弗朗西斯水輪機(jī)（1849年弗朗西斯發(fā)明的水輪機(jī)）

結(jié)構(gòu)

弗朗西斯水輪機(jī)

由于弗朗西斯水輪機(jī)應(yīng)用水頭較高，導(dǎo)葉承受的彎曲載荷大，因此導(dǎo)葉的相對(duì)高度0b與軸流式水輪機(jī)比較起來(lái)做得短一些，以減小跨度。此外，隨著水頭增高，相同功率下水輪機(jī)的過(guò)流量減小，這樣有可能減小流道的過(guò)流載面。0b一般隨水頭增加而減小。

導(dǎo)葉和水輪機(jī)頂蓋4及底環(huán)3之間的間隙及相鄰導(dǎo)葉在關(guān)機(jī)時(shí)的接合面都會(huì)有漏水現(xiàn)象。一般采用橡膠的或金屬制成的密封件，可使導(dǎo)水機(jī)構(gòu)關(guān)閉時(shí)的漏水量最小。在高水頭的水輪機(jī)中，有時(shí)采用專門的管狀密封裝置，在關(guān)機(jī)時(shí)其內(nèi)腔充以壓縮空氣，能使端面完全密封。

轉(zhuǎn)輪是水輪機(jī)將水流能量轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的核心部件。水流通過(guò)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)進(jìn)入轉(zhuǎn)輪。轉(zhuǎn)輪由上冠9，下環(huán)10和葉片11組成。一般弗朗西斯水輪機(jī)有14~19個(gè)葉片。葉片、上冠和下環(huán)組成堅(jiān)固的整體鋼性結(jié)構(gòu)。轉(zhuǎn)輪上冠與主軸8的下法蘭連接。泄水錐18與上冠連接，用于消除水流旋蝸。

轉(zhuǎn)輪密封a19，b19是安置在轉(zhuǎn)輪上冠和下環(huán)上的多槽環(huán)。水輪機(jī)工作時(shí)，轉(zhuǎn)輪前后的水流個(gè)別為高壓與低壓，轉(zhuǎn)輪后常形成真空。因此，水輪機(jī)工作時(shí)有部分水流經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)與不轉(zhuǎn)動(dòng)部件之間的間隙無(wú)益地漏掉，從而使水輪機(jī)效率降低。密封環(huán)就是為了減少流量漏損。當(dāng)水經(jīng)過(guò)密封環(huán)空間時(shí)，受到突然擴(kuò)大和縮小的局部水力阻擋，產(chǎn)生水力損失，從而減小流速，使通過(guò)縫隙的流量減小。

減壓孔聯(lián)通轉(zhuǎn)輪上腔和轉(zhuǎn)輪下面的低壓區(qū)，從而減小由推力軸承承受的軸向推力，當(dāng)有減壓孔（圖上的20）時(shí)，轉(zhuǎn)輪上冠必須設(shè)置密封裝置。

轉(zhuǎn)輪

轉(zhuǎn)輪是各種型式水輪機(jī)將水能轉(zhuǎn)變成機(jī)械能的核心部件。轉(zhuǎn)輪也直接決定水輪機(jī)過(guò)流能力、水力效率、空蝕性能和工況穩(wěn)定性等工作性能。因此轉(zhuǎn)輪各部分應(yīng)滿足水力設(shè)計(jì)的型線要求，有足夠的強(qiáng)度和剛度，制造的轉(zhuǎn)輪應(yīng)具備有抗空蝕損壞，耐泥沙磨損的性能。

對(duì)于不同的水頭，水輪機(jī)的形狀是不同的，有軸流式，混流式和沖擊式等幾大類水輪機(jī)。劃分這幾大類水輪機(jī)的根本原因是通過(guò)轉(zhuǎn)輪的過(guò)流量和轉(zhuǎn)輪的強(qiáng)度及剛度等因素。低水頭下工作的水輪機(jī)可以具有較大的過(guò)流量，盡管水輪機(jī)氣蝕系數(shù)大一些，仍舊可以得到合理的安裝高程。軸流式水輪機(jī)過(guò)流量大，轉(zhuǎn)輪葉片承懸臂梁狀。由于工作水頭不高，強(qiáng)度，剛度也能滿足要求。當(dāng)水頭增加，由于氣蝕及強(qiáng)度條件不夠，軸流式水輪機(jī)不適應(yīng)了，轉(zhuǎn)輪就應(yīng)該做成有上冠和下環(huán)的形狀。

弗朗西斯水輪機(jī)適用水頭范圍極廣。由于水頭和流量的不同，其轉(zhuǎn)輪形狀也各不相同。一般說(shuō)來(lái)，水頭愈高轉(zhuǎn)輪葉片高度減小，長(zhǎng)度增加，水流在轉(zhuǎn)輪中愈趨于幅向流動(dòng)。隨著工作水頭降低，轉(zhuǎn)輪葉片變短，高度增加，水流愈趨于軸流方向。

1、轉(zhuǎn)輪上冠

弗朗西斯水輪機(jī)

2、轉(zhuǎn)輪葉片

葉片的作用是直接將水能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。葉片斷面形狀為翼形，轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)的多少對(duì)水力性能和強(qiáng)度有顯著的影響，隨比轉(zhuǎn)速的不同葉片數(shù)在9~21的范圍內(nèi)。

3、轉(zhuǎn)輪下環(huán)

轉(zhuǎn)輪下環(huán)的作用是增加轉(zhuǎn)輪的強(qiáng)度和剛度并與上冠形成過(guò)流通道。

4、泄水錐

泄水錐的作用是引導(dǎo)經(jīng)葉片流道流出的水流迅速而順暢的向下渲泄，防止水流相互撞擊，以減少水力損失，提高水輪機(jī)效率。其外形呈倒錐體。它的結(jié)構(gòu)型式有鑄造和鋼板焊接兩種。里面空心，下面開(kāi)口，以便排除通過(guò)止漏環(huán)的漏水及橡膠導(dǎo)軸承的潤(rùn)滑水（有的轉(zhuǎn)輪將泄水控開(kāi)在泄水錐的外側(cè)），還作為主軸的中心補(bǔ)氣和有的轉(zhuǎn)輪的頂蓋補(bǔ)氣通道之用。

5、止漏裝置

弗朗西斯水輪機(jī)

6、減壓裝置

減壓裝置的作用是減小轉(zhuǎn)輪上的軸向水推力。其形狀為環(huán)形減壓板，分別裝在頂蓋下面和上冠的上方。

水流經(jīng)過(guò)混流式轉(zhuǎn)輪時(shí)會(huì)產(chǎn)生軸向力。設(shè)計(jì)水輪機(jī)時(shí)，除了要知道水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪和主軸的重量外，還要知道軸向水推力。

7、轉(zhuǎn)輪的結(jié)構(gòu)型式

由于弗朗西斯水輪機(jī)的轉(zhuǎn)輪應(yīng)用水頭和尺寸大小不同，它們的構(gòu)造型式，制作材料及加工方法均不同。結(jié)構(gòu)型式主要是指上冠，葉片和下環(huán)三部分的構(gòu)造型式，基本上分為整鑄轉(zhuǎn)輪，鑄焊轉(zhuǎn)輪，組合轉(zhuǎn)輪三種。

工作原理

弗朗西斯水輪機(jī)是一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造安裝方便，運(yùn)行可靠，且有較高的效率和較低的空蝕系數(shù)的反擊式水輪發(fā)電機(jī)?；炝魇降倪^(guò)流過(guò)部件：蝸殼→導(dǎo)水機(jī)構(gòu)→轉(zhuǎn)輪→尾水管。

在弗朗西斯水輪機(jī)中，水流通過(guò)蝸殼的導(dǎo)流作用徑向流入導(dǎo)水機(jī)構(gòu)，將液體動(dòng)能轉(zhuǎn)化為靜壓能，再通過(guò)葉片將靜壓能轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)子的動(dòng)能，轉(zhuǎn)輪通過(guò)主軸與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子聯(lián)軸，帶動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)并切割發(fā)電機(jī)定子磁力線圈，利用電磁感應(yīng)原理在發(fā)電機(jī)線圈中產(chǎn)生高壓電，再經(jīng)過(guò)變壓器升壓通過(guò)輸電線路將電力輸出到電網(wǎng)中，水流最后軸向流出轉(zhuǎn)輪。

大中型水輪機(jī)組一般采用金屬蝸殼，其主要作用是為流體的流動(dòng)起到導(dǎo)向作用，將液體動(dòng)能轉(zhuǎn)換為靜壓能。導(dǎo)水機(jī)構(gòu)中的活動(dòng)導(dǎo)葉傾角可調(diào)，其主要作用是調(diào)節(jié)流量，開(kāi)關(guān)水輪機(jī)，調(diào)節(jié)水流環(huán)量。

特點(diǎn)

與軸流轉(zhuǎn)槳式相比，其結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，最高效率也比軸流式的高，但在水頭和負(fù)荷變化大時(shí)，平均效率比軸流轉(zhuǎn)槳式的低，這類水輪機(jī)的最高效率有的已超過(guò)95%。弗朗西斯水輪機(jī)適用的水頭范圍很寬，為5～700米，但采用最多的是40～300米。

混流式的轉(zhuǎn)輪一般用低碳鋼或低合金鋼鑄件，或者采用鑄焊結(jié)構(gòu)。為提高抗汽蝕和抗泥沙磨損性能，可在易氣蝕部位堆焊不銹鋼，或采用不銹鋼葉片，有時(shí)也可整個(gè)轉(zhuǎn)輪采用不銹鋼。采用鑄焊結(jié)構(gòu)能降低成本，并使流道尺寸更精確，流道表面更光滑，有利于提高水輪機(jī)的效率，還可以分別用不同材料制造葉片、上冠和下環(huán)。

應(yīng)用

弗朗西斯水輪機(jī)主要應(yīng)用于水力發(fā)電。水力發(fā)電是利用河川、湖泊等位于高處具有位能的水流至低處，將其中所含之位能轉(zhuǎn)換成水輪機(jī)之動(dòng)能，就是利用流水量及落差來(lái)轉(zhuǎn)動(dòng)水渦輪。再藉水輪機(jī)為原動(dòng)機(jī)，推動(dòng)發(fā)電機(jī)產(chǎn)生電能。因水力發(fā)電廠所發(fā)出的電力其電壓低，要輸送到遠(yuǎn)距離的用戶，必須將電壓經(jīng)過(guò)變壓器提高后，再由架空輸電路輸送到用戶集中區(qū)的變電所，再次降低為適合于家庭用戶、工廠之用電設(shè)備之電壓，并由配電線輸電到各工廠及家庭用戶。

水輪機(jī)由古代的水輪、水車演變而來(lái)，其工作流程為上游水庫(kù)中的水經(jīng)大壩引水管，流入壩體下方發(fā)電廠房的蝸殼、導(dǎo)水機(jī)構(gòu)及水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪中，將勢(shì)能轉(zhuǎn)化為推動(dòng)轉(zhuǎn)輪葉片旋轉(zhuǎn)的動(dòng)能。

利用天然水流為資源。水力發(fā)電則系利用筑壩蓄水，晝夜取舍，不盡不竭，既便利又為經(jīng)濟(jì)。故近五十年來(lái)，世界各國(guó)發(fā)電，多由火力側(cè)重于水力，都在努力開(kāi)發(fā)水力資源。美國(guó)全國(guó)發(fā)電量最初用火力者在百分之八十以上，至目前為止，水力已占將及半數(shù)，由此可見(jiàn)開(kāi)發(fā)水力之重要。而在燃料缺乏之國(guó)家，如瑞士、意大利等國(guó)，更須大量開(kāi)發(fā)水力發(fā)電，以補(bǔ)其缺。

三峽水電站是目前世界最大的水電站，這里安裝著世界最大的水輪發(fā)電機(jī)組。在三峽泄洪壩兩側(cè)底部的水電站廠房?jī)?nèi)，共安裝有32臺(tái)70萬(wàn)千瓦級(jí)水輪發(fā)電機(jī)組；其中左岸廠房14臺(tái)，右岸廠房12臺(tái)，右岸地下廠房6臺(tái)，另外還有2臺(tái)5萬(wàn)千瓦的電源機(jī)組，總裝機(jī)容量2250萬(wàn)千瓦；相當(dāng)于20座百萬(wàn)千瓦級(jí)核電站，比巴西伊泰普水電站多了850萬(wàn)千瓦。左岸廠房和右岸廠房已建成投產(chǎn)的26臺(tái)機(jī)組，日均發(fā)電量3.3億度，滿負(fù)荷運(yùn)行可達(dá)4億度，年發(fā)電量近1000億度，約占全國(guó)發(fā)電量的33分之一。

三峽水電站安裝的32臺(tái)70萬(wàn)千瓦水輪機(jī)組是目前世界上出力最大、尺寸最大的混流式水輪發(fā)電機(jī)組。大型水輪發(fā)電機(jī)組是水電站核心設(shè)備，也是制造難度最高的頂尖工業(yè)產(chǎn)品之一，涉及眾多復(fù)雜加工技術(shù)。長(zhǎng)期以來(lái)，核心技術(shù)一直為少數(shù)發(fā)達(dá)國(guó)家所壟斷。