反击式水轮机工作原理
水轮机工作原理
水轮机工作原理一水轮机中水流运动1、蜗壳中的水流运动反击式水轮机蜗壳的主要作用是能将引水管渠引来的水，进一步以最小的水力损失、最经济的断面尺寸引至转轮前的导水机构内。
并且，为了提高作用于工作轮上的有效谁能及转轮的有效稳定性，则要求进入工作轮前的水流具有一定的水流旋转环量和呈轴对称流动。
蜗壳的水利设计就是以完成蜗壳的上述任务为前提。
而蜗壳中的水流运动规律又取决于蜗壳的内壁轮廓线。
故蜗壳内壁轮廓线的形状控制了蜗壳内的水流运动规律。
关于蜗壳的水流运动规律，有不同的简化表达方式。
一般认为，蜗壳中的水流运动，可看成符合等速度距（C =r v u ）变化规律，简称“等速度距律”。
即位于蜗壳内任一点水流速度的切向分量u v ，与该点距水轮机轴线的半径r 的乘积保持不变；也有人认为，蜗壳中的水流运动，按u v 从蜗壳进口至鼻端呈递增规律变化。
实践证明，水轮机用按“等速度距律”设计蜗壳其性能较好。
下面即介绍蜗壳中按“等速度距律”的水流运动规律。
“等速度距律”对蜗壳中的水流运动作如下假设：（1）忽略水流粘性及其与管壁的摩擦损失。
实际上它们的影响所占比例很小，很小影响水流运动规律。
（2）蜗壳内壁是光滑的，没有引起使水流产生涡旋的异物。
认为蜗壳中的水流运动是无旋运动。
这要求蜗壳内壁比较光滑，对蜗壳的制造和施工提出了严格要求。
（3）蜗壳中的水流运动是以水轮机轴为对称的运动。
则蜗壳内水流速度v 、压力p 、等运动要素有：0θp 0θv =∂∂=∂∂，。
由上假设表明，蜗壳内的水流运动为理想液体作轴对称有势流动。
将蜗壳中的水流简化成上述流体力学模型后，其运动有以下规律：（1）蜗壳中位于任一点的水流速度距r v u 为常数。
记为K r v u =式中 积分常数。
半径；研究点距水轮机轴线的）；的圆周分量（图某一点水流速度---K r 1-2v v u上述结论是不难证明的。
由流体力学知，。
第三章_水轮机的工作原理
广泛
轴流式 轴向 轴向
3~88
几十~几十万
低水头大流 量河床式
斜流式 斜向 斜向 40~200
抽水蓄能
贯流式 轴向 轴向 2~30
几~几万
河床式 潮汐式
射流特点 适用水头H（M） 适用电站
切击式 切线方向 40~2000
广泛
斜击式 侧面
50~400
小型
双击式 二次冲击
6~150
小型
3、各型水轮机各个部件、构造及各部件的作用是什么？
3.产生强烈的噪音和振动，恶化工作环境，从而影响水轮机的安全稳定。
汽蚀破坏是机械、化学、电化学作用的共同结果，其中机械 破坏为主。
三、汽蚀类型
1、叶型汽蚀——发生在水轮机转轮叶片上的汽蚀。是反击式水轮机的主 要汽蚀形式，主要是由于叶片的几何形状造成的汽蚀。
反击式水轮机的轮叶为扭曲形，水流流经转轮时，一般叶片正面为
这种周期性的气泡产生、破灭而破坏水轮机过流金属表面的现象称为 水轮机的汽蚀现象 。
二、汽蚀的危害
1.降低低水轮机效率，减小出力。汽泡的产生破坏了水流的连续性，水 流质点相互撞击消耗部分能量从而增大了水力损失，使水轮机效率降低， 出力减小。 2.破坏水轮机过流部件，影响机组寿命。汽蚀产生，使金属表面失去光泽， 产生麻点，蜂窝，严重时轮叶上产生孔洞或大面积剥落。
η根据模型试验得到提高效率的有效方法减小水头损失、 流量损失、机械摩擦。
反击式水轮机所提供给水流的过道并不是等断面的，有宽窄之分，这 就会使水流流速大小不同，进而引起压力低高不同，亦就是造成水轮机内 有高压区和低压区之分，若低压区的压力达到（或低于）该温度下水的汽 化压力时，水就开始局部汽化产生大量汽泡，同时水体中存在的许多眼看 不见的气核体积骤然增大也形成可见气泡，这些气泡随着水流进入高压区 （压力高于汽化力）时，气泡瞬时破灭，由于汽泡中心压力较低，气泡周 围的水质点将以很高的速度向汽泡中心撞击形成巨大的水击压力（可达几 百甚至上千个大气压力），并以很高的频率冲击金属表面，高频率冲击的 结果，使过流流道的金属表面遭到严重破坏。
反击式水轮机原理
反击式水轮机原理
反击式水轮机的原理是基于动量守恒原理和能量守恒原理。
该水轮机是通过利用水的
动能和重力势能等自然能源来驱动水轮机旋转产生电力。
1. 水的动能转换：水从水力引入管内进入水轮机喷嘴处，由于水喷出来时流速变大，压力变小，因而动能增加，能够将水中的动能转换为水轮机的动力。
2. 反作用力转换：水流从喷嘴喷出来时会产生反作用力，这种反作用力可以通过转
子的叶片来吸收，产生力矩驱动水轮机旋转。
3. 射流作用力转换：当水流通过转子时，水流的射流作用力也会转化为转子的旋转
力矩。
4. 能量转换：水轮机通过旋转，使得机械能转化为电能，从而产生电力。
反击式水轮机的特点是效率高，设计简单，且容易维护。
其主要缺点是对水流速度的
要求较高，需要较高的水头才能保证发电量。
此外，水轮机运转过程需要定期清理叶片，
以保证其正常工作。
总之，反击式水轮机是一种利用自然水力资源产生电能的重要设备。
其运转过程涉及
动量守恒和能量守恒等基本物理原理，其设计和优化需要考虑众多因素。
在未来的经济发
展中，反击式水轮机将继续发挥其重要的经济和环保作用。
水泵、水轮机讲义资料
第一章概述1．基本概念（1）什么叫水轮机？答：将水能转变为旋转机械能的水力原动机叫做水轮机。
（2）冲击式水轮机与反击式水轮机的区别。
答：工作原理方面：利用水流的势能与动能做功的水轮机为反击式水轮机；利用水流的动能做功的水轮机为冲击式水轮机。
流动特征方面：反击式水轮机转轮流道有压、封闭、全周进水；冲击式水轮机转轮流道无压、开放、部分进水。
结构特征方面也显著不同。
如转轮的差别，有无喷嘴、尾水管。
（3）反击式水轮机的过流部件及其作用引水室：作用是引水流进入导水机构。
导水机构：作用是调节水轮机过流量，并使水流能按一定方向进入转轮。
转轮：将水流能量转换为固体旋转机械能量的部件。
尾水管：作用是将水流排下下游，并回收转轮出口的剩余动能。
（4）冲击式水轮机的主要部件喷嘴：水轮机自由射流的形成装置。
喷针：与喷嘴共同完成流量控制（以行程变化喷嘴控制喷嘴出口过流面积）。
转轮：由轮盘和轮盘外周均匀排列的水斗构成的组件，转换水流能量为固体旋转机械能。
折向器：自由射流流程内部件，可遮断射流，以防止转轮飞逸。
（5）我国关于水轮机标准直径的定义混流式：转轮叶片进水边上最大直径。
浆叶式（轴流式、斜流式、贯流式）：浆叶转动轴线与转轮室相交处直径。
冲击式：射流中心线与转轮相切处节圆直径。
（6）水轮机工作参数工作水头H ：水轮机的进口和出口处单位重量水流的能量差值。
流量Q ：单位时间内通过水轮机的水流体积。
转速n ：水轮机转轮单位时间内旋转的次数。
出力P ：水轮机轴端输出的功率。
效率η：水轮机的输入与输出功率之比。
2．基本计算（1）水电站的毛水头g H ：du g Z Z H －=其中：u Z ，d Z 分别为电站上、下游水位高度。
（2）水电站的工作水头H ：理论表达式：)2()2(2211g v p Z g v p Z H ∏∏∏∏I I ++-++=αγαγ式中参量见装置示意图。
测量与计算：因为如示意图所示，I -I 断面为距出口断面一定距离的下游断面γαγap Z g v p Z +≈++I ∏∏∏∏22，工作水头测量计算可如下进行。
§2-3反击型水轮机导水部分的作用原理
§2-3反击型水轮机导水部分的作用原理当水轮机轴端负荷发生改变时，n 随即改变，要求流量变，以使水轮机的功率与负荷平衡，而在许可的时间内使n 回到原来的位置。
转轮进口的速度矩：000000000001122απαπαctg b Q r ctg b r Q r ctg c r c r c m u u =⋅=⋅=⋅=⋅0b —导叶高度，0α—导叶出流角转轮出口的速度矩：222222222222r ctg A Q r r ctg r c r u r c m u βωβ-=⋅⋅-=2A ——水轮机转轮出口过流面积 2r —转轮出口半径 )(12211∞∞∞⋅-⋅=u u T c r c r gH ωω222002221βαπωωctg A r ctg b H g r Q TT T +⋅+=∴∞改变200,,βαb 均可改变流量§2-4尾水管的工作原理为了更好地利用压力势能，总希望转轮出口的绝对压力gp ρ2减少如果是大气出水则位能（2Z ）和动能（gc 222）白白浪费掉5－5断面至自由表面的0－0断面列能量方程0052555052)(Z h gc Z Z Z =∆-+-+-α5—5断面至自由表面的损失为gc 2255α则⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∆----=-52255222222h g c c Z g p g p aααρρ 52-∆h 管中水力损失2Z 静态真空522552222-∆--=∆h gc c hd αα动态真空gch gc c V 2222252255222αααη-∆--=叫尾水管的回能系数§ 2-5流道中介质状态参数的变化 1点T ，v ,p,V驻点OpC VT T22*+=滞止温度1**2**2,-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=+===k kp p TTP p Vh TC h T C h扩压管内的流动)1/(2*22*2)1/(1*11*1222*2211*11121211222----⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=+=+=⎪⎪⎭⎫⎝⎛=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=k k k k pkk k T T p p T T p p CpC T TC C T Tp p v v T T§2-6变工况的流动分析 一、泵内的流动 1. 设计工况下⎪⎩⎪⎨⎧==∆2211,y y ββββ一致设计安放角与液流角进口速度2.Q 变化时冲角：11ββ-=y i 对工作机 冲角：11y i ββ-=对原动机图2－44中，转速n不变，流量q改变。
水力机械第二章12
式中
v w u
v wu
——绝对流速（相对于大地） ——相对速度（水流质点相对于转轮 叶片从流道进口移动到出口） ——牵连（圆周）速度（水流质点随 转轮一起旋转）
绝对速度 v 与牵连速 度 u 之间的夹角a ，称为 绝对速度的方向角；相对 速度 w 与牵连速度 u 之间 的夹角 b ，称为相对速度 的方向角。
三、转速n
水轮机转速是指水轮机转轮每分钟内旋转的次数， 单位为r/min。 水轮机在稳定运行时的转速是固定不变的，称为水 轮机额定转速，并与发电机的同步转速相等。
机组丢弃全部负荷同时调速系统失灵时，导水叶不 能关闭，水流能量使转轮转速增加达到的最大值， 称为飞逸转速nrun，飞逸转速可达额定转速的1.8~ 3.0倍。 机组发生飞逸时，离心力非常大，它对机组的设计、 制造，对机组支撑结构及水电站厂房的振动都有较 大的影响。
以水流流线为母线绕水轮机主轴轴线旋转所形成的 若干回转面，称之为水流流面。 将流线与转轮叶片相割的流面展开，便可得到由 一系列叶片
翼型（即为
流面切割
叶片所得到
的剖面）所 组成的叶栅
剖面图。
混流式 轴流式
为了便于研究反击式水轮机转轮中复杂的水流运 动，做了如下假定：
（1）水流为理想流体； （2）转轮中水流的相对运动为定常运动（稳定流）； （3）叶片数无穷多，且叶片厚度无限薄（叶片翼型剖 面可以简化成无厚的骨线）；
已知条件
Di n
60
（1）u1和u2的大小和方向
u1 u2
方向：圆周切向方向
式中，Di 为同一流面上的转轮叶片进、出口计算点 所在圆直径，m。
（2）vm1和vm2的大小和方向
水轮机类型与构造—反击式水轮机的主要部件
➢ 叶片的作用是直接将水能转换为机械能。叶片断面形状为翼
形，转轮叶片数的多少对水力性能和强度有显著的影响，随 比转速的不同叶片数在9～21的范围内变化。
3.3.4 混流式转轮
3.3.4.1 混流式转轮的结构
➢ 转轮下环的作用是增加转轮强度和刚度并与上冠形成过流通道。
➢ 泄水锥的作用是引导经叶片流道流出的水流迅速而顺畅地向下渲
相对开度是某一位置开度与最大开度的比值，用百分数表示，一
般所说开度即相对开度。
➢ 开度的变化导致流量变化，
进而改变机组出力。
➢ 导叶开度由调速器控制。
3.3.2 导水部件
3.3.2.3 导水机构的开度
小流量时开度
大流量时开度
3.3.3 工作部件
3.3.3.1 工作部件的作用
➢ 工作部件即转轮。
➢ 转轮作用是将水能转换为旋转机械能。它对水轮机的性能、结构、
轴流定桨式
泄水锥 叶片
轮毂
3.3.5 轴流式转轮
3.3.5.1 轴流式转轮的结构
轴流转桨式
桨叶操作机ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ示意图 1-桨叶；2-转轴；3、4-轴承； 5-转臂；6-连杆；7-操作架；
8-接力器活塞；9活塞杆
3.3.5 轴流式转轮
3.3.5.2 轴流式转轮的适用范围
➢ 轴流式水轮机根据转轮叶片在运行中能否调节，又分为轴流定桨
导水机构，基本保证水流的轴对称性与均匀性，并形成一定的环 量，以提高水能转换效率。
3.3.1 混流式引水部件 3.3.1.2 引水部件的类型
➢ 为了适应不同流量与水头条件，各种型式反击式水轮机所采用的
引水室形状和材料是不一样的。归纳起来有开敞式引水室、罐式 引水室和蜗壳式引水室三大类。 1.开敞式引水室
水轮机工作原理
水轮机工作原理
水轮机工作原理是通过水的力量来驱动转轮转动，从而产生动力。
水轮机主要由转轮、导水管和发电机组成。
水轮机利用水的重力势能和动能转化为机械能。
当水从导水管流入转轮处时，由于水的自身重力和流速的作用，会给转轮带来冲击力。
转轮通常是由多个叶片组成的，当水流冲击到叶片上时，会使转轮发生旋转。
转轮旋转的动力进一步转化为机械能，通过轴传递给发电机。
发电机利用机械能转化为电能，通过输出电压和电流，实现电能的传输和应用。
水轮机的工作原理可以分为两种类型：反动式和顶轮式。
反动式水轮机是将流出的水引流回转轮的另一侧，以反向推动转轮，从而增加转轮的动力。
顶轮式水轮机是将流出的水直接引导到转轮上，由水的冲击力驱动转轮旋转。
总的来说，水轮机的工作原理是利用水的力量产生机械能，然后通过发电机将机械能转化为电能。
这种利用水能的方式广泛应用于水电站和其他需要大量电能的场合。
水轮机知识水轮机的主要类型及适用水头
水轮机的主要类型及适用水头水轮机是将水能转换成旋转机械能的一种水力原动机。
根据转轮转换水流能量方式的不同，水轮机分成两大类：反击式水轮机和冲击式水轮机。
反击式水轮机包括混流式、轴流式、斜流式和贯流式水轮机；冲击式水轮机分为水斗式、斜击式和双击式水轮机。
一、反击式水轮机反击式水轮机转轮区内的水流在通过转轮叶片流道时，始终是连续充满整个转轮的有压流动，并在转轮空间曲面型叶片的约束下，连续不断地改变流速的大小和方向，从而对转轮叶片产生一个反作用力，驱动转轮旋转。
当水流通过水轮机后，其动能和势能大部分被转换成转轮的旋转机械能。
1.混流式水轮机如图1-4所示，水流从四周沿径向进入转轮，然后近似以轴向流出转轮。
混流式水轮机应用水头范围较广，约为20～700m，结构简单，运行稳定且效率高，是应用最广泛的一种水轮机。
图1-4 混流式水轮机1—主轴；2—叶片；3—导叶2．轴流式水轮机如图1-5所示，水流在导叶与转轮之间由径向流动转变为轴向流动，而在转轮区内水流保持轴向流动，轴流式水轮机的应用水头约为3～80m。
轴流式水轮机在中低水头、大流量水电站中得到了广泛应用。
根据其转轮叶片在运行中能否转动，又可分为轴流定桨式和轴流转桨式水轮机两种。
轴流定桨式水轮机的转轮叶片是固定不动的，因而结构简单、造价较低，但它在偏离设计工况运行时效率会急剧下降，因此，这种水轮机一般用于水头较低、出力较小以及水头变化幅度较小的水电站。
轴流转桨式水轮机的转轮叶片可以根据运行工况的改变而转动，从而扩大了高效率区的范围，提高了运行的稳定性。
但是，这种水轮机需要有一个操作叶片转动的机构，因而结构较复杂，造价较高，一般用于水头、出力均有较大变化幅度的大中型水电站。
图1-5 轴流式水轮机1—导叶；2—叶片；3—轮毂3．斜流式水轮机如图1-6所示，水流在转轮区内沿着与主轴成某一角度的方向流动。
斜流式水轮机的转轮叶片大多做成可转动的形式。
因此，斜流式水轮机具有较宽的高效率区，适用水头在轴流式与混流式水轮机之间，约为40～200m。
水轮机结构与原理
水轮机是把水流的能量转换为旋转机械能的动力机械，它属于流体机械中的透平机械。
早在公元前100年前后，中国就出现了水轮机的雏形——水轮，用于提灌和驱动粮食加工器械。
现代水轮机则大多数安装在水电站内，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。
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大类。
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。
冲击式水轮机按水流的流向可分为切击式(又称水斗式)和斜击式两类。
斜击式水轮机的结构与水斗式水轮机基本相同，只是射流方向有一个倾角，只用于小型机组。
早期的冲击式水轮机的水流在冲击叶片时，动能损失很大，效率不高。
1889年，美国工程师佩尔顿发明了水斗式水轮机，它有流线型的收缩喷嘴，能把水流能量高效率地转变为高速射流的动能。
理论分析证明，当水斗节圆处的圆周速度约为射流速度的一半时，效率最高。
这种水轮机在负荷发生变化时，转轮的进水速度方向不变，加之这类水轮机都用于高水头电站，水头变化相对较小，速度变化不大，因而效率受负荷变化的影响较小，效率曲线比较平缓，最高效率超过91％。
20世纪80年代初，世界上单机功率最大的水斗式水轮机装于挪威的悉·西马电站，其单机容量为315兆瓦，水头885米，转速为300转／分，于1980年投入运行。
水头最高的水斗式水轮机装于奥地利的赖瑟克山电站，其单机功率为22.8兆瓦，转速750转/分，水头达1763.5米，1959年投入运行。
反击式水轮机可分为混流式、轴流式、斜流式和贯流式。
在混流式水轮机中，水流径向进入导水机构，轴向流出转轮；在轴流式水轮机中，水流径向进入导叶，轴向进入和流出转轮；在斜流式水轮机中，水流径向进入导叶而以倾斜于主轴某一角度的方向流进转轮，或以倾斜于主轴的方向流进导叶和转轮；在贯流式水轮机中，水流沿轴向流进导叶和转轮。
第五章 反击式水轮机的基本结构(二)
弯肘形尾水管的选择及计算
与直锥型尾水管的不同之处在于弯肘形尾水管的轴 心线为曲线，整个尾水管由不同断面形状组织而成。 选择弯肘形尾水管就是根据电站机组的具体条件选择 各组合断面的几何参数。 参数选择原则：
一方面要尾水管有较高的能量指标，增加尾水管的 高度，即恢复系数要大，这会对电站带来长期的经济 效益；
行，防止产生飞逸。
水轮发电机组在工作中水头或负荷（出力）变化时， 转速是固定不变的，就必须调节通过的流量。理想的 调节机构是在运行工况变化时，仅仅只改变流量而水 头损失很小。
水轮机流量调节方程
Q
r2
gH
1
2b0
ctga0
r2 A2
ct g 2
流量调节可通过改变：
导叶高度 b0
转轮叶片角度 β2
电力系统的负荷处于非规律性变化，根据水轮发 电机组出力变化灵活的特点，要求其出力可进行动 态调节。
对磁极对数确定的水轮发电机，输出电能的频率 取决于机组的转速，因此要保持机组供电频率不变， 则必须维持机组转速不变，一般要求不得超过 ±0.1%-±0.4%。
水轮机调节的基本任务：根据负荷的变化不断调节 水轮发电机组的出力，并维持机组转速在规定范围 内；还有机组起动、并网和停机等任务。
机组转速下降。应增大水轮机流量，从而增大Mt，以
达到Mt=Mg的新平衡状态。
水轮机调节系统过渡过程：系统以频率（即机组转速） 为被调节参数，根据实测频率与给定值间的偏差调节 导水机构的开度，从而改变机组的出力和转速（频 率)，但要使改变后的频率符合给定值，需要一个调 节过程。
在过渡过程中频率、开度等参数随时间的变化情况， 及在经过一段时间以后是否能达到新的平衡状态（稳 定工况），与调节系统的特性有关，这种特性称调节 系统的动特性。
水轮机分类和结构(水电站培训资料)
水轮机分类和结构一、水轮机分类1、按能量方式转换的不同，它可分为反击式和冲击式两类。
反击式利用水流的压能和动能，冲击式利用水流动能。
反击式中又分为混流式、轴流式、斜流式和贯流式四种。
冲击式中又分为水斗式、斜击式和双击式三种。
2、混流式：水流从四周沿径向进入转轮，近似轴向流出。
应用水头范围：30m~700m。
特点：结构简单、运行稳定且效率高。
3、轴流式：水流在导叶与转轮之间由径向运动转变为轴向流动。
应用水头：3~80m。
特点：适用于中低水头，大流量水电站。
分类：轴流定桨、轴流转桨4、冲击式：转轮始终处于大气中，来自压力钢管的高压水流在进入水轮机之前已经转变为高速射流，冲击转轮叶片作功。
水头范围：300~1700m。
适用于高水头，小流量机组。
5、水轮机主轴布置形式分类（1）水轮机按主轴的布置形式又可分为卧式和立式两种（也称横轴和立轴）。
立式布置得水轮发电机分为悬式和伞式两种。
（2）悬式发电机的推力轴承位于发电机转子上部的上机架上或上机架中。
伞式发电机的推力轴承位于转子下部的下机架中，或用支架支承在水轮机顶盖上。
伞式发电机又分普通伞式（其上、下导轴承分别位于上、下机架中），半伞式（只用上导轴承，它布置在上机架中，无下导轴承；我厂机组为此类型）和全伞式（只有下导轴承，它布置在下机架中，无上导轴承）。
二、水轮机主要基本参数1、工作水头H是指水轮机进、出口断面处单位重量水体的能量差，单位是米（m），典型工作水头有以下：（1）最大水头（Hmax）：水轮机运行范围内允许出现的最大净水头。
（2）最小水头（Hmin）：水轮机运行范围内允许出现的最小净水头。
（3）设计水头（H设）：水轮发电机组发出额定功率时的最小水头。
2、流量Q是指单位时间内，通过水轮机某一既定过流断面的水量，单位是立方米/秒。
3、出力N是指水流在单位时间内所做的功（功率），其大小与水轮机的水头，流量有关，单位为千瓦。
计算公式：N=9.81QHn4、效率是指水轮机总效率，是水轮机输入功率与输出功率之比，其值总是小于1，因为水轮机在工作过程中不可避免地要产生一些能量损失，主要包括：（1）水力损失：即水流经过蜗壳、导水机构、转轮、尾水管的水头损失。
第五章 反击式水轮机的基本结构(一)
3
t
主轴重量Ws的近似计算：
高水头混流式：Ws=WR
中水头混流式：Ws=（0.4~0.5）WR 对发电机与水轮机同一轴的机组：Ws=（0.7~0.8）WR 水轮机总的轴向推力：
F Ft 9 .81 10 3 (W R W S )
N
高水头混流式水轮机为降低机组推力轴承的负荷，
混流式转轮比转速与叶片数关系表
Ns 叶片数
叶片上端与上冠相连，下端与下环连成一个整体。
增加叶片数可增加转轮的强度和钢度，因此当水轮机
应用水头提高时转轮叶片数亦相应增加。
叶片厚度在流道中排挤过流空间，叶片数增加， 必然减小过水断面面积，致使转轮单位流量减小。
叶片数不同时效率与单位流量的关系曲线
叶片数对空化性能的影响： 增加叶片数：在叶片长度不变的情况下，意味增加转 轮叶栅稠密度，即增加叶片的总面积，从而降低单位 面积叶片负荷，降低叶片正背面压差，这将改善空化 性能。因混流式转轮叶栅的稠密度本来就较大，所以 因叶片数增加使空化得到的改善并不显著。同时增加 叶片数，必然引起叶片对流道的排挤增加，流道中流 速增加，又使得空化性能变坏。 叶片数增加对空化性能的影响要看哪个因素起主要 作用而定，没有一定规律。
一、轴流式水轮机转轮
1、转轮体 小型定桨式转轮，一般采用圆柱形转轮体。 优点：转轮体形状简单，同时水力条件和空蚀性能均 比球形转轮体好。 缺点：转轮体与叶片内缘之间的间隙是根据叶片在最 大转角时的位置来确定的。当转角减小时，转轮体与 叶片之间的间隙显著增大，漏水量增加，效率下降。 所以圆柱形转轮体的效率低于球形转轮体。
上冠流线：直线形、曲线形。
直线型：具有较好工艺性，但效率特别在负荷超过最
优工况时低于曲线型上冠。
02__水轮机及其选择分析讲解
第二章水轮机及其选择水力机械❑水轮机+发电机：水轮发电机组❑功能：发电❑水泵+电动机：水泵抽水机组。
❑功能：输水❑水泵+水轮机：抽水蓄能机组。
❑功能：抽水蓄能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。
2.1 水轮机的类型和构造()()()()()()()()()()()()()()⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎨⎧⎪⎩⎪⎨⎧⎪⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎪⎨⎧⎪⎩⎪⎨⎧⎪⎩⎪⎨⎧ 双击式 斜击式 切击式水斗式冲击式贯流调桨式贯流定桨式贯流转桨式贯流式 斜流式 轴流调桨式 轴流定桨式 轴流转桨式轴流式 混流式反击式水轮机SJ XJ CJ GT GD GZ GL XL ZT ZD ZZ ZL HL一、反击式水轮机❑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，流过转轮的水流是连续的，而且在同一时间内，所有转轮叶片之间的流道都有水流通过，即水流充满转轮室。
反击式水轮机类型❑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适用于高水头小流量电站。
三峡水电站水轮机转轮❑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)。
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。
常用于抽水蓄能水电站。
反击式水轮机类型4. 贯流式：水轮机的主轴装置成水平或倾斜。
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。
适用于低水头、大流量的河床式和潮汐水电站。
二、冲击式水轮机❑定义：利用水流的动能来做功的水轮机为冲击式水轮机。
❑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。
水轮机知识水轮机的主要类型及适用水头
水轮机的主要类型及适用水头水轮机是将水能转换成旋转机械能的一种水力原动机。
根据转轮转换水流能量方式的不同，水轮机分成两大类：反击式水轮机和冲击式水轮机。
反击式水轮机包括混流式、轴流式、斜流式和贯流式水轮机；冲击式水轮机分为水斗式、斜击式和双击式水轮机。
一、反击式水轮机反击式水轮机转轮区内的水流在通过转轮叶片流道时，始终是连续充满整个转轮的有压流动，并在转轮空间曲面型叶片的约束下，连续不断地改变流速的大小和方向，从而对转轮叶片产生一个反作用力，驱动转轮旋转。
当水流通过水轮机后，其动能和势能大部分被转换成转轮的旋转机械能。
1.混流式水轮机如图1-4所示，水流从四周沿径向进入转轮，然后近似以轴向流出转轮。
混流式水轮机应用水头范围较广，约为20～700m，结构简单，运行稳定且效率高，是应用最广泛的一种水轮机。
图1-4 混流式水轮机1—主轴；2—叶片；3—导叶2．轴流式水轮机如图1-5所示，水流在导叶与转轮之间由径向流动转变为轴向流动，而在转轮区内水流保持轴向流动，轴流式水轮机的应用水头约为3～80m。
轴流式水轮机在中低水头、大流量水电站中得到了广泛应用。
根据其转轮叶片在运行中能否转动，又可分为轴流定桨式和轴流转桨式水轮机两种。
轴流定桨式水轮机的转轮叶片是固定不动的，因而结构简单、造价较低，但它在偏离设计工况运行时效率会急剧下降，因此，这种水轮机一般用于水头较低、出力较小以及水头变化幅度较小的水电站。
轴流转桨式水轮机的转轮叶片可以根据运行工况的改变而转动，从而扩大了高效率区的范围，提高了运行的稳定性。
但是，这种水轮机需要有一个操作叶片转动的机构，因而结构较复杂，造价较高，一般用于水头、出力均有较大变化幅度的大中型水电站。
图1-5 轴流式水轮机1—导叶；2—叶片；3—轮毂3．斜流式水轮机如图1-6所示，水流在转轮区内沿着与主轴成某一角度的方向流动。
斜流式水轮机的转轮叶片大多做成可转动的形式。
因此，斜流式水轮机具有较宽的高效率区，适用水头在轴流式与混流式水轮机之间，约为40～200m。
水电站基本知识解读
2009年2月
浙江水专国家精品课程《水电站》/
第二章 水轮机的工作原理
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第一节 水流在反击式水轮机转轮中的运动
一、复杂的空间非恒定流
水轮机内的水流运动是复杂的空间非恒定流
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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。
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3、反击式水轮机最优工况 同时满足β1= βe1、α2=90°(V2⊥U2)时，进口无撞 击，出口无涡损，η最高，称为水轮机的最优工况。 对高水头水轮机，能量损失主要发生在引水部件 内，故最优转轮出口应为法向出口。 对中、低水头水轮机，能量损失主要发生在尾水 管和转轮内，一般α2略小于90°时，效率较高，可
第三节 水轮机的效率及最优工况
一、水轮机的效率(efficiency) 水轮机的能量损失导致N < Ns ，效率<1 效率是由水力效率 、流量效率、机械效率组成 1. 水力损失(head loss)及水力效率 蜗壳、导叶、转轮、尾水管 —— 沿程损失 旋涡、 脱流、 撞击 —— 局部损失 水轮机的水力效率为:
速度与分速度的空间矢量关系
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第二节 水轮机工作的基本方程式
一、动量矩定理 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
Qe
g
(Vu1 r1 Vu 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。
水力机械第二章12讲解
（3）水轮机加权平均水头Hw ：是指在规定的运行条件 下，考虑功率和工作历时的水轮机工作水头的加权平 均值。
（4）水轮机设计水头Hd ：是指水轮机在最高效率点运 行时的工作水头。
（5）水轮机额定水头 Hr ：是指水轮机在额定转速下， 发出额定功率时所需的最小工作水头。
a1= a0
—对于中、高比转速混流式水轮机和轴流式水轮机，从导
叶出口至转轮叶片进口有一定距离，但根据动量矩定理可证明 其速度矩保持不变，由此可推导出
vu1
Q
D1ib0
ctga0
vu1的方向与u1方向相同
（4）转轮叶片出口相对速度 w2的方向 出口相对速度w2 的方向角b2 ，按转轮叶片为无限多、无限
为了研究水流对水轮机主轴产生的作用力矩，可
将绝对速度v 分解成圆周切向分速度 vu 和轴面分 速度 vm ，轴面分速度vm 还可以再分解为径向 分速度 vr 和轴向分速度vz，即
v vr vz vu vm vu
相对速度亦 可做这样的 分解 。
研究水轮机 工作过程最 有意义和最 有代表性的 是转轮进、
方向：与u1和u2的方向垂直
进口：
vm1
Q F1
出口：
Q vm2 F2
式中，F1 和F2分别为转轮叶片进、出口过计算点 的过水断面积，m2。
（3）转轮叶片进口绝对速度 v1 的方向或圆周切向分速度 vu1 的大小和方向
—对于应用水头较高的低比转速混流式水轮机，转轮叶片 进口与导水叶出口相距很近，进口绝对速度 v1 的方向角a1 ，可 以近似的认为等于该工况时导水叶的出口安放角a0，即
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反击式水轮机工作原理
一、引言
反击式水轮机是一种常见的水力发电设备，其工作原理是利用水流的
动能转化为机械能，再通过发电机将机械能转化为电能。
本文将详细
介绍反击式水轮机的工作原理。
二、反击式水轮机的结构
反击式水轮机主要由导叶、转子、定子和出口管道等组成。
其中导叶
用于控制水流进入转子，转子则是将水流动能转化为旋转动能的部件，定子则是固定在反击式水轮机壳体内部的部件，用于支撑和固定转子，出口管道则是将旋转后的水流引出。
三、反击式水轮机的工作原理
1. 水流进入导叶
当水流进入反击式水轮机时，首先会遇到导叶。
导叶的作用是将进入
反击式水轮机的高速液体流量控制并引导到适当位置。
导叶可以调整
其位置和角度以改变液体进入转子的速度和方向。
2. 水流进入转子
经过导叶控制后，液体会进入到具有特殊形状和角度的叶片上。
这些叶片被称为转子，它们旋转的动能会将水流动能转化为机械能。
由于转子的叶片形状和角度不同，因此液体在进入和离开叶片时会发生压力变化，这种变化会使得叶片产生反作用力。
3. 反作用力
反作用力是指液体在进入和离开叶片时产生的压力变化所产生的反向力量。
这种反向力量可以使得转子旋转，并将机械能传递给发电机。
4. 转子传递机械能
当水流进入并离开叶片时，会产生反作用力，这些反作用力可以使得转子旋转。
由于液体的运动速度很高，因此可以通过增加叶片数量和角度来增加液体对叶片的冲击力，从而提高机械能输出。
5. 发电机将机械能转化为电能
最后，通过与反击式水轮机相连的发电机将机械能转化为电能。
发电机中包含了一系列线圈和磁铁等部件，在机械运动下产生磁场变化从
而产生电流。
四、总结
综上所述，反击式水轮机是一种利用水流动能转化为机械能的设备。
水流经过导叶进入转子，由于叶片形状和角度的不同，液体在进入和离开叶片时会产生反作用力，从而使得转子旋转并将机械能传递给发电机，最终将机械能转化为电能。