衝擊式水輪機

衝擊式水輪機是藉助於特殊導水機構引出具有動能的自由射流，沖向轉輪水斗，使轉輪旋轉做功，從而完成將水能轉換成機械能的一種水力原動機。衝擊式水輪機適用於高水頭、小流量的電站，它將來自壓力管道的水，經噴嘴後轉換為高速射流，切向衝擊轉輪，推動轉輪旋轉，從而帶動發電機轉子轉動發電。在衝擊式水輪機中，以工作射流與轉輪相對位置和做工次數的不同，可分為切擊式水輪機、斜擊式水輪機和雙擊式水輪機。

基本介紹

• 中文名：衝擊式水輪機
• 外文名：impulse turbine
• 類型：水力原動機
• 套用：水力發電
• 領域：能源
• 學科：電氣工程

產品簡介

早在古代，我國就開始使用水車提供生產動力。現如今，以水車為原型的水輪機——衝擊式水輪機正在成為水輪機領域一個新的熱門領域。在其他各種水輪機都相對成熟了的時候，衝擊式水輪機正在受到越來越多的關注。現代衝擊式水輪機是藉助於特殊導水機構引出具有動能的自由射流，沖向轉輪水斗，使轉輪旋轉做功，從而完成講水能轉換成機械能的一種水力原動機。在衝擊式水輪機中，以工作射流與轉輪相對位置和做工次數的不同，可分為切擊式水輪機、斜擊式水輪機和雙擊式水輪機。

理論分析證明，當水斗節圓處的圓周速度約為射流速度的一半時，效率最高。這種水輪機在負荷發生變化時，轉輪的進水速度方向不變，加之這類水輪機都用於高水頭電站，水頭變化相對較小，速度變化不大，因而效率受負荷變化的影響較小，效率曲線比較平緩，最高效率超過91%。

研究進展

衝擊式水輪機的研究製造主要在歐洲進行，瑞士阿爾卑斯山脈B水電站水頭1883m，單機容量達到42萬kW。大型衝擊式水輪機為了更大限度利用水能，一般可以做到6個噴嘴，6噴嘴射流能量同時供給轉輪做功。我國現在衝擊式水3輪機的儲能非常之大，開發量比例甚少甚少。轉輪以早期哈爾濱大電機等的提供為主，但在10數年前已經停止了開發及試驗。近年各廠家要么繼續使用舊型轉輪或加以一些改造，要么花高價(幾百萬元人民幣)進口轉輪。由於技術的缺乏，投標時苦於手中沒有轉輪，對這塊空白地的競爭或束手無策，或是技術指標落後中標率低，影響了競爭力及損失了經濟利益。隨著國內市場的開放這種情況會越來越嚴重。

其中天湖電站是1992年的當時國內第一個千米水頭，所以這個電站的名氣很大。長達17年的國內最高水頭電站。後續高水頭的基礎，所以這個電站在國內水斗式高水頭歷史上具有重要地位。蘇巴姑雖然高了150米，但是畢竟是後續電站，現在的頭銜就是一個國內最高水頭電站。
衝擊式水輪機問世後,為了提高其效率和輸出功率又研製出了立式多射流型衝擊式水輪機。現階段隨著新材料及新技術的套用,已能製造出使用水頭在1000～2000m,輸出功率高達1000MW,運行安全可靠的高水頭大出力衝擊式水輪機。衝擊式水輪機的轉輪為鑄件,因此提高轉輪的鑄造質量並在大型轉輪鑄造較為困難的情況下,採用鑄焊工藝生產能夠安全地用於高水頭大出力電站的衝擊式水輪機轉輪為發展趨勢之一。

優點

隨著水力資源的深入開發，有許多高落差的流域需要進行開發，如我國的雅魯藏布江，落差達到兩千多米，同時修築水壩又不現實（考慮到這時一條國際河流）。因此衝擊式水輪機便成為了首選。衝擊式水輪機主要有以下優點：

1.適應流量和水頭比值比較小的情況。

2.加權平均效率很高，在整個運行區間都有很高的效率。特別是水斗式水輪機現在先進的可以在30%～110%負荷區間可以平均91%以上的效率。

3.對水頭變化的適應能力比較強

4.對管道和水頭比值很大的也很適應。

5.開挖量小。

利用衝擊式水輪機發電，出力範圍可從50kW到500MW，可以適用於30米至3000米較大的水頭範圍，特別是高水頭範圍其它類型水輪機無法適用，並且無須建築水壩，無需建造下游尾水管，建築經費只是其它類型水輪發電機組2的幾分之一，對自然環境影響也非常小。由於轉輪在大氣壓之下的轉輪室中運轉，可以省去有壓過流通道的、密封等的苛刻要求，廣泛為工況運行效率高且變化平緩是其具有魅力的另一個原因。由於上述的優點，衝擊式水輪機組的開發主題正在被世界關注，我國也引起了足夠的重視，我國蘊藏著太多適於衝擊式水輪機組開發的水力能源。衝擊式水輪機可以充分發揮其結構簡單、轉輪直徑小、效率高的優越性，大大減少電站投資和二次資源的節省，21世紀將會成為選型熱點，大型衝擊式水輪機開發的成功將創造巨大的經濟效益，這一課題有著較強的開創性和套用性。

切擊式水輪機

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。

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。

斜擊式水輪機

斜擊式水輪機利用噴嘴把水流的壓力能變成速度能，水流自離開噴嘴，進入轉輪直至離開轉輪的整個工作過程，不是在一個封閉系統內，而是在充滿大氣的機殼中進行形成自由射流，並且同一時刻往往有3-4個斗葉在接受同一噴嘴流量大小不等的這種自由射流。噴嘴出口射流中心與轉輪進水平面呈一定的夾角（通常取22.5度）。

斜擊式水輪機主要工作部件和切擊式水輪機基本相同，只是工作射流與轉輪進口平面呈某一角度α，射流斜著射向轉輪。斜擊式水輪機適用於水頭在35-350m、軸功率為10-500kW、比轉速為18-45的中小型水電站。

雙擊式水輪機

雙擊式水輪機 就其原理來講，他是介於反擊式水輪機和衝擊式水輪機之間(因水流在第一次流過葉片時是有壓流動)。水流通過引水管從噴咀流出後,從轉輪外周通過徑向葉片進入轉輪中心，完成第一次能量交換後(約占總轉換能量的70%)，再從轉輪中心通過徑向葉片流出轉輪，完成第二次能量交換。

雙擊式水輪機水流先從轉輪外周進入部分葉片流道，消耗了大約70%-80%的動能，然後離開葉道，穿過轉輪中心部分的空間，又一次進入轉輪另一部分葉道消耗餘下大約20%-30%的動能。這種水輪機效率低，一般適用於H<60m，N<150kW的小型水電站。

與反擊式水輪機工作原理的異同點

衝擊式水輪機的工作原理與反擊式水輪機相同點是，均是利用水流與轉輪葉片的作用力和反作用力原理將水流能量傳給轉輪，使轉輪旋轉釋放出機械能。衝擊式水輪機與反擊式水輪機工作原理顯著的不同點是：

1.在衝擊式水輪機中，噴管（相當於反擊式水輪機的導水機構）的作用是：引導水流，調節流量，並將液體機械能轉變為射流動能。而反擊式水輪機的導水機構，除引導水流，調節流量外，在轉輪前形成一定的旋轉水流，以滿足不同比轉速水輪機對轉輪前環量的要求。

2.在衝擊式水輪機中，水流自噴嘴出口直至離開轉輪的整個過程，始終在空氣中進行。則位於各部分的水流壓力保持不變（均等於大氣壓力）。它不像反擊式水輪機那樣，在導水機構、工作輪以及轉輪後的流道中，水流壓力是變化的。故衝擊式水輪機又稱為無壓水輪機，而反擊式水輪機，稱之為有壓水輪機。

3.在反擊式水輪機中，由於各處水流壓力不等，並且不等於大氣壓力。故在導水機構、轉輪及轉輪後的區域內，均需有密閉的流道。而在衝擊式水輪機中，就不需要設定密閉的流道。

4.反擊式水輪機必須設定尾水管，以恢復壓力，減小轉輪出口動能損失和進一步利用轉輪至下游水面之間的水流能量。而衝擊式水輪機，水流離開轉輪時已流速很小，又通常處在大氣壓力下,因此它不需要尾水管。從另一方面講，由於沒有尾水管，使衝擊式水輪機比反擊式水輪機少利用了轉輪至下游水面之間的這部分水流能量。

5.反擊式水輪機的工作轉輪淹沒在水中工作，而衝擊式水輪機的工作輪是暴露在大氣中工作，僅部分水斗與射流接觸，進行能量交換。並且，為保證水輪機穩定運行和具有較高效率，工作輪水斗必須距下游水面有足夠的距離（即足夠的排水高度和通氣高度）。
6.在衝擊式水輪機中，因工作輪內的水壓力不變，故有可能將工作輪流道適當加寬，使水流緊貼轉輪葉片正面，並由空氣層把水流與葉片的背面隔開。這樣，可使水流不沿工作輪的整個圓周進入其內，而僅在一個或幾個局部的地方，通過一個或幾個噴嘴進入工作輪。由於工作葉片流道僅對著某個噴嘴時被水充滿，而當它轉到下一個噴嘴之前，該葉片流道中的水已傾盡，故水流沿葉片流動不會發生紊亂。

7.衝擊式水輪機的工作輪僅部分過水，部分水斗工作，故水輪機過流量較小，因而在一定水頭和工作輪直徑條件下，衝擊式水輪機的出力比較小。另外，充實水輪機的轉速相對比較低（這是由於轉輪進口絕對速度大，圓周速度小）、出力小，導致了較低的比轉速，故衝擊式水輪機適用於高水頭小流量的場合。