第一节 水力机械
水力机械是实现水流能量和固体机械能之间互相转换的一种使用范围极广的通用机械，一般包括水轮机、水泵和水泵水轮机。水轮机是把水流能量转换成旋转机械能的水力机械，而水泵是把旋转机械能转换成水流能量的水力机械，水泵水轮机一般用于抽水蓄能水电站，它既可作为水轮机运行，又可作为水泵运行。图1-1和图1-2分别给出了用3D技术生成的混流式水轮机和轴流转桨式水轮机的结构图。
图1-1 混流式水轮机
从利用水流能量角度看，水轮机只是近代的一种机械，在古代，人们也注意到了水中所蕴含的能量，并因此创造出水碓、水排和水磨等机械工具，将水流能量转化为机械能，用于农业和手工业生产。我国在西汉时期就已出现水碓，它除加工粮食外，还有捶纸浆、碎矿石等多种用途。水碓的传动方式是由水流冲动立式水轮，轮轴上的短横木拨动碓梢，促使碓头一起一落进行舂捣。水排是一种水力驱动的冶炼鼓风机，它由水轮带动连杆以推动鼓风。水排在东汉初年即已成形，比欧洲类似机械的出现要早1000多年。水磨在魏晋南北朝时期已见记载，水磨的水力传动部分有卧轮式和立轮式两种，通常由一只立轮或一只卧轮与若干齿轮相接，每只齿轮则对应一只石磨。流水推动立轮或卧轮转动，轮盘再将能量传递至齿轮，从而带动石磨转动。下面重点介绍一下水排。
图1-2 轴流转桨式水轮机
图1-3 水排
如图1-3所示的水排，是我国古代一种冶铁用的水力鼓风装置，在公元31年由杜诗创制，其原动力为水流能量，通过曲柄连杆机构将回转运动转变为连杆的往复运动。人类早期的鼓风器大都是皮囊，我国古代又叫“橐”。一座炉子用好几个橐，放在一起，排成一排，就叫“排囊”或“排橐”。用水力推动这种排橐，就叫“水排”。关于水排的记载，最早见于《东观汉记》《后汉书》等文献。《后汉书·杜诗传》称：“（建武）七年，遇南阳太守，善于计略，省爱民役。造作水排，铸为农器，用力少，见功多，百姓便之。”唐李贤注：“冶铁者为排以吹炭，今激水以鼓之也。”这是关于杜诗在东汉初年（公元31年）到南阳做太守时制造水排之事的记载。杜诗创制的水排，具体的结构当时缺乏记载，直到元朝王祯在他著的《王祯农书》中，才对水排作了详细的介绍。
根据王祯的介绍，水排的结构是：选择湍急的河流的岸边，架起木架，在木架上直立一个转轴，上、下两端各安装一个大型卧轮，在下卧轮（水轮）的轮轴四周装有叶板，承受水流，是把水流能量转变为机械转动的装置；在上卧轮的前面装一鼓形的小轮（旋鼓），与上卧轮用“弦索”相连（相当于现在的传送皮带）；在鼓形小轮的顶端安装一个曲柄，曲柄上再安装一个可以摆动的连杆，连杆的另一端与卧轴上的一个“攀耳”相连，卧轴上的另一个攀耳和盘扇间安装一根“直木”（相当于往复杆）。这样，当水流冲击下卧轮时，就带动上卧轮旋转。由于上卧轮和鼓形小轮之间有弦索相连，因此上卧轮旋转一周，可使鼓形小轮旋转几周，鼓形小轮的旋转又带动顶端的曲柄旋转，这就使得和它相连的连杆运动，连杆又通过攀耳和卧轴带动直木往复运动，使排扇一启一闭，进行鼓风。
杜诗创制的水排，不仅运用了主动轮、从动轮、曲柄、连杆等机构把圆周运动变为拉杆的直线往复运动；还运用了皮带传动，使直径比从动轮小的旋鼓快速旋转。它在结构上，已具有了动力机构、传动机构和工作机构三个主要部分，因此实际上可以看作是现代水轮机的前身，水排的出现标志着中国复杂机器的诞生。远在1400多年以前，就能创制出这样完整的水力机械，确实显示了中国古人的高度智慧和创造才能，在世界科技史上占有重要的地位。在欧洲，使用水力鼓风设备的鼓风炉到11世纪才出现，而普遍使用却是14世纪的事了。水力鼓风有十分重要的意义，它加大了风量，提高了风压，增强了风力在炉里的穿透能力。这一方面可以提高冶炼强度，另一方面可以扩大炉缸，加高炉身，增大有效容积。这就大大地增加了生产能力。足够强大的鼓风能力，足够高大的炉子，是炼出生铁的必要条件。欧洲人能在14世纪炼出生铁来，和水力鼓风的应用是有一定关系的。水排的发明是人类利用自然力的一次伟大胜利。
从把机械能或是其它能量转换成水流能量来说，水泵也是一种近代的水力机械（见图1-4），古人们也发明了一些把机械能或是其它能量转换成水流能量的装置，以把水提升到高处，例如在农业生产中，我国古人发明了桔槔、辘轳、翻车、筒车、戽斗、刮车等提水工具，以帮助农业灌溉，其中有些工具在今天的一些偏僻乡村仍然在使用。
图1-4 水泵（右侧是电动机）
桔槔是利用杠杆原理的人力提水机械，横杆的一端系提水桶，用手操纵横杆另一端的升降以取水。辘轳是利用轮轴原理的起重机具，多用于汲取井水。翻车是用木板做成长槽，槽中放置数十块与木槽宽度相称的刮水板（或木斗），刮水板之间由铰关依次连接，首尾衔接成环状。木槽上、下两端各有一带齿木轴，转动上轴，则带动刮水板循环运转，同时将板间的水体自下而上带出。戽斗是两边各系有两根绳的小桶，两人同时操作，可以提水至高处的田地。刮车则是一个转轮，轮直径约5尺[1]，轮上辐条宽约6寸❶，用人力摇动转轮，将水提升到高处。
目前，国家非常重视清洁能源的开发，加大了水力资源的开发力度。在中国的西南地区，大批巨型水电工程开始建设，龙滩、小湾、糯扎渡、向家坝、溪洛渡、瀑布沟等水电站，其单机容量都在 500～700MW 之间。例如，澜沧江小湾水电站单机容量为 700MW，糯扎渡水电站单机容量为650MW，溪洛渡水电站单机容量为700MW，此外还有单机容量为1000MW的水电站，这些水电站中，都装有巨型水轮机。而对于水泵来说，一般安装在各类泵站中，目前我国仅用于防洪、农业灌溉和城市供排水的固定泵站即有50余万座，在用的各类泵数百万台，总装机容量超过72000MW。南水北调东线工程从长江至山东东平湖输水主干线长约 617km，沿途设13 个梯级，共 34 座泵站。其中一期工程总装机容量为364590kW，总提水流量 4444.4m3/s。至于在钢铁、电力、石油、化工、矿山等工业部门运行的各类水泵，其数量几乎无法统计。因此，水力机械在我国当前国民经济中，发挥了重要的作用，而进一步从不同的角度对水力机械的各种特性进行研究，是有着重要意义的。
研究水力机械的特性，主要研究集中在水力机械的效率、稳定性和空化性能以及过渡过程等几个研究领域中，空化的研究最为困难，所得成果与实际需要之间的差距也最大。从水力机械的能量特性来说，在设计工况下，水轮机运行效率最高能达到 95%以上，水泵也能达到 90%以上，几乎已经达到极限，这表明有关水力机械能量特性的理论已经相当完备，设计计算方法已经比较成熟。稳定性对于大型水力机械具有特别重要的意义，特别是在大型水电机组中，对于稳定性的关注已经超过了对于效率的关注。这一方面是因为继续提高效率的空间已经很小，另一方面则是因为水力振动对于大型机组的危害大大高于中小型机组。因此，对于大型水力机械的稳定性研究成为当前水力发电领域内最活跃的研究方向。
目前对于大型水电机组稳定性的研究有三种主要的方法。其一是模型试验，在招标过程中，对于水力模型的水压脉动的相对幅值都有明确的限制指标，制造商主要依靠模型试验检验水轮机的水力稳定性。其二是数值分析，采用动态数值分析方法预测水轮机的水力稳定性，并根据计算结果进行诊断，提出改进方法。数值分析方法主要为专业研究机构和高等学校的研究者采用，目前这方面发表的论文数量相当多。第三种方法是对运行的机组进行在线监测，根据监测结果对机组进行故障诊断并作为状态检修的依据。这也是目前我国水电领域非常活跃的一个研究方向，同时也是一个非常活跃的市场。
相对于能量特性和稳定性而言，关于水力机械内空化现象的研究是比较薄弱的。为了避免空化现象的发生，水力机械产品出厂前都会进行空化试验（模型试验或真机试验）来测定其空化性能（空化系数σ或空化余量 NPSH），然后依据测得的数据并考虑一定的安全裕量来确定机器在现场的安装高程或采取其它措施。从逻辑上来说，这样建设的水电站或水泵站不应该发生空化，但实际运行中的水力机械受到严重空蚀破坏的情况还是时有发生。与之相反，在现场运行时总是能够保证效率值达到出厂前测定的数值。这样的对比充分说明了目前对空化现象的认识是非常不完备的，还不能对水力机械的空化性能进行准确的预测，甚至难以进行准确的测量。造成这个现象的原因，在于空化现象本身的复杂性以及测量的困难。虽然对于空化发生的机理、影响空化发展的因素以及空蚀破坏的基本规律进行了大量的研究，也取得了相当的进展，但这些研究成果基本是定性的分析或粗略的定量分析，在空化的准确的定量分析方面，近半个世纪以来都没有取得突破性的进展。
目前对于水力机械中空化现象的研究，有两个值得关注和期待的研究方向（或者说研究方法）。第一是对大型水力机械进行现场的空化监测。目前受测量技术的限制，通常是对空化所产生的噪声（包括可闻的声波和超声波）进行现场监测，并据此对空化的发生和发展程度作出预测。这样的研究一方面直接服务于机组的安全运行和状态检修；另一方面现场在线监测可积累大量的数据，对空化的研究是非常宝贵的第一手资料。第二是空化的数值模拟。空化的数值模拟近年来得到越来越多的关注，几种主要的商业 CFD 软件都增加了空化模型。空化的数值模拟目前还处于发展和探索阶段，还不像流场分析那样成熟和在工程中得到广泛应用，但这是一个极有希望的发展方向。相信最终可以像目前的流场分析一样，成为水力机械空化性能预测和优化设计的重要工具。
但是，应用各种复杂的数值计算方法，对水力机械性能进行研究，需要掌握较为深厚的数值分析知识，计算过程也比较复杂。对于需要大致了解水力机械的一些特性的情况下，也需要研究一些别的分析水力机械各种特性的方法。