浅谈水轮发电机的工作原理

浅谈水轮发电机的工作原理

作者：石海英

来源：《科技创新与应用》2013年第13期

摘 要：当前的水轮发电机有两个大的类型，分别是冲击式的和反击式。第一种是结合水的动能，第二种是结合动能。文章分析了其具体的特征等要素。

关键词：水轮发电机；分类；特征

引言

水轮发电机由转子、定子、机架、推力轴承、导轴承、冷却器、制动器等主要部件组成。定子主要由机座、铁芯和绕组等部件组成。定子、转子、端盖、电刷、机座及轴承等通常是水轮发电机构成的部件。定子由定子铁芯、机座、线包绕组以及固定这些部分的其他结构件组成。转子由转子磁极、转子铁芯、风扇、转子磁极及转轴等部件组成。发电机的转子、定子由轴承、机座及端盖连接组装起来。由于水能的存在，所以转子可以在定子中活动，经由滑环吸收一些电流，此时就变成磁场，定子线圈做切割磁力线的运动，进而出现势能，经由端子来释放，连接到回路之中，就出现了电流。接下来重点的分析其活动的原理。

1 反击式水轮发电机

1.1 具体的特点

转轮的叶片为空间扭曲面，流过转轮的水流式连续的，同时在一样的时间之中，全部的经由叶片的流道都是经由水流来开展的，水流存在于整个的区域之中。

1.2 关于其原理

当水经过叶片的时候，其速度的高度和趋势等都会出现改变，所以，动量出现了很多的变化，此时水流就会出现了反向的力，其会反映到所有的叶片之中，此时转轮就会出现一种旋转的力，进而出现活动。

1.3 关于其种类的区分

1.3.1 混流式：水流径向流入转轮，轴向流出。

适用范围：H=30～700m，单机容量：几万千瓦～几十万千瓦

它的优势是它使用的领域很宽泛，而且构造不繁琐，运行安稳，功效较高，能用到那些水头较高的，流量不是很大的电站里。

1.3.2 轴流式：水流沿转轮轴向流入，轴向流出，水流方向始终平行于主轴。

a.轴流定浆式：叶片不能随工况的变化而转动。改变叶片转角时需要停机进行。这类型虽然结构简单，但是效率低。适用H、Q变化不大的情况，H：3～50m。b.轴流转浆式：叶片能随工况的变化而转动，进行双重调节。它适合用到那些流量存在显著的改变，而且效率较高的，大规模的设备之中。

1.3.3 斜流式：当水经过转轮的时候，其是斜的。而且叶片会伴随着工况的改变而出现变化。其效率非常好。

1.4 关于其构成要素

（1）进水（引水）部件-蜗壳：将水流均匀、旋转，以最小水头损失送入转轮。（2）导水机构（导叶及控制设备）：控制工况。（3）转轮：能量转换，决定水轮机的尺寸、性能、结构。（4）泄水部件——尾水管：回收能量、排水至下游。

1.5 关于其动作步骤

通过上方的水库之中获取水分，首先到达引水区域，进而经由通道进入到叶片之中，此时水灰对生成一种反向的力，此时叶轮开展转动，将水能变为动能，此时水就会自动的排放。其有很多的类型，比如混流式、斜流式、轴流式，它们的主要差异是齿轮的构造模式存在差异。

1.5.1 混流式转轮一般由12～20个流线型的扭曲叶片和轮冠、下环等主要部件组成，此时水是从辐向进入的，而从轴向出来的，其适合是用的范围非常宽，而且它的规模不是很大，成本不高，可以用到很多区域之中。

轴流式又分螺浆式和转浆式，两者的差异是第一个的叶片不是变化的，但是第二个是能够变化的。轴流式转轮一般由3～8个叶片，转轮体、泄水锥等主要部件组成。其过水的水平较之于混流模式的要高很多。针对那些转浆模式的设备来讲，因为叶片会伴随着负载的变化而出现一定的变化，所以，在负载变动很高的区域之中，都会有非常高的功效。此类设备的对抗气蚀的水平不是很高，而且构造也非常的繁琐，通常适合用到那些水头在十米到八十米之间的区域。

1.5.2 对于引水室来讲，它的功效是确保水合理的流到导水区域之中，降低导水设备的不利现象，以进步水轮发电机效率。对于那种水头大于五十米的，采用圆形断面金属蜗壳。

1.5.3 导水机构，一般均匀布置于转轮外围，具有一定数目的流线型导叶片及其转动机构等组成其作用在于引导水流均匀地流进转轮，而且经由对导叶角度的变化，来变革设备的流量，进而能够确保合乎设备的负荷改变的规定，如果全都是封闭的话，也能够具有封水的功效。

1.5.4 尾水管：经由转轮释放的水就有一些残存的，而起功效就是为了处理这些残存的水，将其带到下方。对于那些规模不是很大的设备一般是用直锥模式，主要是由于其有着非常好的效率。不过那些规模较大的都是使用弯型的设备，主要是由于无法经其非常深层次的挖掘。

2 冲击式水轮发电机

水轮发电机利用高速水流的冲击力使水轮发电机转动，最常见的为水斗式。水斗式水轮发电机一般用于300米以上的高水头水电厂。导水管、喷嘴和喷针、水轮及蜗壳等则是工作的主要部件，在水轮的外缘装有很多坚固的勺型水斗。该类设备当负载发生变动的时候，虽说其功效并不会大规模的发生改变，不过其有着一些不利点，即过水的水平会被喷嘴干扰。要想提升其过水的水平，提升单机的功效，对于那些大规模的设备来讲，它们已经从过去的水平轴变成了竖直的，从过去的那种单一的喷嘴变化为非常多的数量。其是一项能够将势能变为机械力的设备。使用其来带动发电机活动，就能够把水能变化成电能。

2.1 关于其具体的特点

由喷管和转轮组成。水流以自由水流的形式（P=Pa）冲击转轮，利用水流动能（V方向、大小改变）产生旋转力矩使转轮转动。在相同的时间之中，水只是影响转轮的一个区域，并非是总体。

2.2 关于其种类

2.2.1 水斗式：特点是由喷泉嘴出来的射流沿圆周切线方向冲击转轮上的水斗作功。适用H：100～2000m；使用最广泛。

2.2.2 斜击式：H：25～300m。其构造不是很繁琐，效率不是很高。

2.2.3 双击式：H：5～80m。一般用到小规模的电站之中。

对于冲击式的，其实结合独特的导水体系，获取自由射流，冲向转轮水斗，此时确保设备动作，进而将水能变为机械能。对于这种设备来说，由于射流以及转轮的方位等是不一样的，所以又分成几个类型，接下来具体讲述。

根据理论得出，效率最高的情况则是当水斗节圆处的圆周速度约为射流速度的二分之一时。此类设备在负荷出现变动的时候，其转轮进水的速率不会发生改变，同时还因为此类设备都是用到高水头的区域之中，其水头的变动不是很显著，速率也不会明显的改变，所以受到负载的干扰就不是很严重，其效率曲线非常的顺畅。

其中，切击式水轮机工作射流中心线与转轮节圆相切，故名切击式水轮机。其转轮叶片均由一系列呈双碗状水斗组成，故又称水斗式水轮机。切击式水轮机是目前冲击式水轮机中应用

最广泛的一种机型。其应用水头一般为300-2000m，目前最高应用水头已达到1771.3m（澳大利亚的列塞克-克罗依采克水力蓄能电站，水轮机出力P=22.8MW）。

斜式的和上述的原理差不多是一样的，是工作射流与转轮进口平面呈某一角度α，射流斜着射向转轮。斜击式水轮机适用于水头在35-350m、轴功率为10-500千瓦、比转速为18-45的中小型水电站。

双击式水轮机水流先从转轮外周进入部分叶片流道，消耗了大约70%-80%的动能，然后离开叶道，穿过转轮中心部分的空间，又一次进入转轮另一部分叶道消耗余下大约20%-30%的动能。