水轮机工作原理
第二章 水轮机的工作原理
第一节 水流在反击式水轮机转轮中的运动
讨论：水流在稳定工况下运动，水轮机的工作水 头、流量和转速都保持不变。 为研究方便，认为水流在蜗壳、导水机构、 尾水管中的流动以及在转轮中相对于转动叶片的 运动也都属于恒定流动，即水流运动参数不随时 间的变化而变化。
f 0 t
混流式水轮机流面
代替实际流面的圆锥面母线
流面近似展开图
V U W
V Vu Vz Vr
轴面速度
Vr
Vu
Vm
Vm Vr Vz
Vz
V Vu Vm
V U W
轴面速度
U Uu U z Ur
U Uu
V U W
W Wu Wz Wr
U Uu
轴流式水轮机
将水流运动的圆柱面与叶片相割的流面展开，便可得到 一个平面叶栅的绕流图，在叶栅上亦可绘制出转轮进、出 口速度三角形以进行水流运动分析。
V Vu Vz , W Wu Wz Vm Vz Wm Wz
轴流式水轮机的进出口速度三角形
混流式水轮机： D1 =2m， b0 =0.2m，Q=15m3/s， n=500r/min，导叶出 解转轮进口速度三角形 V1 、 Vu1 、 口边与圆周切线夹角 0 =14o， W1 和 1 。 轴流式水轮机： Q=2m3/s， n=500r/min， D1 =0.7m， d h =0.28m， b0 =0.28m， 导叶出口边与圆周切线夹角 0 =55o，解 D =0.53m 圆柱层上转轮进、 出口速度三角形的 V1 、 W1 、 1 和 V2 、 W2 、 2 。
根据作用力与反作用力的定律，水流对转轮的作用力 矩M与转轮对水流的作用力矩M0数值上相等而方向相反， 则有:
第三章 水轮机工作原理
容积效率
2.水力损失及水力效率
原因：
工作水头
(Q q)( H H ) H e h (Q q) H H
水力损失 有效水头
能源动力工程学院 何宝海
水力效率
3.机械摩擦损失及机械效率
机械损失功率 原因： 输出功率
N e N m N m Ne Qe H e
1.进口速度三角形
转速
考察点直径 圆周速度： 轴面速度： 水轮机的 容积效率
u1
vm1
D1n
60 流量 Q v F1
过水断面 面积
能源动力工程学院 何宝海
确定过水断面面积
F1 2 Rg lae
近似计算：
F1 k1 D12
与转轮型式 和结构有关
F1 D1b0
机械效率 机械效率 有效功率
4.水轮机总效率
总效率 容积效率
V h m
水力效率
水轮机的效率是衡量水轮机能量转换性能的综合指标。 它与水轮机型式、结构尺寸、加工工艺及运行工况等多 因素有关。
能源动力工程学院 何宝海
第三节 水轮机进、出口速度三角形
一、混流式水轮机转轮的进、出口速度三角形
水 流 输入功率 水轮机 输出功率
N i N N
水轮机内总 的功率损失
水轮机内的能量损失可分为： 容积损失： 容积效率 水力损失： 水力效率 机械摩擦损失： 机械效率
能源动力工程学院 何宝海
1.容积损失及容积效率
原因： 发生位置：
有效流量
总流量
Q q Qe V Q Q
漏水量
解： u1
v1,vu1,w1,β1 D1n 2 500
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，。
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
水轮机的工作原理
3．卧轴混流式和贯流式水轮机
第七节 水斗式水轮机旳工作原理
一、水斗式水轮机工作旳基本方程式
自喷嘴喷射出来旳射流以很大旳绝对速度Vo 射向运动着旳转轮，如图2—18所示，Vo 可由下式
求得：
在选定喷嘴数目z。之后，则经过z。个喷嘴
旳流量Q 为：
当选用
kv ＝0．97，
则由已知旳 水轮机引用 流量，便可 得出射流旳
2．间隙汽蚀 当水流经过某些间隙和较小旳通道时，因局部 速度旳升高而形成了压力降低，当压力低于汽化压 力时所产生旳汽蚀称为间隙汽蚀。
3．空腔汽蚀 真空涡带周期性旳冲击使转轮下环和尾水管进 口处产生汽蚀破坏，这种汽蚀称为空腔气蚀。
4．局部汽蚀 因为水轮机旳过流表面在某些地方凹凸不平 因脱流而产生旳汽蚀。
当设有尾水管时，转轮出口处水流旳损失能量
3．尾水管旳作用 从 中减去 ，便可得出因为设置尾水管
后水轮机能够多利用旳能量 为：
综合以上所述，水轮机尾水管旳作用可归纳为：
1)汇集转轮出口旳水流，并引导水流排至下游；
2)当H‘>0时，以静力真空旳方式使水轮机完全 利用了这一高度所具有旳势能；
3)以动力真空旳方式使水轮机回收并利用了转轮 出口水流旳大部分动能。
为
，在正常工作时，其最高效率
=85％～90％，略低于混流式水轮机，但其效
率变化比较平稳，在低负荷和满负荷运营时其效
率反而比混流式水轮机为高，如图4—7所示
三、水斗式水轮机旳安装高程
对于立轴水斗式水轮机，如图2—17(c)所 示，其安装高程要求为喷嘴射流中心线旳高 程，则有：
对于卧轴水斗式水轮机，如图2—17(／)所 示，其安装高程要求为主轴中心线旳高程，则 有：
水轮发电机的工作原理
水轮发电机的工作原理水轮发电机是利用水能转化为机械能，再经过发电机器将机械能转化为电能的一种发电装置。
其工作原理主要包括水轮机的工作原理和发电机的工作原理。
水轮机的工作原理是利用水流的动能驱动水轮机转动。
水轮机由基础、轴承、导水管、转轮等组成。
当水流通过导水管进入转轮内部，由于导水管的合理设计，水流的动能会转化为转轮上的压力能和动能。
转轮上的叶片可以将水流的动能转化为转轮的转动能量。
通过转子轴将转动能量传递至发电机上，进而将其转化为电能。
发电机的工作原理是利用转动的机械能转化为电能。
发电机是由固定的磁极和旋转的励磁线圈（转子）组成。
当转子转动时，励磁线圈会不断切割磁场，产生电磁感应效应。
根据法拉第电磁感应定律，励磁线圈内就会产生感应电动势，并通过导线输出。
同时，为了增强发电效果，发电机通常采用了电磁励磁。
电磁励磁使用励磁线圈产生一个恒定的磁场，从而保持发电机输出的电压稳定。
通过控制转动速度和磁场强度，可以调节发电机输出的电压和电流。
在水轮发电机中，水轮机和发电机相互配合工作，即水流驱动水轮机转动，水轮机将机械能传递给发电机，发电机利用机械能转化为电能。
水轮机通过合理的叶轮设计和水流控制，可以最大程度地转化水流的动能为机械能，提高水轮机的效率。
而发电机通过合理的电磁感应原理和电磁励磁控制，可以将机械能高效地转化为电能。
在实际应用中，水轮发电机广泛用于水能资源丰富的地区，如山区、湖泊等地。
通过调整导水管的角度和水量，可以控制水轮机的转速，从而调节发电机输出的电能量。
水轮发电机具有的优点是水能源免费、稳定可靠、环保等，同时还可以储存电能和供电调峰，具有较高的经济和社会效益。
然而，水轮发电机也存在一些局限性。
首先，水轮发电机需要有丰富的水源才能保证长期稳定的发电。
其次，水轮发电机的建设和维护成本较高，需要投入较大的资金和人力物力。
此外，水轮发电机的效率也受到一定的限制，受到水流速度、水位等因素的影响。
总之，水轮发电机借助水轮机和发电机的相互配合，将水流的动能转化为电能，是一种利用水能发电的重要装置。
第二章水轮机工作原理
u1
nD1i
60
500 2
60
52.36 m
s
② 进口轴面速度
v1m
Q F
Q
b0 D1
15 0.2 2
11.9 m
s
③ 转轮的进口角
0 1 140
v1
vm1
sin 1
11.9 s in 14 0
49.2
vu1 vm1ctg1 11.9 ctg140 47.7
⒈ 转轮内水流运动 水流通过水轮机转轮流道时，一方面沿着扭
曲的转轮叶片作相对运动，同时，又随转轮旋 转，作园周运动。因此，转轮内的水流是一种 复杂的三维空间运动。 ⒉ 轴面与流面
由于水轮机是一种绕定轴旋转的机械，所以 常采用圆柱坐标体系来分析转轮中水流运动。
如图所示： ❖ Z轴—表示水轮机轴
线方向（轴向） ❖ r轴—表示垂直于轴
60 u1
方向为圆周切线方向
n ——水轮机转速，单位 r min
D1i ——研究点所在直径，单位m。
⑵ 轴面速度 vm1
v m1
Q F1i
方向与 u1垂直
F1i ——通过研究点的过水断面面积（即与vm1
垂直的过水断面面积），其大小由古鲁金定理得
F1i 1D1gl1
式中： 1 ——转轮叶片排挤系数，常取1
vz
vz
⑴ 进、出口圆周速度不变
u1
u2
nDi
60
方向为圆周切线方向
Di ——研究点所在直径，单位m。
⑵ 进、出口圆周速度均匀分布
Q
vm1
vm2
4
(D12
d
2 n
)
方向与圆周速度垂直
d n ——轮毂直径，单位m。
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。
水轮机工作原理范文
水轮机工作原理范文水轮机是一种利用水的动能来驱动机械设备工作的装置。
其工作原理是基于能量守恒定律和动量守恒定律。
水轮机主要由水流入口、水流加速装置、水轮机转动部分以及排水出口等组成。
当水流进入水轮机后，会经过加速装置，将水流的动能转化为水轮机转动的动力。
水轮机在转动的过程中，可以驱动发电机或者其他机械设备工作。
根据水流在水轮机中的流动方式，水轮机可以分为两种类型：流量式水轮机和压力式水轮机。
流量式水轮机是利用水流的动能来驱动机械设备的工作。
当水流进入水轮机后，经过加速装置使水流速度增加，然后进入水轮机转动部分的叶轮上。
叶轮上安装有多个叶片，当水流通过叶片时，水流对叶片产生的冲击力会使叶轮开始旋转。
叶轮上的叶片的形状和布局会改变水流方向，使之以最高的速度撞击叶片。
由于叶轮的旋转，动能会转化为机械能，驱动机械设备工作。
在旋转过程中，水流的动能被转化为机械能，从而实现了水轮机的工作。
压力式水轮机是利用水流的压力差来驱动机械设备的工作。
当水流源头处于高水位的时候，水流会形成下落的高度，从而产生了压力。
水流进入水轮机后，会进入到高水位的叶轮上，叶轮上的叶片将水流的动能转化为机械能。
由于水轮机通常是垂直安装的，叶轮旋转的速度可以直接驱动机械设备工作。
无论是流量式水轮机还是压力式水轮机，其工作原理都是基于流体力学和机械动力学的基本原理。
在流体力学中，水流的速度和压力与水的动能有关，而机械动力学则是研究物体在受力作用下的运动规律。
水轮机的工作原理是将水流的动能转化为叶轮的旋转动能，然后通过轴传递到机械设备上，实现机械设备的工作。
水轮机作为一种利用水的动能来驱动机械设备工作的装置，其工作原理简单而又有效。
它在水力发电、灌溉、抽水和输送等方面有着广泛的应用。
随着科学技术的发展，水轮机也在不断改进和完善，提高了能量转化效率和稳定性，为人类的生产生活带来了诸多便利。
水轮机工作原理
水轮机工作原理水轮机是一种利用水能转换为机械能的装置，其工作原理主要是利用水流的动能来驱动水轮机转动，从而产生机械能。
水轮机广泛应用于水电站、水泵站、水利灌溉等领域，是一种重要的水利工程设备。
水轮机的工作原理可以分为以下几个方面来进行解析：1. 水流的动能转换。
水轮机的工作原理首先是利用水流的动能转换为机械能。
当水流经过水轮机叶片时，水流的动能会使叶片产生转动，从而驱动水轮机转动。
这种动能转换的过程是通过水流的作用力来实现的，水流的速度和流量会直接影响到水轮机的转动效果。
2. 叶轮的设计。
水轮机的叶轮设计是影响其工作效率的重要因素。
叶轮的设计需要考虑到水流的速度、流量和压力等因素，以及叶轮的形状和材质等因素。
通过合理的叶轮设计，可以使水流的动能得到最大程度的转换，从而提高水轮机的工作效率。
3. 水轮机的转动。
水轮机的转动是通过叶轮受到水流的作用力而产生的。
当水流经过叶轮时，叶轮会受到水流的冲击力，从而产生转动。
这种转动会驱动水轮机的转子转动，从而产生机械能。
水轮机的转动速度和转动力矩会直接影响到其输出功率和工作效率。
4. 机械能的输出。
水轮机通过转动产生的机械能可以用于驱动发电机、水泵等设备，从而实现能量转换和利用。
通过合理设计水轮机的叶轮和转子等部件，可以使机械能的输出达到最大化，从而提高水轮机的工作效率。
总的来说，水轮机的工作原理是利用水流的动能转换为机械能的过程。
通过合理设计水轮机的叶轮和转子等部件，可以使水轮机达到最大的工作效率和输出功率。
水轮机在水利工程中具有重要的应用价值，是一种高效的水能利用装置。
第三章 水轮机的工作原理
HL220－L J－140 － － XL220－LH－520 － － ZZ560－LH－250 － － GD103－WP－275 － － XJ02— 60/1× XJ02—W—60/1×14 CJ22— 125/1× CJ22—W—125/1×12.5
第三章
第一节 第二节
水轮机的工作原理
水轮机的基本方程 水轮机的能量损失和效率
弯曲型尾水管
①尾水管进口直径D3 ②圆锥角θ ③尾水管管长L ④尾水管出口直径D5 ⑤尾水室的尺寸
1、圆锥段 弯管段（肘管） 2、弯管段（肘管） 3、水平扩散段
6、水轮机引水室有哪几种类型？
为适应不同条件，水轮机的引水室有开敞式与封闭式两大类。 （1）开敞式（明槽式） （2）封闭式 ①压力槽式和罐式 ②蜗壳式
作用:将射流动能转变为旋转机械能 作用:将射流动能转变为旋转机械能。 动能转变为旋转机械能。
折 流 板
当机组突然丢弃全部负荷时，折流板先转动， 当机组突然丢弃全部负荷时，折流板先转动，在 1~2s内使射流部分全部偏向，不冲击转轮，此时针阀 内使射流部分全部偏向， 内使射流部分全部偏向 不冲击转轮， 可在5~10s或更长时间内缓慢关闭，减小水锤压力。 或更长时间内缓慢关闭， 可在 或更长时间内缓慢关闭 减小水锤压力。
水轮机的工作原理
叶片上压力最低点
通过研究叶片上的压力分布情况，得到叶片上压力最低点 (一般为叶片背面靠近转轮叶片出口处)K点的压力为(列K点 和2点、2点和下游水面的能量方程)：
K点的真空值Hk.v：
为尾水管动能恢复系数。
❖ 静力真空Hs是吸出高度，取决于水轮机的安装 高程，与水轮机的性能无关；
❖ 动力真空hk与转轮叶型、水轮机工况、尾水管 性能有关，因此表明水轮机空蚀性能的只是动 力真空：
运动时假定为恒定流，因此转轮的出力为：
➢ 所以，水轮机的基本方程为： ➢ 该方程式对反击式、冲击式水轮机均适用。
三、基本方程的物理意义
方程的实质：由水流能量转换为旋转机械能的平衡 方程，方程左边为转换成的机械能。 水流与叶片相互作用，使得水轮机做功。水流通过 水轮机时，叶片迫使水流动量矩发生变化，而水流以 反作用力作用在叶片上，从而使转轮获得力矩。 水能转变为旋转机械能的必要条件：水流在转轮出 口的能量小于进口处的能量，即转轮的进口和出口必 须存在速度矩的差值。
2. 流量损失及流量效率（容积效率）
水流通过转动部分与非转动部分间隙直流入尾 水管的流量为q，此部分流量不经过机械损失和机械效率
水轮机的输入功率：Ne；输出功率: N=Ne -ΔNm 机械效率： 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。
一、尾水管的作用
转轮所获得能量等于转轮进出口之间的能量差：
1.无尾水管时：E1=H1 转轮获得能量： 2 . 设尾水管时：E1=H1
❖ 根据2-2至5-5断面能量方程：
❖ 所以
设尾水管后，转轮所获得能量： 水轮机多获得的能量：
设置尾水管以后，在转轮出口形成了压力降低 ，出现了真空现象，真空由两部分组成： ❖ 静力真空：H2(落差)，也称为吸出高度Hs； ❖ 动力真空(转轮出口的部分动能)
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。
水发动机器的原理
水发动机器的原理水发动机是一种利用水作为工作介质的发动机，它的原理是通过水的运动产生动能来驱动机器运转。
水发动机的原理有多种，下面将从水轮机、蒸汽机和内燃机三个方面进行介绍。
一、水轮机原理：水轮机是利用水的动能来驱动转动机械的装置，它是一种将水的动能转化为机械能的装置。
在水轮机中，水经过喷嘴喷射到叶轮上，叶轮受到水流的冲击力而转动，进而驱动发电机或其他机械设备工作。
水轮机的工作原理可以用质量守恒和动量守恒定律来解释，即水进入叶轮前后的质量和动量守恒。
通过合理设计叶轮的形状和喷嘴的位置，可以提高水轮机的效率和输出功率。
二、蒸汽机原理：蒸汽机是一种利用水蒸汽的压力来驱动转动机械的装置。
它的工作原理是通过加热水，使水变成蒸汽，然后将蒸汽进入蒸汽机的活塞或涡轮叶片中，蒸汽的冲击力使活塞或叶片产生往复或旋转运动，从而驱动发电机或其他机械设备工作。
蒸汽机的工作原理可以用热力学和动力学定律来解释，即热量传递和功的转化。
通过合理调节蒸汽的压力和温度，可以提高蒸汽机的效率和输出功率。
三、内燃机原理：内燃机是一种利用燃烧产生的高温高压气体推动活塞做往复运动的装置。
它的工作原理是通过燃烧混合气体产生的高温高压气体推动活塞向下运动，从而驱动曲轴旋转，最终驱动发电机或其他机械设备工作。
内燃机的工作原理可以用热力学和动力学定律来解释，即燃烧反应和动量守恒定律。
通过合理调节燃料的供给和点火时机，可以提高内燃机的效率和输出功率。
水发动机的原理是利用水的运动产生动能来驱动机器运转。
无论是水轮机、蒸汽机还是内燃机，都是通过不同的方式将水的能量转化为机械能。
水发动机的应用领域广泛，可以用于发电、航运、交通运输等多个行业。
随着科技的进步，水发动机的效率和功率将会不断提高，为人类的生产和生活带来更大的便利和效益。
水轮机原理
水轮机原理
水轮机原理是指利用水流的动能来驱动转子旋转，进而实现能量转化的一种机械装置。
水轮机的基本结构包括水轮机转子、导水管和出水管等部分。
首先，水轮机通过导水管将水源引入，形成一定的水压和流速。
水压会随着引水管的高度、引水量等因素而变化，而流速则主要取决于出水管的直径和流量的多少。
当水进入水轮机转子内部时，由于转子的叶片设计成弯曲状，使水流在叶片上形成推力。
根据牛顿第三定律，叶片所受的反作用力会将转子推动旋转。
在转子旋转过程中，水流的动能会被转化为机械能。
当外界施加一定的机械阻力时，转子的旋转速度会减慢，同时机械能也会被转移到外部进行工作。
水轮机原理的关键是大量的水流能够提供足够的动能，而导水管和出水管的设计则起到调节和限制水流的作用。
通过合理的设计和调节，可以提高水轮机的效率，达到更好的能量转化效果。
总的来说，水轮机原理包括将水流的动能转化为机械能的过程，涉及水压、流速、叶片形状等因素。
通过合理设计和调节水轮机的相关参数，可以实现更高效的能量转化和利用。
水轮发电机的工作原理
水轮发电机的工作原理
水轮发电机是一种利用水流动能量来产生电能的装置，其工作原理如下：
1. 水流引导：水轮发电机通常安装在水流较大的河流、水坝或水闸附近。
通过修筑水渠、引流管道等设施将水流引导到水轮发电机旁。
2. 水轮转动：水轮发电机装有水轮，即有叶片的轮子。
当水流经过水轮时，水流对水轮上的叶片施加力量，推动水轮转动。
3. 转动传动：水轮的转动通过传动装置（如变速器、齿轮等）传递给发电机的转子，使其旋转。
4. 发电机运转：发电机的转子内导线通过磁场中的磁通变化产生电流。
发电机转子与定子之间的相对运动产生交变磁场，从而在定子线圈中引起感应电动势。
5. 电能输出：感应电动势通过线路传输到电力系统中，经过变压器升压后，最终供应给用户使用。
总之，水轮发电机的工作原理是通过水流推动水轮转动，进而传递运动给发电机转子，使其在磁场中运动并产生电流，最终将水流的动能转换为电能输出。
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水流作用于叶片的力矩、水轮机基本方程式和效率
水轮机有效水头
H e H H
H H H 即，水轮机水力效率为水轮机有效水头与水轮机水头之比。 正确设计过流部件的流线形状和提高其表面质量及控制水轮机的运行 工况，可以提高水力效率。 h
水力效率
水流作用于叶片的力矩、水轮机基本方程式和效率
水轮机中的水流运动
⑶水流在进入导水机构前应具有一定的旋转环量（即具有一定的圆周 分速度），以保证在水轮机的主要工况下导叶处在不大的冲角下被绕流， 即水流进入导水机构时水力损失较小。
无撞击进口 相对速度 进口有撞击 （水力损失） 导叶骨线
漩涡消耗动能，加大水力损失 漩涡还可能引起空化，产生汽蚀
⑷有合理的断面尺寸及形状，以降低电站厂房投资及便于电站辅助设备 的布臵（如导水机构的接力器及传动机构的布臵）。
d q Vu 2 r2 Vu1r1 mV r u dt g Q Vu 2 r2 Vu1r1 g
水流作用于叶片的力矩、水轮机基本方程式和效率
上述的水流动量矩变化是由dt 时段内作用在水流上的外力对水轮机旋 转轴线的力矩引起的。下面三种外力并不产生这种力矩：
⑴ 重力：因重力的合力与轴线重合或相交；
随之发生改变，从而将能量传给转轮，并使转轮旋转。
计算出瞬时工况下水流作用在水轮机转轮叶片上的动态力矩，再利用 动量矩定理（单位时间内某物体对定轴的动量矩变化等于作用在该物体上
的全部外力对该轴的力矩和），就可获得水轮机的广义基本方程式。
M H Q H (Vu1H r1 Vu 2 H r2 )
水流作用于叶片的力矩、水轮机基本方程式和效率
1、水力损失和水力效率 当水流通过水轮机时，为克服各过流部件的水力阻力而引起的水头损
失称为水力损失。
水力损失包括：从蜗壳进口断面开始，经蜗壳、座环、导水机构、转 轮、尾水管直到出口断面所有过流部件的沿程摩擦损失和局部撞击、漩涡 、脱流等引起的局部阻力损失，以及尾水管的出口损失（速度水头）。 沿程摩擦损失与流速及过流部件的表面粗糙度有关。而局部损失除与 流速分布有关外，更主要取决于各过流部件流线形状及运行工况。 在水轮机各种损失中，以水力损失最大。
去AA’D’D部分的动量矩，即 q q q g dtVu 2 r2 g dtVu1r1 g dt Vu 2 r2 Vu1r1
假设在整个转轮进、出口处Vu1 r1 与 Vu 2 r2 分别为常数，则整个转轮流 道水流质量总的动量矩变化为
二、水轮机基本方程式 设叶片对水流的作用力矩为Mb，则
Ma Mb
由此得
Mb Q Vu2 r2 Vu1r1 g
则水流对转轮叶片的作用力矩为
M Mb Q Vu1r1 Vu2 r2 （大小相等，方向相反） g
Q Vu1U1 Vu2U 2 g
水流传递给转轮的功率为
水流作用于叶片的力矩、水轮机基本方程式和效率
3、机械损失和机械效率
Pe Qe H e 水流交付给水轮机的有效功率（
）也不可能全部被转
换为机械能输出，其中一部分消耗在各种机械损失上，如轴承及轴承密封
处的摩擦损失。对混流式水轮机还存在着不属于过流部分的外表面（如上 冠背面）与周围水流之间的摩擦损失，称为轮盘损失。 水轮机主轴获得的输出功率
2 V12 V22 U 12 U 2 W22 W12 H h 2g 2g 2g
水流作用于叶片的力矩、水轮机基本方程式和效率
三、水轮机中的能量平衡及水力效率 分析水轮机中的各种能量损失对评价水轮机的性能以及确定水轮机
的基本尺寸都是必需的。
水轮机与其他运动机械一样，存在能量损失，输入功率与输出功率 的差值就是水轮机工作过程中产生的能量损失。 水轮机能量损失按产生的原因划分为水力损失、容积损失和机械损 失。与各类损失相应是水力效率、容积效率和机械效率。
在转轮的水力设计时，或当分析水流在转轮中的流动时，常常要应用
到这两个速度分量。
3、转轮进、出口速度三角形 水流通过转轮时，转轮获得能量的大小主要决定于水流流经转轮进、 出口其运动状态的变化。而速度三角形实质上表征着水轮机的工作状态。 这是因为速度三角形与水轮机工作参数水头H、流量Q及转速n等直接有关。 因此有必要研究和分析转轮进、出口速度三角形。
转轮进、出口处水流速度矩的变化（即水流本身运动状态的变化）。因此 水轮机基本方程式给出了水轮机能量参数与运动参数的关系。 ⑵基本方程式从理论上表明了水轮机中水流能量是怎样转换成机械能
的。它是由于水流和转轮叶片相互作用的结果。一方面是流道迫使水流动
量矩发生变化，另一方面，水流在其动量矩改变得同时，它以一定的压力 作用在叶片上，从而驱使转轮旋转，其能量传递给转轮并形成水轮机轴上
的旋转力矩。
Hh
Vu1r1 Vu2 r2 g
水流作用于叶片的力矩、水轮机基本方程式和效率 ⑶由基本方程式可见水流对转轮作用的有效能量，是靠转轮进、出口
Vu1 r1 Vu 2 r2 0 必要的速度矩或环量之差来保证的。显然，当
就
不能利用水流了做功。水流对转轮做功的必要条件是当它通过转轮时，其 速度矩或环量发生变化。如转轮进、出口速度矩变化不充分，则水流对转 轮作用力矩（能量）就要减少，水流能量就得不到充分利用，表现为效率 低。⑷为了有效利用水头H，充分地进行能量转换，过流部件设计时应保 证水流速度矩产生按基本方程式规定的变化。为此，转轮的作用是控制出
三、转轮中的水流运动 水流通过水轮机转轮流道时，一方面沿着弯曲的转轮叶片做相对运 动，另一方面又随转轮旋转。因此，转轮中的水流形成一种复杂运动。 为简化问题，一般假定转轮叶片数和导叶数为无限多，且水流在水轮 机中的运动可做如下假设： ⑴稳定流：认为在水头、流量和转速一定的情况下(即固定工况下)， 水流在引水室、导水机构、尾水管中的流动以及在转轮中相对于叶片的 流动是稳定的，即不随时间而改变运动状况。 ⑵轴对称流：认为水流对称于水轮机轴线流向导叶和转轮，即导叶周
⑵ 上冠、下环的内表面对水流压力：因这些表面为旋转面，故压力 与轴线相交； ⑶ 转轮外的水流在转轮进、出口处对所考虑的水流压力：因这两部 分水流在转轮进、出口处的接触面可看作是旋转面，故压力与轴向相交。 水流通过转轮时动量矩的变化仅由叶片的作用力矩引起。
水流作用于叶片的力矩、水轮机基本方程式和效率
水轮机蜗壳
水轮机中的水流运动
3、导水机构调节水轮机流量的功能 导水机构由导叶和导叶传动机构组成。导叶传动机构通过改变导叶位
臵，调节水轮机流量。
导叶调节流量的调节方程
Q
r2 1 ctg 0 ctg 2 2 b0 A2
h gH r2
水轮机导水机构
水轮机导水机构
水轮机中的水流运动
转轮的力矩关系。水轮机的基本方程式就是在理论上建立这个关系。 根据动量矩定理，单位时间内水流质量对定轴的动量矩变化等于作用 在该质量上的全部外力对定轴的力矩和，即
Ma
d mV u r dt
式中
Ma——外力矩。
水流作用于叶片的力矩、水轮机基本方程式和效率
考虑水流通过转轮时动量矩的变化： 在时刻 t ，水流质量充满转轮流道 ABCD ，经过时间 dt 后，这部分质量
Vu 2 r2 口水流的速度矩
的大小，使进口水流速度矩发生变化以此实现 对于无导水机构的水轮机
能量转换。至于转轮进口水流速度矩可由其前面的过流部件来形成。导水
Vu1 r1 机构的作用之一就是形成这个速度矩
（冲击式），进口速度矩亦能由转轮本身形成。
水轮机广义基本方程式
水流通过转轮叶片时，速度的大小和方向都发生了变化，水流动量矩
水轮机中的水流运动
水轮机各过流部件水流运动的特点 一、蜗壳中的水流运动
蜗壳是水流进入水轮机的第一个部件。通过它将水引向导水机构并进
入转轮区。蜗壳应满足下列基本要求： ⑴尽可能减少水力损失以提高水轮机效率；
⑵保证导水机构周围的进水流量均匀，水流呈轴对称，使转轮四周受
水流的作用力均匀，以便提高运行的稳定性；
围的水流运动状况在3600的圆周线上各处相同。
水轮机转轮
混流式水轮机转轮装配图
水轮机中的水流运动
2、水流运动的合成与分解 水流在转轮中的运动，一方面是水流相对于转轮叶片流动，即相对运
动，另一方面随转轮转动，即圆周运动或牵连运动。转轮中的水流的绝对
运动可看成这两种运动的合成。若用速度关系表示，则绝对速度 V 是相对 W 速度 与圆周速度 的矢量和 U
水轮机变工况转轮进、出口速度三角形的讨论
水轮机中的水流运动
（1）混流式转轮进、出口速度三角形 混流式转轮进、出口速度三角形
水流作用于叶片的力矩、水轮机基本方程式和效率
水轮机基本方程式及其含义、水轮机的各种损失及相应的效率计算 水轮机的水力理论是研究其性能、流态与流道形状之间的相互关系，
这些关系中最重要的是研究当流体通过转轮时流体扭转变化与流体传递到
N M
式中
ω——转轮旋转角速度。
水流作用于叶片的力矩、水轮机基本方程式和效率
又由 得
N QHh
1 Vu1U1 Vu2U 2 g 上式就是反击式和冲击式水轮机的基本方程式，也称水轮机欧拉方程。 Hh
水轮机基本方程式的其它表达形式：
⑴ Hh Vu1r1 Vu2 r2
2、容积损失和容积效率
Q 进 入 水轮 机 的流 量 Q 不 可 能全 部进 入 转轮 做功 ， 其中 一部 分 流量
会从水轮机的旋转部分与固定部分之间的环隙（如混流式水轮机的止漏环
间隙和轴流式水轮机桨叶与转轮室之间的间隙）中漏损了。 水轮机有效流量 容积效率
V
Qe Q Q
Qe Q Q Q 1 Q Q Q