[科普中国]-弗朗西斯式水轮机

弗朗西斯式水轮机也称混流式水轮机，属反击式水轮机的一种，由美国工程师弗朗西斯于1849年发明。水流从四周径向流入转轮，然后近似轴向流出转轮，转轮由上冠，下环和叶片组成。适应水头范围最为广泛，既可用于高水头的大中型水电站，也可用于低水头的小型水电站。近年来的发展趋势是高水头、大容量、高比转速和高效率1。

概述水力发电利用的是把水的势能（水位的高度差引起的）和水的动能（速度引起的）转换成电能的。水轮发电机组主要由水轮机和发电机构成，前者的作用是把水的势能和动能转化成旋转机械能，是原动机；后者的作用是把旋转机械能转换成电能。两者通过主轴连接。发电机输出功率的大小由水轮机决定，而水轮机的输出功率则与引入流量和水头（上下游水位的高程差）成正比，流量越大或是水头越大或是两者都大，水轮机的输出功率也就越大。在工程实际中，不同的河流，不同的地区，流量或是水头是不一样的，也就是说要么满足流量，要么满足水头，当然要兼顾二者。

当水头范围在30~300米左右范围时，轴流式水轮机已经不实用了（机械强度等不能满足要求），水轮机就变成混流式或斜流式的了，水流在进入叶片前是沿着圆周方向，流出叶片后是沿着轴线方向的，故称为混流式。混流式水轮机的叶片是固定的。当机组功率小于5000kw（数值不确定）时，一般设计为卧轴形式，即主轴是水平的，这种一般适用于小水电。当机组功率大于500kw时（数值不确定），机组就要设计成立轴形式的，以满足强度及检修需要。立轴混流式水轮发电机组单机容量从几千千瓦到80万千瓦（现在正在设计单机100万千瓦的）不等，是当今应用范围最广、技术条件最成熟的水轮机。

特点弗朗西斯式水轮机结构紧凑，效率较高，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。当水流经过这种水轮机工作轮时，它以辐向进入、轴向流出 ，所以也称为辐向轴流式水轮机。

它适用于水头自20米直到700米的范围内，机构简单，运行稳定，并且效率高，但它一般是用在中水头范围内（50米至400米）。单机出力从几十千瓦到几十万千瓦。目前这种水轮机最大出力已经超过70万千瓦。是一种运用最广泛的一种水轮机。我国单机容量700兆瓦机组在三峡投入运行，向家坝采用800兆瓦混流式机组2。

原理水流从水轮机四周水平方向向中心流入转轮（径向进入），然后转为向下方向出口，水流进入转轮内在向轴芯方向通过叶片时推动转轮，同时在向下通过叶片时也推动转轮。也就是说水流在径向与轴向通过叶片时都做功，故称为混流式水轮机，也称为幅向轴流式水轮机。

结构组成混流式水轮机结构简单，主要部件包括蜗壳、座环、导水机构、顶盖、转轮、主轴、导轴承(见水轮机导轴承)、底环、尾水管等。蜗壳是引水部件，形似蜗牛壳体，一般为金属材料制成，圆形断面。座环置于蜗壳和导叶之间，由上环、下环和若干立柱组成，与蜗壳直接连接；立柱呈翼形，不能转动，亦称为固定导叶。导水机构由活动导叶、调速环、拐臂、连杆等部件组成。转轮与主轴(见水轮机主轴)直接连接，是该类型水轮机的转动部件，转轮由上冠、下环、泄水锥和若干固定式叶片组成，其外形和各组成部分的配合尺寸根据其使用的水头不同而有所不同。尾水管是将转轮出口的水流引向下游的水轮机泄水部件，一般为弯肘形，小型水轮机常用直锥形尾水管3。

混流式的转轮一般用低碳钢或低合金钢铸件，或者采用铸焊结构。为提高抗汽蚀和抗泥沙磨损性能，可在易气蚀部位堆焊不锈钢，或采用不锈钢叶片，有时也可整个转轮采用不锈钢。采用铸焊结构能降低成本，并使流道尺寸更精确，流道表面更光滑，有利于提高水轮机的效率，还可以分别用不同材料制造叶片、上冠和下环。典型例子是我国的刘家峡。

轴流式水轮机轴流式水轮机是指水流由轴向进人转轮，沿其叶片自轴向流出，将水流能量转换为机械能的反击式水轮机口按其转轮叶片能否转动又分为轴流转桨式和轴流定桨式。轴流式水轮机的使用水头范围一般为3-80m。轴流式水轮机转轮由转轮体、叶片、泄水锥组成，叶片数少于混流式，叶片轴线与水轮机轴线垂直。适用于中低水头、大流量的水电站。在相同水头下，其比转速较混流式水轮机为高。应用水头约为3到80m。水流在导叶与转轮之间由径向流动变为轴向流动，而在转轮区内，水流保持轴向流动4。

本词条内容贡献者为:

曹慧慧 - 副教授 - 中国矿业大学