微型水力发电厂的水轮机类型。方案、说明

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螺旋桨涡轮机（卡普兰涡轮机）

螺旋桨式水轮机是所有类型水轮机中转速最高的。这使得可以在低流量下获得更高的转速。反过来，高涡轮速度允许使用更快、更轻、更便宜的发电机，或降低传动装置（齿轮箱或皮带传动系统）的成本。因此，螺旋桨式涡轮机在流速较低时在最低压力下使用。

从外观上看，螺旋桨涡轮叶轮看起来像一个风扇（图20）。

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图 20。带固定叶片的螺旋桨涡轮机

涡轮机中的叶片可以制成固定式和旋转式（图 21）。在第一种情况下，叶片固定在与发电机的工作压力和最佳负载相对应的选定角度。旋转叶片适合用于具有显着压力波动的大型涡轮机以及在可变负载条件下运行的发电机。借助旋转叶片，可以保持叶轮的恒定旋转速度和发电机中产生的电压的频率。

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图 21。卡普兰涡轮机

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图 21-1。工作原理

螺旋桨式水轮机有一个导叶（图 22），用于将水流以直角输送到涡轮机叶片，以实现最大效率。导流叶片可以让您调节涡轮机的功率，并且在某些情况下，可以完全阻止水进入涡轮机叶轮。

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图 22。涡轮导向叶片

螺旋桨涡轮机配备有吸入管。吸水管是横截面扩大的通道，用于从涡轮机中排出水。随着管道横截面的增加，水的速度及其动能降低，从而可以减少流出水流中的能量损失。此外，吸水管允许涡轮机位于下游水位以上。

水池（fr. bief）是邻近水工结构的水域的一部分。上游（邻近压力盆地）和下游（邻近排放通道）是有区别的。

吸入管有直管和弯管两种，如图所示。 23和24：

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图 23。带直接吸力的液压装置

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图24。带弯曲吸管的液压装置

径向轴流式涡轮机（弗朗西斯涡轮机）

水从叶轮外侧进入径轴式水轮机的叶轮，并沿半径向水轮机中心移动（图25）。水流经复杂空间弯曲形状的叶片后，为转子提供能量，使其旋转。

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图 25。径向-轴向（弗朗西斯涡轮）

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图 25-1。径向-轴向（弗朗西斯涡轮），外观

为了在叶轮的整个圆周上正确、均匀地供水，叶轮周围有一个螺旋室（图 26）。导向装置放置在螺旋室和叶轮之间，由叶片组成，可将水以所需角度引导至涡轮机叶轮。导流叶片可旋转，以改变水流和流向叶轮叶片的最佳方向（图 27）。这提高了涡轮机在非设计模式下的效率。导向装置可以配备手动调节系统，或自动调节系统。

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图 26。混流式水轮机蜗壳和导叶方案

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图 27。带手动可调导叶的混流式涡轮机

在径轴式涡轮机中，压力管道中存在水锤的风险。当发电机发生故障或负荷急剧下降时，导叶会减少水流量，压力管道中会出现水锤，从而导致管道破裂。为了防止发生事故，径轴式水轮机配备了安全闲置出口，在压力波动期间将水从螺旋室排放到下游。

对于高压径向-轴向涡轮机，减少通过叶轮叶片可能发生的水泄漏非常重要。这是通过高精度制造配合部件和减少压力损失的特殊密封件来实现的。

水经过叶轮后，进入圆锥形的吸水管。水流经吸水管时，横截面增大，速度减慢，导致随废水无用离开的动能下降。另外，吸水管可以使水电机组的位置远高于水下游，有利于水电站建设。

涡轮机的生产采用特殊的高耐磨钢种，以确保涡轮机长期可靠的运行。

冲击式涡轮机（Pelton 涡轮机）

这种类型的涡轮机用于高压。压力管道进入水力发电厂的建筑物，末端有一个喷嘴，将射流引导至涡轮机叶轮。从喷嘴喷出的水流在桶的凹面上滚动，并将其运动方向改变为相反的方向（图 28）。

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图 28。钢包图（Pelton Pelton Turbine）

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图 28-1。叶轮（佩尔顿斗式涡轮）

当从桶反射的射流相对于主体的速度为零时，效率最高。正如分析所示，这是在钢包圆周速度等于射流速度一半的情况下实现的。

涡轮机中的叶片是成对的，射流被输送到叶片的接合处，以补偿转子轴承上的轴向力。涡轮喷嘴用于调节进水量。喷嘴内移动的针改变了通道的横截面和进入涡轮叶轮的水的流速（图29）。

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图 29。针阀喷嘴示意图（Pelton Pelton 涡轮）

除喷嘴外，还使用偏转器来调节涡轮的参数，偏转器是位于喷嘴和铲斗之间的障碍物，它使射流偏转并减少射流对液压单元转子的作用力。导流板可让您在调整涡轮机时避免液压冲击。当仅用针调节射流时，如果网络中的电力负荷急剧下降，针会堵塞出水口，从而在管道中引起水锤，并有可能损坏管道。废水流向下游。因此，为了减少压力损失，喷嘴和涡轮机的位置应尽可能低至液流高度。涡轮机壳体用作水力发电厂的防溅罩，并且尺寸较大，因此从壳体反射的水不会落回到转子上，也不会降低装置的效率。

在轮叶式涡轮机中，多个喷嘴通常围绕叶轮圆周间隔安装，这减少了旋转轴承上的负载（图 30）。

现代水轮机结构的发展考虑到了以下主要趋势：

提高运行效率和可靠性；
提高水轮机转速，以较小的水轮发电机组尺寸和重量提供所需的设计功率，从而确保降低电力设备和水电站建设成本；
改善水轮机的能量特性，提高机组在非设计负荷和压力下运行时的平均运行效率；
减少过流部分（特别是径轴式水轮机叶轮后面）的压力脉动以及随之而来的机组振动；
液压装置；
在水电站使用强大的水力发电机组可以减少其数量、提高效率并降低电力设备和建筑物的成本；
单位产能进一步增长。

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图 30。带两个喷嘴的水轮机

传输设备

需要传输装置将旋转能从涡轮机传输到发电机。微型水力发电厂的一些设计提供通过轴直接传输能量（叶轮和发电机转子位于同一轴上）。其他传动系统（皮带或齿轮）都可以改变叶轮与发电机转子旋转的齿轮比，并将其原样传输。

作者：Kartanbaev B.A.、Zhumadilov K.A.、Zazulsky A.A.

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