第一章-水轮机的类型构造及工作原理
水轮机类型构造及工作原理培训课件课件(PPT36页)
我厂水轮机型号：HLA743-LJ-395
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三、水轮机结构简介
由于水轮机类型较多，这次培训主要讲述我厂的水轮机结构，总体来说水
轮机分为埋入部分、导水机构、转动部分、水导轴承、主轴密封、检修密封、
接力器及机组自动化等几个主要部件。
1、埋入部分
埋入部分由肘管、锥管、座环、蜗壳、机坑里衬等组成。
座环
机坑里衬
蜗壳 预留坑
基础环
尾水管里衬
埋设件安装
我厂的水轮机类型为混流式
混流式水轮机：混流式水轮机结构简单，运行可靠，效率高，应用于水 头范围宽阔，水流沿径向进入转轮而轴向流出转轮。与其他型式的水轮机相 比，当运行条件相同时，混流式的能量特性比水斗式好，面抗气蚀性能比轴 流式强，额定负荷时效率高。同时，它的结构简单，制造、安装方便，运转 可靠，因而得到广泛的应用。
水轮机类型、构造及工作原理
二〇一七年八月
目录
一
水轮机概述
二
水轮机分类及型号
三
水轮机结构
四
水轮机常见问题及分析
五
小结
1
一、水轮机概述
1、水力发电基本原理
水轮机获得旋转的机械能后带动发电机旋转，发电机便将旋转的机械能 转换成电能。
2 、水轮机的基本工作参数
当水流通过水轮机时，水流的能量被转换为水轮机转轮的机械能，就 把这一能量转换的过程的参数，来作为水轮机的基本工作参数。
第一章_水轮机类型构造
kg.m/s） （kg.m/s） 又工程上常用“千瓦” 又工程上常用“千瓦”或“马力”来表 马力” 示： 1千瓦=102kg.m/s。 千瓦=102kg.m/s。 =102kg.m/s 水流给予水轮机的功率 水轮机作的有效功率 水轮机输出功率（出力） 水轮机输出功率（出力） （η为水轮机的效率） 为水轮机的效率） 千瓦） （千瓦）
二、水头 水轮机的水头，也称工作水头， 水轮机的水头，也称工作水头，即水轮机工作 的净水头。 的净水头。 定义： 定义：单位重量水体通过水轮机进出口断面的 能量差值。 能量差值。
为了推求
和
，以下游水位
为基准面， 为基准面，列上游引水道进口与 水轮机进口断面、水轮机出口与 水轮机进口断面、 下游尾水渠断面的能量方程， 下游尾水渠断面的能量方程，并 忽略上游进口断面和下游尾水渠 断面的流速水头的差值， 断面的流速水头的差值，并忽略 B-D处的水头损失，由此可以得 处的水头损失， 到：
为了研究问题的方便，工程上一般作如下假定： 为了研究问题的方便，工程上一般作如下假定： 1.假定叶片无限多、无限薄。 1.假定叶片无限多、无限薄。这样可以认为转轮中 假定叶片无限多 的水流运动是均匀、轴对称的。显然在此假定下， 的水流运动是均匀、轴对称的。显然在此假定下， 流线也就和骨线的形状完全一致。（ 。（叶片翼形断面 流线也就和骨线的形状完全一致。（叶片翼形断面 的中心线称为骨线） 的中心线称为骨线） 2.假定水流在进入转轮之前的运动是均匀的、 2.假定水流在进入转轮之前的运动是均匀的、轴对 假定水流在进入转轮之前的运动是均匀的 称的。 称的。 3.假定水轮机在所研究的工况下保持稳定运行， 3.假定水轮机在所研究的工况下保持稳定运行，即水 假定水轮机在所研究的工况下保持稳定运行 轮机的特征参数（ 保持不变， 轮机的特征参数（H、Q、N、n）保持不变，从而水流 在水轮机各过流部件中的运动均为恒定流动。 在水轮机各过流部件中的运动均为恒定流动。 4.忽略水流的粘性： 4.忽略水流的粘性： 忽略水流的粘性 可认为这些流面之间是互不干扰的。 可认为这些流面之间是互不干扰的。
水轮机原理及构造
水轮机原理及构造1、概述混流式水轮机工作原理：水流经压力钢管在开启蝶阀后进入蜗壳形成封闭的环流〔形成环流是为了使水流作用转轮时，使转轮各方向受力均匀，到达机组稳定运行的目的〕，在导叶开启后，水流径向进入转轮又轴向流出转轮〔所以称之为混流式水轮机〕，在这个过程中由水流和水轮机的相互作用，水流能量传给水轮机，水轮机开始旋转作功。
水轮机带动直流励磁的同步发电机转子旋转后，根据电磁感应原理〔问题〕，在三相定子绕阻中便感应出交流电势，带上外负荷后便输出电流。
注：电磁感应闭合电路的一部分导体在磁场中做切割磁感线运动时，导体中就产生感应电流，这种现象叫做电磁感应，产生的电流叫做感应电流。
①产生感应电流的必要条件是：a、电路要闭合；b、闭合电路中一部分导体做切割磁感线运动，缺一不可；假设是闭合电路的一部分导体，但不做切割磁感线运动则无感应电流，假设导体做切割磁感线运动但电路不闭合，导体上仍无感应电流则导体两端有感应电压。
②感应电流的方向跟磁场方向和导体切割磁感线运动方向有关三者互相垂直，改变磁场方向或改变导体切割磁感线方向都会改变感应电流的方向。
③在电磁感应现象中机械能转化为电能。
应用：发电机是根据电磁感应原理制成的，它使人们大规模获得电能成为现实。
①交流发电机主要由转子和定子两部分组成，另外还有滑环、电刷等。
②交流电的周期与频率周期和频率是用来表示交流电特点的两个物理量，周期是指交流发电机中线圈转动一周所用的时间，所以单位是“秒”；频率是指每秒钟内线圈转动的周数，它的单位是“赫”。
我国使用的交流电周期为0.02秒，频率是50赫，其意义是发电机线圈转一周用时0.02秒，即1秒内线圈转50周，因为线圈每转一周电流方向改变两次，所以，频率为50赫的交流电在1秒钟内方向改变100次。
2、水轮机的主要类型：水轮机基本类型有：还击式冲击式还击式：混流式〔HL〕、东风：HLA722C-LJ-192HL混流式水轮机设计序号为A722C为L立轴J金属蜗壳192转轮直径为192cm轴流式〔ZL〕：轴流转桨式〔ZZ〕轴流定桨式〔ZD〕、斜流式〔XL〕、贯流式〔GL〕：贯流转桨式〔GZ〕贯流定桨式〔GD〕特点：将位能〔势能〕、动能转换为压能，进行工作；转轮完全淹没在密闭的水体中。
水轮机原理及构造
水轮机原理及构造水轮机是一种将水流动能转化为机械能的能量转换装置。
它的工作原理基于动能守恒定律和能量守恒定律。
水轮机的构造主要包括水轮机轮盘、水轮机叶片、水轮机导叶和水轮机主轴等。
水轮机的工作原理：水轮机的工作原理是利用水流的冲击力和动能来推动轮盘旋转，从而进行能量转换。
具体来说，水轮机是利用流体在受力后产生的动量变化来实现动能转化的。
当水流经过水轮机叶片时，由于叶片形状和速度的变化，水流的动量发生了变化。
这个过程中，水流的动能减小，而叶片所受到的水流冲击力增加，从而推动轮盘旋转。
水流的动力作用可分为冲击力和剪力两部分，它们共同作用在叶片上，产生一个向环形斜盘中心方向的作用力，使其在金属皮带或摩擦轮的拉力下转动。
水轮机的构造：1.水轮机轮盘：水轮机轮盘是水轮机的主要部件，它可以分为定子轮盘和转子轮盘两部分。
定子轮盘通常是固定的，而转子轮盘则与主轴连接，并能转动。
轮盘的外形和材料选择需根据具体的工作条件和需求来确定。
2.水轮机叶片：水轮机叶片是位于轮盘上的一系列叶片，其形状和角度的设计对水轮机的性能具有很大的影响。
一般来说，叶片可以分为定叶和移动叶两种类型。
定叶是固定在轮盘上的，主要用于导向水流；移动叶则可以调整角度，用于控制水流的进入和出口。
叶片通常由耐磨和高强度的材料制成，如钢铁或铝合金。
3.水轮机导叶：水轮机导叶位于叶片和进水管道之间，用于引导水流进入叶片。
导叶的设计可根据水流的速度和压力来决定。
通常，导叶是可调角度的，通过调整导叶的角度，可以控制水流的流向和流速，从而实现对水轮机的调节。
4.水轮机主轴：水轮机主轴是连接轮盘和发电机或其他设备的中心轴。
它负责传输轮盘旋转产生的机械能，使之转化成用于发电或其他工作的机械能。
主轴的设计需考虑到承载能力、刚度和传动效率等要素。
除了以上主要构造部件外，水轮机还包括导叶机构、轴承、机壳和冷却系统等辅助部件。
导叶机构通常是由液压或电动设备控制，用于调节导叶的角度。
水轮机
目录第一节水轮机的主要类型第二节水轮机的工作参数第三节水轮机的型号第四节水轮机的装置型式第五节水轮机发展综述第一章水轮机的主要类型、构造第一节水轮机的主要类型自然界有多种能源，其中有很多式可以开发利用的，目前已被利用的能源中主要有热能、水能、风能和核能。
其中水能是一种最经济的能源，水能的开发利用已受到越来越多的关注。
我国有着丰富的水力资源，对水能的开发利用已受到社会的广泛关注，对水能最重要的开发形式就是兴建各种各样的水电站。
水轮机作为将水能转换成旋转机械能的一种水力原动机，是水电站中最重要的组成部分。
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1-1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，是现代应用最广泛的一种水轮机。
图1-1 混流式水轮机1—主轴；2—叶片；3—导叶2．轴流式水轮机如图1-2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。
水轮机的类型构造及工作原理
水轮机的类型构造及工作原理水轮机是一种将水流动能转化为机械能的装置，广泛应用于水利发电、抽水、供水等领域。
根据不同的工作原理和构造方式，水轮机可以分为以下几种类型：1. 蓄能式水轮机（Impulse Water Turbine）：蓄能式水轮机通过高速水流冲击叶轮上的叶片，将水流的动能转化为叶轮的动能，再通过机械传动将动能转化为机械能。
蓄能式水轮机可以进一步分为斯奈尔逊水轮机、佩尔顿水轮机和弧翻水轮机等。
斯奈尔逊水轮机（Pelton Turbine）：斯奈尔逊水轮机是一种利用高速喷射水流冲击叶片的水轮机。
当高速的水流经过喷射管，喷射口处有一个喷嘴，水流经过喷嘴变为高速的射流，射流喷向叶轮上的叶片，冲击叶片使其转动。
斯奈尔逊水轮机主要适用于高水头和小流量的水力发电站。
佩尔顿水轮机（Turgo Turbine）：佩尔顿水轮机是斯奈尔逊水轮机的改进型，喷口由一个切割型孔道和一个喷射皮供水孔组成，通过设计孔道形状和取适当的工作压力，充分利用水力能量，使得佩尔顿水轮机相对效率高，适用于中、小型水力发电站。
弧翻水轮机（Cross-Flow Turbine）：弧翻水轮机是一种垂直轴流式水轮机，水流经过顶部的导水管流入导水槽，然后通过导叶导入叶轮，流经叶轮后再通过弧翻装置流出。
弧翻水轮机适用于较低水头和大流量的水力发电站。
2. 反作用式水轮机（Reaction Water Turbine）：反作用式水轮机是通过水流对叶轮叶片的冲击和流经叶轮的作用力来驱动叶轮旋转的水轮机。
反作用式水轮机可以进一步分为法兰西斯水轮机、咆哮水轮机、半径式水轮机等。
法兰西斯水轮机（Francis Turbine）：法兰西斯水轮机是一种水流流过叶轮两侧的轴流水轮机，水流首先流经导叶，然后分流流经叶轮两侧，冲击叶片使其旋转。
法兰西斯水轮机适用于中、高水头和大流量的水力发电站。
咆哮水轮机（Kaplan Turbine）：咆哮水轮机是一种可调桨叶片的轴流水轮机，叶轮上的桨叶可以根据水流条件的不同调节叶片角度，以适应不同的工况。
水电站
水电站第一章 水轮机的类型、构造及工作原理水轮机的主要类型：反击式（混流式、轴流式、斜流式、贯流式） 冲击式（水斗式、斜击式、双击式）混流式――弗朗西斯水轮机 轴流式――卡普兰水轮机 斜流式――德里亚水轮机 工作水头：也称水头，净水头，是指单位重量水体通过水轮机时的能量减小值，符号H 。
相对高度：导叶相对高度b 0/D 1：HL ：0.1~0.39; ZL ：0.35~0.45水轮机型号：（水轮机型号拼音缩写，阿拉伯数字指转轮型号）－（主轴布置型式和结构特征拼音缩写）－（阿拉伯数字指以cm 为单位的水轮机转轮的标称直径）水轮机效率：水轮机效率ɳ表示水轮机的出力N 与水流输入功率N w 的比值。
水力效率H h ：e H H H =-D å ()e H Q H H H QH Hg h g -D ==å 容积效率V h ：()e e V e Q q H Q q Q QH Q Qg h g --===邋 机械效率m h ：e m m e e N N N N N h -D == 水轮机最优工况：效率ɳ最高的工况。
最优工况即为撞击损失和涡流损失均最小的工况。
第二章 水轮机的蜗壳、尾水管及气蚀尾水管的作用：1.汇集并引导转轮出口水流排往下游。
2.当H 2>0时，利用这一高度水流所具有的位能。
3.回收转轮出口水流的部分动能。
尾水管三段：1.进口直锥段：进口直锥段是一段垂直的圆锥形扩散管，其内壁设金属里衬，以防止旋转水流和涡带脉动压力对管壁的破坏。
2.中间弯肘段：常称为肘管，它是一段90°转弯的变截面弯管，其进口断面为圆形，出口断面为矩形。
3.出口扩散段：出口扩散段是一段水平放置、两侧平行、顶板上翘a 角的矩形扩散管。
气蚀：水轮机流道内流动水体中的微小气泡在形成、发展、溃裂过程中对水轮机过流部件表面所产生的物理化学侵蚀作用。
产生机理和物理过程：水流在水轮机流道中运动时可能发生局部的压力降低，当压力低到汽化压力时，水就开始汽化，溶解的空气开始聚集、逸出，出现大量气泡。
1.水轮发电机结构及工作原理介绍
1. 混流式
2. 轴流式
低水头轴流式水轮机转轮 高水头轴流式水轮机转轮
3. 其他
斜 流 式 水 轮 机
水泵水轮机转轮
导水机构
控制环 导叶连杆 活动导叶 导叶套筒 顶盖
底环
4. 发电机
机组转子吊装
• 水轮发电机组的型式
– 按布置方式分：可分为卧式和立式两种。
• 卧式水轮发电机适合中小型、贯流及冲击式水轮机。 • 一般低、中速的大、中型机组多采用立式发电机。
– 推力瓦
•
• •
– 镜板
• 镜板是将推力负荷传递到推力瓦上的部件，技术要 求高。 • 要求镜板保证其平面度和水平度，一般为0.02mm／ m。 • 镜板多采用45号锻钢，应有足够的刚度。
– 推力头
• 推力头是承受并传递机组轴向负荷及扭矩的部件。 多数用平键和卡环固定在主轴上，也有采用热套方 法固定于主轴上的。 • 推力头应有足够的刚度和强度，以承受机组轴向推 力产生的弯矩作用，不致产生有害的变形和损坏。
• 刚性支柱螺钉支承方式的推力轴承
– 刚性抗重螺栓支承方式的推力轴承结构如图：
1—上机架；2—冷却器；3—气窗；4—导轴承装配；5—密封盖；6—卡环； 7—推力头；8—隔油板；9—镜板；10—挡油管；11—主轴；12—轴承座； 13—抗重螺栓；14—托盘；15—推力瓦；16—绝缘垫
– 抗重螺栓
• 推力瓦由头部为球面的抗重螺栓支承，抗重螺栓垂 直拧入装有螺纹套筒的轴承座上。调整抗重螺栓的 高度，可使瓦块保持在同一水平面上，使瓦块受力 均匀。 推力瓦是推力轴承中的关键部件，它是整个机组转 动部分和固定部分的摩擦面，并且承受整个机组转 动部分的重量和轴向水推力。 推力瓦一般做成扇形块，中小型水轮发电机推力轴 承的推力瓦数多为6块～8块。 常用的推力瓦有巴式合金推力瓦和弹性金属氟塑料 瓦两种。
第1章水轮机的主要类型及结构优秀课件
在实际应用中，功率通常用kW表示： 所以
把水轮机的出力与其输入功率的比值 称为水轮机的效率，用η表示：
则
四、工作力矩与转速
水轮机的出力使主轴旋转作功，因而出 力亦可用旋转机械运动的公式来表达：
水轮机的转速和发电机的转速相同并符合标 准同步转速，即应满足下列关系式：
所以
第二节 水轮机的主要类型
水轮机的转轮是将水流能量转换为旋转机械 能的核心部分，当忽略其间的水力损失时可用下 式表示：
二、轴流转桨式水轮机
图1—20是轴 流转桨式水轮机的 立面结构图，可以 看出除转轮和转轮 室以外，其他部分 均与混流式水轮机 相类似。
三、斜流式 水轮机的构造
四、灯泡贯流式水轮机的构造
灯泡贯流 式水轮机的构 造，如图1- 8 所示这种水轮 机即是一没有 蜗壳的、卧式 装置的轴流转 桨式水轮机。
3．双击式水轮机
双击式水轮机 如图1—J1所示，其 特点是由喷嘴出来 的射流首先从转轮 外缘冲击叶片，接 着水流又自内缘再 一次冲击叶片，它 的适用水头范围为 5～80m。
现将各类水轮机归纳简述如下：
水轮机
反击式 冲击式
混流式 轴流式 斜流式 贯流式
水斗式 斜击式 双击式
轴流定桨式 轴流转桨式 全贯流式 灯泡式 半贯流式 轴伸式
1．混流式水轮机
混流式水轮机，如图1-2所示，水流流经转轮 时，以 辐向从四 周进入转 轮而以轴 向流出转 轮，故称 为混流式 水轮机。
2．轴流式水轮机
轴流式水轮机，如图1—3所示，这种水轮机的水流 在进入转轮之 前，流向已经 变得与水轮机 主轴中心线平 行，因此水流 在经过转轮时 沿轴向进入而 又依轴向流出， 所以称为轴流 式水轮机。
二、冲击式水轮机
第一章 水轮机的类型,构造及工作原理
第一章水轮机的类型，构造及工作原理第一节水轮机的主要类型水轮机主要利用水能做功，将水能转换为旋转机械能。
列转轮进出口能量方程：即 E p +E c =1 。
根据水流作用原理分：冲击式：E p =0 E C =1 完全利用水流动能；反击式：0<E P <1 E p +E c =1 以利用势能为主。
一反击式水轮机(reaction water turbine)1 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道都由水流通过，积水流充满转轮室。
2 原理：水流通过转轮叶片时，水流流速的大小、方向均发生变化，因此动量也发生了改变，水流产生反作用力，作用与每个转轮叶片，使转轮产生旋转力矩，从而做功。
3 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优点：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。
（刘家峡）(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。
(a) 、轴流定浆式：叶片不能随工况的变化而转动。
改变叶片转角时需要停机进行。
结构简单，效率低。
适用H 、Q 变化不大的情况（工况较稳定），H ：3—50m 。
(b) 、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）。
适用水头流量的变化，高效率区广，大中型电站多采用。
H ：3—80m 。
（葛洲坝：17 万kW 、12.5 万kW ，Hr=27m ）。
(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。
H=40—120m 。
(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。
H<20m, 小型河床电站。
全贯流式：发电机转子安装在转轮外缘。
优点：水力损失小，过流量大，结构紧凑。
第一章 水轮机的类型构造及工作原理
世界上最高水头的混流式可逆水轮机装于南斯拉夫巴伊 纳巴什塔电站,水头为600.3米，水泵扬程为 623.1米， 单机功率为315兆瓦。
四川农业大学水建系
利用水流的势能和动能进行工作； 转轮完全淹没在密闭的水体中。
总结：水轮机的分类
混流式 轴流式 反击式 轴流转浆式 斜流式 全贯流式 贯流式 灯泡式 轴伸式 竖井式 轴流定浆式
座环（Stay ring）
四川农业大学水建系
三峡水轮机座环，重达 300多吨，竖立的是座环固定导叶， 内侧安装活动导叶，座环中间安装水轮机转轮。
四川农业大学水建系
导水机构（distributor ）
功用：
①引导水流按一定方向进入转轮； ②形成与改变进入转轮的速度环量； ③根据机组负荷变化，调节水轮机流量，改变出力； ④关机时截断水流。
第一节 水轮机主要类型 第二节 水轮机工作参数
第三节 水轮机的基本构造
第四节 水轮机型号 第五节 水流在反击式水轮机转轮中的运动
第六节 水轮机的基本方程式
第七节 水轮机效率及最优工况
四川农业大学水建系
本节课教学内容及教学要求
1
水轮发电机组的基本概念
掌握水轮发电机组的基本概念。
水轮机 水斗式 冲击式
利用水流的动能进行工作 四川农业大学水建系 转轮露在空气中。
半贯流式
双击式 斜击式
小结
四川农业大学水建系
第二节 水轮机的工作参数
1 、水轮机的工作参数是表征水流通过水轮机时水流能量 转换为转轮机械能过程中的一些特性数据。 2 、水轮机的基本工作参数主要有水头、流量、转速、出 力、效率。
2 、冲击式水轮机：主要利用水流的动能做功的水轮机。 冲击式水轮机按射流冲击转轮的方式不同分为水斗式、斜击式 和双击式。
水轮机的类型构造及工作原理
水轮机的类型构造及工作原理水轮机是一种将水的动能转化为机械能的设备，广泛应用于发电、泵送和提水等领域。
根据其工作原理和构造特点的不同，可以将水轮机分为以下几种类型：1. 响应式水轮机（Impulse Turbine）：响应式水轮机利用高速喷射的水流对叶片产生冲击力，从而驱动轮盘转动。
其构造包括水流喷嘴、喷流管道、叶片轮盘和出水管道等部分。
当水流通过喷嘴时，由于喷嘴内部构造的改变，水流速度迅速增大，导致水流的动能增加。
当喷流进入喷流管道后，受到喷流引导叶片上，水流的动能被转化为轮盘的动能，推动轮盘加速转动。
此时，水流的压力能由于水流速度的增加而降低。
最后，水流通过出水管道排出。
2. 反应式水轮机（Reaction Turbine）：反应式水轮机是利用水流动能的转化和扩张来驱动叶片转动的。
它在喷水嘴和叶片间建立起一定的水力耦合关系。
反应式水轮机包括水流引导器、胶囊壳、叶片和出水管道等部分。
当水流通过水流引导器时，水流被引导到胶囊壳内，形成围绕叶片旋转的水流。
水流在转动的过程中，受到叶片的作用力，导致叶片与水流之间的动量交换，从而使叶片和轮盘转动。
反应式水轮机在转动的同时，能够将水的压力能和动能同时转化为机械能。
3. 流浪式水轮机（Turbo Generator）：流浪式水轮机是水轮机的一种高效型式，其叶片通常呈现湾形，能够在相对低的水头条件下工作。
流浪式水轮机的构造与反应式水轮机类似，主要包括水流引导器、胶囊壳、叶片和出水管道。
流浪式水轮机通过引导水流在叶片上形成湍流，使水流的动能转化为叶片的动能。
在水流引导器和胶囊壳之间形成的高速流动水流，能够有效驱动叶片和轮盘转动。
流浪式水轮机的工作原理类似于反应式水轮机，能够同时利用水的压力能和动能。
总的来说，水轮机的工作原理是通过水流对叶片的冲击或水流与叶片之间的相互作用来驱动叶片和轮盘转动，将水的动能转化为机械能。
水轮机的构造主要包括水流引导器、胶囊壳、叶片和出水管道等部分。
水轮机概论及工作原理
2. 工程措施：合理选择安装高程，采取防 沙、排沙措施，防止有害泥沙进入水轮机。
3. 运行方面：避开低负荷、低水头运行， 合理调度，必要时向尾水管补气。
40
水轮机的吸出高度
汽蚀系数 吸出高度 水轮机安装高程
41
汽蚀系数
水能→机械能→电能
5
水轮机的工作参数
1.工作水头 ，又称净水头，等于毛水头减去引水系统水头损失。
差。
毛水头也叫装置水头，等于水电站上下游水位
2.流量
表示水流在单位时间内通过水轮机的 体积。
3.功率
输入功率为水流对水轮机每秒钟付出的机械能。
轮机的出力。
输出功率为水轮机轴输出的机械功率，也叫水
通常所说的水轮机功率，指水轮机输出功率。
按推力轴承位置分：立式发电机又分为悬式和 伞式两种。
推力轴承位于转子上方的发电机称为悬式发电机， 它适用于转速在100r/min以上。
推力轴承位于转子下方的发电机称为伞式发电机， 无上导的称为全伞式，有上导的称为半伞式，它适 用于转速在150r/min以下。
按冷却方式分：可分为空气冷却和水冷却两种 。
2
容积式：依靠运动元件改变 工作容积来实现能量转化 。
（2）按结构分
叶片式 ：依靠高速旋转叶片 与流体之间力的相互作用来 转换能量，又称透平机械 。
3
■水力原动机：以水流为原动力，并将水流能
（ 水轮机 ） 流
量转换为机械能的装置，水
水流能量
经过水力原动机时，
将减少。
■水力工作机：将机械能转换为液体的能量，
适用范围：适用H: 2～25m,小型河床电站。
水轮机概论及工作原理
水轮机概论及工作原理水轮机是一种将水的能量转化为机械能的装置，广泛应用于水力发电和工业生产中。
水轮机的工作原理基于流体静力学原理和动力学原理，通过水流的压力和流速来驱动轮盘的转动。
水轮机的主要组成部分包括定子、转子和导水管道。
定子是需要安装在导水管道上的一种装置，用于引导水流并控制水流的压力和方向。
转子是水轮机的核心部分，由轮盘和转轴组成。
轮盘上面通常有多个叶片，可以根据水流的压力和流速来转动。
转轴将转动的动能传输给发电机或其他机械装置。
根据水轮机叶片的形状和布局方式，可以将水轮机分为多种类型，其中最常见的是水轮机和斜流水轮机。
水轮机：水轮机采用径流式布置，叶片通过水流的冲击和冲击力矩来转动轮盘。
流入水轮机的水流方向垂直于轮盘的转动轴线，水流经过叶片后冲击轮盘的另一侧。
水轮机适用于大流量、低水头的水力资源，如河流和瀑布。
斜流水轮机：斜流水轮机采用斜流式布置，水流的方向与轮盘的转动轴线呈45度角。
水流沿着叶片倾斜的方向经过水轮机，通过叶片的转动转变为轮盘的旋转动能。
斜流水轮机适用于中等流量、中等水头的水力资源，如河流和水库。
水轮机的工作过程可以概括为以下几个步骤：1.水流的引导：水轮机的定子通过导水管道将水流导向叶片区域。
定子具有特定的形状和角度，能够使水流以一定的速度和方向进入叶片。
2.水流的转向：水进入叶片区域后，受到叶片的作用发生方向的变化。
叶片的形状和布局可以改变水流的流向，并且通过冲击叶片产生冲击力矩来推动轮盘的转动。
3.转动轮盘：当水流对叶片施加冲击力矩时，叶片就会开始转动轮盘。
转动轮盘的速度取决于水流的流速和压力，以及叶片的形状和数量。
4.能量转移：转动轮盘的动能可以进一步转移到发电机或其他机械装置。
发电机将机械能转化为电能，用于供电；或者机械装置可以利用转动的动力进行生产。
总体上，水轮机利用水的能量来推动转子旋转，将水流的动能转化为机械能。
水轮机具有高效、可持续的特点，在水力资源丰富的地区广泛应用，为社会经济的发展提供了重要的能源支持。
水轮机原理及构造
水轮机原理及构造1、概述混流式水轮机工作原理：水流经压力钢管在开启蝶阀后进入蜗壳形成封闭的环流（形成环流是为了使水流作用转轮时，使转轮各方向受力均匀，达到机组稳定运行的目的），在导叶开启后，水流径向进入转轮又轴向流出转轮（所以称之为混流式水轮机），在这个过程中由水流和水轮机的相互作用，水流能量传给水轮机，水轮机开始旋转作功。
水轮机带动直流励磁的同步发电机转子旋转后，根据电磁感应原理（问题），在三相定子绕阻中便感应出交流电势，带上外负荷后便输出电流。
注：电磁感应闭合电路的一部分导体在磁场中做切割磁感线运动时，导体中就产生感应电流，这种现象叫做电磁感应，产生的电流叫做感应电流。
①产生感应电流的必要条件是：a、电路要闭合；b、闭合电路中一部分导体做切割磁感线运动，缺一不可；若是闭合电路的一部分导体，但不做切割磁感线运动则无感应电流，若导体做切割磁感线运动但电路不闭合，导体上仍无感应电流则导体两端有感应电压。
②感应电流的方向跟磁场方向和导体切割磁感线运动方向有关三者互相垂直，改变磁场方向或改变导体切割磁感线方向都会改变感应电流的方向。
③在电磁感应现象中机械能转化为电能。
应用：发电机是根据电磁感应原理制成的，它使人们大规模获得电能成为现实。
①交流发电机主要由转子和定子两部分组成，另外还有滑环、电刷等。
②交流电的周期与频率周期和频率是用来表示交流电特点的两个物理量，周期是指交流发电机中线圈转动一周所用的时间，所以单位是“秒”；频率是指每秒钟内线圈转动的周数，它的单位是“赫”。
我国使用的交流电周期为0.02秒，频率是50赫，其意义是发电机线圈转一周用时0.02秒，即1秒内线圈转50周，因为线圈每转一周电流方向改变两次，所以，频率为50赫的交流电在1秒钟内方向改变100次。
2、水轮机的主要类型：水轮机基本类型有：反击式冲击式反击式：混流式（HL）、东风：HLA722C-LJ-192HL混流式水轮机设计序号为A722C为L立轴J金属蜗壳192转轮直径为192cm轴流式（ZL）：轴流转桨式（ZZ）轴流定桨式（ZD）、斜流式（XL）、贯流式（GL）：贯流转桨式（GZ）贯流定桨式（GD）特点：将位能（势能）、动能转换为压能，进行工作；转轮完全淹没在密闭的水体中。
水轮机的类型构造及原理资料
核心部件：转轮
混流式水轮机
2、轴流式水轮机
水流特点：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）。适用水头流 量的变化，高效率区广，大中型电站多采用。 H： 3~80m。（葛洲坝：17万kW）。
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
第一节 水轮机的主要类型
划分标准:水轮机主要利用水能做功，将水能转 换为旋转机械能。列转轮进出口能量方程：
H
(Z1
p1
v12
2g
)
(Z2
p2
v22
2g
)
(Z1
p1
)(ZFra bibliotek2p2
)
v12
斜流式水轮机
斜流式水轮机
4、贯流式水轮机
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。H<20m ， 小型河床电站或潮汐电站。
全贯流式： 发电机转子安装在转轮外缘。 优点：水力损失小，过流量大，结构紧凑。
半贯流式： 轴伸式、竖井式、灯炮式。
v22
1
H
2gH
水轮机分类标准
即Ep+Ec=1。根据水流作用原理分：
冲击式：Ep=0 水流动能；
EC=1 完全利用
反击式：0<Ep<1 Ep+Ec=1 以 利用势能为主。
一、 反击式水轮机
(reaction water turbine)
第一章-水轮机的类型构造及工作原理说课讲解
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斜流式水轮机
➢ 转轮区水流斜向流入，斜向流出。视频3
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斜流式水轮机
适用范围：适用于水头变幅大的电站，一般用于40-200m水头范围 特点：水流经过转轮时是斜向的。转轮叶片随工况变化而转动，
运行效率高，强度高，气蚀性好，但制造工艺复杂 技术要求高。
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轴流式水轮机
➢ 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。视频2
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轴流式水轮机
1)定桨式：叶片不能随工况的变化而转动。改变叶片转角时需要停机进行。 特点：结构简单，效率低。适用H、Q变化不大的情况（工况较稳定）。 适用范围：功率不大，水头变化不大(水头为3-50米)的小型电站。 2）转桨式：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） 适用范围：水头、流量变化大，特别是出力变化较大的大中型电站。
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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，积水流 充满转轮室。
原理：水流通过转轮叶片时，水流流速的大小、 方向均发生变化，因此动量也发生了改 变，水流产生反作用力，作用与每个转轮 叶片，使转轮产生旋转力矩，从而做功。
二、分类 按水流能量的转换特征分为反击式和冲击式水轮机。
1）反击式水轮机：利用水流的势能和动能做功的水轮机。 反击式水轮机按转轮区水流相对于主轴方向的不同分为混流式、
轴流式、斜流式和贯流式。
(河海大学)水轮机类型、构造及工作原理_水电站
第七页，共83页。
第二节 水轮机的工作参数
参数：水头、流量、功率、效率、转速等
一、水头 Head
EUZUEDpUEZ AD U 2VZ pgU2A DpA D 2V gD 2A 2VgA 2
第八页，共83页。
第二节 水轮机的工作参数
效率 N 100%
N入
N N入 9.81QH (kw)
第二十四页，共83页。
第三节 水轮机的主要类型及其构造
混流式水轮 机的基本构
造
蜗壳 spiral case 座环环 ssttaayyrriningg
导水机构 Distributor 转轮 runner
尾水管 draft tube
第二十五页，共83页。
第三节 水轮机的主要类型及其构造
组成：上环、下环及支柱组成。 作用：支承水轮发电机组的重量及蜗壳上部部
叶片的安放角φ： 一般在-15°~+20° 之间，φ＞0°叶 片往开启方向转动， φ＜0°反之。
安放角
第三十九页，共83页。
轴流式水轮机的特点
第三节 水轮机的主要类型及其构造
3
4
5
叶片转动的操作 机构安装在轮毂 内
轮毂比（轮毂直 径dg 与转轮直 径 D1 的比值）：
0.33~0.55
水轮机转轮室 内壁经常承受很 大的脉动水压力。
第四十五页，共83页。
第三节 水轮机的主要类型及其构造
二、冲击式水轮机 Impulse turbine
水流特征：水流以自由射流的水柱冲击转轮，利用水流动 能使转轮旋转。
型式：
水斗式（Pelton Turbine ）
双击式（ Cross flow turbine） 斜击式（Turgo turbine）
水轮机的类型构造及工作原理
水轮机的类型构造及工作原理
水轮机是一种将水流动能转化为机械能的机器，广泛应用于水力发电、灌溉、排水等领域。
根据水轮机的构造和工作原理，可以将其分为以下几种类型：
一、依据水轮机叶轮的类型：
1. 低扬程水轮机：叶轮为平板或斜板叶轮，适用于水头较低的场合。
2. 中扬程水轮机：叶轮为斜流叶轮或混流叶轮，适用于水头较中等的场合。
3. 高扬程水轮机：叶轮为反曲叶轮或轴流叶轮，适用于水头较高的场合。
二、依据水轮机的布置方式：
1. 水平轴水轮机：水流与水轮机轴线平行，叶轮通常为轴流叶轮或混流叶轮。
2. 垂直轴水轮机：水流与水轮机轴线垂直，叶轮通常为斜流叶轮或反曲叶轮。
三、依据水轮机的进水方式：
1. 直径式水轮机：水流直接冲击叶轮，叶轮中心为进水口。
2. 斜流式水轮机：水流斜向冲击叶轮，叶轮中心为进水口。
3. 轴流式水轮机：水流沿轴线方向进入叶轮，叶轮中心为进水口。
水轮机的工作原理是利用水流的动能将叶轮带动旋转，从而将水流动能转化为机械能。
水流经过进水口进入叶轮，叶片将水流的动能转化为叶轮的旋转动能，然后通过轴传递到发电机或其他机械设备上。
水轮机的效率取决于水头、流量、叶轮类型和转速等因素，通常可达到70%以上。
总之，水轮机是一种重要的水力发电设备，其类型和工作原理的了解对于水力发电和水资源利用具有重要的意义。
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建筑物和设备
水轮机
发电机
天然水能
可利用水能
旋转机械能
电能
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水能
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河段水流的出力
E 1 N rwH12 rQH12 t t
从这个式子可以看出： 水头和流量是构成水能的两个基本要素，它们是水 电站动力特性的重要特征。
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水轮发电机组
水轮机是将水能转变
第一章 水轮机的类型、构造及工作原理
第一节 水轮机主要类型
第二节 水轮机工作参数 第三节 水轮机的基本构造
第四节 水轮机型号
第五节 水流在反击式水轮机转轮中的运动
第六节 水轮机的基本方程式
第七节 水轮机效率及最优工况
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本节课教学内容及教学要求
1
水轮发电机组的基本概念
制工况。
(3) 转轮（工作核心)：能量转换，决定水轮机的尺寸、性能、 结构。
(4) 泄水机构(尾水管)：回收能量、排水至下游。
此外还有主轴、轴承等非过流部件。
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反击式水轮机的主要构造
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水流流动方向
上游水库 压力水管 水机构（导叶） 转轮 蜗壳 尾水管 座环 下游。 导
1）反击式水轮机：利用水流的势能和动能做功的水轮机。 反击式水轮机按转轮区水流相对于主轴方向的不同分为混流式、 轴流式、斜流式和贯流式。
2、冲击式水轮机：主要利用水流的动能做功的水轮机。 冲击式水轮机按射流冲击转轮的方式不同分为水斗式、斜击式 和双击式。
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一、反击式水轮机 (reaction water turbine)
斗作功。视频4
斜击式：喷嘴出来的射流沿圆周斜向冲击转轮上的水斗。 双击式：水流两次冲击转轮。
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冲击式水轮机
类型： (1)水斗式：特点是由喷嘴出来的射流沿圆周切线 方向冲击转轮上的水斗作功。适用于负荷变化大而 水头变幅不大的电站。 它是唯一运用于水头在700米以上的水轮机。适用H： 100~2000m；使用最广泛（高水头，小流量） (2)斜击式：H：25-300m 斜击、双击水轮机构造简 单，效率低 (3)双击式：H：5-80m。 多用于小型电站。
特点：水流经过转轮时是斜向的。转轮叶片随工况变化而转动， 运行效率高，强度高，气蚀性好，但制造工艺复杂 技术要求高。
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水头 40—80m
60—130m
120—200m
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贯流式水轮机
水流特点：转轮区水流轴向流入，轴向流出； 结构特点：水轮机主轴装置成水平或倾斜（卧式布置）；
组成：位于导叶的外围。由上、下环和立柱组成。 功用：支撑件和安装基准件。 ①承受发电机组轴向荷载
并传到下部基础； ②支承活动导叶；③使水流以一定方 向、轴对称进入导水机构
断面设计：流线形，保证强度、刚度。数目为活动导叶
的一半。
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座环（Stay ring）
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利用水流的动能进行工作； 斜击式 四川农业大学水建系 转轮露在空气中。
小结
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第二节
水轮机的工作参数
1、水轮机的工作参数是表征水流通过水轮机时水流能量 转换为转轮机械能过程中的一些特性数据。 2、水轮机的基本工作参数主要有水头、流量、转速、出 力、效率。
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工作水头(working head)
天然水流—坝—水库—取水口—有压隧洞—压力钢管—水轮 机—发电机—输变电装置—用户。
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有压引水式水电站示意图
1 —水库；2—闸门室；3—进水口；4—坝；5—泄水道； 6—调压室；7—有压隧道；8—压力管道；9—厂房；10—尾水渠
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第三节 水轮机的基本构造
水轮机主要由引水机构、导水机构、转轮和泄水机构组成。 (1) 引水机构（引水室(蜗壳) 、座环）： ①引导水流均匀、 轴对称进入导水机构； ②形成一定速度环量。 (2) 导水机构（导叶及控制设备)：调节流量、形成环量、控
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水流在反击式水轮机转轮中的运动
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混流式水轮机
在转轮区内水流径向流入转轮，轴向流出。视频1
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混流式水轮机
适用范围：H=20-700 m , 单机容量：几万kW-几十万kW 优点：适用范围广，结构简单，运行稳定，效率高，适用于高 水头小流量电站。 （能适应很宽的水头范围。是目前应用最广泛的水轮机之一）
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，积水流 充满转轮室。 原理：水流通过转轮叶片时，水流流速的大小、 方向均发生变化，因此动量也发生了改 变，水流产生反作用力，作用与每个转轮 叶片，使转轮产生旋转力矩，从而做功。
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导水机构（distributor ）
组成：导叶和传动机构。
导叶：导水机构的主体，由导叶体和导叶轴两部分组成。 上下端分别固定在底环和顶盖上，为流线形。 传动机构：由控制环、连杆、转臂三部分组成，用于传递 接力器操作力矩，使导叶转动，改变导叶开度以改变流量。 导叶转动是通过调速器和接力器来实现的。
2）转桨式：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） 适用范围：水头、流量变化大，特别是出力变化较大的大中型电站。 水头为3-80米
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斜流式水轮机
转轮区水流斜向流入，斜向流出。视频3
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斜流式水轮机
适用范围：适用于水头变幅大的电站，一般用于40-200m水头范围
三峡右岸电站12根直径12.8米的特大型压力引 水钢管，和大坝下方的发电厂房12台水轮发电 机组。
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三峡电站的一台机组蜗壳，由高强度钢板卷制焊 接而成，与大坝引水管相连，蜗壳中间是座环及 固定导叶。
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焊接后的蜗壳用混凝土浇筑在发电厂房地下。
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座环（Stay ring）
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冲击式水轮机
定义：利用水流的动能来做功的水轮机。
工作原理：利用特殊的导水装置，将高压水流变为
高速射流，通过射流与转轮的相互作用 将水流的动能传递给转轮。
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冲击式水轮机
水斗式：喷嘴出来的射流沿圆周切线方向冲击转轮上的水
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出力
1、水流出力N N=9.81QHg 2、水轮机输入功率 (通过水轮机的水流出力) N w QH 9.81QH 水流传给水轮机的能量 3、水轮机输出功率（水轮机出力） N=Nw×ηt
4、机组出力(单机容量)
N g 9.81QH
机组的最大出力
t g
5、水电站装机容量
世界上最高水头的混流式可逆水轮机装于南斯拉夫巴伊 纳巴什塔电站,水头为600.3米，水泵扬程为623.1米， 单机功率为315兆瓦。
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总结：水轮机的分类
利用水流的势能和动能进行工作； 混流式 转轮完全淹没在密闭的水体中。
轴流定浆式 轴流转浆式
轴流式 反击式 斜流式 全贯流式 贯流式 水轮机 水斗式 冲击式 双击式 半贯流式 轴伸式 竖井式 灯泡式
水 轮 发 电 机 组
为旋转机械能，从而带 动发电机发出电能的一
种机械。
水轮机与发电机联接
成的整体称为水轮发电
机组。
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第一节 水轮机主要类型
一、水轮机定义 水轮机是将水能转换成轴的旋转机械能的水力机械。能量转换 是借助转轮叶片与水流的相互作用来实现。 二、分类 按水流能量的转换特征分为反击式和冲击式水轮机。
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工作水头（净水头）
如图所示，A-A为引水道进口，B-B为水轮机进口，C-C为 尾水管出口，D-D为尾水渠。
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最大工作水头Hmax： Hmax=Z正—Z下min—hA-B Z正为上游正常设计水位，Z下min为下游最低水位，一般取一台机组发 电时下游水位。 最小工作水头Hmin: Hmin=Z死—Z下max—hA-B Z死为上游死水位，Z下max为下游最高水位，一般取全部机组发电时 的下游水位或汛期下泄安全泄量时的水位。 设计水头(计算水头)Hr 水轮机发额定出力时的最小水头，一般由设计者根据电站情况确 定。 平均水头: Ha=Z上a—Z下a 即上下游平均水位差。
掌握水轮发电机组的基本概念。
2
主 要 内 容
3
水轮机的主要类型
掌握各水轮机的基本类型、特点及适用范围；
理解反击式、冲击式水轮机的划分原则。
水轮机的工作参数
理解水轮机五个主要工作参数：水头、流量、 转速、出力与效率的定义、表达式及其意义。
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水力发电的基本原理
发电机发电，这种发电方式就称为水力发电。
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蜗 壳 (Volute)
三门峡水电站水轮机蜗壳
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蜗 壳 (Volute)
(一) 功用 使水流产生圆周运动，并引导水流均匀、轴对称 地进入座环。设置在尾水管末端。
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蜗 壳 (Volute)
(二) 型式
金属蜗壳和混凝土蜗壳。
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1、 水电站的毛水头(静水头) Hg=Z上-Z下 2 、水轮机的工作水头(净水头) H=Hg - hA-B (即毛水头 - 水头损失=净水头) hA-B：水电站引水建筑物中的水力损失 3 、特征水头(characteristic head)