浸沒工藝

[拼音]：shuilunji

[英文]：hydraulic turbine

將水流的能量轉換為旋轉機械能的水力原動機。主要應用於水電站驅動水輪發電機產生電能，為水電站的關鍵動力裝置。

發展簡史

水輪機系由古代的水輪或水車演變而來。1827年法國工程師B.富爾內隆製成 6馬力的反擊式水輪機。1849年經美國工程師J.B.弗朗西斯設計改進形成了現代混流式水輪機，故稱為弗朗西斯水輪機。1850年出現衝擊式水輪機。到1880年美國工程師L.A.佩爾頓取得水斗型衝擊式水輪機的專利，世人稱之為佩爾頓水輪機。隨著水電開發的進展，水輪機的型別、效能和結構日趨完善。1912年奧地利工程師V.卡普蘭設計出第一臺轉槳軸流式水輪機，故稱為卡普蘭水輪機。到20世紀40～50年代又相繼出現貫流式和斜流式水輪機，同時水輪機又發展為水泵水輪機，應用於抽水蓄能電站。水輪機的型別已能適應水電開發的不同任務和不同水頭的要求。中華人民共和國成立以後，很快建成中國的水輪機制造工業，擁有20多個水輪機制造廠，已生產出2000萬kW以上的水輪機裝備全國的水電站，並向國外出口。

分類

水輪機分為反擊式和衝擊式兩大類。反擊式水輪機按轉輪區域內水流運動的方向分為混流式、軸流式、斜流式和貫流式。其組成部件有蝸殼(引水室)、導水機構、轉輪、尾水管、軸和軸承等。衝擊式水輪機按射流衝擊水斗的方式不同分為水斗式、斜擊式和雙擊式，後兩種僅適用於小型水輪機。其組成部件有噴嘴、轉輪、機殼、軸與軸承等。各類水輪機在使用水頭、單機容量和尺寸方面的世界最高水平見表。（見彩圖）

混流式水輪機

水流沿徑向進入轉輪然後沿軸向自轉輪流出的水輪機（圖1）。適用水頭一般為20～700m，適用水頭範圍廣，結構簡單，執行可靠，應用最為廣泛。中國製造的最大混流式水輪機安裝在青海省龍羊峽水電站，水輪機容量32.65萬kW。中國混流式水輪機的最高使用水頭為318m，安裝在四川省漁子溪一級水電站，水輪機額定出力為4.15萬kW。

軸流式水輪機

水流進、出轉輪沿軸向流動的水輪機（圖2）。軸流式水輪機的轉輪沒有轉環，葉片形如螺旋槳，又可分為轉槳式和定槳式。定槳式水輪機的葉片固定，常用於單機容量不大和水頭變化幅度不大的電站，適用水頭一般為3～70m。轉槳式水輪機槳葉可以轉動並與導水葉的開度相配合。其平均效率比混流式水輪機高，執行穩定，缺點是結構複雜，適用水頭一般為3～80m。中國葛洲壩水利樞紐轉輪直徑 11.3m水輪機是世界上最大尺寸的軸流轉槳式水輪機，出力為17.55萬kW。陝西省石門水電站的水輪機最大水頭77m，是中國水頭最高的轉槳式水輪機。

斜流式水輪機

水流經轉輪葉片時傾向於軸線某一方向的水輪機（圖3）。其葉片可轉動，在結構和特性方面介於混流式和軸流式水輪機之間，適用水頭一般為40～120m，比軸流式水輪機的適用水頭高，比混流式水輪機的平均效率高，對水頭、負荷變化的適應性好。缺點是製造工藝複雜，造價高，小型電站不宜採用。中國在1969年製成第一臺斜流式水輪機，容量為8800kW。北京市密雲水電站抽水蓄能機組水輪機設計出力1.3萬kW，是中國最大容量的斜流式水輪機。

貫流式水輪機

流道呈直線狀的臥軸水輪機(圖4)，分為定槳式和轉槳式兩種。其轉輪與軸流式水輪機相似，但效率和過流量比軸流式水輪機大，適用水頭一般為3～20m，是開發低水頭和潮汐水力資源的新型水輪機。按發電機的佈置方式分為全貫流式和半貫流式兩種。半貫流式又分為豎井式、軸伸式和燈泡式，其中以燈泡式水輪機應用最廣泛。中國的貫流式水輪機自20世紀70年代才開始發展，最大單機容量的燈泡式水輪機為1萬kW，而用於潮汐發電的燈泡式水輪機單機容量最大為700kW，安裝在溫嶺縣江廈潮汐電站，該機具有雙向發電，雙向洩水的功能。

水斗式水輪機

由噴嘴噴射的高速射流沿轉輪圓周切線方向衝擊水斗的水輪機(圖5)。它的轉輪是由若干個瓢形水斗固定在輪緣上所組成，適用水頭一般為100～1700m。四川省磨房溝二級水電站的1.3萬kW容量水輪機是中國製造的最大水斗式水輪機。中國製造的水斗式水輪機最高水頭已超過600m。

工作原理

不論何種型別的水輪機均系利用水流的能量給葉片的反力推動轉輪作功，以達到能量轉換的目的。水流傳遞給水輪機的功率為9.81QHzs其中Q為通過水輪機的流量；H為有效水頭;ηs為水輪機水力效率。水輪機得到的功率為Mω（M為水流對轉輪的作用力矩，ω為角速度）。水輪機基本方程式為：

式中 g為重力加速度；v1、v2分別為水流進入和流出轉輪時的絕對速度；u1、u2分別為轉輪進口、出口的旋轉速度；α1、α2分別為水流進入和流出轉輪時的絕對速度與圓周分速度的夾角。在設計水輪機轉輪的通流部分時應遵循這一基本方程式。

反擊式水輪機利用水流的壓能（位能）和動能，水流經過轉輪葉片時受葉片的作用而改變壓力與流速的大小和方向，而對轉輪葉片產生反作用，形成轉輪的旋轉力矩使水輪機工作。衝擊式水輪機利用水流的動能，通過噴嘴把高壓水流全部轉化為動能以高速射向轉輪葉片而使轉輪旋轉。

水輪機基本引數

反映水輪機工作過程的特性，有以下引數：

（1）工作水頭即作用在水輪機上作功的有效水頭，以m計。水輪機設計水頭指水輪機發出額定功率時的最低水頭。

（2）流量即單位時間內通過水輪機的水流體積，以m3/s計。在設計水頭、額定轉速下發出額定功率時通過水輪機的流量稱為額定流量。

（3）軸功率指水輪機立軸輸出的機械功，以kW計。軸功率隨工作水頭而變化，在設計水頭、額定流量、額定轉速下水輪機輸出的軸功率稱為額定功率。

（4）效率指軸功率與水流在單位時間內輸入水輪機的能量之比。

（5）轉速指水輪機在單位時間內旋轉的次數，以r/min計。

（6）轉輪直徑是水輪機最主要的代表性尺寸。對不同型別水輪機的轉輪標稱直徑有統一規定。中國規定的標稱直徑見圖1～圖5中所示D1。

（7）吸出高度是反擊式水輪機的轉輪葉片上壓力最低點到下游水位的高程差，又稱靜態真空，常用符號Hs表示。在電站設計中按允許的Hs值和電站下游水位確定水輪機的安裝高程。

模型試驗

水輪機內水流運動十分複雜，計算理論至今還不完善。水輪機水力部件設計時除進行理論計算外，還應進行模型水力試驗，得出模型轉輪的能量和空蝕特性，然後推算原型水輪機的引數。模型是根據水流運動相似條件與原型水輪機幾何相似按比例縮小製成。具有幾何相似而尺寸不同的轉輪的水輪機組成一個水輪機系列。同系列轉輪的能量、空蝕等水力特性相同。