斜流可逆式水輪機

斜流式水輪機是近幾十年發展起來的一種水輪機型式。由於混流式水輪機不適應較低水頭及水頭變化大的工作條件,而軸流式水輪機套用在較高水頭時,由於葉片數目的增加,使單位流量減少,同時亦使葉片操作機構過於複雜。為克服上述機型的缺點,斜流式水輪機應運而生了，它與混流式和軸流式水輪機相比具有高效率區廣闊、套用水頭高、空蝕性能好等優點。

基本介紹

• 中文名：斜流可逆式水輪機
• 外文名：diagonalpumpturbine

發展歷史

斜流式水輪機由瑞士工程師P.德里亞於1956年發明，故又稱德里亞水輪機，其葉片傾斜布置在轉輪體上。斜流轉槳式水輪機隨著水頭和負荷的變化，轉輪體內的油壓接力器操作葉片繞其軸線相應轉動。它的最高效率稍低於混流式水輪機，但乎均效率大大高於混流式水輪與軸流轉槳水輪機相比，抗氣蝕性能較好，飛逸轉速較低，適用於40~200米水頭。

早期可逆式斜流水輪機

由於設計理論及計算技術等原因，斜流式水輪機截止2005年沒有得到廣泛套用。世界上容量最大的斜流式水輪機是前蘇聯捷雅水電站斜流轉槳式水輪機，標稱直徑6米，水頭變化範圍74.5~97.3米，單機功率達220MW,它的蝸殼、座環、導水機構屬於徑向式,水流從蝸殼經座環、導葉、漿葉到尾水管直錐段總轉角仍達90度，但不急轉，即轉半徑相對增大，因而水力效率得到提高4。在國內，1970年哈爾濱電機廠為雲南毛家村水電站生產了我國第一台的斜流式水輪機，單機功率8000kw,轉輪直徑1.6m。採用徑向式蝸殼、座環、導水機構4。1972年投產發電的北京密雲水電站，容量15MW、轉輪直徑2.5m的斜流式抽水蓄能機組，是中國容量最大的斜流式水輪機。在此以後國內基本沒有再設計生產過斜流式水輪機。

結構優缺點

水輪發電機組不僅擔負基荷發電任務，從電網角度看，水電站起閉靈活,費時短在電力系統中通常還擔負調峰作用。水輪發電機組的調節性能好,適應負荷變化快，特別是軸流轉槳式水輪機具有雙重調節的性能，更能滿足上述要求。但是，軸流轉槳式水輪機套用水頭一般為3~55米，如果進一步提高使用水頭就受到水力和機械方面的限制,此時只有採用具有良好的水力性能和機械性能的混流式水輪機，它可套用很大的水頭範圍。混流式水輪機的葉片不可調節，隨著負荷變化水輪機效率變化較大，水力性能變差，出現震動噪音等適應能力較差。為此，上世紀五十年代又研究出介於混流式和軸流轉槳式之間的一種新型水輪機——斜流式水輪機。

斜流式水輪機與混流式和軸流式水輪機相比具有以下優點：

(1)高效率區廣闊，特別是在變水頭工況下，效率曲線變化平緩。斜流式較混流式效率高8~12%，它的平均效率效率除最優工況外，槳式高2~3%。運行範圍廣，對水頭、流量變化幅度大時適應性較強，能在(0.3~1.3)倍額定出力範圍內工作。

(2)適用水頭較高。由於斜流式轉輪的葉片分布在一個直徑較大的球面上，葉片數目比軸流式多，因而能適應較高的水頭，葉片數一般為3~12片，適用水頭為20~200米。

(3)空蝕性能好。斜流式水輪機比軸流轉槳式水輪機空蝕性能好，在同一比轉速下空蝕係數低5~10%。

(4)斜流式水輪機比軸流式水輪機飛逸轉速低，所以斜流式比軸流式經濟，水輪發電機組的重量也相應減輕。

但是,斜流式水輪機存在著結構複雜,加工工藝複雜而且要求高等缺點，所以從60年代在我國都未得到廣泛套用。在中低水頭，斜流式水輪機有顯著優點,所以發展前景廣闊,除了用於常規水電站之外還可廣泛用在抽水蓄能電站上，作為斜流可逆式水泵水輪機。

在結構與尺寸上，斜流式水輪機介於混流式和軸流式之間，其埋設部件蝸殼、座環,主軸和軸承等大都與混流式和高水頭軸流式水輪機相類似。主要差別在轉輪的結構和導水機構型式，轉輪葉片轉動軸線與水輪機主軸中心線形成45%~60%的錐角。常用的斜流式水輪機轉輪葉片操作機構有兩種型式:一種是利用刮板或者環形接力器的旋轉,通過轉臂連桿機構轉動葉片。這種結構比較簡單但是密封要求較高。另一種是與軸流式水輪機類似的活塞式接力器的操作機構，這種結構比較複雜，套用較少。斜流式水輪機的轉輪結構包括轉輪體、葉片、葉片的轉動機構和接力器等。葉片與轉輪體及轉輪室配合部分均為球面,其中與轉輪部分配合間隙，應精確調整使其在規定範圍之內，一般間隙取(0.001~0.005)D(D為轉輪標稱直徑)。當轉動部分由於軸向力作用下沉到某一值時，裝在機組上的軸向位移監視裝置發出信號使機組及時停機，避免葉片與轉輪室碰撞而造成損壞。同時也防止容積損失造成的水輪機效率降低。

在斜流式水輪機中，通常採用徑向式導水機構和斜向式導水機構。徑嚮導水機構與一般的混流式和軸流式水輪機相似。當採用斜向式導水機構時，結構和貫流式的斜嚮導水機構相似，這種布置可以減小機組的平面尺寸從而減小了機組的間距、單機耗材。在水力方面，蝸殼和座環也傾斜布置,使蝸殼至尾水管的過流通道比較平直，可以提高水力效率。這種結構比較複雜，沒有得到廣泛套用，還有待研究。

軸伸斜流可逆式水輪機

結構特點

軸伸斜流式水輪機的工作原理是水流從進水閥經引水彎管、錐形導水機構流進轉輪，斜流式轉輪將獲得的水流能量轉化為轉輪的旋轉機械能，旋轉機械能通過主軸傳遞給發電機，從而再轉化為電能。可認為它集中混流式和軸流式水輪機的某些特點。

(1)與軸流式水輪機相比，其使用水頭增高;尺寸小，結構簡單，重量輕，葉片強度增加；平均效率高；葉片數適當增多，包角增大,空蝕性能同常規軸流式水輪機相比有所改善。與混流式水輪機相比，葉片可轉動或固定不轉動，葉片數較少；轉輪重量輕；

(2)製造簡便，結構簡單，運行效率高。軸伸斜流式水輪機轉輪葉片進、出水邊處於傾斜位置，葉片軸面長度比混流式葉片短，改善了葉片的空蝕性能;增大轉輪葉片進口與出口之間的距離，出口水流不均勻得到有效改善，大大改善了水力特性；減小了進水邊平均半徑，提高了最優單位轉速；葉片外緣扭曲程度較小，降低了轉輪主要過流區的水力損失，提高比轉速。

開發價值

為使我國水輪機設計理論和方法達到和超越世界先進水平，更經濟高效地開發利用我國極其豐富的水力資源，研製中低水頭高比轉速新型水輪機的任務在國內水電站建改中，特別是在以水電為支柱產業的四川省經濟建設中意義十分重大。在對斜流式水輪機做了幾年理論研究基礎上，成功研製出軸伸斜流式水輪機，並填補國內空白，獲得獨立智慧財產權。

研究表明這種斜流式水輪機是具有結構簡單製造方便，比轉速高，尺寸小，重量輕，效率高，空蝕性較好等優點，使實際套用中占有較大比例的現有水電站增容技改或新建水電站的性價比得到很大提高，是一種較有發展前景的水輪機。以後的工作是如何進行模型轉輪能量，空蝕，穩定性試驗，儘快將這種享有獨立智慧財產權的創新用於電站實際生產，以便進一步完善和推廣使用。