水力機械

水力機械指以液體為工作介質的流體機械。流體機械的工作過程，是將水能和機械能相互轉換或不同能量的水之間能量傳遞的過程。水力機械是一類套用極為廣泛的機械設備。

基本介紹

• 中文名：水力機械
• 外文名：Hydraulic Machinary

基本概念

流體機械是指以流體（液體或氣體）為工作介質與能量載體的機械設備。根據工作介質的性質，流體機械被分為兩類：以液體為工作介質的流體機械稱為水力機械，以氣體為工作介質的則稱為熱力機械。

兩種介質的主要區別為：在一般的套用場合，液體可以被認為是不可壓縮的，而氣體一般是可壓縮的。當可壓縮介質的體積發生變化時，必然伴隨著功的傳遞及介質內能的變化。對於水力機械，一般不考慮介質體積和內能的變化。

分類

由於水力機械的套用極為廣泛，各種不同的套用場合的水力機械的結構型式和工作特點有很大差別。為便與研究，應該對其進行分類。

根據能量傳遞方向

原動機：將水能轉換為機械能用於驅動其他的機械設備，如水輪機等。

工作機：將機械能轉換為水能，以便將水輸送到高處或有更高壓力的空間或克服管路阻力將水輸送到遠處，例如水泵等。

根據流體與機械相互作用的方式

容積式：工作介質處於一個或多個封閉的工作腔中，工作腔的容積是變化的，機械與流體之間的相互作用力主要是靜壓力。例如活塞泵、柱塞泵、轉子泵等。對於往復活塞式水力機械，當介質推動活塞運動時是原動機，當活塞推動介質流動時，是工作機。

葉片式：能量轉換是在帶有葉片的轉子及連續繞流葉片的介質之間進行的。葉片與流體之間的作用力是慣性力。葉片使介質的速度（方向和大小）發生變化，由於介質的慣性作用引起作用於葉片的力。該力作用於轉動的葉片而產生功率。如離心泵、水輪機等。

葉片水力體機械又分為衝擊式和反擊式。其中衝擊式包括切擊式（切擊式水輪機）、斜擊式（斜擊式水輪機）和雙擊式（雙擊式水輪機），反擊式包括徑流式（高水頭混流式水輪機、水泵水輪機、離心泵）、混（斜）流式（混流式水輪機、斜流式水輪機、混流泵、斜流泵）和軸流式（軸流式水輪機、軸流泵）。

對於水泵水輪機，水輪機工況時是原動機，水泵工況時，是工作機。

動量交換式：將工作流體和吸入流體在設備內混合，通過動量交換達到輸送低能量流體的目的。如射流泵、水錘泵、內燃泵等。

液環式：葉片將能量傳遞給液體工作介質，然後液體介質將能量傳遞給氣體。

套用

1. 電力工業
   電力生產的方式包括：太陽能發電、風能發電、廢熱發電、水力發電、煤燃燒發電和核能發電等。其中傳統的也是主要的發電方式為熱力發電（火電）、水力發電（水電）和核能發電（核電）。對於火電和核電，有許多給水泵，隨著發電機組的大型化，電站用泵也在向大型和高參數發展。
   水輪機作為水力發電的主要設備，在電力工業中戰友特殊地位。
   截止到2012年，世界最大水輪機在向家壩水電站，單機容量80萬千瓦。
   
2. 水利工程
   農業灌溉、排澇、城市供水都需要大量水泵。
   
3. 工業
   化學工業、石油工業、動力工程、採礦工業
   
4. 航天技術
   
5. 生物醫學工程
   

主要參數

1. 比能
   這是傳輸到機器的每單位質量的能量。對於水輪機來說，傳遞將是水能到機械能，並且將表示機器的輸入和輸出之間水能的差異。
   E_turb=(E_hidr)_in-(E_hidr)_out=[C/2+gZ+p/ρ]_in-[C+gZ+p/ρ]_out=[(C₁-C₂)/2+g(Z₁-Z₂)+(p₁-p₂)/ρ]
   其中E是特定水力能量（N·m / kg），C是平均速度（m / s），Z是水頭（m），p是平均壓力（Pa = N / m2），ρ是密度（kg / m3），g是重力加速度（m / s2）。 對於一個泵來說，轉換將由機械能轉換為水能，而E將是機器輸出和輸入之間的液壓能量差：
   E_pump=(E_hidr)_out-(E_hidr)_in=[C/2+gZ+p/ρ]_out-[C+gZ+p/ρ]_in=[(C₂-C₁)/2+g(Z₂-Z₁)+(p₂-p₁)/ρ]
   
2. 水頭（head）/揚程 (head)
   為了在泵中傳遞能量，還使用揚程（H）的概念，其被定義為：
   H(m)=[(E_hidr)_out-(E_hidr)_in]/g
   H代表傳遞的每單位質量的能量。
   對於水輪機，我們有一個類似的定義，那就是水頭。在入口和出口之間，我們有H_n淨水頭和水庫水平之間的H_b總水頭：
   E_n(m)=[(E_hidr)_in-(E_hidr)_out/g
   
3. 效率（efficiency）
   一台機器的效率是輸入的能量和它轉化的能量之間的關係。在水泵中，
   η=E_hid/E_mec=γ·Q·H/(ω·T)
   其中E_hid為水能，E_mec為機械能輸入，γ是重度（γ=g·ρ），Q為流量（m/s），H為標高（m），ω轉速（rad/s）和轉矩（N·m）。
   在一個水輪機中，
   η=E_mec=γ·Q·H_n
   其中Emec是機械輸出能量，Hn是淨水頭。機器的總體性能考慮了水力損失，由泄漏（體積損失）產生的損失和由機械摩擦（例如軸承）產生的損失。