佩尔顿式水轮机

佩尔顿式水轮机（又译：佩尔顿水车或伯尔顿式水轮机，英语：Pelton wheel或Pelton Turbine）为冲击式水轮机的一种，它是在1870年代由美国发明家莱斯特·艾伦·佩尔顿所开发。佩尔顿式水轮机是利用水流动并冲击水车时来取得能量，不同于利用水自身重量来带动的传统上射式水车。早在佩尔顿的设计发表前，便已有多种不同的冲击式水轮机版本已经存在，然而它们的工作效率上，比起佩尔顿的设计来的更低。在水离开水车后，水通常仍具有速度，将水车的许多动能一并给浪费掉。佩尔顿的划桨几何设计，使得动轮跑在水射流速度的一半后，仅用极低的速度离开动轮；因此佩尔顿的设计几乎完全撷取了水的冲击能量，如此一来便可拥有一部具有高效能的水轮机。

效能高速的水流进入管线后，再分别透过针阀将强力水柱向动轮上水斗状的扇叶上来带动动轮。而此也被称作为冲击扇叶，它们围绕在驱动轮的外围，总体被称之为动轮。（详情请参见照片，老式佩尔顿式水轮机）。由于水喷流冲击在扇叶上，因此水的流向会因为水斗的外型而改变。水冲击的力量会在水斗与动轮系统上施加出力矩，并以此来旋转动轮；水流本身的流向并“不可逆”，而水流出口设置在水斗之外，此时水流的流速将降到极低速。在此过程中，流体喷流的动量将被转移到动轮上并从此到水轮机上。因此“冲击”确实能够为水轮机作功。为了使水轮机作功能够达到最大的功率和效率，动轮与水轮机的系统被设计成能让流体喷流到水斗上的速度提升两倍。而非常小比例的流体喷流原始动能将会一直滞留于水中，这使得水斗以相同的速度流空及注满（参见质量守恒），从而使得高压输入流体可以持续不间断的喷入而不需要浪费任何能量。通常，两个水斗会按照边靠边的方式安装在动轮上，这使得水流将能分流为两条相等的管道进行喷流（见图）。这样的配置可平衡动轮上的侧向载荷力，并有助于确保平滑，而流体喷流产生的动能也将咬校的传输到水轮机动轮上。

由于水和大部分液体是几乎不可压缩的，因此当流体流入水轮机后的第一阶段几乎就将所有可利用的能量给全部撷取了。而佩尔顿式水轮机只有一个动轮段，不像可压缩流体操作的燃气轮机。1

实际应用佩尔顿式水轮机是用于水力发电的最佳水轮机类型之一，当可利用的水源具有极高水头高度以及低流速时，佩尔顿式水轮机是水轮机类型中对于该种环境最具有效益的。因此，在高水头低流量环境下，佩尔顿式水轮机是最能发挥其最高效益的，即便分为两股注流，理论上仍含有相同的能量。并且，这两条注流所使用的导管必须具有相当的质量，其中一条需要长的细管，另一条为短的宽管。佩尔顿式水轮机可安装于各种大小的站点之中。现已存在有安装上吨等级的油压竖轴佩尔顿水轮机的水力发电厂。其最大的装置单位可高达200兆瓦。而最小的佩尔顿式水轮机仅有几英寸宽，可用于流量仅有每分钟几加仑的溪流中取得能量。一些家用管道装置系统便会利用佩尔顿式原理的水车来进行水的输送。这些小型的佩尔顿式水轮机被推荐使用于30英尺（9.1米）或更高的水头高度之下使用，以产生显著的发电功率。目前，根据水流量以及设计，佩尔顿式水轮机的安装站点水头高度最好为49～5,905英尺（14.9～1,799.8米）的范围之间，然而实际上目前没有理论限制。2

设计规则比转速作为决定水轮机的形状的设计关键，另外该速度不并是决定水轮机的大小。这使得新的水轮机在设计上仅能从已知性能的现有制式设计上进行再缩放。比转速也成了新水轮机型与即将装水轮机的特定水力发电厂相互是否规格相符的主要标准。