分为直锥形尾水管和弯曲形尾水管两类。
（1）直锥形尾水管。如图2-17所示，直锥形尾水管是由钢板成型后焊接而成的直圆锥形管。直锥形尾水管水力损失小，效率高，结构简单，制作方便，一般用于D1小于0.8m的小型水轮机。
图2-17 直锥形尾水管和尾水渠
图2-18 弯锥形尾水管
（2）弯曲形尾水管。这类尾水管又分为弯锥形尾水管和弯肘形尾水管。
弯锥形尾水管，水流从转轮流出经过90°的弯管后进入直锥管，由于弯管内水流速度大，且水流方向发生急剧变化，因此水力损失大、效率低，只用于中小型卧轴水轮机，如图2-18所示。
弯肘形尾水管，由进口直锥段、肘管段和水平扩散段三部分组成。直锥形尾水管虽然损失小、效率高，但如果应用在转轮直径较大的水轮机中，尾水管将要做得很长，基础开挖深。因此，大中型立式装置的水轮机广泛采用弯肘形尾水管。图2-19为一轴流转桨式水轮机的弯肘形尾水管，图2-20为一混流式水轮机的弯肘形尾水管。
水头大于150m，或尾水管中的平均流速大于6m/s时，为了防止高速水流的冲刷剥蚀，肘管需加钢板衬砌。为了便于钢板成型，可采用由圆形进口断面经椭圆形断面过渡到矩形断面的肘管。
图2-19 轴流转桨式水轮机弯肘形尾水管
图2-20 混流式水轮机弯肘形尾水管