[科普中国]-水斗式水轮机

简介

切击式水轮机，也叫水斗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。

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P=22.8MW）。

与反击式水轮机相比，业内对冲击式水轮机的研究投入较少2。
据作者了解，至今国内建有冲击式水轮机试验台者仅有两家，其一，虽有A237转轮问世，但科研成果为数不多;其二，调试尚未达标。
前苏联也是如此。虽有许多长篇巨著。但论述反击式水轮机的内容居多，而论述冲击式水轮机的章节却很少。
1965年，出版了《水斗式水轮机》，就作者所知，这是冲击式水轮机唯一的专著。国内虽有相关论述，但对一些核心问题的研究则不多见。

构成其主要结构包括输水管、喷流机构、转轮、折向器和机壳等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P=22.8MW）。

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3。

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。

水斗式水轮机水电站水斗式水轮机用于高水头、小流量水力环境，故水电站均处于偏远山区。在山间溪沟筑坝蓄水。经水坝输水至明渠，水流在山间蜿蜒数公里或十余公里抵达电站前池。前池附近设溢流堰。在水轮机出力减小、而渠道供水量尚来不及适应时，过量的水经溢流堰排出。开启前池闸门，水流经压力钢管、水轮机主阀门，进入水轮机喷嘴4。

水斗式水轮机运行效率很高，而且效率随流量的变化升降幅度很小。目前，水斗式水轮机的运行效率均可达到90%以上。就能源利用而言，水斗式水轮机可以说是最佳选择。因此，水斗式水轮发电机组应该在电网中担任基荷。

水斗式水轮机水电站给水系统很长。一旦水轮机工况变化、流量平衡被打乱，恢复并建立另一平衡的调节过程较长。若大幅度减小负荷，水轮机可以迅速完成任务。但是，由于明渠来水不能及时减小，而压力钢管输水量却突然降低，则导致前池水位抬高，多余的水量将从溢流堰排去，这将造成巨大的能量损失。若突然大幅度增加负荷，水轮机需水量大增，明渠供水可能来不及迅速补充，可形成另一事故。这也是水斗式水轮机不适宜调峰的有力论据。

与河床式水电站相比，水斗式水轮机水电站的运行水头变化很微小。其使用水头超过千米，已不罕见，既便前池水位有少许波动，相对于水轮机工作水头的变化量也是很微小的。因此，水斗式水轮发电机组的运行是非常稳定的。

反击式水轮机最高模型效率甚至超过95 %，但这仅仅是个别工况点而已。由于此类机型的运行范围很宽，真正在最高效率下运行的机率非常小。相反，冲击式水轮机却能一直在其最优工况下运行，能更好地利用水力资源。

水斗式水轮机的能量平衡水斗式水轮机是由喷嘴和转轮构成，它们的工作是独立的，它们对水轮机效率的影响也是独立的。喷嘴按出力提供流量，转轮则将其转化为机械能。设计水斗式水轮机就是分别设计喷嘴及转轮，然后将其组合成设计需要的水斗式水轮机5。

喷嘴的进口就是水斗式水轮机的进口，其净水头或工作水头H，应该定义为喷嘴进口液体相对于喷嘴出口标高的比能。仿照反击式水轮机定义冲击式水轮机的毛水头，不但没有实际意义，反而形成某些混淆。喷嘴出口至下游水面间的高程，虽为水斗式水轮机运行所必须，但这段水头不为水轮机所用，故不可纳入水头的论述之中。

多喷嘴水斗式水轮机皆为立式结构，喷嘴水平、轴对称布置。环形管将高压水流导入各个喷嘴，与喷嘴一起形成水斗式水轮机的供水部件。所以环形管的入口便是立式多喷嘴水斗式水轮机的进口，多喷嘴水斗式水轮机的水头应该定义为环形管进口(相对于喷嘴轴线标高)的比能。

严格地讲，各个喷嘴进口的比能是不同的(或水头不同)，这将不可避免地造成各喷嘴提供的射流直径或流量的差异。但这一差异是微小的。水斗式水轮机工作水头很高，而喷嘴之间的水头差源于环形管部分管段的水力损失，后者与其工作水头相比，可以忽略不计。按各喷嘴的流量计算平均水头，从实用角度看来没有现实意义。事实和历史经验已经表明，水斗式水轮机模型试验或真机试验时，水头的测量点总是选定在环形管的进口断面。

关于射流同平板之间力的作用
水斗式水轮机的基本原理为动量定理，所以，讨论射流对固定平板及柱面板的冲击以及彼此之间作用力是非常必要的4。

如此研讨的目的是试图揭示水斗式水轮机的根本规律;但完全按有压流动中流体的绕流运动，设想高速水流对板面的冲击显然是脱离实际的。

流体绕流的必要条件是边界条件限定的有压流动，而在此则是大气中的自由射流对板面的冲击或碰撞。此撞击与刚体碰撞相同，只是射流为水质点束，因此，它们彼此之间存在更多的撞击。还讨论了运动弯板在射流作用下所受到的作用力以及功率和效率，并给出了射流是固定的，而受力弯板却是运动的。叶片在未接触射流时根本不受力;在其进口接触射流时才开始受力，但这仅仅是一瞬间。待叶片继续前行，射流的打击点沿叶片表面下移、即叶片受力点下移;此后叶片脱离射流，便不再受力。可见，这一讨论仍然是脱离实际的。

水斗式水轮机直径比与转轮所有水斗式水轮机均由同一个原理模型演化来，它们之间的根本区别就是直径比的不同。因此，转轮的形状、轮盘的厚薄、水斗数目的多少、水斗在轮盘上的位置等等，均因直径比不同而异。

按水斗式水轮机基本原理模型理论，所有水斗匡基本断面型线都是相似或相同的，除此之外，水斗匡所有其他几何元素都是不同的。这一不同或差异，伴随水斗式水轮机转轮直径比的变化而规律地变化。水斗式水轮机的实际使用直径比，应用范围并不很大，所以不同水斗之间的几何差别不大。但是，为了追求最高效率，水斗式水轮机转轮及其水斗必须单独针对设计。

水斗式水轮机的直径比并非设计之初就确定的。但是，从前的水轮机著作及文献中却把水斗式水轮初的直径比定为设计规范，规定其使用范围或按设计水头的高低“选用”直径比等等。诚然，设计水头高而量又很小，则转轮直径偏大，而射流直径偏小，故水轮机直径比大，这肯定是客观规律。然而，水斗式水轮机的转轮直径D1与射流直径d。各有各自的设计原则，于是才有水斗式水轮机的直径比。所以给水斗式水轮机的直径比规定这样或那样的规范和其他设计原则都是没有根据的，甚至是错误的。

关于基本理论
（1）抛开斜击式水轮机或冲击式水轮机整个族系，而将研究对象仅仅锁定于水斗式水轮机。如此探求冲击式水轮机或水斗式水轮机的基本规律是不会成功的1。

水斗式水轮机与斜击式水轮机，并无本质的差异。它们的工作原理皆为动量定理;它们的供水机构都是喷嘴，喷嘴制造射流，后者在大气中对转轮水斗作功。转轮之间的形状差异从外表看来确实很大，尤其是转轮水斗完全不同。深入研究便会发现，水斗的不同源于射流入射角的不同、来自转轮直径比的差异，只是水斗式水轮机的射流入射角为0而已。
（2）将实际水斗式水轮机作为对象，而且研究范围仅限于射流与水斗进行能量的交换过程中的一个特定瞬间或特写镜头，并以此为基础论述水斗式水轮机的动力特性，那是缺少说服力的。

水斗式水轮机的喷嘴虽然稳定提供射流，但转轮在转、水斗顺序划过射流、循环往复。射流分段进入并离开每一水斗，它在水斗工作面上的流态时刻在变化，无稳定可言。射流与水斗的相对位置时刻改变;仅以一个特殊条件去研究水斗式水轮机、并想找到其基本理论的内核，是不可能的。

（3）射流进入水斗后，由于水流质点运动方向不一，将产生强烈干扰，因此离开水斗的水流已非完整的流束，而是相当逸散的喷射物。就射流在水斗上的任何瞬间的流态运用伯努里方程或动量定理，都是不可想象的。
（4）直接引用反击式水轮机基本方程式，又将水斗式水轮机的转轮直径作为特征几何参数纳入，这是又一重大失误。水斗式水轮机转轮直径是次要参数，它与水轮机的动力特性关系不大。转轮直径的大小并不影响流量的多少。

关于相似理论每个水斗式水轮机都可一直在其最高效率下运行，这是反击式水轮机绝对不可能的。但是，因为相似理论的干扰，借用反击式水轮机的设计方法，常令水斗式水轮机的设计单位转速明显偏离最优单位转速，在设计中便损失了效率1。

把水斗式水轮机转轮的设计也同反击式水轮机转轮设计一样，将模型试验作为最终手段，将阻滞冲击式水轮机的发展。

相似理论用于边界条件固定的有压流动空间，水斗式水轮机具备这种条件吗?
冲击式水轮机的设计理论和方法完全不同于反击式水轮机，它们按给定条件针对设计。两台冲击式水轮机几何相似的可能微乎其微。将相似理论引入水斗式水轮机，是错误的。

关于比例效应反击式水轮机存在比尺效应，根据模型与真机的比例关系，进行设计效率的修正，修正方法多种多样。获得一个精确、严谨和普遍接受的解决方案是不可能的1。

水斗式水轮机也存在对应的比尺效应吗?严格地说，机组尺寸大小会对效率有所影响。但是，导致效率差异的元素与反击式水轮机是不同的，按反击式水轮机的路子寻求解决是不会奏效的。
水斗式水轮机的设计，必须服从转速第一的原则;除去喷嘴之外，水轮机几何元素的设计均有其独特的方法可循;就整体而言，水斗式水轮机的几何相似几乎是不可能的，相似理论不属于水斗式水轮机。 水斗式水轮机的转轮直径D,，确也为其标志性参，但它同水力性能关系甚小，不是影响水斗式水轮机水力效率的关键因素。
水斗式水轮机面临的各种各样的能量损失，才是探寻水斗式水轮机尺寸大小对其效率影响的关键。它们是:
（1）喷嘴效率;

（2）轴承机械损失。
（3）水斗出口动能损失。
（4）射流束在水斗内的水力损失及干扰损失。
（5）转轮直径的大小，直接关系到风损;转轮厚度及水斗宽度，对风损或许也有一定影响。
（6）水斗式水轮机的机壳对效率也具有肯定的左右能力。