淺談水輪發(fā)電機(jī)的工作原理

摘 要：當(dāng)前的水輪發(fā)電機(jī)有兩個(gè)大的類(lèi)型，分別是沖擊式的和反擊式。第一種是結(jié)合水的動(dòng)能，第二種是結(jié)合動(dòng)能。文章分析了其具體的特征等要素。

關(guān)鍵詞：水輪發(fā)電機(jī)；分類(lèi)；特征

引言

水輪發(fā)電機(jī)由轉(zhuǎn)子、定子、機(jī)架、推力軸承、導(dǎo)軸承、冷卻器、制動(dòng)器等主要部件組成。定子主要由機(jī)座、鐵芯和繞組等部件組成。定子、轉(zhuǎn)子、端蓋、電刷、機(jī)座及軸承等通常是水輪發(fā)電機(jī)構(gòu)成的部件。定子由定子鐵芯、機(jī)座、線(xiàn)包繞組以及固定這些部分的其他結(jié)構(gòu)件組成。轉(zhuǎn)子由轉(zhuǎn)子磁極、轉(zhuǎn)子鐵芯、風(fēng)扇、轉(zhuǎn)子磁極及轉(zhuǎn)軸等部件組成。發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子、定子由軸承、機(jī)座及端蓋連接組裝起來(lái)。由于水能的存在，所以轉(zhuǎn)子可以在定子中活動(dòng)，經(jīng)由滑環(huán)吸收一些電流，此時(shí)就變成磁場(chǎng)，定子線(xiàn)圈做切割磁力線(xiàn)的運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而出現(xiàn)勢(shì)能，經(jīng)由端子來(lái)釋放，連接到回路之中，就出現(xiàn)了電流。接下來(lái)重點(diǎn)的分析其活動(dòng)的原理。

1 反擊式水輪發(fā)電機(jī)

1.1 具體的特點(diǎn)

轉(zhuǎn)輪的葉片為空間扭曲面，流過(guò)轉(zhuǎn)輪的水流式連續(xù)的，同時(shí)在一樣的時(shí)間之中，全部的經(jīng)由葉片的流道都是經(jīng)由水流來(lái)開(kāi)展的，水流存在于整個(gè)的區(qū)域之中。

1.2 關(guān)于其原理

當(dāng)水經(jīng)過(guò)葉片的時(shí)候，其速度的高度和趨勢(shì)等都會(huì)出現(xiàn)改變，所以，動(dòng)量出現(xiàn)了很多的變化，此時(shí)水流就會(huì)出現(xiàn)了反向的力，其會(huì)反映到所有的葉片之中，此時(shí)轉(zhuǎn)輪就會(huì)出現(xiàn)一種旋轉(zhuǎn)的力，進(jìn)而出現(xiàn)活動(dòng)。

1.3 關(guān)于其種類(lèi)的區(qū)分

1.3.1 混流式：水流徑向流入轉(zhuǎn)輪，軸向流出。

適用范圍：H=30～700m，單機(jī)容量：幾萬(wàn)千瓦～幾十萬(wàn)千瓦

它的優(yōu)勢(shì)是它使用的領(lǐng)域很寬泛，而且構(gòu)造不繁瑣，運(yùn)行安穩(wěn)，功效較高，能用到那些水頭較高的，流量不是很大的電站里。

1.3.2 軸流式：水流沿轉(zhuǎn)輪軸向流入，軸向流出，水流方向始終平行于主軸。

a.軸流定漿式：葉片不能隨工況的變化而轉(zhuǎn)動(dòng)。改變?nèi)~片轉(zhuǎn)角時(shí)需要停機(jī)進(jìn)行。這類(lèi)型雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但是效率低。適用H、Q變化不大的情況，H：3～50m。b.軸流轉(zhuǎn)漿式：葉片能隨工況的變化而轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)行雙重調(diào)節(jié)。它適合用到那些流量存在顯著的改變，而且效率較高的，大規(guī)模的設(shè)備之中。

1.3.3 斜流式：當(dāng)水經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)輪的時(shí)候，其是斜的。而且葉片會(huì)伴隨著工況的改變而出現(xiàn)變化。其效率非常好。

1.4 關(guān)于其構(gòu)成要素

（1）進(jìn)水（引水）部件-蝸殼：將水流均勻、旋轉(zhuǎn)，以最小水頭損失送入轉(zhuǎn)輪。（2）導(dǎo)水機(jī)構(gòu)（導(dǎo)葉及控制設(shè)備）：控制工況。（3）轉(zhuǎn)輪：能量轉(zhuǎn)換，決定水輪機(jī)的尺寸、性能、結(jié)構(gòu)。（4）泄水部件——尾水管：回收能量、排水至下游。

1.5 關(guān)于其動(dòng)作步驟

通過(guò)上方的水庫(kù)之中獲取水分，首先到達(dá)引水區(qū)域，進(jìn)而經(jīng)由通道進(jìn)入到葉片之中，此時(shí)水灰對(duì)生成一種反向的力，此時(shí)葉輪開(kāi)展轉(zhuǎn)動(dòng)，將水能變?yōu)閯?dòng)能，此時(shí)水就會(huì)自動(dòng)的排放。其有很多的類(lèi)型，比如混流式、斜流式、軸流式，它們的主要差異是齒輪的構(gòu)造模式存在差異。

1.5.1 混流式轉(zhuǎn)輪一般由12～20個(gè)流線(xiàn)型的扭曲葉片和輪冠、下環(huán)等主要部件組成，此時(shí)水是從輻向進(jìn)入的，而從軸向出來(lái)的，其適合是用的范圍非常寬，而且它的規(guī)模不是很大，成本不高，可以用到很多區(qū)域之中。

軸流式又分螺漿式和轉(zhuǎn)漿式，兩者的差異是第一個(gè)的葉片不是變化的，但是第二個(gè)是能夠變化的。軸流式轉(zhuǎn)輪一般由3～8個(gè)葉片，轉(zhuǎn)輪體、泄水錐等主要部件組成。其過(guò)水的水平較之于混流模式的要高很多。針對(duì)那些轉(zhuǎn)漿模式的設(shè)備來(lái)講，因?yàn)槿~片會(huì)伴隨著負(fù)載的變化而出現(xiàn)一定的變化，所以，在負(fù)載變動(dòng)很高的區(qū)域之中，都會(huì)有非常高的功效。此類(lèi)設(shè)備的對(duì)抗氣蝕的水平不是很高，而且構(gòu)造也非常的繁瑣，通常適合用到那些水頭在十米到八十米之間的區(qū)域。

1.5.2 對(duì)于引水室來(lái)講，它的功效是確保水合理的流到導(dǎo)水區(qū)域之中，降低導(dǎo)水設(shè)備的不利現(xiàn)象，以進(jìn)步水輪發(fā)電機(jī)效率。對(duì)于那種水頭大于五十米的，采用圓形斷面金屬蝸殼。

1.5.3 導(dǎo)水機(jī)構(gòu)，一般均勻布置于轉(zhuǎn)輪外圍，具有一定數(shù)目的流線(xiàn)型導(dǎo)葉片及其轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)等組成其作用在于引導(dǎo)水流均勻地流進(jìn)轉(zhuǎn)輪，而且經(jīng)由對(duì)導(dǎo)葉角度的變化，來(lái)變革設(shè)備的流量，進(jìn)而能夠確保合乎設(shè)備的負(fù)荷改變的規(guī)定，如果全都是封閉的話(huà)，也能夠具有封水的功效。

1.5.4 尾水管：經(jīng)由轉(zhuǎn)輪釋放的水就有一些殘存的，而起功效就是為了處理這些殘存的水，將其帶到下方。對(duì)于那些規(guī)模不是很大的設(shè)備一般是用直錐模式，主要是由于其有著非常好的效率。不過(guò)那些規(guī)模較大的都是使用彎型的設(shè)備，主要是由于無(wú)法經(jīng)其非常深層次的挖掘。

2 沖擊式水輪發(fā)電機(jī)

水輪發(fā)電機(jī)利用高速水流的沖擊力使水輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，最常見(jiàn)的為水斗式。水斗式水輪發(fā)電機(jī)一般用于300米以上的高水頭水電廠(chǎng)。導(dǎo)水管、噴嘴和噴針、水輪及蝸殼等則是工作的主要部件，在水輪的外緣裝有很多堅(jiān)固的勺型水斗。該類(lèi)設(shè)備當(dāng)負(fù)載發(fā)生變動(dòng)的時(shí)候，雖說(shuō)其功效并不會(huì)大規(guī)模的發(fā)生改變，不過(guò)其有著一些不利點(diǎn)，即過(guò)水的水平會(huì)被噴嘴干擾。要想提升其過(guò)水的水平，提升單機(jī)的功效，對(duì)于那些大規(guī)模的設(shè)備來(lái)講，它們已經(jīng)從過(guò)去的水平軸變成了豎直的，從過(guò)去的那種單一的噴嘴變化為非常多的數(shù)量。其是一項(xiàng)能夠?qū)?shì)能變?yōu)闄C(jī)械力的設(shè)備。使用其來(lái)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)活動(dòng)，就能夠把水能變化成電能。

2.1 關(guān)于其具體的特點(diǎn)

由噴管和轉(zhuǎn)輪組成。水流以自由水流的形式（P=Pa）沖擊轉(zhuǎn)輪，利用水流動(dòng)能（V方向、大小改變）產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力矩使轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)動(dòng)。在相同的時(shí)間之中，水只是影響轉(zhuǎn)輪的一個(gè)區(qū)域，并非是總體。

2.2 關(guān)于其種類(lèi)

2.2.1 水斗式：特點(diǎn)是由噴泉嘴出來(lái)的射流沿圓周切線(xiàn)方向沖擊轉(zhuǎn)輪上的水斗作功。適用H：100～2000m；使用最廣泛。

2.2.2 斜擊式：H：25～300m。其構(gòu)造不是很繁瑣，效率不是很高。

2.2.3 雙擊式：H：5～80m。一般用到小規(guī)模的電站之中。

對(duì)于沖擊式的，其實(shí)結(jié)合獨(dú)特的導(dǎo)水體系，獲取自由射流，沖向轉(zhuǎn)輪水斗，此時(shí)確保設(shè)備動(dòng)作，進(jìn)而將水能變?yōu)闄C(jī)械能。對(duì)于這種設(shè)備來(lái)說(shuō)，由于射流以及轉(zhuǎn)輪的方位等是不一樣的，所以又分成幾個(gè)類(lèi)型，接下來(lái)具體講述。

根據(jù)理論得出，效率最高的情況則是當(dāng)水斗節(jié)圓處的圓周速度約為射流速度的二分之一時(shí)。此類(lèi)設(shè)備在負(fù)荷出現(xiàn)變動(dòng)的時(shí)候，其轉(zhuǎn)輪進(jìn)水的速率不會(huì)發(fā)生改變，同時(shí)還因?yàn)榇祟?lèi)設(shè)備都是用到高水頭的區(qū)域之中，其水頭的變動(dòng)不是很顯著，速率也不會(huì)明顯的改變，所以受到負(fù)載的干擾就不是很?chē)?yán)重，其效率曲線(xiàn)非常的順暢。

其中，切擊式水輪機(jī)工作射流中心線(xiàn)與轉(zhuǎn)輪節(jié)圓相切，故名切擊式水輪機(jī)。其轉(zhuǎn)輪葉片均由一系列呈雙碗狀水斗組成，故又稱(chēng)水斗式水輪機(jī)。切擊式水輪機(jī)是目前沖擊式水輪機(jī)中應(yīng)用最廣泛的一種機(jī)型。其應(yīng)用水頭一般為300-2000m，目前最高應(yīng)用水頭已達(dá)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(jī)出力P=22.8MW）。

斜式的和上述的原理差不多是一樣的，是工作射流與轉(zhuǎn)輪進(jìn)口平面呈某一角度α，射流斜著射向轉(zhuǎn)輪。斜擊式水輪機(jī)適用于水頭在35-350m、軸功率為10-500千瓦、比轉(zhuǎn)速為18-45的中小型水電站。

雙擊式水輪機(jī)水流先從轉(zhuǎn)輪外周進(jìn)入部分葉片流道，消耗了大約70%-80%的動(dòng)能，然后離開(kāi)葉道，穿過(guò)轉(zhuǎn)輪中心部分的空間，又一次進(jìn)入轉(zhuǎn)輪另一部分葉道消耗余下大約20%-30%的動(dòng)能。