[科普中国]-水泵水轮机

工作原理

转轮正向旋转时作为泵使用，反向旋转时作为水轮机使用的可逆式水力机械。是抽水蓄能电站的动力设备。水泵水轮机与反击式水轮机的适用水头范围基本一致。其通流部件的几何形状与水轮机有所不同，但是主要部件和结构在许多方面是相仿的。为满足水泵和水轮机两种运行工况的要求，水泵水轮机比相同水头和容量的水轮机尺寸大。水泵水轮机今后的趋向是扩大单级转轮的使用水头，提高比转速，增加单机容量和优化水泵工况起动方法。水泵水轮机的分类与反击式水轮机相仿，按水流途径分混流式、斜流式和贯流式三种。

产品分类混流式水流沿径向进入转轮，然后基本上沿轴向自转轮流出的水泵水轮机。转轮形状类似水泵,适用水头一般100～600m，超过600m水头时一般采用两只或两只以上转轮串联组成多级式。日本已试验800m水头段的单级转轮，可望提高单级转轮的适用水头。混流式水泵水轮机的结构简单，适用的水头范围广，因此是应用最多的机型。

斜流式水流流经转轮叶片时倾斜于轴线某一角度的水泵水轮机。适用水头30～140m，桨叶可调节，与混流式水泵水轮机相比平均效率高，可以调节水泵输水量，水泵起动力矩小。缺点是结构复杂，造价高，只适用于机组台数少和水头变幅大的抽水蓄能电站。中国在1972年制造了第一台斜流式水泵水轮机在密云水库电站运行。

贯流式流道呈直线状的卧轴水泵水轮机。适用水头3～20m，主要用于抽水蓄能型的潮汐电站，除要求机组具有单向发电、抽水功能外，有时还要求具有双向发电、双向抽水和双向泄水六种功能。

以上各类水泵水轮机在发电水头、单机容量方面的世界最高水平见表。

发展及使用现状水泵水轮机技术是在近40年来，随着抽水蓄能电站的建设迅速发展起来的。混流式水泵水轮机于1931年首次安装在意大利的格拉·拜顿水电站，单机容量为0.6 MW。抽水蓄能电站发展较快的是美国、日本和西欧各国。已投入运行的机组中，使用水头最高的单级混流式水泵水轮机在日本的葛野川(Kazunogawa)电站，水轮机工况的最大水头为728m，最大输出功率412 MW；水泵工况的最高扬程为778 m，最大抽水流量50.3 m3/s，转速500 r/min。该电站首台机组于1999年12月投入运行。美国巴斯康蒂(Bath County)抽水蓄能电站的单级混流式机组额定工况输出功率350 MW，水泵水轮机的水轮机工况在329 m水头下输出功率为380 MW，最大输出功率457 MW，最大水头为390 m；水泵工况最高扬程387m，抽水流量85 m3/s，在扬程335 m时抽水流量为116m3/s，转轮直径6.35 m，转速257.1 r/min。保加利亚茶拉(Chaira)水电站的单级混流式水泵水轮机也具有一定代表性，水轮机工况的最大水头为677 m，单机额定输出功率216 MW；水泵工况的最高扬程为701 m，最大抽水流量29.5 m3/s，转轮直径3.52 m，转速600r/min。

具有代表性的多级式水泵水轮机安装在意大利的埃德罗(Edolo)抽水蓄能电站，其最高水头/扬程为1256 m/1289 m，为当前应用水头/扬程最高的水泵水轮机，水轮机工况最大输出功率128 MW，5级，转轮直径2.215 m，转速600 r/min；单机输出功率最大的为法国的勒·柯洛电站双级可逆式水轮机工况最大输出功率286 MW，水泵工况最大输入功率244 MW，最高水头/扬程1037 m/1067 m，转速600r/min；使用水头最高的斜流式水泵水轮机安装在日本的高根第一(TakaneI)电站，最高水头/扬程为136 m/137 m，水轮机工况最大输出功率88 MW，转速277 r/min；最大的贯流式水泵水轮机(灯泡式)为法国的朗斯(LaRance)潮汐电站，最大输出功率10 MW，最高水头/扬程为11m/6m。

中国抽水蓄能电站建设发展迅速。国内已投入运行的大型单级混流式水泵水轮机主要有：广州抽水蓄能电站的水泵水轮机，运行水头/扬程范围是496～537 m/514～550 m，水轮机工况额定功率306 MW，转速500 r/min，转轮直径3.886 m (二期3. 865m)。十三陵抽水蓄能电站的水泵水轮机，运行水头/扬程范围是418～475m/440～489m，水轮机工况额定功率204MW，转速500r/min，转轮直径2.63 m；天荒坪抽水蓄能电站的水泵水轮机，运行水头/扬程范围是520～605m/533～615m，水轮机工况额定功率306 MW，转速500r/min，转轮直径4.08 m。中国已投入运行的斜流式水泵水轮机安装在密云抽水蓄能电站，转轮直径2.5 m。发电工况时最大水头64m，输出功率13.5MW；额定水头46 m，输出功率11 MW。抽水工况时，最高扬程59 m，设计扬程52 m。2