水斗式水輪機

水斗式水輪機（切擊式水輪機或培爾頓式水輪機）是 一種工作射流中心線與轉輪節圓相切、轉輪葉片均由一系列呈雙碗狀水斗組成的水力原動機。按主軸的布置方式分為臥軸和立軸兩種，無論哪種其轉輪始終位於大氣中。這種水輪機適用於高水頭、小流量水電站；大型水斗式水輪機套用水頭約300—1700米，小型的也可達到40—250米；目前世界上水頭高於1000米的電站均採用水斗式水輪機，單機功率可以達到400MW以上 。水斗式水輪機是按動量定理工作的水力原動機，它完全不同於反擊式水輪機。可是，多年來我們卻一直沿用反擊式水輪機的基本理論對水斗式水輪機進行研究，甚至於許多概念、規範、乃至於行業習慣，都來自反擊式水輪機。極大地阻礙了水斗式水輪機的技術進步與發展。

基本介紹

• 中文名：水斗式水輪機
• 外文名：pelton turbine
• 別稱：切擊式水輪機
• 英文別稱：cut turbine
• 類型：水力原動機
• 領域：能源
• 學科：電氣工程

產品簡介

切擊式水輪機，也叫水斗式水輪機或培爾頓式水輪機；按主軸的布置方式分為臥軸和立軸兩種，無論哪種其轉輪始終位於大氣中。這種水輪機適用於高水頭、小流量水電站；大型水斗式水輪機套用水頭約300—1700米，小型的也可達到40—250米；目前世界上水頭高於1000米的電站均採用水斗式水輪機，單機功率可以達到400MW以上。

切擊式水輪機是目前衝擊式水輪機中套用最廣泛的一種機型。其套用水頭一般為300-2000m，目前最高套用水頭已達到1771.3m（澳大利亞的列塞克-克羅依采克水力蓄能電站，水輪機出力P=22.8MW）。

與反擊式水輪機相比，業內對衝擊式水輪機的研究投入較少。
據作者了解，至今國內建有衝擊式水輪機試驗台者僅有兩家，其一，雖有A237轉輪問世，但科研成果為數不多;其二，調試尚未達標。
前蘇聯也是如此。雖有許多長篇巨著。但論述反擊式水輪機的內容居多，而論述衝擊式水輪機的章節卻很少。
1965年，出版了《水斗式水輪機》，就作者所知，這是衝擊式水輪機唯一的專著。國內雖有相關論述，但對一些核心問題的研究則不多見。

產品組成

其主要結構包括輸水管、噴流機構、轉輪、折向器和機殼等切擊式水輪機工作射流中心線與轉輪節圓相切，故名切擊式水輪機。其轉輪葉片均由一系列呈雙碗狀水斗組成，故又稱水斗式水輪機。切擊式水輪機是目前衝擊式水輪機中套用最廣泛的一種機型。其套用水頭一般為300-2000m，目前最高套用水頭已達到1771.3m（澳大利亞的列塞克-克羅依采克水力蓄能電站，水輪機出力P=22.8MW）。

噴流機構主要由噴管、噴嘴、噴針（針閥）和噴針移動機構組成；其作用是把水流勢能轉化為射流動能，並通過移動噴針來調節流量。

轉輪由圓盤和固定在它上面的水斗組成，射流沖向水斗，水斗與射流相互作用，射流動能轉化為轉輪旋轉機械能；由於承受射流，水頭越高對轉輪強度要求也越高。

折向器就是一塊高強度鋼板（和驅動裝置），機組甩負荷時折向器迅速使射流偏轉，避免使機組轉速過快。

機殼則主要起支撐水輪機軸承、排水的作用。

值得說明的是水斗水輪機中噴流機構和折向器都不只一套，其數量因型號各異，一般水頭低時選4—6個，水頭高時選2—3個。

水電站介紹

水斗式水輪機用於高水頭、小流量水力環境，故水電站均處於偏遠山區。在山間溪溝築壩蓄水。經水壩輸水至明渠，水流在山間蜿蜒數公里或十餘公里抵達電站前池。前池附近設溢流堰。在水輪機出力減小、而渠道供水量尚來不及適應時，過量的水經溢流堰排出。開啟前池閘門，水流經壓力鋼管、水輪機主閥門，進入水輪機噴嘴。

水斗式水輪機運行效率很高，而且效率隨流量的變化升降幅度很小。目前，水斗式水輪機的運行效率均可達到90%以上。就能源利用而言，水斗式水輪機可以說是最佳選擇。因此，水斗式水輪發電機組應該在電網中擔任基荷。

水斗式水輪機水電站給水系統很長。一旦水輪機工況變化、流量平衡被打亂，恢復並建立另一平衡的調節過程較長。若大幅度減小負荷，水輪機可以迅速完成任務。但是，由於明渠來水不能及時減小，而壓力鋼管輸水量卻突然降低，則導致前池水位抬高，多餘的水量將從溢流堰排去，這將造成巨大的能量損失。若突然大幅度增加負荷，水輪機需水量大增，明渠供水可能來不及迅速補充，可形成另一事故。這也是水斗式水輪機不適宜調峰的有力論據。

與河床式水電站相比，水斗式水輪機水電站的運行水頭變化很微小。其使用水頭超過千米，已不罕見，既便前池水位有少許波動，相對於水輪機工作水頭的變化量也是很微小的。因此，水斗式水輪發電機組的運行是非常穩定的。

反擊式水輪機最高模型效率甚至超過95 %，但這僅僅是個別工況點而已。由於此類機型的運行範圍很寬，真正在最高效率下運行的機率非常小。相反，衝擊式水輪機卻能一直在其最優工況下運行，能更好地利用水力資源。

能量平衡

水斗式水輪機是由噴嘴和轉輪構成，它們的工作是獨立的，它們對水輪機效率的影響也是獨立的。噴嘴按出力提供流量，轉輪則將其轉化為機械能。設計水斗式水輪機就是分別設計噴嘴及轉輪，然後將其組合成設計需要的水斗式水輪機。

噴嘴的進口就是水斗式水輪機的進口，其淨水頭或工作水頭H，應該定義為噴嘴進口液體相對於噴嘴出口標高的比能。仿照反擊式水輪機定義衝擊式水輪機的毛水頭，不但沒有實際意義，反而形成某些混淆。噴嘴出口至下游水面間的高程，雖為水斗式水輪機運行所必須，但這段水頭不為水輪機所用，故不可納入水頭的論述之中。

多噴嘴水斗式水輪機皆為立式結構，噴嘴水平、軸對稱布置。環形管將高壓水流導入各個噴嘴，與噴嘴一起形成水斗式水輪機的供水部件。所以環形管的入口便是立式多噴嘴水斗式水輪機的進口，多噴嘴水斗式水輪機的水頭應該定義為環形管進口(相對於噴嘴軸線標高)的比能。

嚴格地講，各個噴嘴進口的比能是不同的(或水頭不同)，這將不可避免地造成各噴嘴提供的射流直徑或流量的差異。但這一差異是微小的。水斗式水輪機工作水頭很高，而噴嘴之間的水頭差源於環形管部分管段的水力損失，後者與其工作水頭相比，可以忽略不計。按各噴嘴的流量計算平均水頭，從實用角度看來沒有現實意義。事實和歷史經驗已經表明，水斗式水輪機模型試驗或真機試驗時，水頭的測量點總是選定在環形管的進口斷面。

相關作用

水斗式水輪機的基本原理為動量定理，所以，討論射流對固定平板及柱面板的衝擊以及彼此之間作用力是非常必要的。

如此研討的目的是試圖揭示水斗式水輪機的根本規律;但完全按有壓流動中流體的繞流運動，構想高速水流對板面的衝擊顯然是脫離實際的。

流體繞流的必要條件是邊界條件限定的有壓流動，而在此則是大氣中的自由射流對板面的衝擊或碰撞。此撞擊與剛體碰撞相同，只是射流為水質點束，因此，它們彼此之間存在更多的撞擊。還討論了運動彎板在射流作用下所受到的作用力以及功率和效率，並給出了射流是固定的，而受力彎板卻是運動的。葉片在未接觸射流時根本不受力;在其進口接觸射流時才開始受力，但這僅僅是一瞬間。待葉片繼續前行，射流的打擊點沿葉片表面下移、即葉片受力點下移;此後葉片脫離射流，便不再受力。可見，這一討論仍然是脫離實際的。

直徑比與轉輪

所有水斗式水輪機均由同一個原理模型演化來，它們之間的根本區別就是直徑比的不同。因此，轉輪的形狀、輪盤的厚薄、水斗數目的多少、水斗在輪盤上的位置等等，均因直徑比不同而異。

按水斗式水輪機基本原理模型理論，所有水斗匡基本斷面型線都是相似或相同的，除此之外，水斗匡所有其他幾何元素都是不同的。這一不同或差異，伴隨水斗式水輪機轉輪直徑比的變化而規律地變化。水斗式水輪機的實際使用直徑比，套用範圍並不很大，所以不同水斗之間的幾何差別不大。但是，為了追求最高效率，水斗式水輪機轉輪及其水斗必須單獨針對設計。

水斗式水輪機的直徑比並非設計之初就確定的。但是，從前的水輪機著作及文獻中卻把水斗式水輪初的直徑比定為設計規範，規定其使用範圍或按設計水頭的高低“選用”直徑比等等。誠然，設計水頭高而量又很小，則轉輪直徑偏大，而射流直徑偏小，故水輪機直徑比大，這肯定是客觀規律。然而，水斗式水輪機的轉輪直徑D1與射流直徑d。各有各自的設計原則，於是才有水斗式水輪機的直徑比。所以給水斗式水輪機的直徑比規定這樣或那樣的規範和其他設計原則都是沒有根據的，甚至是錯誤的。

工作原理

（1）拋開斜擊式水輪機或衝擊式水輪機整個族系，而將研究對象僅僅鎖定於水斗式水輪機。如此探求衝擊式水輪機或水斗式水輪機的基本規律是不會成功的。

水斗式水輪機與斜擊式水輪機，並無本質的差異。它們的工作原理皆為動量定理;它們的供水機構都是噴嘴，噴嘴製造射流，後者在大氣中對轉輪水斗作功。轉輪之間的形狀差異從外表看來確實很大，尤其是轉輪水斗完全不同。深入研究便會發現，水斗的不同源於射流入射角的不同、來自轉輪直徑比的差異，只是水斗式水輪機的射流入射角為0而已。
（2）將實際水斗式水輪機作為對象，而且研究範圍僅限於射流與水斗進行能量的交換過程中的一個特定瞬間或特寫鏡頭，並以此為基礎論述水斗式水輪機的動力特性，那是缺少說服力的。

水斗式水輪機的噴嘴雖然穩定提供射流，但轉輪在轉、水斗順序划過射流、循環往復。射流分段進入並離開每一水斗，它在水斗工作面上的流態時刻在變化，無穩定可言。射流與水斗的相對位置時刻改變;僅以一個特殊條件去研究水斗式水輪機、並想找到其基本理論的核心，是不可能的。

（3）射流進入水斗後，由於水流質點運動方向不一，將產生強烈干擾，因此離開水斗的水流已非完整的流束，而是相當逸散的噴射物。就射流在水斗上的任何瞬間的流態運用伯努里方程或動量定理，都是不可想像的。
（4）直接引用反擊式水輪機基本方程式，又將水斗式水輪機的轉輪直徑作為特徵幾何參數納入，這是又一重大失誤。水斗式水輪機轉輪直徑是次要參數，它與水輪機的動力特性關係不大。轉輪直徑的大小並不影響流量的多少。

關於相似理論

每個水斗式水輪機都可一直在其最高效率下運行，這是反擊式水輪機絕對不可能的。但是，因為相似理論的干擾，借用反擊式水輪機的設計方法，常令水斗式水輪機的設計單位轉速明顯偏離最優單位轉速，在設計中便損失了效率。

把水斗式水輪機轉輪的設計也同反擊式水輪機轉輪設計一樣，將模型試驗作為最終手段，將阻滯衝擊式水輪機的發展。

相似理論用於邊界條件固定的有壓流動空間，水斗式水輪機具備這種條件嗎?
衝擊式水輪機的設計理論和方法完全不同於反擊式水輪機，它們按給定條件針對設計。兩台衝擊式水輪機幾何相似的可能微乎其微。將相似理論引入水斗式水輪機，是錯誤的。

關於比例效應

反擊式水輪機存在比尺效應，根據模型與真機的比例關係，進行設計效率的修正，修正方法多種多樣。獲得一個精確、嚴謹和普遍接受的解決方案是不可能的。

水斗式水輪機也存在對應的比尺效應嗎?嚴格地說，機組尺寸大小會對效率有所影響。但是，導致效率差異的元素與反擊式水輪機是不同的，按反擊式水輪機的路子尋求解決是不會奏效的。
水斗式水輪機的設計，必須服從轉速第一的原則;除去噴嘴之外，水輪機幾何元素的設計均有其獨特的方法可循;就整體而言，水斗式水輪機的幾何相似幾乎是不可能的，相似理論不屬於水斗式水輪機。 水斗式水輪機的轉輪直徑D,，確也為其標誌性參，但它同水力性能關係甚小，不是影響水斗式水輪機水力效率的關鍵因素。
水斗式水輪機面臨的各種各樣的能量損失，才是探尋水斗式水輪機尺寸大小對其效率影響的關鍵。它們是:
（1）噴嘴效率;

（2）軸承機械損失。
（3）水斗出口動能損失。
（4）射流束在水斗內的水力損失及干擾損失。
（5）轉輪直徑的大小，直接關係到風損;轉輪厚度及水斗寬度，對風損或許也有一定影響。
（6）水斗式水輪機的機殼對效率也具有肯定的左右能力。