水轮机和水力发电

摘要

水的能量可以通过三种基本方法来获得：利用水的重力作用、水的压力作用或水的流速作用，或者其中任意两种或全部三种作用的组合。在如今的实际应用中，佩尔顿式水轮机或冲击式水轮机是唯一只利用其中一种方法来获取水能的，即利用一束或者好几束高速的水流的作用获得能量的一种水轮机。这种类型的水

轮机通常应用在高水头电站上。法拉第曾经指出：线圈在磁场中旋转，就产生了电。因此，为了获得电能，我们必须产生使“线圈”旋转的机械能。用燃料或流水的能量带动原动机（称为涡轮机）就产生了机械能。这种机械能转换成电能是通过电动机来实现的，电动机直接连接在涡轮机轴上，由涡轮机驱动。因此，就在发电机的出线端获得电能，然后输送到需要它做功的地区。发电需要的装置或机械（即原动机+发电机）统称为动力设备。安置所有机械和其他辅助设施的建筑称为发电厂。

关键词水轮机水力发电水电站种类水头系统

从1925年开始，水轮机的最高效率达到93%或稍微高一点就没有再提高了。就最大效率而言，水轮机的对水能的利用率已经达到了实际发展的极限了。然而，在最近几年里，水轮机的大小和单机容量却增长的很快。

另外，人们还对引起空蚀的原因以及怎样预防空蚀做了很多的研究，这些研究使得我们能够在高于以前认为的合适水头下获得更高的比转速。更大的机组，更高的比转速，以及水轮机的设计上的简化和改进，这几个方面的进步使得水轮机一直以来在作为原动力之一拥有很重要的地位。

1.水轮机的类型

水轮机可以分为两大类：冲击式水轮机——利用高速水流冲击水轮机的一小部分时产生的动能；反击式水轮机——利用充满转轮和过水道的水流所拥有的水的压力和流速两者相结合来获得动力。反击式系列又分成两种通用的型式：弗朗西斯式（有时称作反击式）以及旋桨式。旋桨式又进一步再分为定轮叶式水轮机和以卡普兰式代表的转叶式水轮机。

1.1冲击式水轮机

在冲击式水轮机上，压力钢管中的水从喷嘴孔口中射出，这时水的的势能转换成动能。射流自由地射入水轮室内的空气中，撞击在转轮的碗状戽斗上。戽斗每旋转一周进入射流、经过并从射流转出一次。在这段时间内戽斗承受着射流的全部冲击力。这种冲击力产生一个高速锤击冲打在戽斗上。与此同时，戽斗受到离心力的作用而有脱离它的座盘的趋势，由此而产生的应力以及水流在戽斗的碗

状工作面上的冲刷作用都很大，因而需要选用能抵御水力磨损和疲劳的高质量材料，一般都采用青铜和韧化铸钢，只有水头很低时才能用铸铁。

1.2弗朗西斯式转轮

就弗朗西斯式水轮机来说，来自蜗壳或水槽内的流速较低的水，通过位于转轮周围的导叶或一些闸门，然后流经转轮，并从转轮泄入安置在尾水位以下而不与大气相通的尾水管内。由于水充满所有的水道并作用在转轮的整个周围，因此，仅有一小部分动力来自水的流速所引起的动力作用，而大部分动力则都通过作用在转轮叶片前后工作面上的压力差取得。尾水管可以使能利用的水头得到充分的利用，这一方面是由于转轮下面垂直水柱所产生的吸出作用，另一方面是由于尾水管的出口面积大于紧接转轮下喉管的面积，从而使水流离开转轮叶片时的一部分动能得以利用。

1.3旋桨式转轮

旋桨式机组最适用于低水头电站，在它适用的水头范围内，已产生了显著的经济效果。这种水轮机的转速比较高，以致使发电机的价格较低，并使发电厂房的水下结构和水上结构的尺寸都比较小。低水头、小功率的旋桨式转轮，有时用铸铁来制造。水头高于20英寸时，都用一种更为可靠的材料──铸钢来制造。大直径的螺旋桨可用单个叶片固定在轮毂上制成。

1.4转叶式水轮机

转叶旋桨式水轮机是从定轮叶旋桨式水轮机发展而成的。卡普兰式水轮机是这类水轮机中为人们最为熟悉的一种。它的叶片可由液压伺服器调整到效率最大的角度。利用伺服器上的凸轮能使叶片的角度随阀门的开启位置而变化，从而在所有各种满负载百分率情况下都能保持高效率。

由于转叶旋桨式水轮机组在闸门各种开度情况下效率都高，因此，它特别适用于那些必须在变负载和变水头条件下运行的低水头电站上。当然，这种机组的投资费用和维护费用要高于只能在一个最大效率点上运行的定轮叶旋桨式水轮机组。

2火电和水电

如上所述，涡轮机叶片是由燃料或流水的能量带动的。用燃料产生蒸汽驱动蒸汽涡轮机时，所产生的电称为火电。由于产生蒸汽的燃料是一般燃料如煤、燃

料油等，或是原子能燃料即核燃料。直接燃烧煤产生水蒸气，煤是最简便、最古老的一种燃料。柴油等也可以作为产生蒸汽的燃料。原子燃料如铀、钍也可用于产生蒸汽。用传统燃料如煤、燃料油等（称为矿物燃料）产生蒸汽来带动水轮机时，这种发电厂一般称为普通火力发电厂或热电厂。但当原子燃料用于产生蒸汽时，这种发电厂（基本上属于火力发电厂）称为原子能发电厂或核电厂。一般火力发电厂是用锅炉产生蒸汽的，而原子能发电站是用核反应堆和蒸汽发生器代替锅炉产生蒸汽的。这两种情况产生的电能称为火电。该系统称为火力发电系统。

然而，用流水的能量驱动水轮机时，所产生的电称为水电。这种系统称为水力发电系统，而发电厂称为水力发电厂或水电站。在水电系统中必须使具有一定势能和一定数量的水流流经水轮机。势能使水流动，驱动水轮机的叶片，这样与水轮机连接的发电机就发出电能。本章只涉及水力发电系统的内容。

3水力发电站的种类

根据水力特性把水力发电站分为下列几种：①径流式电站，②蓄水式电站，③抽水蓄能电站，④潮汐电站。各类电站分述如下：

(1)径流式电站

这类电站是在河流上游无适宜的水库的情况下利用河流最小流量的电站。有时修建拦河堰坝，把水位提高并保持在预定的数值，只允许在很小的范围内变化。它可以单独为电站服务，或者主要为其他目标服务，兼顾电站。这种方案基本上是一种低水头方案，它仅适用于枯水季流量值得开发的常年性河流。

径流式电站通常具有很小的蓄水库容，有径流时方能利用。这个很小的蓄水库容是为满足每小时负荷的变化而设立的。当河道的来水流量大于发电需要时（在非峰荷期间），多余的水量就暂时蓄存在拦河建筑物上游的小水库中，以供峰荷期间使用。

径流式电站有诸多例子：楠加尔?海德尔运河的冈古瓦尔和科拉水电站，恒河的默罕默德?普尔和帕特里水电站以及萨尔达运河的萨尔达水电站。

在灌溉渠道的跌水处修建的电站也属于径流式水电站。

(2)蓄水式电站

蓄水式电站基本都有一足够大的上游蓄水库，贮存季风季节到干旱夏季的径流量，从而提供一个比枯季最小流量大得多的稳定流量。在这种设计方案中，水

坝拦河修筑，电站可以布置在脚下，如巴克拉、希陶库德，里亨得工程等。电站也可能位于大坝下游很远的地方。在这种情况下，电站位于水库输水隧道的末端。输水隧道借助于压力水管与电站的机械装置连接，压力水管可能在地下（如迈吞和高勒工程），也可能在地上（如孔达工程）。

当电站位于大坝附近时，它一般采用低水头发电装置，这种电站称为集中落差式水力发电工程；但是当水流从大坝经过渠道、隧道或压力水管长距离输送到电站时，则称为分散落差式水力发电工程。

(3)抽水蓄能电站

抽水蓄能电站在峰荷期间发电，但在非峰荷期间，又把水从尾水池抽回到蓄水前池供以后使用。抽水机是由该系统其它电站的辅助电力驱动的。因而，这类抽水蓄能电站主要用于协调现有的火电站或别的水电站。

在峰荷期间，水从水库流入水轮机而产生电能。在非峰荷期间，利用其他电站的剩余电能，从尾水池抽水到前池，因而这个较小的电站为另一个较大的电站补充电能。在这样的系统中，同样的水量被一次又一次的重复利用，而没有被浪费。

为了利用在15～90米之间变化的水头，已制造出一种可逆式的水泵──水轮机，它既可以作为水轮机也可作为水泵。这种可逆式水轮机可高效率地运转，有助于减少这类电站的投资。同样，同一种电力设备既可做发电机，又可通过电极的互换而用作马达。这个系统中的设备非常有助于提高电力系统的负载系数。

(4)潮汐电站

用潮汐电站发电是近现代的成就。它是根据海水在高潮期上升、在落潮期下降的原理工作的。海水一日涨落两次。每次涨潮周期大约是12小时25分。潮汐电站就是利用水位涨落的效益，换言之，就是利用高低潮之间的水位差进行发电的。为此，要修建一个水池，用隔墙和大海隔开，关在隔墙的孔洞里安装水轮机，就可以发电。

在高潮期间海水流入水池，驱动水轮机发电。在落潮期间，水又从水池流回海洋。只要安装一种在两个水流方向都能发电的特种水轮机组，就能利用流回海洋的水流进行发电。这类电站在潮差大的地方是很有用的。法国的朗斯电站就是这类电站的一个例子。那里的达到11米。该站拥有九台机组，装机容量为38000千瓦；4根据水轮机的工作水头，可把水电站（或水电系统）；(1)低水头系统；低水头系统使用的水头小于15米左右；(2)中水头系统；中水头系统使用的水头变化在15米到60米左右；(3)高水头系统；高水头系统使用的水头大于60米；高度较大的天然落差也可用来发电；

千瓦。

4根据水轮机的工作水头，可把水电站（或水电系统）分为下列几种：①低水头系统（落差小于15米）；②中水头系统（落差变化在15～60米）；③高水头系统（落差大于60米）。现分述如下：

(1)低水头系统

低水头系统使用的水头小于15米左右。径流式电站基本上属于低水头电站。在该系统中，修建拦河坝提高水位，电站或建在拦河坝的一端或建在坝的下游，离拦河坝有一定距离的地方，通过引水渠把水送往电站。

(2)中水头系统

中水头系统使用的水头变化在15米到60米左右。因此该系统基本上是一种大坝水库系统，尽管大坝的高度不很大。在低水头和高水头系统之间，该系统在某些地方是有其优点的。

(3)高水头系统

高水头系统使用的水头大于60米。为了在上游蓄水和全年都能用水，要求建造有足够高度的大坝。已经发展的高水头系统的坝高已达1800米，该系统常见的例子如印度旁遮普省的巴克拉大坝，印度北方邦的里亨得大坝，美国的胡佛大坝等。

高度较大的天然落差也可用来发电。这类动力开发的一般例子如印度的乔喀瀑布和美国的尼拉瀑布。