SDZ-1(水力机械)

2.转轮构造

轴流式水轮机除转轮外，其它部件与混流式相似

组成：叶片、轮毂、主轴、泄水锥、转动机 构

叶片 ：表面为曲面，断面为翼形，根部厚，边缘 薄以承受水流作用的抟矩。 叶片数目：与H大小有关，一般为4~8片；

叶片转角Φ：最优工况时Φ=0，Φ>0，叶片开始 启动，Φ<0向关闭方向转动。 -150>Φ<+200
从而做功。
类型
1.混流式：水流径向流入转轮，轴向流出。


适用范围：H=30-700 m , 单机容量：几万kW-几 十万kW 适用范围广，结构简单，运行稳定，效率高，适用 高水头小流量电站。
2. 轴流式：水流沿转轮轴向流入，轴向流出，水流
方向始终平行于主轴。

轴流定浆式：叶片不能随工况的变化而转动。 轴流转浆式：叶片能随工况的变化而转动，进行双重 调节（导叶开度、叶片角度)。
设计水头(计算水头) Hr： 水轮机发额定出力时的最小水头。

平均水头： Hav =Z上av-Z下av
二、流量(m3/s)(flow quantity)
单位时间内通过水轮机的水量 Q随H、N的变化而变化，H、N一定 时，Q也一定，当H=Hr、N=N额时， Q为最大 在Hr、nr、Nr 运行时—— Qr
三、出力与效率(output and efficiency)
1.出力(水轮机的输出功率)N： 指水轮机轴传给发电机轴的功率。 水轮机的输入功率 (水流传给水轮机的能量)为：
N w QH 9 . 81 QH
水轮机的输出功率： 2. 效率：
η=N/Nw
N N w 9 . 81 QH

导叶的主要几何参数
（1）导叶数Z0：与D1有关，一般16~24。 （2）导叶相对高度b0/D1： HL：0.1~0.39; ZL:0.35~0.45
（3）导叶轴分布圆直径D0 一般D0=1.13~1.16D1 (4) 导叶开度a0：两导叶之间的垂直距离，最大开 度为amax。
转轮

水能
机械能
实际上是 卧轴安装的 轴流式水轮 机，发电机
安装在灯泡
体内。
五、冲击式水轮机构造(水斗式)
轮、机壳、尾水槽
1. 水斗式水轮机的组成：喷管、折流板、转
转轮


组成：轮盘、斗叶（沿轮盘均匀分布）。
连接方式： 螺拴、整体铸造、焊接。
喷管
组成：喷嘴、喷管体、导水叶栅、针阀、喷杆、 针阀：
控制水轮机的过水流量，以行程表示。
HM=EU-ED=ZU-ZD
2.水轮机的工作水头 毛水头 - 水头损失=净水头
HG=EA- EB=HM - hI-A
3.特征水头(characteristic head)
表示水轮机的运行范围和运行工况。

最大工作水头： Hmax=Z正-Z下min-hI-A


最小工作水头： Hmin=Z死-Z下max-hI-A
操作机构
折流板
使针阀缓慢关闭，降低水击压力，使水流偏 离水斗，避免机组转速升高。
机壳
把水斗中排出的水引导入尾水槽内。一般为 铸钢件。
引水板
防止水流随转轮飞溅到上方，造成附加损失
2、水斗水轮机的装臵方式
(1) 卧轴：中小型水
轮机。单喷嘴、双
喷嘴、单转轮、双 转轮。
(2) 立轴：大型水轮
水力机械
水轮机+发电机：
水轮发电机组
发电
功能：
水
泵+电动机： 水泵抽水机组。 功能： 输水 抽水蓄能机组。 抽水蓄能
水
泵+水轮机： 功能：
第一篇
水轮机
水轮机是将水能转变为旋
转机械能，从而带动发电机
发出电能的一种机械，是水 电站动力设备之一。
第一章
水轮机的类型、构造及工作原理 水轮机的工作参数
§1.1
水轮发电机组装臵原理图
反映水轮机工作状况特性值的一些参 数，称水轮机的基本参数。 由水能出力公式: N=9.81ηQH 可知， 其基本参数包括工作水头H、流量Q、出力
N、效率η，此外还有工作力矩M、机组转
速n。
一、水头(head)
1.毛水头(nominal productive head)
旋转坐标而言，也是恒定流。
U
三、水流运动是空间三元流
水流运动规律用速度三角形表达
V U W
V ——水流绝对流速（相对于地球） U ——水流随转轮旋转牵连流速
W
——水流沿叶片流动的相对流速
用速度三角形分析水流运动的方法是研究转轮
流速场的重要方法。
第六节 水轮机工作的基本方程式
一、动量矩定理
N
e
M
Q e
g
(V u 1 r1 V u 2 r2 )

Q e
g
(U 1V u 1 U 2 V u 2 )
N

e
Q e H s
所以，水轮机的基本方程为：
H s g U 1V u 1 U 2 V u 2

该方程式对反击式、冲击式水轮机均适用。

方程的实质：由水流能量转换为旋转机械 能的平衡方程。

失，流量损失和机械
损失相对较小，且基 本不变，在水力损失
中撞击和涡流损失最
大。
1、叶片进口设计
撞击损失主要发 生在转轮叶片进 口处。 当β1(W1，U)= βe1 时，则为无撞击 进口工况。
2、叶片出口设计
涡流损失主要
发生在转轮叶
片出口处 当V2⊥U2时， 即α2=90°，水 流平行主轴， Vu2=0，为法向 出口，无涡流 损失。
击式水轮机。

特征： 由喷管和转轮组成。水流以自由水流 的形式(P=Pa)冲击转轮，利用水流动能(V方 向、大小改变)产生旋转力矩使转轮转动。在 同一时刻内，水流只冲击着转轮的一部分， 而不是全部
类型

水斗: 特点是由喷泉嘴出来的射流沿圆周 切线方向冲击转轮上的水斗作功。 水斗式水轮机是冲击式水轮机中目前应用最 广泛的一种机型。


作用：水轮机的骨架，承受机墩及传来的 荷载，并传到下部基础；支承活动导叶；

断面设计：流线形，保证强度、刚度。数 目为活动导叶的一半。
导水机构

作用： 根据机组负荷变化，调节水轮机流量，改 变出力引导水流按切向进入转轮，形成速度矩； 组成： 导水叶及其轴、调速器、接力器 导水叶：导水机构的主体，上下端分别固定在底 环和顶盖上，为流线形。 作用：改变导叶开度以改变流量。 导叶转动是通 过调速成器 和接力器来实现的。 导叶参数：导叶数、高度、开度

轮毂：外部连接叶片，内部安装转动机构。 转动机构：安装在轮毂内，由调速器控制，调整 导叶角度。
三、斜击式水轮机构造
•主要部件：座环、 转轮及其叶片、导水 机构、尾水管、主轴 、导轴承等。
•与轴流转浆式水轮 机不同之处：叶片转 动轴线与主轴成 45°~60°的夹角。
斜击式水轮机构造
四、灯泡贯流式水轮机
一般η=80%~95%
四、工作力矩和转速

水轮机的出力可以用旋转机械运动公式来表达
N M M
M——主轴力矩;
2 n 60
9 . 81 QH
ω——水轮机旋转角速度， n ——转速，n=3000/p p ——发电机磁极对

数额定转速n：正常情况下机组的转速保持为固定转
速，该转速称为额定转速，并与发电机的同步转速 相等。
单位时间内水流对转轮的动量矩改变，应等于作 用在该水流上的外力的力矩总和。即：
M
Q e
g
(V u 1 r1 V u 2 r2 )
其中M为水流对转轮的力矩，方程右端为水流本 身速度矩的变化。该式表达了水轮机中水流能量 转换为旋转机械能的平衡关系。二、水轮机的基 Nhomakorabea方程
在稳定工况下(n、Q、H均不变)，转轮内的水流运 动时相对的恒定流，因此转轮的出力为：
(3) 转轮（工作核心)：能量转换，决定水轮机的 尺寸、性能、结构。 (4) 泄水部件(尾水管):回收能量、排水至下游。
一、 混流式水轮机基本构造

水流—蜗壳—座环—导叶—转轮—尾水管—下游
蜗壳

蜗壳的作用是使水流产生圆周运动，并引导水流 均匀地、轴对称地进入水轮机。
座环
位于导水叶的外围。由上、下环和立柱组 成。

3. 斜流式：水流经过转轮时是斜向的。转轮叶
片随工况变化而转动，高效率区广。

4. 贯流式：水轮机的主轴装臵成水平或倾斜。
不设蜗壳，水流直贯转轮。水流由管道进口到尾 水管出口都是轴向的。H<20m,小型河床电站。
二、冲击式水轮机(Inpulse

water tubine)
定义：利用水流的动能来做功的水轮机为冲
V
Q q Q Qe Q
3.机械损失和机械效率
水轮机的输入功率：Ne 输出功率: 机械效率：

N=Ne -ΔNm ηm=N/Ne
水轮机的总效率
η=ηHηVηm

提高效率的有效方法是减小水头损失、流量损失
、机械摩擦。η根据模型试验得到。
二、水轮机的最优工况

水轮机的最优工况是 指η最高的工况。 一般情况下，对η起 主要作用的是水力损
§1.2 水轮机的主要类型
一、反击式水轮机 (reaction water turbine)

定义：利用水流的势能和动能做功的水轮机称为反击 式水轮机。
特征：转轮的叶片为空间扭曲面，流过转轮的水流式

连续的，而且在同一时间内，所有转轮叶片之间的流