水轮机

水轮机是一种利用水力的涡轮机。 在这种情况下，水的动能和/或势能通过水轮机转化为旋转能，从而引起涡轮轴的旋转。 这种旋转通常用于驱动发电机发电，但过去也用于直接驱动工作机器或驱动传动装置。

水轮机的功率 P（以瓦特为单位）在所谓的涡轮方程式中由涡轮效率 η T 乘以水的密度 ρ H 计算得出2 O {displaystyle rho _{mathrm{H_{2}O} }} ≈ 1000 kg/m³，重力加速度g ≈ 9.81 m/s²，扬程h(m)和体积流量V ˙

效率因涡轮机的类型、使用年限和工作点而异。 新型混流式涡轮机的效率刚刚超过 94%，这意味着 η T {displaystyle eta _{mathrm{T} }} = 0.94。

落差h小于实际的水头水尾水高差。 它已经考虑了管道中水的摩擦造成的损失。 它有单位米。

这种联系可以通过对将水从下层水抽到上层水的泵使用相同的公式来说明。 如果向该泵提供机械动力使其叶轮旋转，则效率 η P u m p e 是根据所提供的动力与 ρ H 2 O 的乘积计算得出的⋅ g ⋅ h ⋅ V ， 然而，这里的高度只是泵的实际压头——水轮机也是如此。

在一些水力发电厂中，水轮机的旋转通过齿轮箱传递给发电机。 因此，除了涡轮机的损失之外，还有由于齿轮传动 η G e t r 造成的损失。

从方程式可以看出，高水头可以补偿低水流，反之亦然。 这意味着高落差的山间溪流中相对少量的水有时可以比河流中大量的水产生更多的电能，这只是克服了堰的高度差。

在冲击式涡轮机的情况下，当水流过涡轮机时，水压不会改变：只有来自流速的动能被传递到叶轮，叶轮相应地减少。 这意味着水下必须以相应更大的横截面流出。 冲击式水轮机包括吉拉德水轮机、冲击式水轮机（自由射流式水轮机）和横流式水轮机（例如奥斯伯格水轮机）。

在高压涡轮中，水压在入口处最高并向出口减小，因此主要是来自头部的势能被传递到叶轮。 这适用于弗朗西斯涡轮机和卡普兰涡轮机或它们作为螺旋桨涡轮机的简化设计，以及很少建造的对角涡轮机（例如 Deriaz 涡轮机）。 Lawaczeck 设计的对角涡轮机（Lawaczeck 涡轮机）安装在美国发电厂 Grand Coulee 中。

如果同时增加流动横截面（如在冲击式涡轮机中）并降低流速，则也可以使用它们的动能。 涡轮机下游的扩散器以类似的方式工作，降低流速作为吸力（吸力效应）影响涡轮机的压差。

水头、体积流量和性能值是从 Escher-Wyss（或 Voith）公司图表中读取的。除此之外：

• 用于波浪发电厂的周期性改变流向的大量水的水井涡轮机
• 对角涡轮机，例如 B. Deriaz 涡轮机、Kviatovsky 涡轮机和 Lawaczeck 涡轮机，根据 Paul Deriaz/Kviatovsky/Lawaczeck 的所有超压涡轮机

主要用于小型水力发电厂：

• 低流速哈曼涡轮机
• 用于低梯度的慢速水涡流涡轮机
• 用于改变流速的低速水力螺杆
• 慢速折叠翼旋翼

为了达到最佳效率，涡轮机必须适应不同的水头和水流率。 因此，山区储能发电厂需要的涡轮机与河流上的径流式发电厂不同。

水轮机 n 的设计输出功率约为 200 瓦到 1000 兆瓦。 大型电站的涡轮机都是单独设计和制造的，最后在电站施工现场组装。 这种涡轮机的叶轮直径可达11米，但不能随意小型化，因为小型涡轮机的控制力与大型涡轮机相似，对水污染特别敏感。

水轮机的一个特点是它的速度与始终轻微波动的水流的复杂控制。 所使用的控制器通过液压操作的执行器（配件和导叶）保持速度恒定，并且如果发电机轴上的扭矩下降（例如由于空转），还可以防止涡轮机“失控”。

对于主电源运行的小型涡轮机，不需要速度控制，因为发电机在根据主电源频率馈入主电源时保持恒定速度。 然而，在电源故障的情况下，如果涡轮机和发电机不是为怠速设计的，则必须通过挡板或接触器中断供水以防止失控。 通常这大约是运行速度的两倍到两倍半。

水轮机和调节器在水电站总投资中所占的比例很大。 这个成本比例对于小型系统高达 50%，对于大型系统高达 10% 到 20%。

抽水蓄能电站越来越多地安装所谓的水泵水轮机。 它们交替地是水轮机和泵，这取决于水流​​过它们的流动方向（旋转方向的反转）。 将建造径向和轴向类型。 目的是xxx限度地减少投资成本、减少空间需求并优化水力效率。 据说今天建造的大型径向泵水轮机在外部类似于混流式水轮机。 Bohl 指出，由于欧拉流体流动机器主方程的能量损失，因此泵运行的速度必须大于涡轮机运行的速度。 引用：“安装在 Detzem 摩泽尔发电厂的‘卡普兰水泵水轮机’在水泵运行时的速度应该比在涡轮机运行时高 45%”。 因此，在相同速度下，作为泵的水泵涡轮泵送的体积流量与在该速度下涡轮运行时流过它的体积流量相比较小。

“Isogyre 可逆水轮机”（根据 Charmilles 公司）也属于水泵水轮机。 根据图中，它有一个镜像对称的叶轮，当流体从一侧或另一侧来时，它可以作为泵或涡轮机工作，具体取决于叶轮轴的旋转方向。 在这两种情况下，xxx的决定性因素是能量是从轴上获取（涡轮机运行）还是提供（泵运行）。 Isogyren 可逆式涡轮机的流通式外壳部分也采用镜像对称结构。

根据 P. Deriaz 的对角线水轮机也用作水泵水轮机，用于水头/溢水高度超过 90 m（可能是带有可调节导流叶片的类型）。