| 水泵水輪機 |
| Pump-Turbine |
[本節(jié)為“抽水蓄能電站”欄目與“水輪機”欄目共用] |
水泵水輪機顧名思義既可以作水泵使用又可以作水輪機使用,也稱為可逆式水輪機，作水輪機運行時轉(zhuǎn)輪順時針旋轉(zhuǎn)，逆時針旋轉(zhuǎn)時作水泵運行，水泵水輪機主要用在抽水蓄能電站。 軸流式水輪機、貫流式水輪機、斜流式水輪機、混流式水輪機均可以實現(xiàn)可逆運轉(zhuǎn)，當然只有經(jīng)過設計變化后才能雙向高效運行。可逆式軸流式水輪機應用水頭范圍大約在在3～40m，應用較少；可逆式貫流式水輪機應用水頭范圍大約在在2～20m，用在潮汐電站；可逆式斜流式水輪機應用水頭范圍大約在40～120m，由于結(jié)構(gòu)復雜，造價高而應用不廣；可逆式混流式水輪機根據(jù)不同型號應用水頭范圍在30～40m直到600～700m，是目前抽水蓄能電站應用最廣的機型。本課件介紹可逆式混流式水輪機，即混流式水泵水輪機。 |
| ?混流式水泵水輪機轉(zhuǎn)輪 |
混流式水泵水輪機的轉(zhuǎn)輪與混流式水輪機高水頭轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)相同，由上冠、葉片、下環(huán)構(gòu)成，外形更像離心泵的轉(zhuǎn)輪。應用水頭越高外形越扁平。在轉(zhuǎn)輪上冠上有一圈上止漏環(huán)，在轉(zhuǎn)輪下環(huán)底部也有一圈下止漏環(huán)。圖1與圖2是一個混流式水泵水輪機轉(zhuǎn)輪模型的外觀圖。 |
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| ?? ? 圖3是混流式水泵水輪機與一般混流式水輪機軸面投影比較圖，右面(c)圖是中低水頭的水輪機軸面投影示意圖，中間(b)圖是中高水頭的水輪機或中低水頭水泵水輪機軸面投影示意圖，左面(a)圖是高水頭的水泵水輪機軸面投影示意圖，它們之間最大的區(qū)別就是轉(zhuǎn)輪外端葉片高度b不同、轉(zhuǎn)輪下面口徑D2不同。 |
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| ?混流式水泵水輪機的另一特點是葉片的長度比一般混流式水輪機要長得多，葉片數(shù)為6～9片。圖4是混流式水泵水輪機模型的葉片立體圖，為了看到葉片截去了下環(huán)。 |
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| 圖5是截去下環(huán)的底視圖，能看清葉片在轉(zhuǎn)輪中的排列。 |
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| 看到混流式水泵水輪機轉(zhuǎn)輪葉片是長長的弧形，與所說的翼型相差甚遠，這是因為葉片在圓周方向長，葉片相對軸心的包角往往超過90度，故曲率至少比圓周大，又因為葉片越向后越靠近軸心，水流越往中心處的速度越快，故葉片與圓周切線夾角越向后越大。 |
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| 圖6--裝配了主軸的水泵水輪機轉(zhuǎn)輪 |
| ???混流式水泵水輪機轉(zhuǎn)輪工作原理 |
| 為幫大家理解水流對葉片作用產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力的原理，采用圖解說明，圖7是一個有6個葉片的轉(zhuǎn)輪，圖中用箭頭線（向量）描繪了水流與作用力。 |
圖7--混流式水泵水輪機轉(zhuǎn)輪葉片受力圖 |
? ? 圖7的(a)圖是轉(zhuǎn)輪正常工作的某一時刻t的位置，圖中m是運動到葉片表面的一個水質(zhì)點，水質(zhì)點m的運動速度是V1，由于轉(zhuǎn)輪在旋轉(zhuǎn)，葉片在m點處的圓周速度是U1，水質(zhì)點m相對于葉片該處的相對速度是W1，這樣水質(zhì)點m對葉片產(chǎn)生一個升力L1，升力L1在轉(zhuǎn)輪圓周切向的分力是朝向推動轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)的方向。 圖7的(b)圖是轉(zhuǎn)輪正常工作的某一時刻，其時間是t后片刻，轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)了一個角度，水質(zhì)點m沿葉片表面運動到后部的一個位置，運動方向偏向葉片后方，同時由于水流向軸流動時，通道面積減小，水流速度加快，此時的水質(zhì)點m的運動速度是V2；由于此時水質(zhì)點m位置距軸心較近，在m點處的圓周速度是U2，比U1小；此時水質(zhì)點m相對于葉片該處的相對速度是W2，這樣水質(zhì)點m對葉片產(chǎn)生一個升力L2，升力L2在轉(zhuǎn)輪圓周切向的分力是朝向推動轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)的方向。 圖7僅表示了兩個時刻的瞬態(tài)，其實水質(zhì)點m一直沿葉片表面運動直到離開，其相對速度方向與葉片保持一定的夾角，故一直對葉片有作用力，水流中其它水質(zhì)點同樣都對葉片產(chǎn)生作用力，轉(zhuǎn)輪在水流作用力下旋轉(zhuǎn)做功。 關于轉(zhuǎn)輪作為水泵的工作原理，簡言之就是利用離心力原理，在此不再做介紹了。作水泵運行時，轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)方向與作水輪機時相反，水流方向也相反，從轉(zhuǎn)輪下方進入，從上方向四周流出。 |
| ?? 混流式水泵水輪機的導水機構(gòu) |
混流式水泵水輪機組成與一般混流式水輪機相似，主要由蝸殼、導葉組成引水與導水系統(tǒng)；轉(zhuǎn)輪；頂蓋、底環(huán)、尾水管組成。圖8是水泵水輪機的導水系統(tǒng)，與混流式水輪機導水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與原理相同，由接力器推動控制環(huán)，再由連桿帶動導葉轉(zhuǎn)動，參見水輪機的導水。 |
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由于抽水蓄能電站的發(fā)電、抽水、停機切換頻繁，水泵水輪機負荷變化大、水流振動大、對導葉沖擊大，為使導葉能平穩(wěn)的調(diào)節(jié)，水泵水輪機也有采用每個導葉有單獨接力器的導水傳動機構(gòu)，見圖9。 |
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| 在每個導葉轉(zhuǎn)軸上端頭固定有拐臂，單導葉接力器一端連接導葉的拐臂另一端連接到接力器底座，接力器底座固定在水輪機頂蓋（或水輪機基礎）上，不能轉(zhuǎn)動，接力器推拉拐臂使導葉轉(zhuǎn)動。由于每個導葉單獨使用一個接力器，減少了中間機械連接環(huán)節(jié)產(chǎn)生的間隙，使操作更平穩(wěn)靈活，轉(zhuǎn)動力更強勁；在必要時可進行導葉的不同步操作，使機組平穩(wěn)啟停。 |
| 混流式水泵水輪機的結(jié)構(gòu) |
混流式水泵水輪機結(jié)構(gòu)與混流式水輪機結(jié)構(gòu)相同，主要由蝸殼、座環(huán)、轉(zhuǎn)輪、頂蓋、底環(huán)、導葉、控制環(huán)、接力器組成。當作水輪機運行時水流從蝸殼進水口進入，通過導葉進入轉(zhuǎn)輪，從轉(zhuǎn)輪下方經(jīng)尾水管排出，作水泵運行時，水流方向相反。圖10是混流式水泵水輪機結(jié)構(gòu)示意圖。 |
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前面介紹有多個接力器的結(jié)構(gòu)，圖11就是每個導葉由一個接力器驅(qū)動的水泵水輪機。 |
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| 圖11—多個接力器的水泵水輪機 |
| 下面有混流式水泵水輪機旋轉(zhuǎn)動畫，動畫演示了混流式水泵水輪機在作水輪機時的運行狀態(tài)與作水泵時的運行狀態(tài)，動畫中運動的藍色小球代表水流。若在線觀看時出現(xiàn)反轉(zhuǎn)、不連貫、跳動等現(xiàn)象，可下載到本機后選用本地播放器播放即可恢復原動畫播放效果。 |
| 混流式水泵水輪機旋轉(zhuǎn)動畫 |
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混流式水泵水輪機雖能可逆運轉(zhuǎn)，但要實現(xiàn)在作水輪機與水泵時都運行在高效率狀況，其轉(zhuǎn)速并不相同，一般情況是水泵轉(zhuǎn)速為水輪機轉(zhuǎn)速的1.2～1.35倍。 |
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