[科普中国]-斜流可逆式水轮机

斜流式水轮机是近几十年发展起来的一种水轮机型式。由于混流式水轮机不适应较低水头及水头变化大的工作条件,而轴流式水轮机应用在较高水头时,由于叶片数目的增加,使单位流量减少,同时亦使叶片操作机构过于复杂。为克服上述机型的缺点,斜流式水轮机应运而生了，它与混流式和轴流式水轮机相比具有高效率区广阔、应用水头高、空蚀性能好等优点。

发展历史斜流式水轮机由瑞士工程师P.德里亚于1956年发明，故又称德里亚水轮机，其叶片倾斜布置在转轮体上。斜流转桨式水轮机随着水头和负荷的变化，转轮体内的油压接力器操作叶片绕其轴线相应转动。它的最高效率稍低于混流式水轮机，但乎均效率大大高于混流式水轮与轴流转桨水轮机相比，抗气蚀性能较好，飞逸转速较低，适用于40~200米水头。

由于设计理论及计算技术等原因，斜流式水轮机截止2005年没有得到广泛应用。世界上容量最大的斜流式水轮机是前苏联捷雅水电站斜流转桨式水轮机，标称直径6米，水头变化范围74.5~97.3米，单机功率达220MW,它的蜗壳、座环、导水机构属于径向式,水流从蜗壳经座环、导叶、浆叶到尾水管直锥段总转角仍达90度，但不急转，即转半径相对增大，因而水力效率得到提高4。在国内，1970年哈尔滨电机厂为云南毛家村水电站生产了我国第一台的斜流式水轮机，单机功率8000kw,转轮直径1.6m。采用径向式蜗壳、座环、导水机构4。1972年投产发电的北京密云水电站，容量15MW、转轮直径2.5m的斜流式抽水蓄能机组，是中国容量最大的斜流式水轮机。在此以后国内基本没有再设计生产过斜流式水轮机。

结构优缺点水轮发电机组不仅担负基荷发电任务，从电网角度看，水电站起闭灵活,费时短在电力系统中通常还担负调峰作用。水轮发电机组的调节性能好,适应负荷变化快，特别是轴流转桨式水轮机具有双重调节的性能，更能满足上述要求。但是，轴流转桨式水轮机应用水头一般为3~55米，如果进一步提高使用水头就受到水力和机械方面的限制,此时只有采用具有良好的水力性能和机械性能的混流式水轮机，它可应用很大的水头范围。混流式水轮机的叶片不可调节，随着负荷变化水轮机效率变化较大，水力性能变差，出现震动噪音等适应能力较差。为此，上世纪五十年代又研究出介于混流式和轴流转桨式之间的一种新型水轮机——斜流式水轮机。

斜流式水轮机与混流式和轴流式水轮机相比具有以下优点：

(1)高效率区广阔，特别是在变水头工况下，效率曲线变化平缓。斜流式较混流式效率高8~12%，它的平均效率效率除最优工况外，桨式高2~3%。运行范围广，对水头、流量变化幅度大时适应性较强，能在(0.3~1.3)倍额定出力范围内工作。

(2)适用水头较高。由于斜流式转轮的叶片分布在一个直径较大的球面上，叶片数目比轴流式多，因而能适应较高的水头，叶片数一般为3~12片，适用水头为20~200米。

(3)空蚀性能好。斜流式水轮机比轴流转桨式水轮机空蚀性能好，在同一比转速下空蚀系数低5~10%。

(4)斜流式水轮机比轴流式水轮机飞逸转速低，所以斜流式比轴流式经济，水轮发电机组的重量也相应减轻。

但是,斜流式水轮机存在着结构复杂,加工工艺复杂而且要求高等缺点，所以从60年代在我国都未得到广泛应用。在中低水头，斜流式水轮机有显著优点,所以发展前景广阔,除了用于常规水电站之外还可广泛用在抽水蓄能电站上，作为斜流可逆式水泵水轮机。

在结构与尺寸上，斜流式水轮机介于混流式和轴流式之间，其埋设部件蜗壳、座环,主轴和轴承等大都与混流式和高水头轴流式水轮机相类似。主要差别在转轮的结构和导水机构型式，转轮叶片转动轴线与水轮机主轴中心线形成45%~60%的锥角。常用的斜流式水轮机转轮叶片操作机构有两种型式:一种是利用刮板或者环形接力器的旋转,通过转臂连杆机构转动叶片。这种结构比较简单但是密封要求较高。另一种是与轴流式水轮机类似的活塞式接力器的操作机构，这种结构比较复杂，应用较少。斜流式水轮机的转轮结构包括转轮体、叶片、叶片的转动机构和接力器等。叶片与转轮体及转轮室配合部分均为球面,其中与转轮部分配合间隙，应精确调整使其在规定范围之内，一般间隙取(0.001~0.005)D(D为转轮标称直径)。当转动部分由于轴向力作用下沉到某一值时，装在机组上的轴向位移监视装置发出信号使机组及时停机，避免叶片与转轮室碰撞而造成损坏。同时也防止容积损失造成的水轮机效率降低。

在斜流式水轮机中，通常采用径向式导水机构和斜向式导水机构。径向导水机构与一般的混流式和轴流式水轮机相似。当采用斜向式导水机构时，结构和贯流式的斜向导水机构相似，这种布置可以减小机组的平面尺寸从而减小了机组的间距、单机耗材。在水力方面，蜗壳和座环也倾斜布置,使蜗壳至尾水管的过流通道比较平直，可以提高水力效率。这种结构比较复杂，没有得到广泛应用，还有待研究。1

轴伸斜流可逆式水轮机结构特点轴伸斜流式水轮机的工作原理是水流从进水阀经引水弯管、锥形导水机构流进转轮，斜流式转轮将获得的水流能量转化为转轮的旋转机械能，旋转机械能通过主轴传递给发电机，从而再转化为电能。可认为它集中混流式和轴流式水轮机的某些特点。

(1)与轴流式水轮机相比，其使用水头增高;尺寸小，结构简单，重量轻，叶片强度增加；平均效率高；叶片数适当增多，包角增大,空蚀性能同常规轴流式水轮机相比有所改善。与混流式水轮机相比，叶片可转动或固定不转动，叶片数较少；转轮重量轻；

(2)制造简便，结构简单，运行效率高。轴伸斜流式水轮机转轮叶片进、出水边处于倾斜位置，叶片轴面长度比混流式叶片短，改善了叶片的空蚀性能;增大转轮叶片进口与出口之间的距离，出口水流不均匀得到有效改善，大大改善了水力特性；减小了进水边平均半径，提高了最优单位转速；叶片外缘扭曲程度较小，降低了转轮主要过流区的水力损失，提高比转速。

开发价值为使我国水轮机设计理论和方法达到和超越世界先进水平，更经济高效地开发利用我国极其丰富的水力资源，研制中低水头高比转速新型水轮机的任务在国内水电站建改中，特别是在以水电为支柱产业的四川省经济建设中意义十分重大。在对斜流式水轮机做了几年理论研究基础上，成功研制出轴伸斜流式水轮机，并填补国内空白，获得独立知识产权。

研究表明这种斜流式水轮机是具有结构简单制造方便，比转速高，尺寸小，重量轻，效率高，空蚀性较好等优点，使实际应用中占有较大比例的现有水电站增容技改或新建水电站的性价比得到很大提高，是一种较有发展前景的水轮机。以后的工作是如何进行模型转轮能量，空蚀，稳定性试验，尽快将这种享有独立知识产权的创新用于电站实际生产，以便进一步完善和推广使用。2

本词条内容贡献者为:

张磊 - 副教授 - 西南大学