多级水轮机工作原理详解

1、多级水轮机工作原理详解梁思武 QQ：837153232四川省广元市旺苍职业中学 628200摘要 多级水轮机虽然是一种新生事物，但是和它的工作原理相同的多级汽轮机却已经是老产品了，这就从实践方面充分证明了它的可行性。本文主要从水轮机的基本工作原理入手，重新科学地界定了“冲击式”水轮机和“反击式”水轮机划分范畴，然后再逐步详细地分析了多级水轮机的工作原理和各种叶轮的工作性能，从理论上证明了多级水轮机的可行性。多级水轮机是一种与众不同的新型水轮机，它确实是存在着许多自己的独特优势，如果开发利用到位，完全有可能取代现有的水轮机而称霸于水轮机行业。关键词 多级 水轮机 工作原理我们的多级水轮机理论已经

2、提出三年了，一共申请并获得了两项国家专利（多级节能水轮机，专利号：ZL200820009346.8；多级水轮机的叶轮，专利号：ZL201020533053.7）。在广东的机电工程技术杂志上发表过多级节能水轮机的设计一文，通过网络论坛和QQ聊天与许多水轮机专业人士进行了广泛的交流，并根据他们提出的问题整理出大量的相关资料发表在我的新浪博客上。但是，这种多级水轮机的工作原理却只得到了少数水轮机专家的理解和认可，还有大多数专家并没有理解这种水轮机的工作原理，所以才会有人出来否定这种水轮机的节能效果。为了帮助广大水轮机专业技术人员充分认识和理解多级水轮机的工作原理，早日把这种多级节能水轮机用于生产实践

3、中去创造经济效益，我们在这里通过大量的具体事例对这种水轮机的工作原理进行更加详细的分析和说明。一、 首先要从“反击式”水轮机说起1 “反击式”水轮机的工作原理看到这张图片以后，绝大多数人都会说要提高效率。为什么呢？因为那些固定叶轮上的叶片会给喷水管一个反作用力来推动水轮机旋转，所以工作效率会比不加固定叶轮有所提高。为什么没有单纯的反击式水轮机用于实际生产发电呢？我估计主要是因为它的工作效率太低了，也许正是因为如此，大家才不重视对这种水轮机原理的开发和利用。如果我们能够把这种反击式水轮机的工作原理巧妙地组合到其它类型的水轮机之中，让它为提高水轮机的工作效率出一把力，那么就可以收到锦上添花的效果了

4、。2关于“反击式”水轮机的定义从上面的两种反击式原理水轮机可以看出：反击式水轮机主要是利用“反冲原理”和“反作用力”来推动水轮机运动的，而不是通过水流的冲击“作用力”来推动水轮机运动的。经过这么一分析就会发现：目前的水轮机教材对于“反击式水轮机”的定义有问题，根本没有抓住“反击式水轮机”的本质特征，更大的问题是把许多以“冲击式”工作原理为主的水轮机也归类到“反击式水轮机”属下，这对于水轮机理论的发展和进步非常不利。“冲击式”与“反击式”的根本区别究竟在哪里呢？我在百度上搜索查询了一下，那里面说了许多条款，但是我们认为都没有说出这两种水轮机的本质区别。我们认为主要应该根据“做功水流的方向”和“水

5、轮机的转动方向”来进行区别：“冲击式”水轮机的“做功水流的方向”与“水轮机的转动方向”相同，依靠水流的冲击动能和压力能来同向推动水轮机旋转做功；“反击式”水轮机的“做功水流的方向”与“水轮机的转动方向”相反，依靠水流的反冲作用和反作用力来反向推动水轮机旋转做功。“冲击式”与“反击式”是水轮机的两种基本工作原理，有些水轮机只应用了一种工作原理。譬如“水斗式”和“斜击式”水轮机就是单纯的“冲击式”水轮机；譬如前面的图片中所示的两种工作原理水轮机就是单纯的“反击式”水轮机。但是，也还有许多水轮机同时应用了“冲击式”与“反击式”的工作原理，如果也把它们归类为“冲击式”或“反击式”水轮机那就不对了。譬如

6、下面这个轴流式水轮机，它既含有“冲击式”的成分，也含有“反击式”的成分，而且谁轻谁重也难以区分，所以，我们认为应该把它另外独立分类，称之为“综合型”水轮机比较恰当。这种水轮机的工作效率虽然不是很高，但是，它却是构成其它水轮机的基本类型。譬如现有的“轴流式”和“贯流式”水轮机，以及我们发明的“多级式”水轮机等。 这个水轮机就是在轴流式水轮机的旋转叶轮后面增加了一个固定叶轮，增加了水轮机的反击式成分，构成了一台以反击式工作原理为主的水轮机。与前面的轴流式水轮机相比，这种水轮机的水流速度会降低，但是工作效率会有所提高。旋转叶轮的轴向压力会有所减小，从而可以降低一些摩擦阻力带来的无用功损失。这个水轮机

7、就是在轴流式水轮机的旋转叶轮前面增加了一个固定叶轮，增加了水轮机的冲击式成分，构成了一台以冲击式工作原理为主的水轮机。与前面的轴流式水轮机相比，这种水轮机的水流速度也会降低，但是工作效率会大幅度提高。旋转叶轮的轴向压力会大幅度减小，从而可以降低许多摩擦阻力带来的无用功损失。这个水轮机是前面两种水轮机的组合，既含有冲击式的成分又含有反击式的成分，所以我们把它叫做“双击式”水轮机。旋转叶轮夹在两个固定叶轮之间，有利于减小轴向压力带来的无用功损失，同时可以提高旋转叶轮运行的稳定性。与前面的三种水轮机相比，这种水轮机的水流速度也会继续降低，但是工作效率会大幅度提高。这个水轮机里面含有两个旋转叶轮，已经

8、正式构成了一台多级式水轮机。我们既可以把它看成是一个双击式水轮机后面增加了一个旋转叶轮，也可以看成是两个冲击式水轮机的组合。与前面的四种水轮机相比，这种水轮机的水流速度也会继续降低，但是工作效率却会大幅度提高。水轮机的级数是不是越多越好呢？答案肯定不是！因为随着旋转叶轮个数的增加，效率提高的幅度就会逐渐减小。所以，我们认为水轮机级数的多少要根据工作水头的大小来确定，工作水头越高的水轮机就可以适当增加级数，反之则应该适当减少级数。多级水轮机工作原理图解EzNjI0Mjk.html我们前面提出的反击式水轮机虽然在理论上很有道理，但是还没有得到实验证明，所以还有许多人会怀疑我们的多级水轮机原理的正确

9、性。因此，我们提出另一种方案作为补充，如果反击式水轮机工作原理失败，可以采用下面的方案来实现多级。这个方案纯粹是两个冲击式水轮机的组合，好处是容易被大家接受，坏处是不够完美。3关于水轮机的分类现在回过头来看看下面这张水轮机教材中所列出的“水轮机分类表”，就会发现它的分类方法很成问题。这张表里面所说的反击式水轮机，譬如 “轴流式”、“贯流式”和“混流式”等水轮机，在旋转叶轮前面都设置了导水机构，主要都是利用水流的冲击作用来推动水轮机旋转做功的。所以，主要都是运用了冲击式水轮机的工作原理，其次才是运用了反击式水轮机的工作原理。因此，从严谨和科学的角度来说，这张表中所说的“反击式”水轮机，基本上都应

10、该归类为“综合型”水轮机。水轮机的分类：一、冲击型（利用水的冲击作用力同向推动水轮机旋转做功）：水斗式、斜击式、双击式二、反击型（利用反冲原理或反作用力反向推动水轮机旋转做功）：反击式水轮机原理机三、综合型（既有冲击型原理又有反击型原理）：轴流式、贯流式、混流式、多级式二、 多级水轮机的性能分析1.工作原理的可行性通过上述几种基本类型的水轮机的分析，再加上逻辑推理可知：如果各种独立的水轮都可行，那么由它们组合起来的水轮机就一定可行。而且组合水轮机的工作效率一定比各种独立的水轮机要高，这就已经从理论上证明了这种多级水轮机的可行性。我们在提出多级水轮机理论的时候，就推测到这个工作原理同样可以用来制

11、造“多级汽轮机”，并且还把这个推测写进了多级节能水轮机的专利申请文件之中。在推广这项发明专利的时候，我们不但与水轮机生产厂家进行了广泛的沟通，也与汽轮机生产厂家进行了一些沟通，当时就得到汽轮机生产厂家的肯定，他们说现在的汽轮机已经运用了我们提出的工作原理。那时候我并没有看过汽轮机的工作原理资料，所以不敢轻易确定他们所说的事实，直到最近我在网上看到一个汽轮机工作原理视频后，才最后确定了我们提出的多级水轮机工作原理已经成功运用地在汽轮机很久了。多级汽轮机的长期应用实践，进一步从实践方面证明了这种多级水轮机的可行性。现有的水轮机大多数都是采用调节导叶的开合程度来进行调速的，对于保持水轮机的稳定运行和

12、工作效率都会大打折扣。所以，我们一直想在水轮机的上水道设计一个自动调节阀门，通过调节经过水轮机的流量和压力来实现调速。据说汽轮机的调速系统，就是根据汽轮机的转速变化来自动地改变汽轮机的进汽量，使汽轮机的功率和负荷相适应，从而控制和缩小转速的变化范围。现在有了汽轮机作为参考对象，大家可以好好地研究和借鉴一下汽轮机的调速方法。参考视频：汽轮机的工作原理2固定叶轮的性能每种叶轮都会对水流产生一定的阻碍作用，但是，它们所起的作用和消耗的水能却大不相同。我们认为固定叶轮主要起导水与转压作用，改变水流的压力方向，安装在前面的固定叶轮让水流同向推动旋转叶轮运动，安装在后面的固定叶轮让水流反向推动叶轮运动。因

13、为它自身不运动，所以水流对它不做功，没有无用功损失。但是由于它构成了许多弯道，会使水流产生一些弯道损失。如果撤消所有的旋转叶轮，只保留所有的固定叶轮，那么水流前进的方向就与固定叶片的方向相同，它对水流的阻力就会变得很小了，这种条件下所产生的水能损失，就相当于这种水轮机的损失。由于固定叶轮前面和后面的水流通道相对较大，所以，固定叶轮与前后通道连接的弯道损失可以忽略不计。因此，这种多级水轮机的弯道损失还是非常小的。3旋转叶轮的性能我们认为旋转叶轮主要起做功与分压作用，水流推动旋转叶轮旋转做功，旋转叶轮把水流对它的压力转化为对外做功的动力。由于每个旋转叶轮都会对水流产生一定的阻碍作用，都会使水流对其

14、他叶轮产生的压力小于整个水头的总压力，从而就会使每个旋转叶轮形成一种分压作用。这种分压作用与电阻在电路中的分压作用非常相似，旋转叶轮对水流的阻力越大所分得的压力也就越大。在计算分压作用时，不能只看旋转叶轮，还要考虑到固定叶轮，因为是这两种叶轮共同作用才对水流产生了足够的阻力。如果不考虑后面的固定叶轮对前面的旋转叶轮的反击作用，也可以把每个旋转叶轮和它前面的固定叶轮看成是一个做功单元。现在的轴流式、贯流式和混流式等水轮机都只有一个做功单元，整个水流通道的水头压力都要由这个单元来承担。而多级水轮机就可以设置几个做功单元，整个水流通道的水头压力就会由这几个单元来共同承担，每个单元所分担压力的大小主要

15、由它们的叶片倾斜角来决定，倾斜角度越大的叶轮所分担的压力就越大。4.水流的运动方向如果旋转叶轮静止不动，水流就会在固定和旋转两种叶片之间交替以拆线方向运动前进。这个时候水流所受到的阻力最大，对旋转叶轮产生的旋转推力也是最大。如果旋转叶轮高速运动，那么旋转叶轮将会不断地给水流让道，水流主要是沿固定叶片的导流方向旋转前进，只有很少在固定叶片与旋转叶片之间以拆线运动前进的成分。所以，大家根本不用担心多级水轮机的叶轮安装多了以后，水就流不动了，旋转叶轮就不运动做功了。进一步分析发现，叶轮安装多了以后的结果，只是把水流的压力和冲击动力更多地施加到旋转叶轮上了，因此，水轮机的工作效率也就更高了。结束语1.

16、 多级水轮机的发展优势（1）原理与结构的简化问题现有的水轮机结构很复杂，工作原理也很复杂，颇有点儿玄学的味道，复杂到让人难以理解其中的奥妙，以至于水轮机厂家都只敢照专家所给的图纸生产，而不敢进行任何变动和修改。多级水轮机的结构比较简单，工作原理也很简单，各种叶轮都能够稳定地实现自己的工作性能。它充分体现了水轮机的本质特征，工作原理没有什么深奥难懂的玄学成分，所以，在设计、制造和安装等方面都比较简单。虽然是增加了几个叶轮，但是总体成本不会高于现有的水轮机。（2）显著的节能效益现有的水轮机虽然工作效率也相当高，但是在平均效率方面就大打折扣，据说平均效率一般只能维持在85%左右。这种水轮机由于叶轮级数增多，工作性能就比现有的水轮机稳定，它不仅最高工作效率会比现有的水轮机有所提高，而且可以大幅度提高水轮机的平均效率510%左右。（3）解决水轮机的振动问题为什么会产生振动？主要有两方面的原因：一是质量不平衡，如振动机；二是受力不平衡，如共振现象。质量不平衡是制造精度的问题，受力不平衡就是设计的问题了。现有水轮机振动的主要原因：是蜗壳式导水机构各部位受到的压力不平衡，或者是活动导叶的开启程度不均衡，致使进入旋转叶轮的水流压力不平衡，从而导致水轮机振动。多级水轮机在解决振动问题方面主要有两大优势：一是固定