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术语表 · 水能与海洋能

混流式水轮机(Francis)

一种固定叶片的反击式水轮机,水流径向进入、轴向流出;安装量最大的设计,适用于约 30–700 m 的中水头。

混流式水轮机由 James B. Francis 于 1848 年前后在马萨诸塞州洛厄尔发明,属于反击式水轮机:转轮完全浸没在承压水中,水流既通过压力下降、也通过速度变化释放能量。水先进入蜗壳,经过可调导叶(调节流量并形成旋流),流过转轮,最后从尾水管排出,尾水管还能回收一部分动能。

主要参数:

  • 水头范围:约 30–700 m,多数机组在 40 到 400 m 之间(水头)
  • 最高效率:大型机组 93–96%;流量低于额定值约 40–50% 时效率明显下降,尾水管里会出现涡带和压力脉动
  • 单机容量:从不到 1 MW 到 1,000 MW;中国白鹤滩装有 16 台 1,000 MW 混流式机组,三峡和伊泰普用的是 700 MW 级机组

混流式机组在全球水电装机中占主导,因为它适合大型水库工程常见的中水头大坝。可逆式混流水泵水轮机是抽水蓄能的标准机型,一个方向转是水泵,反方向转是水轮机。

设计难点包括空蚀(靠把转轮安装在尾水位以下来控制)和部分负荷下的不稳定。现在水电站越来越多地要平衡风电和光伏的波动,部分负荷不稳定的问题也就越来越突出。

相关术语

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  • 水头

    水电站进水口水面与水轮机出口或尾水之间的垂直高差,与流量一起决定可用功率。

  • 冲击式水轮机(Pelton)

    高速射流冲击转轮上双勺形水斗的冲击式水轮机;水头约 250 m 以上时的标准选择。

  • 轴流转桨式水轮机(Kaplan)

    转轮叶片和导叶均可调节的螺旋桨式反击水轮机,适用于约 2–40 m 的低水头和大流量。

  • 抽水蓄能

    电价便宜或电力富余时把水抽到上水库,需要用电时放水经水轮机发电的储能方式;全球规模最大的电网储能形式。

  • 径流式水电

    利用河流天然来水、几乎没有水库调节的水电,出力随来水而不是随需求变化。