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第三章 水輪機

第三章 水輪機. 概論 基本要項 帕爾登水輪機 法氏水輪機 軸流式水輪機 斜流式水輪機及橫流式水輪機 泵輪機 特性曲線 孔蝕現象 模型效率換算. 3.1 概論. 水輪機 （ water turbine ） 為人類最早應用的流體機械之一， 俗稱水車 （ water wheel ） ，為將水流之動能或不同高度水之位能轉換成機械能的一種裝置，可分為：. 1. 衝動式水輪機. 2. 反動式水輪機. 衝動式水輪機.

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第三章 水輪機

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  1. 第三章 水輪機 • 概論 • 基本要項 • 帕爾登水輪機 • 法氏水輪機 • 軸流式水輪機 • 斜流式水輪機及橫流式水輪機 • 泵輪機 • 特性曲線 • 孔蝕現象 • 模型效率換算

  2. 3.1概論 • 水輪機（water turbine）為人類最早應用的流體機械之一， 俗稱水車（water wheel），為將水流之動能或不同高度水之位能轉換成機械能的一種裝置，可分為： 1.衝動式水輪機 2.反動式水輪機

  3. 衝動式水輪機 • 衝動式水輪機（impulse turbine）：利用噴嘴將水之位能轉變為動能，衝擊水輪機之輪葉，使其產生旋轉之機械能，適用於高落差的水源，水流至輪葉時，降至大氣壓力，且水流經輪葉時並無壓力降產生。

  4. 反動式水輪機 • 反動式水輪機（reaction turbine）：將水壓入水輪機內，再流經輪葉，壓力降低，而將水之壓力能轉變為動能使輪葉旋轉，成為機械能輸出，適用於中、低落差的水源。

  5. 水輪機的分類

  6. 3.2基本要項 • 落差 (head) • 理論功率 (theoretical power) • 效率 (efficiency) • 比速率 (specific speed)

  7. 水輪機之水路系統 (1/2)

  8. 水輪機之水路系統 (2/2)

  9. 水輪機之落差H H：水輪機之有效落差(m) Hg：蓄水池和排水路之水面高度差，稱為總落差或自然落差 (m) h1：水路損失落差 (m) h2：壓水管損失落差 (m) h3：排水路之損失落差及速度頭 (m) Vd：水輪機排水速度 (m/s)

  10. 水輪機之理論功率或理論動力Lth Lth：理論功率 (kgf·m/s, kW, ps) ：比重量 (kgf/m3) Q：流量(m3/s) H：總揚程 (m)

  11. 水輪機之總效率 ：水輪機之總效率 (%) L：水輪機之實際輸出功率或動力 (kgf·m/s, kW, ps) Lth：水輪機之理論功率或理論動力 (kgf·m/s, kW, ps)

  12. 水輪機之水力損失 Hh：水力損失 (m) h1’：水在水輪機外殼與導流葉片之水力損失 (m) h2’：水流入葉輪時的衝擊損失及在葉輪內部的水力損失 (m) h3’：排水管內的水力損失及排水速度損失 (m) hv：各個部分的洩漏損失 (m) hf：機械摩擦損失 (m)

  13. 水輪機之水力效率 ：水力效率 (%) H-Hh：推動葉輪的淨有效落差 (m)

  14. 水輪機之體積效率 ：體積效率 (%) q：各部分之洩漏量 (m3/s)

  15. 水輪機之水力功率 Lh：水施加於葉輪之功率稱為水力功率 (kgf·m/s)

  16. 水輪機之最後輸出功率 Lm：摩擦損失功率 (kgf·m/s) L：最後輸出之功率 (kgf·m/s)

  17. 水輪機之機械效率 ：機械效率 (%)

  18. 水輪機之總效率關係式

  19. 水輪機之比速率與發電機極數之關係式 N：轉速 (rpm) f：週波數 (Hz) p：極數

  20. 比速率與水輪機之型式

  21. 各型水輪機效率與比速率

  22. 3.3帕爾登水輪機 • 為衝動式水輪機，主要應用於200m以上之高落差，但150m左右之中落差在流量較小的情況下亦可使用。主要構造包括噴嘴、箕斗及流量控制裝置。

  23. 帕爾登水輪機之動輪

  24. 帕爾登水輪機之噴嘴配置

  25. 帕爾登水輪機箕斗之噴流

  26. 帕爾登水輪機之理論分析 (1/10) H：水輪機之有效落差 (m) ：水之比重量 (kgf/m3) p0：噴嘴入口處之壓力 (kgf/m2) V0：噴嘴入口處之流速 (m/s)

  27. 帕爾登水輪機之理論分析 (2/10) V1：噴嘴出口處之流速 (m/s) ：在噴嘴內部之損失係數， Cv：速度係數 set ：噴嘴效率 (%)，

  28. 帕爾登水輪機之理論分析 (3/10) 由動量方程式 ：箕斗所受之力 (kgf) u：箕斗的圓周速度 (m/s) w1：流入箕斗的相對速度 (m/s)， w2：流出箕斗的相對速度 (m/s)

  29. 帕爾登水輪機之理論分析 (4/10) ：w2與-u的夾角， Lh：箕斗所得到之水力動力 (kgf·m/s) ：噴流在箕斗間之損失係數 ，

  30. 帕爾登水輪機之理論分析 (5/10)

  31. 帕爾登水輪機之理論分析 (6/10) set ：箕斗所得到之水力效率 (%) 欲求 極大值，

  32. 帕爾登水輪機之理論分析 (7/10)

  33. 帕爾登水輪機之理論分析 (8/10)

  34. 帕爾登水輪機之理論分析 (9/10) Lth：水流最初之理論功率 (kgf·m/s) ：機械效率 (%) L：實際輸出之功率 (kgf·m/s) Lh：水力功率 (kgf·m/s)

  35. 帕爾登水輪機之理論分析 (10/10) ：總效率 (%)

  36. 3.4法式水輪機 • 為反動式水輪機，主要應用於25~470m之落差。主要構造包括渦卷殼套、導葉片、動輪、流量控制裝置及尾管。

  37. 法式水輪機之動葉輪

  38. 法式水輪機之組合外觀

  39. 法式水輪機之速度向量圖

  40. 法式水輪機之理論分析 (1/4) T：水作用於葉輪之扭矩 (kgf·m) ：水之比重量 (kgf/m3) Q：流量 (m3/s) r1：動輪入口處之半徑 (m) r2：動輪出口處之半徑 (m)

  41. 法式水輪機之理論分析 (2/4) V1：水經由導葉片流入葉輪之絕對速度 (m/s) V2：由葉輪流出之絕對速度 (m/s) u1：葉輪入口處的圓周速度 (m/s) u2：葉輪出口處的圓周速度 (m/s) ：u1及V1的夾角 (°) ：u2及V2的夾角 (°)

  42. 法式水輪機之理論分析 (3/4) Lh：作用於葉輪上的水力動力 (kgf·m/s) ：動輪之角速度

  43. 法式水輪機之理論分析 (4/4) Lth：水流最初之理論功率 (kgf·m/s) ：水力效率 (%)

  44. 3.5軸流式水輪機 • 軸流式水輪機：為反動式水輪機，主要應用於5~30m大流量、低落差的場合，但最近亦使用於30~80m之中落差。主要構造與法式水輪機相同，可分為旋葉水輪機（propeller turbine） （葉片角度固定）及卡普蘭水輪機（Kaplan turbine） （葉片角度可調整）。

  45. 卡普蘭水輪機發電廠配置圖

  46. 卡普蘭水輪機之動輪

  47. 3.6斜流式水輪機及橫流式水輪機 • 斜流式水輪機：為反動式水輪機，主要應用於落差為50~150m之場合。若葉片角度可調整，則稱為達里斯水輪機。 • 橫流式水輪機：為衝動式水輪機，主要應用於7.5~100m中落差、輸出動力為50~1000kW之小型水力發電廠，其操作原理與帕爾登水輪機非常類似。

  48. 達里斯水輪機

  49. 橫流式水輪機

  50. 3.7泵輪機 • 泵輪機：由葉輪的正逆旋轉，而可同時兼具水輪機與泵功能之機械，一般設計以泵之運轉條件為主。

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