风车式水轮机

敞水型水平轴桨叶潮流发电装置

如图1是一种潮汐动能发电机示意图，与顺风式风力机工作原理相同，也叫桨叶式潮流发电机。转轮的叶片与风力机类似，由于水的密度约为空气的800多倍，相同功率下的叶片面积与长度可大大缩小，不过潮汐水流速一般没有风速快。叶轮通过增速齿轮箱与发电机连接，一同安装在机舱内，机舱安装在支柱上，可绕支柱旋转，支柱固定在海底,属坐底式安装。水流推动叶轮旋转，并保持叶轮面与水流方向垂直。由于叶轮在敞开的水中旋转，属敞水式结构。

桨叶式潮流发电机可安装多个组成潮流发电站，图2是六个桨叶式潮流发电机的水下模拟图。

桨叶式潮流发电机在国外已有成功的产品，比较典型的是英国研制的一种桨叶式潮流发电机，为“SeaGen”，形似倒置的风车，由一对涡轮组成，每个涡轮直径20米，容量1200千瓦。涡轮安装在柱桩上，柱桩固定在海底。如图3是该潮流发电机的图片。

扩张型涡轮潮流发电装置

把叶轮安装在水平扩张导流管内，扩张导流管在风力机中称为扩散器，利用导流管对水流进行加速，可明显提高叶轮的输出功率。叶轮由多个叶片组成，这是一种导流管增速涡轮机结构，或称为导流管增速水轮机，如图4。

图4中浅蓝色箭头线表示水流走向，水流推动发电机发电，涡轮机采用双向对称结构，反方向水流同样推动发电机发电，适用于潮流发电。导流管增速涡轮发电机可安装多个组成潮流发电站。

导管涡轮式潮流发电机在国外也有成功的产品，图5是在加拿大已商业化应用的涡轮发电机，机组功率1000千瓦，重400吨。从图5中看这是直驱式导管涡轮发电机，直驱发电机的定子安装在导管内壁，发电机转子安装在转轮叶片的外缘。

潮流发电机一般直接固定在海底，可避免台风的破坏，也可采用漂浮式结构。利用潮流前进的动能来推动水轮机发电不用建堤坝与相关设施，投资少，不影响生态环境，但涡轮的面积比起潮流的截面是很微小的，所以对整个潮汐能的利用率非常低，要求潮汐要形成足够的水流速度来保证发电量。

潮流能作为一种储量丰富、无污染、低能耗的新能源已被我国列为战略性新能源。

据专家介绍，当前潮流能的度电成本还不能完全估计，目前海洋能的度电成本大约为2元，但是除去陆电供应时铺设电缆的高额成本，预计可将海岛居民度电价格控制到1元左右。根据目前海洋能发电装置的规模应用技术的发展情况来看，预计到2020年，我国将可能具备10MW以上的发电机，届时海洋能度电成本将可以降低到2元以下;而到2050年，整个度电成本有望降到1元以下。这不仅让海洋能的度电成本无限接近于“陆电”的价格，而且将最终促成海洋能产业化的形成。

我国的潮流能项目起步较晚，其中制约因素是科研和设计水平，与潮流能装置相关的基础理论、物理模型试验和工程技术应用等研究也同国外存在着较大的差距，在工程应用等领域的研究甚至是空白。这些差距受到水轮机组成本、制造加工、运输安装等方面的制约，这都将使我国潮流能水轮机组的研究和制造能力日益落后于国际先进水平，从根本上来说不利于我国潮流能事业的发展。风力发电的今天就是潮流能发电的明天，潮流能水轮机的工程化应用较风力发电成本高、难度大，但是势在必行。 2100433B

潮流能发电装置主要分为两种形式，根据潮流流向与装置转动轴的位置关系，潮流能获能装置可以分为水平轴水轮机和垂直轴水轮机。水平轴水轮机转轴与流向平行，最早在风车中使用，利用叶片截面翼型的升力效应，产生推动叶片旋转的力矩，把叶片的旋转动能转变为发电机电能。水平轴水轮机由于其结构特性，运行平稳，稳定性较好，有较高的效率；垂直轴水轮机转轴与流向垂直，原理与水平轴水轮机相似，可适应不同来流方向的水流，自适应强。

水轮机按工作原理可分为冲击式水轮机和反击式水轮机两类。冲击式水轮机的转轮受到水流的冲击而旋转，工作过程中水流的压力不变，主要是动能的转换；反击式水轮机的转轮在水中受到水流的反

作用力而旋转，工作过程中水流的压力能和动能均有改变，但主要是压力能的转换。

现代水轮机大多安装在水电站内，用来驱动发电机发电。在水电站中，上游水库中的水经引水管引向水轮机，推动水轮机转轮旋转，带动发电机发电。作完功的水则通过尾水管道排向下游。水头越高、流量越大，水轮机的输出功率也就越大。

切击式水轮机，也叫水斗式水轮机或培尔顿式水轮机；按主轴的布置方式分为卧轴和立轴两种，无论哪种其转轮始终位于大气中。这种水轮机适用于高水头、小流量水电站；大型水斗式水轮机应用水头约300—1700米，小型的也可达到40—250米；目前世界上水头高于1000米的电站均采用水斗式水轮机，单机功率可以达到400MW以上 。

其主要结构包括输水管、喷流机构、转轮、折向器和机壳等切击式水轮机工作射流中心线与转轮节圆相切，故名切击式水轮机。其转轮叶片均由一系列呈双碗状水斗组成，故又称水斗式水轮机。切击式水轮机是目前冲击式水轮机中应用最广泛的一种机型。其应用水头一般为300-2000m，目前最高应用水头已达到1771.3m（澳大利亚的列塞克-克罗依采克水力蓄能电站，水轮机出力P=22.8MW）。

喷流机构主要由喷管、喷嘴、喷针（针阀）和喷针移动机构组成；其作用是把水流势能转化为射流动能，并通过移动喷针来调节流量。

转轮由圆盘和固定在它上面的水斗组成，射流冲向水斗，水斗与射流相互作用，射流动能转化为转轮旋转机械能；由于承受射流，水头越高对转轮强度要求也越高。

折向器就是一块高强度钢板（和驱动装置），机组甩负荷时折向器迅速使射流偏转，避免使机组转速过快。

机壳则主要起支撑水轮机轴承、排水的作用。

值得说明的是水斗水轮机中喷流机构和折向器都不只一套，其数量因型号各异，一般水头低时选4—6个，水头高时选2—3个。

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