弗朗西斯水輪機是指由美國工程師弗朗西斯於1849年發明的一種水輪機。
世界上水頭最高的混流式水輪機裝於奧地利的羅斯亥克電站，其水頭為672米，單機功率為58.4兆瓦，於1967年投入運行。功率和尺寸最大的混流式水輪機裝於美國的大古力第三電站，其單機功率為700兆瓦，轉輪直徑約9.75米，水頭為87米，轉速為85.7轉/分，於1978年投入運行。
基本介紹
- 中文名：弗朗西斯水輪機
- 外文名：Francis turbine
- 發明時間：1849年
- 學科：機械工程
- 核心結構：轉輪
- 套用：水力發電
結構,轉輪,工作原理,特點,套用,
結構
弗朗西斯水輪機是反擊式水輪機的一種，其套用水頭範圍很廣，從20~700m水頭均可使用。它結構簡單，製造安裝方便，運行可靠，且有較高的效率和較低的空蝕係數。現以右圖所示的弗朗西斯水輪機為例來介紹這種水輪機結構。水輪機的進水部件是具有鋼板里襯的蝸殼，座環支柱也稱固定導葉1，在轉輪四周布置著導水機構導葉2。座環支柱具有堅固的上環a和下環b，蝸殼和上下環焊接在一起。導葉軸頸用襯套（鋼或尼龍材料）支承在底環3和固定於頂蓋4的套筒5上。底環固定於座環的下環上面。頂蓋用螺釘6與座環的上環連線。導水的傳動機構是由安置在導水葉上軸頸的轉臂12，連桿13和控制環14組成。導葉的開度0a（從導葉出口邊端到相鄰導葉背部的最短距離）的改變是通過導水機構的兩個接力器16和控制環連線的推拉桿15傳動控制環來實現的。
由於弗朗西斯水輪機套用水頭較高，導葉承受的彎曲載荷大，因此導葉的相對高度0b與軸流式水輪機比較起來做得短一些，以減小跨度。此外，隨著水頭增高，相同功率下水輪機的過流量減小，這樣有可能減小流道的過流載面。0b一般隨水頭增加而減小。
導葉和水輪機頂蓋4及底環3之間的間隙及相鄰導葉在關機時的接合面都會有漏水現象。一般採用橡膠的或金屬製成的密封件，可使導水機構關閉時的漏水量最小。在高水頭的水輪機中，有時採用專門的管狀密封裝置，在關機時其內腔充以壓縮空氣，能使端面完全密封。
轉輪是水輪機將水流能量轉換為機械能的核心部件。水流通過導水機構進入轉輪。轉輪由上冠9，下環10和葉片11組成。一般弗朗西斯水輪機有14~19個葉片。葉片、上冠和下環組成堅固的整體鋼性結構。轉輪上冠與主軸8的下法蘭連線。泄水錐18與上冠連線，用於消除水流旋蝸。
轉輪密封a19，b19是安置在轉輪上冠和下環上的多槽環。水輪機工作時，轉輪前後的水流個別為高壓與低壓，轉輪後常形成真空。因此，水輪機工作時有部分水流經過轉動與不轉動部件之間的間隙無益地漏掉，從而使水輪機效率降低。密封環就是為了減少流量漏損。當水經過密封環空間時，受到突然擴大和縮小的局部水力阻擋，產生水力損失，從而減小流速，使通過縫隙的流量減小。
減壓孔聯通轉輪上腔和轉輪下面的低壓區，從而減小由推力軸承承受的軸向推力，當有減壓孔（圖上的20）時，轉輪上冠必須設定密封裝置。
轉輪
轉輪是各種型式水輪機將水能轉變成機械能的核心部件。轉輪也直接決定水輪機過流能力、水力效率、空蝕性能和工況穩定性等工作性能。因此轉輪各部分應滿足水力設計的型線要求，有足夠的強度和剛度，製造的轉輪應具備有抗空蝕損壞，耐泥沙磨損的性能。
對於不同的水頭，水輪機的形狀是不同的，有軸流式，混流式和衝擊式等幾大類水輪機。劃分這幾大類水輪機的根本原因是通過轉輪的過流量和轉輪的強度及剛度等因素。低水頭下工作的水輪機可以具有較大的過流量，儘管水輪機氣蝕係數大一些，仍舊可以得到合理的安裝高程。軸流式水輪機過流量大，轉輪葉片承懸臂樑狀。由於工作水頭不高，強度，剛度也能滿足要求。當水頭增加，由於氣蝕及強度條件不夠，軸流式水輪機不適應了，轉輪就應該做成有上冠和下環的形狀。
弗朗西斯水輪機適用水頭範圍極廣。由於水頭和流量的不同，其轉輪形狀也各不相同。一般說來，水頭愈高轉輪葉片高度減小，長度增加，水流在轉輪中愈趨於幅向流動。隨著工作水頭降低，轉輪葉片變短，高度增加，水流愈趨於軸流方向。
1、轉輪上冠
轉輪上冠的作用除了支承葉片外，還與下環構成過流通道。上冠形似圓錐體，其上部中間為上冠法蘭，此法蘭的上面與主軸相連，其下面固定泄水錐，在上冠上固定有均勻分布的葉片。在上冠法蘭的外圍開有幾個減壓孔，在其外側面裝有減壓裝置。上冠流線可以做成直線形和曲線形兩種，如右圖所示。直線型上冠具有較好的工藝性，但其效率特別是在負荷超過最優工況時低於曲線型上冠。此外採用曲線型上冠可增加轉輪流道在出口附近的過水斷面積，因而使水輪機的單位流量增加。
2、轉輪葉片
葉片的作用是直接將水能轉換為機械能。葉片斷面形狀為翼形，轉輪葉片數的多少對水力性能和強度有顯著的影響，隨比轉速的不同葉片數在9~21的範圍內。
3、轉輪下環
轉輪下環的作用是增加轉輪的強度和剛度並與上冠形成過流通道。
4、泄水錐
泄水錐的作用是引導經葉片流道流出的水流迅速而順暢的向下渲泄，防止水流相互撞擊，以減少水力損失，提高水輪機效率。其外形呈倒錐體。它的結構型式有鑄造和鋼板焊接兩種。裡面空心，下面開口，以便排除通過止漏環的漏水及橡膠導軸承的潤滑水（有的轉輪將泄水控開在泄水錐的外側），還作為主軸的中心補氣和有的轉輪的頂蓋補氣通道之用。
5、止漏裝置
止漏裝置的作用是用來減小轉動部分與固定部分之間的漏水損失。止漏裝置分為固定部分和轉動部分，為防止水流向上和向下漏出，水輪機上一般裝有上、下兩道止漏環。上止漏環固定部分裝在頂蓋上，其轉動部分裝在上冠上，下止漏環的固定部分一般裝在底環上，轉動部分裝在轉輪的下環上。目前廣泛採用的止漏環結構型式有間隙式，迷宮式，梳齒式和階梯式四種，如右圖所示。
6、減壓裝置
減壓裝置的作用是減小轉輪上的軸向水推力。其形狀為環形減壓板，分別裝在頂蓋下面和上冠的上方。
水流經過混流式轉輪時會產生軸向力。設計水輪機時，除了要知道水輪機轉輪和主軸的重量外，還要知道軸向水推力。
7、轉輪的結構型式
由於弗朗西斯水輪機的轉輪套用水頭和尺寸大小不同，它們的構造型式，製作材料及加工方法均不同。結構型式主要是指上冠，葉片和下環三部分的構造型式，基本上分為整鑄轉輪，鑄焊轉輪，組合轉輪三種。
工作原理
弗朗西斯水輪機是一種結構簡單，製造安裝方便，運行可靠，且有較高的效率和較低的空蝕係數的反擊式水輪發電機。混流式的過流過部件：蝸殼→導水機構→轉輪→尾水管。
在弗朗西斯水輪機中，水流通過蝸殼的導流作用徑向流入導水機構，將液體動能轉化為靜壓能，再通過葉片將靜壓能轉換為轉子的動能，轉輪通過主軸與發電機轉子聯軸，帶動轉子旋轉並切割發電機定子磁力線圈，利用電磁感應原理在發電機線圈中產生高壓電，再經過變壓器升壓通過輸電線路將電力輸出到電網中，水流最後軸向流出轉輪。
大中型水輪機組一般採用金屬蝸殼，其主要作用是為流體的流動起到導向作用，將液體動能轉換為靜壓能。導水機構中的活動導葉傾角可調，其主要作用是調節流量，開關水輪機，調節水流環量。
特點
與軸流轉槳式相比，其結構較簡單，最高效率也比軸流式的高，但在水頭和負荷變化大時，平均效率比軸流轉槳式的低，這類水輪機的最高效率有的已超過95%。弗朗西斯水輪機適用的水頭範圍很寬，為5～700米，但採用最多的是40～300米。
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。
套用
弗朗西斯水輪機主要套用於水力發電。水力發電是利用河川、湖泊等位於高處具有位能的水流至低處，將其中所含之位能轉換成水輪機之動能，就是利用流水量及落差來轉動水渦輪。再藉水輪機為原動機，推動發電機產生電能。因水力發電廠所發出的電力其電壓低，要輸送到遠距離的用戶，必須將電壓經過變壓器提高后，再由架空輸電路輸送到用戶集中區的變電所，再次降低為適合於家庭用戶、工廠之用電設備之電壓，並由配電線輸電到各工廠及家庭用戶。
水輪機由古代的水輪、水車演變而來，其工作流程為上游水庫中的水經大壩引水管，流入壩體下方發電廠房的蝸殼、導水機構及水輪機轉輪中，將勢能轉化為推動轉輪葉片旋轉的動能。轉輪通過主軸與發電機轉子聯軸，帶動轉子旋轉並切割發電機定子磁力線圈，利用電磁感應原理在發電機線圈中產生高壓電，再經過變壓器升壓通過輸電線路將電力輸出到電網中。水輪機中作完功的水則通過大壩尾水管排向下游。
利用天然水流為資源。水力發電則系利用築壩蓄水，晝夜取捨，不盡不竭，既便利又為經濟。故近五十年來，世界各國發電，多由火力側重於水力，都在努力開發水力資源。美國全國發電量最初用火力者在百分之八十以上，至目前為止，水力已占將及半數，由此可見開發水力之重要。而在燃料缺乏之國家，如瑞士、義大利等國，更須大量開發水力發電，以補其缺。
三峽水電站是目前世界最大的水電站，這裡安裝著世界最大的水輪發電機組。在三峽泄洪壩兩側底部的水電站廠房內，共安裝有32台70萬千瓦級水輪發電機組；其中左岸廠房14台，右岸廠房12台，右岸地下廠房6台，另外還有2台5萬千瓦的電源機組，總裝機容量2250萬千瓦；相當於20座百萬千瓦級核電站，比巴西伊泰普水電站多了850萬千瓦。左岸廠房和右岸廠房已建成投產的26台機組，日均發電量3.3億度，滿負荷運行可達4億度，年發電量近1000億度，約占全國發電量的33分之一。
三峽水電站安裝的32台70萬千瓦水輪機組是目前世界上出力最大、尺寸最大的混流式水輪發電機組。大型水輪發電機組是水電站核心設備，也是製造難度最高的頂尖工業產品之一，涉及眾多複雜加工技術。長期以來，核心技術一直為少數已開發國家所壟斷。
