水轮机发展历程概述

水轮机作为一种水力原动机有着悠久的历史。远在公元前几世纪中国、印度等地人们就已经懂得利用水轮机来带动力磨、水辗等加工机械，公元2世纪在欧洲罗马的运河上已建有浸在水中由水轮带动的水磨。这些水轮都是利用水流的重力作用或者借助水流对叶片的冲击而转动，因此他们的尺寸大、转速低、功率小、效率低。

15世纪中叶到18世纪末，水力学的理论开始有了发展，随着工业的进步，要求有功功率更大，转速更快，效率更高的水力原动机。1745年英国学者巴克斯，1750年匈牙利人辛格聂尔分别提出一种依靠水流反作用力工作的水力原动机，如图1-29所示，但是其效率只有50%左右，原因是转轮进口没有导向部分，存在撞击损失。转轮出口无回收动能的装置，动能未得到充分利用。

图1-29　巴克和辛格聂尔提出的水力原动机

1751～1755年间，俄国彼得堡科学院院士欧拉首先分析了辛格聂尔水轮的工作过程，发表了著名的叶片式机械的能量平衡方程式（欧拉方程）。这个方程式直到今天仍被称为水轮机的基本方程。欧拉所建议的原动机，见图1-30，已经有导向部分，但出口流速仍很大，效率仍然不高。

图1-30　欧拉水力原动机

1824年法国学者勃尔金建议一种水力原动机，并第一次称为水轮机（即水力透平，透平turbo是拉丁文陀螺之意），如图1-31所示。它有导向部分，转轮改进成由弯板制成的叶道，但由于转轮高度太大，叶道太长，水力损失大，效率低于65%。

图1-31　勃尔金水轮机

1827～1834年勃尔金的学生富聂隆和俄国人萨富可夫分别提出导叶不动的离心式水轮机，见图1-32，效率可达70%，直到20世纪它一直被广泛利用。但其缺点是导向机构在转轮内，故转轮直径大，转速低，出口动能损失大。

图1-32　萨富可夫水轮机

1837年德国的韩施里，1841年法国的荣华里提出采用吸出管（尾水管）的轴向式水轮机，吸出管是圆柱形，可以使转轮安装在下游水位以上，但还是不能利用转轮出口动能。

直到1847～1849年美国的法兰西斯提出了向心式水轮机，如图1-33所示，它的转轮装置在导向机构以内，因而尺寸小，转速高。它的吸出管是圆锥形，能利用转轮出口动能。同时转轮叶道是逐渐收缩的，故转轮内水力损失较小。缺点是转轮叶片位于径向，故尺寸仍很大，转速还不够高，导向部分通过插板来调节流量，损失大，效率低。(www.xing528.com)

图1-33　法兰西斯水轮机

1877年法国人菲康，采用转动导向叶片的方法调节流量。以后在实践中对向心式水轮机不断改进和完善，才发展成现代最广泛使用的混流式水轮机。

随着工业技术的发展，人们利用坝和压力钢管能集中越来越高的水头，但是强度和气蚀问题限制了混流式水轮机应用水头的提高。1850年施万克格鲁提出了辐向单喷嘴冲击式水轮机，1851年希拉尔提出的辐向多喷嘴冲击式水轮机，是最早出现的冲击式水轮机，但它们的斗叶形状不够好，尺寸较大，效率较低。

1880年美国人培尔顿提出了采用双曲面水斗的冲击式水轮机，如图1-34所示。在最初的结构中，不是采用针阀调节流量而是用装在喷嘴前的闸门开关，因而水力损失大。经过不断改进和完善才形成今天的切击式水轮机。这种水轮机结构强度优于混流式，在大气中工作，应用水头不受气蚀条件限制，所以适用于高水头电站。缺点是流量小，功率小。

图1-34　培尔顿所建议的冲击式水轮机

1917年匈牙利的班克提出双击式水轮机，1921年英国人仇戈提出斜击式水轮机，它们的结构简单，但效率低于切击式，适用于小型水电站。

1912年捷克人卡普兰提出一种转轮带有外轮环，叶片固定的螺桨式水轮机（图1-35），这种水轮机把转轮移到轴向位置，大大减少了叶片数，因而过流量加大，转速也提高了。1916年卡普兰又提出取消外轮环，并采用使叶片转动的机构，进一步提高过流量和平均效率。经过不断完善形成现代的轴流转桨式水轮机。

图1-35　卡普兰提出的转桨式水轮机

20世纪40年代为了开发低水头的水力资源，出现了贯流式水轮机。它在轴流式的基础上，取消蜗壳，引水室变成了一条管子，导水机构放到轴向位置，机组改为卧式，使过流量进一步提高，损失减少，尺寸缩小。

1950年苏联B.C 克维亚特科夫斯基教授及1952年瑞士人德列阿兹在英国分别提出斜流式水轮机。由于它具有双重调节，使得适用水头高于轴流式，效率高于混流式等优点，逐步得到推广和应用。第一台斜流式水轮机由德列阿兹研制成功，1957年在加拿大亚当别克蓄能电站投入运行。近年日本在斜流式水轮机生产上发展得很快。

1750～1880年一百多年间，从低级水轮机发展成比较完善的现代水轮机，这是社会生产发展和人类共同努力的结果，这个时期主要解决了加大水轮机的过流量和提高水轮机效率两方面的问题。现代水轮机发展的趋势是提高单机容量、比转速和应用水头。提高单机容量可以降低水轮机单位容量的造价。提高水轮机比转速可以增大机组的过流能力，使水轮发电机体积小，重量轻，节省金属材料和制造工时，从而降低了成本，尤其对大容量的机组更有很大好处。各型反击式水轮机由于过流能力不同，受到空化和强度条件限制，适用的水头范围也不同。高比转速水轮机在同样水头和转轮直径的条件下能发出更多的出力，但是，由于过流能力大，空化和强度条件较差，所以适用水头较低，如果能改善它的空化性能和强度条件就能提高它的应用水头，扩大使用范围，并将带来巨大的经济效益。

水轮机应具有良好的能量特性和空化特性，并具有高的比转速，然而这三者之间是相互矛盾的。因为水轮机比转速的提高通常会带来效率下降和空化性能变坏，这是由于过流能力的加大会使水轮机流道中水流相对速度大大提高。因此，我们应从设计方法、制造工艺、材料性能等多方面进行深入的研究，寻求合理解决矛盾的途径。