[科普中国]-轴流式水轮机

简介

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1。

分类在同样的水头下，它的过流能力比混流式大，气蚀性能较混流式差。根据其转轮叶片在运行之中能否转动，又可分为轴流转桨式和轴流定桨式两种。

轴流定桨式水轮机的叶片固定在转轮体上，叶片安放角度不能在运行中改变，效率曲线较陡，适用于负荷变化小或可以用调整机组运行台数来适应负荷变化的电站。优点：结构简单，造价较低。缺点：在偏离设计工况时效率会急剧下降。根据其特点，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2。

轴流式水轮机结构结构及其特点轴流式水轮机的结构比较复杂，主要部件包括蜗壳、座环、顶盖、导水机构、转轮室、转轮、底环、尾水管、土轴(见水轮机主轴)、导轴承(见水轮机导轴承)等。

轴流式水轮机的蜗壳一般为混凝土浇筑型，水头较高时，亦用钢制蜗壳。混凝土蜗壳是直接在厂房水下部分大体积混凝土中浇筑成的蜗形空腔、断面形状一般为“T”形，钢制蜗壳的断面为圆形。转轮室分为中环和下环两个部分。

轴流式水轮机的转轮包括转轮体和叶片。定桨式转轮叶片按一定角度固定于转轮体上;转桨式则在转轮体内设有一套使叶片转动的操作和传动机构。转轮体有圆柱形和球形两种。转轮叶片的数日一般为4~6个，小型低水头水轮机也有采用3个叶片的。轴流转桨式水轮机具有双调节性能，即导水叶及转轮叶片均可调节，而定桨式则只能调节导水叶。因而，轴流转桨式水轮机能在水头和负荷变化较大范围内保持水轮机的运行稳定性和高效率，从而比定桨式应用得更为广泛3。

轴流式水轮机发展史1912年，捷克人长普兰提出一种带外轮缘，叶片固定的轴流式水轮机，经过多年的逐步完善，发展成为现代的轴流转桨式水轮机，亦称卡普兰式水轮机。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，可按水头和负荷变化作相应转动，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，这类水轮机的最高效率有的已超过94%。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2。

轴流式水轮机发展趋势近年来，轴流式水轮机的应用不断向高水头、大尺寸发展。目前，使用水头已达80 m以上，单机容量及转轮尺寸都趋向增长。当前世界上使用水头最大的大型轴流转桨式水轮机是意大利的那门比亚(Nembia)水电站。最大水头为88m;单机出力最大的是苏联的舒尔宾水电站;额定出力为230 MW;最大的轴流定桨式水轮机安装在尼日利亚的凯因齐电站，单机额定出力131 MW，转轮直径8.54m。

中国的轴流式水轮机的设计制造技术也发展很快，已建成的葛洲坝水电站(见葛洲坝水利枢纽)安装的两种轴流转桨式水轮机最大水头为27m，单机额定出力分别为175和129 MW，转轮直径分别为11.3m和10.7m,前者为目前世界上同类水轮机转轮直径最大的。安装在水口水电站的轴流转桨式水轮机，其最大水头为58m，单机额定出力为204MW，转轮直径为8m3。