水轮机及讲解
水轮机的基础知识
水轮机的基础知识水轮机的一些基础知识要点：1. 工作原理：水轮机通过水流对其内部转轮叶片的作用力而转动，将水流的动能和势能（位能）转化为机械能。
2. 分类：根据转换水流能量方式的不同，水轮机主要分为两大类：冲击式水轮机：如水斗式、斜击式和双击式等，这类水轮机的特点是水流在进入转轮前已转变为高速射流，直接冲击转轮叶片以做功。
反击式水轮机：包括混流式、轴流式、斜流式和贯流式等，其特点是水流在通过转轮叶片时，压力和速度同时发生变化，水流充满整个转轮通道，在流动过程中持续作用于叶片上。
3. 主要部件：转轮（Runner）：是水轮机中直接接受水流能量并将其转化为旋转运动的关键部件。
导叶（Guide Vanes）：用于调节水流方向和速度，控制进入转轮的水流状态，从而影响水轮机的工作效率和稳定性。
压力管道或蜗壳（Spiral Case）：将上游水库中的水引入水轮机，并调整水流到合适的参数供转轮使用。
尾水管（Draft Tube）：作完功后的水流出转轮后，通过尾水管逐渐减压并将剩余能量转化为低速水流排出，减少能量损失。
4. 工作参数：工作水头（Head）：即水流从上游至下游的高度差，它代表了水流的位能大小。
流量（Discharge 或 Flow Rate）：单位时间内通过水轮机的水量，反映了水流的能量密度。
输出功率（Power Output）：由水头和流量共同决定，水头越高、流量越大，则水轮机输出的功率也越大。
5. 应用场合：水轮机广泛应用于水电站，根据不同的水头和流量条件选择不同类型的水轮机设计，以达到最优的能源转化效率。
6. 性能指标：效率（Efficiency）：衡量水轮机能量转化好坏的重要参数，通常指水轮机的有效功率与输入水流总能量之比。
稳定性（Stability）：反映水轮机在各种工况下运行的稳定程度。
7. 发展历史：水轮机的历史悠久，早在古代中国就有利用水轮驱动磨坊等器械的记载，现代水轮机则经过不断的科技创新，设计和制造技术日益成熟，效能不断提升。
水轮机及讲解
Pelton turbine
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各型水轮机适用不同水头范围对应不同转 轮形状
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1.3 水轮机的基本构造
• 反击式水轮机通常由四大部分组成
– 进水部件：蜗壳 和座环 – 导水部件：导叶及其传动机构 – 工作部件：转轮 – 泄水部件：尾水管
• 这四大部分对于不同类型的水轮机各不完 全相同，有着自身的特点
水力发电系统组成：水电站建筑物、水力 机械、电器设备
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水力发电过程能量转换：水能—机械能— —电能
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本课程的主要内容
• 水电站是水利枢纽的一个重要组成部分，是利 用水力资源发电的场所，是建筑物、水、机、 电的综合体。
– 进水及引水建筑物（进水口、引水隧洞、压力管 道）——
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1.5 水流在反击式水轮机中的运动
水流在转轮中的运动是三维复合运动
叶片表面：三维扭曲面 叶道：三维扭曲空间 转轮：绕主轴旋转 所以水流在反击式水轮机 转轮中的运动是一个复杂 的三维空间的复合运动
相对运动、牵连运动 和绝对运动
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分析水流在水轮机中的运动要作假定
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引水部件—蜗壳和座环
• 蜗壳（和座环）
– 蜗壳的作用主要是使水流以较小的水力损失均匀对 称地流入转轮；座环起加强蜗壳的刚度并传递上部 结构力的作用。
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引水部件—蜗壳和座环
• 蜗壳（和座环）
– 蜗壳的作用主要是使水流以较小的水力损失均匀对 称地流入转轮；座环起加强蜗壳的刚度并传递上部 结构力的作用。
《水轮机介绍》课件
工业应用
水轮机可以通过联轴器或其他机构与其它设备实现 任意转速匹配和联动运作。
水轮机基本原理
水轮机受到水流的作用产生功率，根据能量守恒和牛顿第二定律，外出水功率等于轮机内部转化的机械功率和 内部耗散的损失。
1
流体力学基础
水轮机是流体力学和材料力学相结合的
机械运动学基础
2
产物。 流体力学研究的是液体在各种情况下运
境没有污染。 • 使用寿命长，可达数十年或更长。
缺点
• 需要大量的水资源支持，这可能对周边生态 环境造成影响。
• 需要耗费较大的资金和人力来进行安装和维护。 • 无法满足一些特定的需求，比如一些应用场
合需要更高的功率。
水轮机的维护和保养
定期的维护和保养对水轮机的运行和性能十分重要，它们可以延长水轮机的使用寿命。
可获得的能量之比，通常在80%-90%之 间。功率则是水轮机的输出功率。
流量指单位时间内通过水轮机的水量，
转速是叶轮每分钟的旋转圈数，是影响ຫໍສະໝຸດ 水轮机性能的重要因素之一。
水轮机的优缺点
水轮机具有高效、环保、耐久等优点，但也存在一些缺点，比如对水资源需求大、安装和维修成本高等。
优点
• 具有高效利用水能和发电效率高等优点。 • 使用水作为能源，无需消耗化石能源，对环
2 水轮机对环境的影响
水轮机对环境主要的贡献在于它产生的清洁能源有助于减少化石燃料的使用，从而降低 温室气体的排放。
案例分析
水轮机在发电、工业和民用领域有着广泛的应用，以下将介绍几个成功案例。
水轮机应用案例
八闽大地水利用电站是福建省最大的水利机械系统项目，水轮机的运行保障了亿万家庭的用 电需求。
水轮机维护案例
水轮机介绍
水轮机概述
水轮机概述水轮机概述（Hydraulic Turbine Overview）水轮机是把水流的能量转换为旋转机械能的动力机械，是利用水流做功的水力机械，根据转换水流能量方式的不同，水轮机分为冲击式水轮机（Impulse Turbine）和反击式水轮机（Reaction Turbine）两大类。
水轮机受水流作用而旋转的部件称为转轮（Runner）。
水轮机主要类别见图1。
图1--水轮机主要类别图一、冲击式水轮机（Impulse Turbine）冲击式水轮机的转轮受到喷射水流的冲击而旋转，工作过程中水流的压力不变，主要是动能的转换，在同一时刻内，水流只冲击着转轮的一部分，而不是全部。
图2是冲击式水轮机水流向示意图。
图2--冲击式水轮机水流向示意图冲击式水轮机按水流的流向可分为切击式（又称水斗式）、斜击式、双击式三类。
图3--水斗式、斜击式、双击式水轮机示意图（1）水斗式水轮机（Pelton Turbine），水流由喷嘴喷射出来沿着转轮圆周的切线方向冲击在斗叶上做功，图3（a）。
由美国人培尔顿于1889年提出，又称为培尔顿式水轮机。
适用水头范围40~2000m，尤其适用超高水头，国外最大单机出力目前已达40万kW，是冲击式水轮机中应用最广泛的一种水轮机。
图4--水斗式水轮机转轮图5--双喷管水斗式水轮机（2）斜击式水轮机（Turgo Turbine、 Inclined-jet Turbine），水流由喷嘴喷射出来沿着与转轮旋转平面成某一角度（约22.5°）进入叶片，图3（b）。
适用于高水头，中小型的水电站。
图6--斜击式水轮机转轮图7--斜击式水轮机转轮及主轴（图片来源于网络）（3）双击式水轮机（Banki Turbine、Cross-flow turbine），水流从喷嘴流出后，从转轮外周通过径向叶片进入转轮中心，进行第一次能量交换，再从转轮中心通过径向叶片流出转轮，完成第二次能量交换，图3（c）。
水轮发电机组结构讲课(一)
水轮机组结构讲课（一）1. 水轮机的工作参数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。
水轮机的基本工作参数主要有水头H 、流量Q 、出力P 、效率η、转速n 。
水头H水轮机的水头（亦称工作水头）是指水轮机进口和出口截面处单位重量的水流能量差，单位为m 。
水轮机水头H 又称净水头，是水轮机做功的有效水头。
上游水库的水流经过进水口拦污栅、闸门和压力水管进入水轮机，水流通过水轮机做功后，由尾水管排至下游，在这一过程中，产生水头损失w h 。
上、下游水位差值称为水电站的毛水头或静水头g H ，它代表的是单位重量水体所具有的势能，其单位为m 。
因而，水轮机的工作水头又可表示为：w g h H H -= （1-2）式中g H——水电站毛水头，m ；w h ——水电站引水建筑物中的水力损失，m 。
毛水头与净水头区别在于：毛水头是坝体上下游水体的能量差，净水头是水轮机进口和出口水体的能量差。
毛水头静态的，净水头是动态的，当机组运行时，毛水头和净水头都是存在的；当机组停机时，水体不流动了，间断了，净水头就不存在了，可势能依然存在，毛水头就存在。
1．最大水头max H ，是允许水轮机运行的最大净水头。
它对水轮机结构的强度设计有决定性的影响。
2．最小水头min H ，是保证水轮机安全、稳定运行的最小净水头。
3．加权平均水头a H ，是在一定期间内（视水库调节性能而定），所有可能出现的水轮机水头的加权平均值，是水轮机在其附近运行时间最长的净水头。
4.设计水头r H ，是水轮机发出额定出力时所需要的净水头，这个值是在电站设计时根据水库和水文资料等确定的一个值。
水轮机的水头，表明水轮机利用水流单位机械能的多少，是水轮机最重要的基本工作参数，其大小直接影响着水电站的开发方式、机组类型以及电站的经济效益等技术经济指标。
流量Q水轮机的流量是单位时间内通过水轮机某一既定过流断面的水流体积，常用符号Q 表示，常用的单位为m 3/s 。
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。
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。
水轮机概论及工作原理
k vk2 5v52
2g
hk5
H
吸出高度
水轮机旳吸出高度是指转轮中压力最
低点（k）到下游水面旳垂直距离，常用HS
表达。
Hs
≤ 10.0 H
900
对不同旳 Hs要求如下
对不同形式水轮机旳HS作如下要求
立轴轴流式水轮机， HS为下游水 面至叶片转 动中心旳 距离 （如右图）
立轴混流式水轮机， HS为下游水面 至导叶下部底 环平面旳垂 直高度(图右)
式中：p ——发电机磁极对数
按转轮水流方向分
还击式
水 轮 机 类 冲击式 型
可逆式 *
混流式（HL）
轴流式（ZL）
轴流定桨式（ZD） 轴流转桨式(ZZ)
斜流式(XL)
斜流定桨式（XD） 斜流转桨式(XZ)
贯流式(GL)
切击式（CJ） 斜击式（XJ） 双击式(SJ)
贯流定桨式（GD） 贯流转桨式(GZ)
1.水轮机基本方程式
H (vu1 u1 vu2 u2 )
g
基本方程旳物理意义
方程旳实质：由水流能量转换为旋转机械能旳 平衡方程
水流与叶片相互作用，使得水轮机做功。水流 经过水轮机时，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 取得力矩。
水能转变为旋转机械能旳必要条件：水流在转 轮出口旳能量不大于进口处旳能量，即转轮旳 进口和出口必须存在速度矩旳差值。
汽蚀现象
当某点旳压力到达（或低于）该温度下水旳汽化压 力时，水就局部汽化产生大量汽泡，同步水体中存在旳 许多眼看不见旳气核体积骤然增大也形成可见气泡，这 些气泡伴随水流进入高压区时，气泡瞬时破灭，因为汽 泡中心压力较低，气泡周围旳水质点将以很高旳速度向 汽泡中心撞击形成巨大旳压力，并以很高旳频率冲击金 属表面，使水轮机过流部件旳金属表面产生物理电化学 作用遭到破坏，这一现象就称为汽蚀现象，
水轮机基础知识
水轮机基础知识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。
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。
水轮机讲义
水轮机讲义1、水轮机概述1.1水轮机的工作参数水轮机的主要工作参数有：水头H、流量Q、出力N、效率η和转速n 水轮机的工作水头H是指水轮机进口断面（即蜗壳进口断面）与出口断面（即尾水管出口断面）之间单位重量水流能量的差值。
（单位是米）水轮机流量是指单位时间内通过水轮机的水流总量（体积），单位是m³/s 水轮机转速是指单位时间内旋转的次数，单位是r/min水轮机的出力是指单位时间内水轮机轴端输出的功率，通常单位是kW 水流输入给水轮机的出力为：Nsr=ρgQH （W）=9.81QH （kW）水轮机效率是水轮机出力与水流出力Nsr之比，即：η=N/Nsrη始终为小于1的系数，由上可知，水轮机出力可表示为：N=9.81QHη (kW)1.2水轮机的基本类型和应用范围1.2.1基本类型根据水轮机转轮所转换能量的特征可分为反击式和冲击式水轮机两大类。
⑴反击式水轮机主要是利用水流的压能（在叶片前后形成压力差）和小部分动能进行工作的。
转轮在工作过程中全部浸在压力水流之中，水流流经转轮叶片时由于受叶片的作用使流速大小和方向发生改变，因而对转轮产生了作用力，使转轮旋转作功。
反击式水轮机按其水流流经转轮的方向不同又可分为混流式（HL）、轴流式（ZL）、斜流式（XL）和贯流式（GL）水轮机。
其中轴流式及贯流式又均可分为定桨式和转桨式，即轴流转桨式（ZZ）、轴流定桨式（ZD）、贯流转桨式（GZ）、贯流定桨式（GD）。
⑵冲击式水轮机是利用水流的动能进行能够工作的，工作时，转轮内只有部分充水，水流流经转轮叶片过程中压力保持不变等于大气压力。
水流具有与空气接触的自由表面。
冲击式水轮机根据水流射向转轮的方向分为切击式（又称水斗式）（QJ）、斜击式（XJ）、双击式（SJ）三种类型。
1.2.2各种类型水轮机的特点及应用范围(重点介绍混流式、轴流式、切击式)⑴混流式水轮机混流式水轮机其水流流经叶片时，水流径向进入转轮，经旋转改变方向，然后转为轴向流出，故称为混流式或辐向轴流式水轮机。
水轮机概述
第一节 水轮机概述一、 水轮机工作参数1、水轮机工作水头（1）水轮机槪念：水流付出的能量转换成旋转机械能的机器。
（2）水轮机工作水头：水轮机进口断面与出口断面水流单 位能量之差。
公式H=Hst -Δh 即：水轮机工作水头等于水电站净水头。
Hst ---水电站毛水头，等于上下游水位差Δh----水头损失，引水管的沿程水力与局部水力损失（3）设计水头：水轮机发额定出力是的最小水头。
发电机水轮机ⅠⅠγZ IⅡ∏ⅡⅡα1v 122g2、水轮机的功率和效率（1）水轮机的功率：单位时间内，水流对水轮机所做的功。
用N表示。
公式：N=9.81QHη其中：Q为水轮机流量η为水轮机效率，现在的水轮机效率可达90%以上，而模型效率可达95%。
（2）水轮机效率：水轮机把水轮机出力与水流出力之比，主要有三方面的效率损失：①容积效率：即一部分水量没有流经转轮做功，损失了。
如：主轴漏水，下迷宫环漏水等。
用ηq表示。
②水流效率：转轮在旋转过程中，克服水的阻力所损失的功率，用ηd表示。
③机械效率：克服主轴与轴承之间的摩擦阻力所消耗的功率，用ηm表示。
则：水轮机的效率为η=ηq×ηd×ηm3、流量单位时间内流过转轮的水量，以Q表示，单位m³／s。
两种说法：①水轮机发额定出力时的最大流量②在设计´水头下，水轮机发额定出力时的流量。
4、水轮机的转速（1）定义：单位时间内水轮机旋转次数，以n表示。
n10´Hav公式n=──────D1其中：n10´为最优单元转速Hav为加权平均水头，在某些情况下可取设计水头。
（2）水轮机额定转速按（1）式计算结果，取相近发电机同步转速为水´轮机额定转速，可大于计算结果。
同步转速按n=f×60／P计算。
其中f=50HZ，P为磁极对数。
（3）飞逸转速：水轮机发额定出力时，突然跳闸，而调速器又失灵，不能关／闭导水机构，以致转速快速上升，并达到某一最高值后稳定，这个空转的最高转速就是水轮机的飞逸转速。
第三课 水轮机构造
③出力（kW）：水轮机主轴输出的功率。
额定出力
④效率（%）：
容积效率
水力效率
机械效率
⑤转速（r/min）：水轮机转轮在单位时间内旋转的周数。
同步转速
⑥工作力矩M（N·m），其中，ω为水轮机旋转角速度(rad/s)
我站的水轮机型号为HL123-LJ-225表示混流式水轮机，转轮型号为123，立轴、金属蜗壳，转轮直径为225。
主轴与转轮的连接：用法兰连接，为防止机组运行中螺栓头部掉落，保证运行人员安全，在联轴法兰处通常装有保护罩。
3、导水机构：分圆柱式、圆锥式和径向式三类导水机构，其组成主要由操作机构（接力器及其锁锭装置、推拉杆等）、传动机构（控制环、连杆、连接板和键等）、构造机构（导叶）和支撑机构（顶盖、底环及轴承等）四部分组成。
C）推拉杆
2)传动机构：用来转动导叶，达到调节流量的目的。
分类：叉头式、耳柄式
工作原理：当控制环转动时，通过叉头连杆、连接臂而带动导叶臂动作，最后使导叶传动，从而达到调节流量的目的。
控制环：将接力器推拉杆的操作力传给导叶，使之转动。
剪断销：正常情况下，剪断销有足够强度带动导叶传动，当导叶被卡住时，所需操作力增加，由于剪断销结构上有一最弱断面，当应力提高到1.5倍时，它首先剪断，保护其它传动部件不受损害。此剪断销剪断后，并不影响其它的导叶关闭，所以机组仍然可以安全运行。连接臂和导叶臂通过剪断销连接在一起。
反击式水轮机与冲击式水轮机的最大区别是，反击式水轮机全部被水淹没，而冲击式水轮机只有部分或全部没被水淹没。
我厂属于反击式水轮机。
§2.1水轮机的类型和构造
一、水轮机的工作参数
①工作水头（m）：水流在水轮机进口、出口的比能差，也称静水头。
水轮机介绍优质获奖课件
冲击式水轮机
水斗式水轮机 转轮 喷管 折流板（折向器） 机壳
斜击式水轮机 双击式水轮机
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LET‘S HAVE A BREAK ！
课间休息
思考题
1、水轮机根据能量转换特征分为哪几类?还击式水轮机及冲击式 水轮机又是怎样分类旳?
水 电 站 HYDROPOWER ENGINEERING
二、水轮机旳主要构成部分及其作用
➢还击式水轮机
o混流式水轮机 –引水机构：水轮机室和座环 –导水机构：导叶及传动机构构成 –转轮：上冠、下环及叶片构成 –泄水机构：尾水管
o轴流式水轮机 –定桨式转轮 –转桨式转轮：转角与导叶开度协联动作
水 电 站 HYDROPOWER ENGINEERING
混流式水轮机：幅向流入、轴向流出 轴流式水轮机：轴向流入、轴向流出
定桨 转桨
斜流式水轮机：斜向流入、斜向流出
水 电 站 HYDROPOWER ENGINEERING
贯流式水轮机
全贯流式 半贯流式（灯泡式、轴伸式、竖井式）
冲击式水轮机 水斗式水轮机 斜击式水轮机 双击式水轮机
8、试阐明冲击式水轮机旳构造及其各构成部件旳作用。
水 电 站 HYD号
还击式
水轮机型式 + 转轮型号（比转数） +主轴布置型式 + 水轮机室特征 + 转轮标称直径（cm）
冲击式
同轴安装旳转轮数 + 水轮机型号 + 转轮型号（比转数）+ 主轴布置型 式 + 转轮标称直径（cm）+ 每个转 轮上喷嘴数 + 设计射流直径（cm）
电力生产概论 09 水轮发电机组
水轮发电机（一）
❖ 水轮发电机备等构成。
❖ 发电机工作的基本原理：定子中嵌有线圈，转子周围装 有磁极。当转子在水轮机带动下旋转时，其磁极产生的 磁力线切割定子线圈就会感应生成电流。水轮发电机的 转速比汽轮发电机小许多,一般为125 r/min。
❖ 水轮发电机的类型：按照水轮发电机主轴布置的方式分 类，有立式水轮发电机和卧式水轮发电机。立式布置的 水轮发电机根据推力轴承的位置不同又分为悬吊式和伞 式两大类。
水轮发电机（二）
❖ 水轮发电机的部件和作用： （1）定子：由机座、铁芯、线圈等组成。 （2）转子是产生旋转磁场的部件，由磁极、磁轭、轮臂、轮毂、 主轴等构成。 （3）机架是安装发电机轴承的部件，分为承重机架和非承重机 架。 （4）推力轴承：借助推力轴承可以把机组转动部分悬吊起(立式 悬吊式)或托起(伞式)。 （5）冷却系统：大、中型水轮发电机采用密闭自循环空气冷却， 巨型机组运行时发热量大，需要提高冷却效果，常采用水内冷直 接冷却铁芯和线圈。
电力生产概论
水轮发电机组
一
水轮机
二
水轮发电机
三
水轮发电机组调节
水 轮 机（一）
❖ 水轮发电机组是把水能转变成电能的机械，由水轮机和 发电机组成。水流流过水轮机时，把能量转变成水轮机 转动的机械能，通过水轮机主轴传给与之联接的发电机 主轴带动了发电机转动而发出电能。
❖ 水轮机是把水流的能量转变成旋转机械能的机器。 ❖ 水轮机的类型：主要有两大类，一类是利用水流的动能
和势能工作，称为反击式水轮机，另一类是只利用水流 的动能工作，称为冲击式水轮机。根据水流在转轮中流 动的方向不同，反击式和冲击式水轮机又可以分成混流 式、轴流式和水斗式三种。
水 轮 机（二）
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磁极对数p
3
4
5
6
7
8
9
.....
同步转速n 1000 750 600 500 428.6 375 333.3 .....
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1.2 水轮机的主要类型
• 水轮机有各种类型的原因是什么？
• 水能利用的条件千差万别阀调节流量
上、下游水位差扣掉引 水道中水头损失
大中型均为立轴，转轮 可装在下游水位以上或 以下
上游水位与喷嘴出口高程 差扣掉引水道中水头损失
立轴、卧轴均可，转轮必 须装在下游最高水位以上
混流 轴流 水斗 H=30-700m，H=3-80m H=100-2000m
45
这些转轮分别是哪种水轮机的？
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引水部件—蜗壳和座环
• 蜗壳（和座环）
– 蜗壳的作用主要是使水流以较小的水力损失均匀对 称地流入转轮；座环起加强蜗壳的刚度并传递上部 结构力的作用。
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引水部件—蜗壳和座环
• 蜗壳（和座环）
– 蜗壳的作用主要是使水流以较小的水力损失均匀对 称地流入转轮；座环起加强蜗壳的刚度并传递上部 结构力的作用。
大中型电站立式机组一般采用弯肘型尾水管
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泄水部件—尾水管断面沿程扩散
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工作部件转轮有不同的形状
中高比转速混流式水轮机转轮
低比转速混流式水轮机转轮
•混流式水轮机转轮组成：轮叶、上冠、下环和泄水锥
•上冠的外形与圆台体相似，在其下端固定着泄水锥，用于引导水流顺利地形 成轴向流动，以消除顺利漩涡。轮叶的上端与上冠相固定，下端与下环相固 定。三者连成一个整体，叶片呈扭曲状，其断面为翼形，叶片数目通常是 10～20片，均匀分布在上冠与下环之间
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水轮机流量：水流在单位时间内通过水轮 机的水流体积
– 通常用Q表示，其单位为m3/s
– 水轮机 的引用流量主要随着水轮机的工作 水头和出力的变化而变化 – 在设计水头下水轮机以额定出力工作时其 过水流量最大
H和Q是水力发电的两大 要素， H大Q小也发不出 大量电， Q大H小也发不 出大量电
斜流式：斜向进流，斜向出流
diagonal flow turbine
1－蜗壳；2－导叶； 3－叶片；4－尾水管
1
2
3 可转动叶片
4
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反击式（Reaction Hydraulic Turbine）
贯流式：机组在流道中间，周围过水
through flow turbine bulb turbine 1
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水轮机效率：水轮机的输出功率与输入功 率比值
水力效率:
水轮机效率还可表示为 容积效率:
机械效率：
效率也是水轮机的最重要 参数之一，越高越好。
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转速n：水轮机组每分钟转动的转数
• 对于大中型水轮发电机组，水轮机与发电机是 同轴运行的，所以它们的转速相同，并需要满 足同步转速的要求。
H 和 Q 称为水能两个基本要素。
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水体能量决定于流量和落差
水体具有的能量（功率）
–
差或水头），单位为m =1000kg/m3 。 – 为水的容重。 – Q 为单位时间里通过1-1断面的流量 （m3/s）。 – N w为水体所具有的作功能力（kg.m/s）。
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• 喷嘴的作用是引导压力水流均匀流动，在喷嘴处收缩 转换为仅有动能的自由射流；针阀的作用是控制流量 的大小，适应出力大小的需要。
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水斗式水轮机的构造
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反击式和冲击式水轮机的差别
类型 项目 能量转换 构造特点 工作水头 布置方式 水头范围
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反击式 势能（主要）+动能 有蜗壳、尾水管，利用 导叶调节流量 动能
H12 为1-2断面水面降落的垂直高度（通常称为落
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水轮机出力决定于流量和工作水头
水体具有的能量（功率） （kg.m/s）
– 工程上常用“千瓦”或“马力”来表示， 1千瓦 =102kg.m/s
（千瓦）
– 水流给予水轮机的功率 – 水轮机输出功率（出力） – η为水轮机的效率
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–第一部分代表水轮机类型和转轮型号； –第二部分表示水轮机主轴的布置型式及水轮机室特征； –第三部分表示水轮机转轮标称直径D1。
• 比如：HL240-LJ-140，即混流式，比转速ns=240，立 轴金属蜗壳，转轮直径D1=140cm。
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水轮机型号中标称直径对不同水轮机有不 同规定
导叶与导叶间的距离称为开度，开度的变化 导致流量变化，进而改变出力。导叶开度由 调速器控制。
小开度（小流量）
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大开度（大流量）
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工作部件—转轮是水轮机的核心
• 转轮
– 转轮是直接将水能转换为旋转的机械能的过流部件，它对 水轮机的性能、结构、尺寸等起着决定性的作用，是水轮 机的核心部分。
为了研究问题的方便，工程上一般作如下假定： • 假定叶片无限多、无限薄。这样可以认为转 轮中的水流运动是均匀、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。 （叶片翼形断面的中心线称为骨线） • 假定水流在进入转轮之前的运动是均匀的、 轴对称的。 • 假定水轮机在所研究的工况下保持稳定运行， 即水轮机的特征参数（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。 • 忽略水流的粘性：可认为这些流面之间是互 不干扰的。
水力发电系统组成：水电站建筑物、水力 机械、电器设备
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1
水力发电过程能量转换：水能—机械能— —电能
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2
本课程的主要内容
• 水电站是水利枢纽的一个重要组成部分，是利 用水力资源发电的场所，是建筑物、水、机、 电的综合体。
– 进水及引水建筑物（进水口、引水隧洞、压力管 道）——
1－导叶；2－转轮； 3－发电机；4－灯泡 4
1
3 2
2
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反击式（Reaction Hydraulic Turbine）
through flow turbine
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冲击式（impulse turbine）
inclined jet turbine
crossflow turbine, Banki turbine
– 水轮机部分（能量转换的机械设备）—— – 水电站厂房（发电和配电：主厂房、副厂房、主变 压器、开关站）——
– 水锤、调压室（非恒定流动）——
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水轮机
水轮机和发电机连轴组成发电机组
发电机
水轮机
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水轮机—将水能转化为旋转机械能
发电机
水轮机
蜗壳:引水 导叶:调节流量 转轮:能量转换 尾水管:泄水
– 水头有高有低，高者水头上千米，低者数米
– 流量有大有小，大者几千立方米每秒，小者不到一 立方米每秒
• 各种水轮机型式的出现均是为了最大限度利用 水能 • Francis、Kaplan，Pelton等人发明了针对不 同水头的水轮机
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现代水轮机可按能量利用特征、水流特征、 转轮结构特征分类
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6
水轮机的主要工作参数
水轮机的主要工作参数有5个
水轮机出力 水轮机工作水头 水轮机流量 水轮机效率 水轮机转速
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水轮机出力：水轮机传给发电机的功率
• 水体能量扣除水轮机的能量损失 • 设在 t 时段内有W 的水体从1-1断面流过2-2断 面，因此，该段水体W 所提供的能量为：
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反击式（Reaction Hydraulic Turbine）
轴流式：轴向进流，轴向出流
axial flow turbine, Kaplan turbine
1 4 2 3 5 1－导叶；2－叶片；3－轮毂 4－蜗壳；5－尾水管
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4
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反击式（Reaction Hydraulic Turbine）
2016/7/2
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反击式：水流方向和流速大小受叶片约束 而改变,从而对叶片一个反作用力
混流式水轮机 （Francis）
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冲击式：转轮处在大气中，高速射流冲击 转轮
• 冲击式水轮机 （Pelton）
2016/7/2
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水流特征、转轮结构特征和工作方式分类
混流式
轴流式 反击式 轴流定桨式 轴流转桨式
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1.5 水流在反击式水轮机中的运动
水流在转轮中的运动是三维复合运动
叶片表面：三维扭曲面 叶道：三维扭曲空间 转轮：绕主轴旋转 所以水流在反击式水轮机 转轮中的运动是一个复杂 的三维空间的复合运动
相对运动、牵连运动 和绝对运动
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分析水流在水轮机中的运动要作假定
• 水轮机按能量转换特征分为两类，即反击式和 冲击式。而每一类水轮机又根据转轮区内水流 的特征和转轮的结构特征又分为多种形式。
• 能量转换特征：利用水流的势能、动能的比例。
• 转轮内水流特征：水流方向与主轴关系（垂直、 平行 、斜交）。