水轮机的分类及工作原理

水轮机的叶片、桨叶或斗叶在水的作用下绕轴旋转。水轮机或水车的转动部分通常被称为转轮。水轮机的旋转运动驱动发电机发电或驱动其他旋转机械。水轮机是一种通过水的动力或压力作用形成扭矩的一种机器。

可以根据水流流过叶片时的方向、水轮机进口的水头、水轮机的比转速以及液体流过转轮时压力的变化，对水轮机进行分类。

1.3.1 根据水流流过转轮时的方向

切流式水轮机：在这种水轮机中，水流沿着与轮毂相切的方向冲击转轮。实例：切击式水轮机（见图1.2）。

径流式水轮机：在这种水轮机中，水流沿着径向流动。水流可以由外到内或由内到外径向流动。如果水流从转轮外部流向转轮内部，这种径流式水轮机被称为内流式（向心式）水轮机。实例：老式混流水轮机。如果水流从内部流向外部，这种水轮机被称为外流式水轮机。实例：富聂隆式水轮机（见图1.4）。

图1.4 富聂隆式水轮机

轴流式水轮机：水流的流向与水轮机轴平行。实例：转桨式水轮机和定桨式水轮机（见图1.3）。

混流式水轮机：水流径向进入转轮，轴向流出转轮。实例：现代的混流式水轮机（见图1.1）。

1.3.2 根据水轮机进口的水头

高水头水轮机：这种水轮机的净水头在150米至2000米之间，甚至更高。这种水轮机需要的流量小。实例：切击式水轮机。

中水头水轮机：这种水轮机的净水头在30米至150米之间，需要的流量中等。实例：混流式水轮机。

低水头水轮机：这种水轮机的净水头小于30米，需要的流量很大。实例：转桨式水轮机。

1.3.3 根据水轮机主轴的布置方式

水轮机主轴可以为立式，也可以为卧式。在现代实践中，切击式水轮机通常为卧式，而其他水轮机，特别是大型机组，都采用立式布置方式。

1.3.4 根据水轮机的比转速

水轮机的比转速的定义为几何类似的水轮机在一个单位的水头（1 米水头）下运转产生一个单位的功率时所需的转速。可由下面的公式表示：

低比转速水轮机：比转速小于50（单射流时在10至35之间，双射流时可以达到50）。实例：切击式水轮机。

中比转速水轮机：比转速在50至250之间。实例：混流式水轮机。

高比转速水轮机：比转速大于250。实例：转桨式水轮机。

1.3.5 根据液体流过水轮机时压力的变化

根据液体流过转轮时压力的变化，可以把水轮机分为两大类：一类是冲击式水轮机，这种类型的水轮机利用高速水射流的动能把水能转换为机械能；第二类是反击式水轮机，这种水轮机通过水的压能和动能的联合作用产生能量。

1.3.5.1 冲击式水轮机

冲击式水轮机由喷嘴喷出来的高速射流进行驱动，高速射流冲击安装在叶轮周围的水斗。产生的冲力使水轮机转动，流体的动能随即减小。在水轮机斗叶上的流体压力没有变化，所有的压降都在喷嘴处产生。在到达水轮机前，通过喷嘴的加速，流体的压头转换为速度头。由于水流在到达转轮斗叶之前通过喷嘴形成射流，所以冲击式水轮机不需要在转轮周围设置压力外壳。可以用牛顿第二定律解释冲击式水轮机中的能量转换。从本质上讲，冲击式水轮机仅转换了流体的动能，并没有改变其压力。冲击式水轮机是一个大类，还可以细分为几种，每一种的工作方式稍有区别。

1. 切击式（佩尔顿）水轮机

在切击式水轮机的转轮圆周上安装了多个杯形的斗叶，转轮与中心轮毂（圆盘）相连（见图1.2）。喷嘴布置在转轮的周边，把水流射向这些杯形的斗叶，并把水的势能转换为动能，推动水轮机的转轮旋转。

2. 斜击式水轮机

斜击式水轮机是从切击式水轮机演变而来的。斜击式水轮机的斗叶不是完整的杯状，而是半杯状（见图1.5）。与切击式水轮机相比，这些半杯状的斗叶使水流进入和流出斗叶的速度更快、流量更大，因此能量效率更高。(www.xing528.com)

图1.5 切击式水轮机和斜击式水轮机的叶片和喷嘴

3. 双击式水轮机

双击式水轮机的叶片是放射状布置的槽形叶片，这些叶片都安装在圆筒形的转轮上（见图1.6）。为了使水流流线更加平滑，把叶片的进水口和末端都设计成锥形的。双击式水轮机只有两个喷嘴，射流分别以45度的角冲击叶片，把冲击力转换为动能。控制机构可以调节流出喷嘴的流量。在这类水轮机中，水流两次流经转轮叶片，一次是从叶片外流到叶片内，另一次是从叶片内流到叶片外。通常情况下，双击式水轮机的流量比切击式水轮机大。双击式水轮机有时又称为米歇尔式-班克式或奥森博格式水轮机。

图1.6 双击式水轮机

1.3.5.2 反击式水轮机

反击式水轮机的工作原理是反击。水流以高压低速进入水轮机的引流部件。此时一部分压能转化为动能，然后水流流入转轮，压能进一步转换为动能。随着水流流过转轮，转轮被加速，在转轮叶片上形成一个反作用力，转轮开始旋转。

由于静液压力作用在叶片的两侧，所以没有做功。所有的功都是在能量转换为动能时产生的。值得注意的是相对速度从进口到出口不断增加，而绝对速度在不断减小。

在反击式水轮机中，水轮机内的水是有压力的，工作时水轮机内是充满水的。因此，这种水轮机必须放在一个能够承压的机壳内。冲击式水轮机的机壳仅起到保护转轮、防止水外溅的功能，不具备任何水力功能。

在反击式水轮机运行时，转轮室是充满水的，尾水管用来回收尽可能多的水头。因此，这种水轮机又称为整周进水式水轮机。

水流流过反击式水轮机时的流动路径有几种。根据液体流过转轮的流动路径，可以把反击式水轮机分为三大类：混流式水轮机、轴流式水轮机和径流式水轮机。

1. 混流式水轮机

大部分水轮机都有轴向流分量和径向流分量。这种类型的水轮机被称为混流式水轮机。法兰西斯式水轮机就是一种典型的混流式水轮机。在法兰西斯式水轮机中，水流径向流入、轴向流出。

2. 轴流式水轮机

轴流式水轮机通常是指定桨式水轮机或卡普兰式（转桨式）水轮机。典型的桨式水轮机为一台立式机器，其蜗壳和径向活动导叶的构造与混流式水轮机的进水部分非常相似（见图1.1和1.3）。水流径向进入水轮机，转一个直角弯，然后轴向进入转轮。

3. 径流式水轮机

在这种类型的水轮机中，水流主要在一个与旋转轴垂直的平面内流动。富聂隆式水轮机就是早期的一种径流式水轮机，水流径向流出转轮。

反击式水轮机还包括斜流式或德列阿兹式和贯流式水轮机。

4. 斜流式或德列阿兹式水轮机

斜流式水轮机（见图 1.7）填补了定桨式水轮机和混流式水轮机之间的空缺。转轮叶片以一定的角度安装在锥形轮毂的边缘。叶片外缘是开放的。叶片可以转动，叶片的轴与水轮机的轴成45度的倾角。叶片轴与水轮机主轴的交角随着水头的增加而降低，可以在30度和60度之间变化。

图1.7 斜流式水轮机

5. 贯流式水轮机

贯流式水轮机（见图1.8）通常是开发潮汐能源及水头极低流量特大的水能的最佳选择。这种水轮机的优点是流量大、流速高、开挖量少等。贯流式水轮机的引水部件、转轮和排水部件都在同一个轴线上。水流沿着直线直接流入转轮，不需要蜗壳。水流的流向从管道的进口到尾水管的出口都是轴向的。

图1.8 贯流式水轮机

通常把贯流式水轮机分为两大类：全贯流式和半贯流式。全贯流式水轮机的发电机转子在水轮机转轮的外圆上，由于密封比较困难，应用较少。半贯流式水轮机的发电机与水轮机是分开的。根据构造类型，半贯流式水轮机又分为灯泡式、竖井式和轴伸式。

灯泡贯流式水轮机的发电机组安装在密封的灯泡体内，结构紧凑、流道顺直、水力效率高，所以被广泛采用。竖井贯流式水轮机的发电机安装在一个竖井内。轴伸贯流式水轮机的发电机安装在流道的外面，水轮机的主轴从尾水管中伸到外面。