水輪機

水輪機是一種利用水力的渦輪機。 在這種情況下，水的動能和/或勢能通過水輪機轉化為旋轉能，從而引起渦輪軸的旋轉。 這種旋轉通常用于驅動發電機發電，但過去也用于直接驅動工作機器或驅動傳動裝置。

水輪機的功率 P（以瓦特為單位）在所謂的渦輪方程式中由渦輪效率 η T 乘以水的密度 ρ H 計算得出2 O {displaystyle rho _{mathrm{H_{2}O} }} ≈ 1000 kg/m3，重力加速度g ≈ 9.81 m/s2，揚程h(m)和體積流量V ˙

效率因渦輪機的類型、使用年限和工作點而異。 新型混流式渦輪機的效率剛剛超過 94%，這意味著 η T {displaystyle eta _{mathrm{T} }} = 0.94。

落差h小于實際的水頭水尾水高差。 它已經考慮了管道中水的摩擦造成的損失。 它有單位米。

這種聯系可以通過對將水從下層水抽到上層水的泵使用相同的公式來說明。 如果向該泵提供機械動力使其葉輪旋轉，則效率 η P u m p e 是根據所提供的動力與 ρ H 2 O 的乘積計算得出的? g ? h ? V ， 然而，這里的高度只是泵的實際壓頭——水輪機也是如此。

在一些水力發電廠中，水輪機的旋轉通過齒輪箱傳遞給發電機。 因此，除了渦輪機的損失之外，還有由于齒輪傳動 η G e t r 造成的損失。

從方程式可以看出，高水頭可以補償低水流，反之亦然。 這意味著高落差的山間溪流中相對少量的水有時可以比河流中大量的水產生更多的電能，這只是克服了堰的高度差。

在沖擊式渦輪機的情況下，當水流過渦輪機時，水壓不會改變：只有來自流速的動能被傳遞到葉輪，葉輪相應地減少。 這意味著水下必須以相應更大的橫截面流出。 沖擊式水輪機包括吉拉德水輪機、沖擊式水輪機（自由射流式水輪機）和橫流式水輪機（例如奧斯伯格水輪機）。

在高壓渦輪中，水壓在入口處最高并向出口減小，因此主要是來自頭部的勢能被傳遞到葉輪。 這適用于弗朗西斯渦輪機和卡普蘭渦輪機或它們作為螺旋槳渦輪機的簡化設計，以及很少建造的對角渦輪機（例如 Deriaz 渦輪機）。 Lawaczeck 設計的對角渦輪機（Lawaczeck 渦輪機）安裝在美國發電廠 Grand Coulee 中。

如果同時增加流動橫截面（如在沖擊式渦輪機中）并降低流速，則也可以使用它們的動能。 渦輪機下游的擴散器以類似的方式工作，降低流速作為吸力（吸力效應）影響渦輪機的壓差。

水頭、體積流量和性能值是從 Escher-Wyss（或 Voith）公司圖表中讀取的。除此之外：

• 用于波浪發電廠的周期性改變流向的大量水的水井渦輪機
• 對角渦輪機，例如 B. Deriaz 渦輪機、Kviatovsky 渦輪機和 Lawaczeck 渦輪機，根據 Paul Deriaz/Kviatovsky/Lawaczeck 的所有超壓渦輪機

主要用于小型水力發電廠：

• 低流速哈曼渦輪機
• 用于低梯度的慢速水渦流渦輪機
• 用于改變流速的低速水力螺桿
• 慢速折疊翼旋翼

為了達到最佳效率，渦輪機必須適應不同的水頭和水流率。 因此，山區儲能發電廠需要的渦輪機與河流上的徑流式發電廠不同。

水輪機 n 的設計輸出功率約為 200 瓦到 1000 兆瓦。 大型電站的渦輪機都是單獨設計和制造的，最后在電站施工現場組裝。 這種渦輪機的葉輪直徑可達11米，但不能隨意小型化，因為小型渦輪機的控制力與大型渦輪機相似，對水污染特別敏感。

水輪機的一個特點是它的速度與始終輕微波動的水流的復雜控制。 所使用的控制器通過液壓操作的執行器（配件和導葉）保持速度恒定，并且如果發電機軸上的扭矩下降（例如由于空轉），還可以防止渦輪機“失控”。

對于主電源運行的小型渦輪機，不需要速度控制，因為發電機在根據主電源頻率饋入主電源時保持恒定速度。 然而，在電源故障的情況下，如果渦輪機和發電機不是為怠速設計的，則必須通過擋板或接觸器中斷供水以防止失控。 通常這大約是運行速度的兩倍到兩倍半。

水輪機和調節器在水電站總投資中所占的比例很大。 這個成本比例對于小型系統高達 50%，對于大型系統高達 10% 到 20%。

抽水蓄能電站越來越多地安裝所謂的水泵水輪機。 它們交替地是水輪機和泵，這取決于水流??過它們的流動方向（旋轉方向的反轉）。 將建造徑向和軸向類型。 目的是xxx限度地減少投資成本、減少空間需求并優化水力效率。 據說今天建造的大型徑向泵水輪機在外部類似于混流式水輪機。 Bohl 指出，由于歐拉流體流動機器主方程的能量損失，因此泵運行的速度必須大于渦輪機運行的速度。 引用：“安裝在 Detzem 摩澤爾發電廠的‘卡普蘭水泵水輪機’在水泵運行時的速度應該比在渦輪機運行時高 45%”。 因此，在相同速度下，作為泵的水泵渦輪泵送的體積流量與在該速度下渦輪運行時流過它的體積流量相比較小。

“Isogyre 可逆水輪機”（根據 Charmilles 公司）也屬于水泵水輪機。 根據圖中，它有一個鏡像對稱的葉輪，當流體從一側或另一側來時，它可以作為泵或渦輪機工作，具體取決于葉輪軸的旋轉方向。 在這兩種情況下，xxx的決定性因素是能量是從軸上獲取（渦輪機運行）還是提供（泵運行）。 Isogyren 可逆式渦輪機的流通式外殼部分也采用鏡像對稱結構。

根據 P. Deriaz 的對角線水輪機也用作水泵水輪機，用于水頭/溢水高度超過 90 m（可能是帶有可調節導流葉片的類型）。