弗朗西斯式水輪機

弗朗西斯式水輪機也稱混流式水輪機，屬反擊式水輪機的一種，由美國工程師弗朗西斯於1849年發明。水流從四周徑向流入轉輪，然後近似軸向流出轉輪，轉輪由上冠，下環和葉片組成。適應水頭範圍最為廣泛，既可用於高水頭的大中型水電站，也可用於低水頭的小型水電站。近年來的發展趨勢是高水頭、大容量、高比轉速和高效率。

基本介紹

• 中文名：弗朗西斯式水輪機
• 外文名：Francis turbine
• 別名：混流式水輪機
• 領域：水力機械

概述

水力發電利用的是把水的勢能（水位的高度差引起的）和水的動能（速度引起的）轉換成電能的。水輪發電機組主要由水輪機和發電機構成，前者的作用是把水的勢能和動能轉化成旋轉機械能，是原動機；後者的作用是把旋轉機械能轉換成電能。兩者通過主軸連線。發電機輸出功率的大小由水輪機決定，而水輪機的輸出功率則與引入流量和水頭（上下游水位的高程差）成正比，流量越大或是水頭越大或是兩者都大，水輪機的輸出功率也就越大。在工程實際中，不同的河流，不同的地區，流量或是水頭是不一樣的，也就是說要么滿足流量，要么滿足水頭，當然要兼顧二者。

當水頭範圍在30~300米左右範圍時，軸流式水輪機已經不實用了（機械強度等不能滿足要求），水輪機就變成混流式或斜流式的了，水流在進入葉片前是沿著圓周方向，流出葉片後是沿著軸線方向的，故稱為混流式。混流式水輪機的葉片是固定的。當機組功率小於5000kw（數值不確定）時，一般設計為臥軸形式，即主軸是水平的，這種一般適用於小水電。當機組功率大於500kw時（數值不確定），機組就要設計成立軸形式的，以滿足強度及檢修需要。立軸混流式水輪發電機組單機容量從幾千千瓦到80萬千瓦（現在正在設計單機100萬千瓦的）不等，是當今套用範圍最廣、技術條件最成熟的水輪機。

特點

弗朗西斯式水輪機結構緊湊，效率較高，能適應很寬的水頭範圍，是目前世界各國廣泛採用的水輪機型式之一。當水流經過這種水輪機工作輪時，它以輻向進入、軸向流出 ，所以也稱為輻向軸流式水輪機。

它適用於水頭自20米直到700米的範圍內，機構簡單，運行穩定，並且效率高，但它一般是用在中水頭範圍內（50米至400米）。單機出力從幾十千瓦到幾十萬千瓦。目前這種水輪機最大出力已經超過70萬千瓦。是一種運用最廣泛的一種水輪機。我國單機容量700兆瓦機組在三峽投入運行，向家壩採用800兆瓦混流式機組。

原理

水流從水輪機四周水平方向向中心流入轉輪（徑向進入），然後轉為向下方向出口，水流進入轉輪內在向軸芯方向通過葉片時推動轉輪，同時在向下通過葉片時也推動轉輪。也就是說水流在徑向與軸向通過葉片時都做功，故稱為混流式水輪機，也稱為幅向軸流式水輪機。

混流式水輪機

結構組成

混流式水輪機結構簡單，主要部件包括蝸殼、座環、導水機構、頂蓋、轉輪、主軸、導軸承(見水輪機導軸承)、底環、尾水管等。蝸殼是引水部件，形似蝸牛殼體，一般為金屬材料製成，圓形斷面。座環置於蝸殼和導葉之間，由上環、下環和若干立柱組成，與蝸殼直接連線；立柱呈翼形，不能轉動，亦稱為固定導葉。導水機構由活動導葉、調速環、拐臂、連桿等部件組成。轉輪與主軸(見水輪機主軸)直接連線，是該類型水輪機的轉動部件，轉輪由上冠、下環、泄水錐和若干固定式葉片組成，其外形和各組成部分的配合尺寸根據其使用的水頭不同而有所不同。尾水管是將轉輪出口的水流引向下游的水輪機泄水部件，一般為彎肘形，小型水輪機常用直錐形尾水管。

混流式的轉輪一般用低碳鋼或低合金鋼鑄件，或者採用鑄焊結構。為提高抗汽蝕和抗泥沙磨損性能，可在易氣蝕部位堆焊不鏽鋼，或採用不鏽鋼葉片，有時也可整個轉輪採用不鏽鋼。採用鑄焊結構能降低成本，並使流道尺寸更精確，流道表面更光滑，有利於提高水輪機的效率，還可以分別用不同材料製造葉片、上冠和下環。典型例子是我國的劉家峽。

軸流式水輪機

軸流式水輪機是指水流由軸向進人轉輪，沿其葉片自軸向流出，將水流能量轉換為機械能的反擊式水輪機口按其轉輪葉片能否轉動又分為軸流轉槳式和軸流定槳式。軸流式水輪機的使用水頭範圍一般為3-80m。軸流式水輪機轉輪由轉輪體、葉片、泄水錐組成，葉片數少於混流式，葉片軸線與水輪機軸線垂直。適用於中低水頭、大流量的水電站。在相同水頭下，其比轉速較混流式水輪機為高。套用水頭約為3到80m。水流在導葉與轉輪之間由徑向流動變為軸向流動，而在轉輪區內，水流保持軸向流動。