水轮机 2010华北水利水电学院
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用于选取水轮机各 项参数，如直径和 转速等。
即上下游平均水位差： Hcp=Z上cp—Z下cp 一般以算术平均水头表示，有时也用电能加 权平均水头表示。前者是水库径流调节后各时段 的水头累计值除以总时段数。后者是将径流调节 后各时段的水头，乘以相应时段的出力，累计后 再除以计算期的总出力。
2. 流量 (flow quantity)
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通过比 较分析确定。
当运行水头小于设计 水头时，机组出力达 不到额定出力。故是 选择水轮机尺寸的一 个基本数据。
Hr ——中国现以水电站运行中能保证水轮发 电机发足额定容量的最小水头为设计水头。 欧美各国则称之为水电站额定水头，苏联称 之为计算水头。欧美各国有时也把水轮机最 高效率相应的水头称之为设计水头。 4）平均水头：
8. 学时：52学时授课+4学时实验，共3.5学分 9. 考核方式：闭卷试题考试 10. 实践性环节的内容、要求 ：（2学分）
水轮机课程设计时间：课程结束后期末（2周） 内容：根据给定资料，对水轮机选型设计。 要求：成果要求，设计计算书和设计说明书各一 份。
第一章 绪论
重点：
1. 掌握水轮机工作参数 2. 熟悉水轮机类型和结构
2 2 P1 P2 1v1 2 v 2 W ( Z1 Z 2 ) 2g
引出以下概念
1.水头： H1 2 ( Z1 Z 2 )
条 件？
P1 P2
2 1v12 2v2
2g
2.落差： H1 2 ( Z1 Z 2 )
E W H 1 2 Q H 1 2 3.出力： N t t
或
N 9.81 Q H1 2 (kW)
!
H和Q是构成水电站发电能力的两个主要动力因素
4.水电站：借助水工建筑物和机电设备， 将水能→电能
坝式 按开发方 式分为 河床式水电站（葛洲坝、富春江电站） 坝后式水电站（三峡、丹江口水电站） 坝内式水电站（新安江水电站） 无压引水式电站 有压引水式电站
水 轮 机
贯流式(GL)
冲击式
切击式（CJ） 斜击式（XJ） 双击式(SJ) 混流式 轴流式 斜流式
按转轮进水特征分
可逆式 *
二. 各型水轮机的特点 1. HL式（法兰西斯式）
水流特点：转轮区水流径向流入，轴向流出；
结构特点：转轮由上冠，下环，叶片，泄水锥组成； 9～ 22叶片（固定不动）。 优点：结构紧凑，运行稳定，高效区宽广，适用高水头 小流量电站（如刘家峡）。 适用范围：H=30～ 700m，单机容量：几十kW～几十万kW
3. 掌握水轮机牌号及装置形式
1.1 水电站与水轮机 1.1.1 有关概念
以流体为工作介质来转 （fluid machinery ） 换能量的机械。 通常包括水轮机、汽轮机、燃气轮机、膨胀机、 风力机、泵、通风机、压缩机、液力耦合器、液 力变矩器、风动工具、气动马达和液压马达等。 流体机械
1. 流体机械所用的能源 :
(1) 燃料（煤、石油和天然气等）的化学能： 它们以热能的形式释放出来，然后再转化为机械 能或电能（如燃气轮机和汽轮机）。
(2) 直接或将能量转换为电能后带动从动机 （如风力机、水轮机和膨胀机 ） 2. 工质： （1）水轮机——水; （2）汽轮机——蒸汽; （3）燃气轮机——燃气； （4）泵——水、油或其他液体； （5）通风机和压缩机——各种气体； （6）风力机和膨胀机——空气和其他气体； （7）风动工具和气动马达——压缩空气或其他 压缩气体； （8）液压马达——液压油。
（3）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 。
在液体水和固体机械之间 4. 水力机械 : 进行机械能转换的机器。 水力原动机 水力工作机 水力机械分为
（基本）
可逆式水力机械 液力传动装置 水力推进器
（派生的）
问题
水能是如何转换为电能的？
？
水能 动能 势能
水轮机
Hydraulic Turbine
课程简介
1. 先修课程 ：流体力学等。后续（水轮机调节，水 力机组辅助设备等）
2. 教 材：《水轮机原理与运行》电力出版社，2008 3. 参考书目 （1）刘大恺主编 《水轮机》（第三版） 水利电力出版社，1997 （2）季盛林，刘国柱主编《水轮机》（第二版）， 水利电力出版社，1985 （3）陈新方主编《水轮机结构分析》， 水利电力出版社，1994 （4）常近时等编《水轮机运行》， 水利电力出版社，1983
2 P ⅡvⅡ P v2 ZⅡ Ⅱ H Z 2g 2g
（1）说明：进口指蜗壳进口断面； 出口指尾水管出口断面。
A Zu hA–Ⅰ
v2
书中图1-3
vA
2g
P
发电机 Ⅰ
Hg
ZA A ZⅠ
水轮机
vⅠ Ⅰ Ⅱ
T
Zd vT ZT
vⅡ Ⅱ
ZⅡ
T
0
0
高程： Z , ZⅡ 可测量参数
压力：P
流量：Q
水轮机工作水头H表明：水轮机利用水流单位能 量的多少，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。
（2）特征水头 ：(characteristic head) 水轮机的工作水头随上下游水位而变化，故提出特 征水头的概念，用于表示水机的运行工况和运行范 围。特征水头一般由水能规划计算确定。 1）最大工作水头： Hmax=Z正—Z下min—hA-Ⅰ 式中：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。
N 装 N gi
i 1 n
8. 单机容量：机组的最大出力 N g 9.81QHu 9. 机组效率：
u t g
1.2 水轮机的工作参数（working parameters ）
1. 工作水头（working head）
定义 又称净水头，指水轮机的进口和出口处
单位重量水流的能量差值。
Baidu Nhomakorabea
3. 流体机械分类
原动机:将流体的能量转变为机 械能，用来输出轴功率。如汽 轮机、燃气轮机、水轮机等。 (1) 按能量转换分 工作机:将机械能转变为流体的 能量，用来改变流体的状态(提 高流体的压力、使流体分离等) 与输送流体。如压缩机、泵、 分离机等。
容积式：依靠运动元件改变 工作容积来实现能量转化 。
是水轮机结构强 度设计时的一项 重要数据。
2）最小工作水头：
Hmin=Z死—Z下max—hA-Ⅰ 式中：Z死——为上游死水位 ；
是水轮发电机在效率 降低的情况下，保证 水轮机安全稳定运行 的最低水头。
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 。 3）设计水头（计算水头）Hr ：
No t 100% NI
!
一般η=80%~95%。η<100%原因：水流通过水轮机时， 存在水头损失、水量损失、机械损失等能量损失。
5. 工作力矩 ( working moment )
定义
水轮机的出力使主轴旋转做功，因此出
力也可以用旋转机械运动公式来表达：
2n N M M 9.81 Q Ht (kW) 60
定义 单位时间内通过水轮机的水量 Q (m3/s)。
Q = f ( H，N ) 说明 : Q 随 H、N 的变化而变化。 (1) H、N 一定时，Q 也一定；
(2) 当 H = Hr、N = N额 时，Q 为最大即
为设计流量 Qr：在设计水头下，水轮机以额定 转速、额定出力运行时所对应的水流量 。它是 水轮机发出额定出力时所需要的最大流量。
4. 授课时间：第1~14周
5. 课程性质：专业课
6. 课程作用：本课程是水动专业本科生的专
业必修课，帮助学生了解水轮机结构，工作
原理、选型与设计的理论方法等。
7. 教学目标：使学生系统掌握水轮机的专业
知识，为后续毕业设计和走上工作岗位后从 事水电站主机设计、安装与检修、运行管理 与科学研究打下坚实的理论基础。
三峡大坝泄洪
三 峡 双 线 五 级 船 闸
5. 水电站毛水头 (nominal productive head) ： （水电站静水头） H H ( Z Z ) (m)
g AT A T
6. 水轮机工作水头H为： H H g (hA h Ⅱ hⅡT） 7. 水电站装机容量：水电站可能发出的最大出力
三峡转轮
2. ZL式（卡普兰式）
水流特点：转轮区水流轴向流入，轴向流出； 结构特点：转轮由叶片，轮毂，泄水锥组成； 3～ 8叶片，分不动与转动两种。 ZD式：优点：叶片不能随工况变而转动。改变叶片转角
引水式 混合式
坝后式水电站厂坝横剖面示意图
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
河床式水电站枢纽布置示意图
龙羊峡水电站
李家峡水电站
二滩水电站厂房内
三峡水电站模型
三峡工程航拍
三峡水电站厂房内
势能 EP
动能 Ek
所以，根据水流作用原理：
反击式: 0<EP <1，EP+Ek=1，以利用势能为主 水 轮 机
（1）水流特点：有压流道；从转轮进口→出口 压力下降；全周进水。 （2）结构特点：叶片呈空气动力翼型；有尾水管。
reaction water turbine
冲击式: EP =0， EP=1，完全利用水流动能
3. 转速 (rotational speed )
定义 水轮机单位时间内旋转的次数 n
单位：r/min 或 rpm (revolution per minute）。 额定转速nr ：一般我国所用的电流频率为50赫 兹，所以在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，并与发电的同步
转速相等。 nr=3000/p
1.3 水轮机的类型和结构
一. 水轮机的分类 概念：水轮机过流通道（流道）： 引水部件→导水机构→转轮→泄水部件 我们知道，水轮机工作水头H表明水轮机利用 水流单位能量的多少，根据其表达式分析：
2 P ⅡvⅡ P v2 ZⅡ Ⅱ H Z 2g 2g P P ( Z ZⅡ ) ( Ⅱ ) 2 v2 ⅡvⅡ 1 H 2 gH
（1）水流特点：无压流道；恒压水流由喷嘴射流
冲击水轮机；外周部分进水。
（2）结构特点：叶片水斗状；有喷嘴；无尾水管。 Inpulse water
混流式（HL）
按转轮水流方向分
轴流式（ZL） 反击式 斜流式(XL)
轴流定桨式（ZD） 轴流转桨式(ZZ) 斜流定桨式（XD） 斜流转桨式(XZ) 贯流定桨式（GD） 贯流转桨式(GZ)
水轮机 水泵 发电机
机械能
电动机
电能
水轮机+发电机：水轮发电机组。 功能：发电
水轮机组
水泵水轮机+发电电动机：水泵抽水机组。 功能：输水与蓄能
1.1.2 天然河段蕴藏的水能
Z 1
Z1
v1
2
Z2
H1-2
1 E1
v2
2 E2 L
河段1-2间蕴藏的水能E为：
2 2 P1 1v1 P2 2 v 2 W Z2 E E1 E 2 W Z 1 2g 2g
式中：p ——发电机磁极对数
4. 出力与效率 (output and efficiency)
定义 （1）出力N：指水轮机轴传给发电机轴的功
率(输出功率)。
水轮机的输入功率(水流传给水轮机的能量)为：
N I 9.81 Q H (kW)
水轮机的输出功率： No 9.81Q Ht (kW) （2）效率：
式中：
M——水轮机主轴输出的旋转力矩，用来
克服发电机对主轴产生的阻力矩，单位为N· ; m
ω——水轮机旋转角速度.
例
注意：
题（见书中P5）
1 kg /cm 2 104 pa
本节小结
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： 水头，流量，转速，出力，效率
即上下游平均水位差： Hcp=Z上cp—Z下cp 一般以算术平均水头表示，有时也用电能加 权平均水头表示。前者是水库径流调节后各时段 的水头累计值除以总时段数。后者是将径流调节 后各时段的水头，乘以相应时段的出力，累计后 再除以计算期的总出力。
2. 流量 (flow quantity)
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通过比 较分析确定。
当运行水头小于设计 水头时，机组出力达 不到额定出力。故是 选择水轮机尺寸的一 个基本数据。
Hr ——中国现以水电站运行中能保证水轮发 电机发足额定容量的最小水头为设计水头。 欧美各国则称之为水电站额定水头，苏联称 之为计算水头。欧美各国有时也把水轮机最 高效率相应的水头称之为设计水头。 4）平均水头：
8. 学时：52学时授课+4学时实验，共3.5学分 9. 考核方式：闭卷试题考试 10. 实践性环节的内容、要求 ：（2学分）
水轮机课程设计时间：课程结束后期末（2周） 内容：根据给定资料，对水轮机选型设计。 要求：成果要求，设计计算书和设计说明书各一 份。
第一章 绪论
重点：
1. 掌握水轮机工作参数 2. 熟悉水轮机类型和结构
2 2 P1 P2 1v1 2 v 2 W ( Z1 Z 2 ) 2g
引出以下概念
1.水头： H1 2 ( Z1 Z 2 )
条 件？
P1 P2
2 1v12 2v2
2g
2.落差： H1 2 ( Z1 Z 2 )
E W H 1 2 Q H 1 2 3.出力： N t t
或
N 9.81 Q H1 2 (kW)
!
H和Q是构成水电站发电能力的两个主要动力因素
4.水电站：借助水工建筑物和机电设备， 将水能→电能
坝式 按开发方 式分为 河床式水电站（葛洲坝、富春江电站） 坝后式水电站（三峡、丹江口水电站） 坝内式水电站（新安江水电站） 无压引水式电站 有压引水式电站
水 轮 机
贯流式(GL)
冲击式
切击式（CJ） 斜击式（XJ） 双击式(SJ) 混流式 轴流式 斜流式
按转轮进水特征分
可逆式 *
二. 各型水轮机的特点 1. HL式（法兰西斯式）
水流特点：转轮区水流径向流入，轴向流出；
结构特点：转轮由上冠，下环，叶片，泄水锥组成； 9～ 22叶片（固定不动）。 优点：结构紧凑，运行稳定，高效区宽广，适用高水头 小流量电站（如刘家峡）。 适用范围：H=30～ 700m，单机容量：几十kW～几十万kW
3. 掌握水轮机牌号及装置形式
1.1 水电站与水轮机 1.1.1 有关概念
以流体为工作介质来转 （fluid machinery ） 换能量的机械。 通常包括水轮机、汽轮机、燃气轮机、膨胀机、 风力机、泵、通风机、压缩机、液力耦合器、液 力变矩器、风动工具、气动马达和液压马达等。 流体机械
1. 流体机械所用的能源 :
(1) 燃料（煤、石油和天然气等）的化学能： 它们以热能的形式释放出来，然后再转化为机械 能或电能（如燃气轮机和汽轮机）。
(2) 直接或将能量转换为电能后带动从动机 （如风力机、水轮机和膨胀机 ） 2. 工质： （1）水轮机——水; （2）汽轮机——蒸汽; （3）燃气轮机——燃气； （4）泵——水、油或其他液体； （5）通风机和压缩机——各种气体； （6）风力机和膨胀机——空气和其他气体； （7）风动工具和气动马达——压缩空气或其他 压缩气体； （8）液压马达——液压油。
（3）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 。
在液体水和固体机械之间 4. 水力机械 : 进行机械能转换的机器。 水力原动机 水力工作机 水力机械分为
（基本）
可逆式水力机械 液力传动装置 水力推进器
（派生的）
问题
水能是如何转换为电能的？
？
水能 动能 势能
水轮机
Hydraulic Turbine
课程简介
1. 先修课程 ：流体力学等。后续（水轮机调节，水 力机组辅助设备等）
2. 教 材：《水轮机原理与运行》电力出版社，2008 3. 参考书目 （1）刘大恺主编 《水轮机》（第三版） 水利电力出版社，1997 （2）季盛林，刘国柱主编《水轮机》（第二版）， 水利电力出版社，1985 （3）陈新方主编《水轮机结构分析》， 水利电力出版社，1994 （4）常近时等编《水轮机运行》， 水利电力出版社，1983
2 P ⅡvⅡ P v2 ZⅡ Ⅱ H Z 2g 2g
（1）说明：进口指蜗壳进口断面； 出口指尾水管出口断面。
A Zu hA–Ⅰ
v2
书中图1-3
vA
2g
P
发电机 Ⅰ
Hg
ZA A ZⅠ
水轮机
vⅠ Ⅰ Ⅱ
T
Zd vT ZT
vⅡ Ⅱ
ZⅡ
T
0
0
高程： Z , ZⅡ 可测量参数
压力：P
流量：Q
水轮机工作水头H表明：水轮机利用水流单位能 量的多少，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。
（2）特征水头 ：(characteristic head) 水轮机的工作水头随上下游水位而变化，故提出特 征水头的概念，用于表示水机的运行工况和运行范 围。特征水头一般由水能规划计算确定。 1）最大工作水头： Hmax=Z正—Z下min—hA-Ⅰ 式中：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。
N 装 N gi
i 1 n
8. 单机容量：机组的最大出力 N g 9.81QHu 9. 机组效率：
u t g
1.2 水轮机的工作参数（working parameters ）
1. 工作水头（working head）
定义 又称净水头，指水轮机的进口和出口处
单位重量水流的能量差值。
Baidu Nhomakorabea
3. 流体机械分类
原动机:将流体的能量转变为机 械能，用来输出轴功率。如汽 轮机、燃气轮机、水轮机等。 (1) 按能量转换分 工作机:将机械能转变为流体的 能量，用来改变流体的状态(提 高流体的压力、使流体分离等) 与输送流体。如压缩机、泵、 分离机等。
容积式：依靠运动元件改变 工作容积来实现能量转化 。
是水轮机结构强 度设计时的一项 重要数据。
2）最小工作水头：
Hmin=Z死—Z下max—hA-Ⅰ 式中：Z死——为上游死水位 ；
是水轮发电机在效率 降低的情况下，保证 水轮机安全稳定运行 的最低水头。
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 。 3）设计水头（计算水头）Hr ：
No t 100% NI
!
一般η=80%~95%。η<100%原因：水流通过水轮机时， 存在水头损失、水量损失、机械损失等能量损失。
5. 工作力矩 ( working moment )
定义
水轮机的出力使主轴旋转做功，因此出
力也可以用旋转机械运动公式来表达：
2n N M M 9.81 Q Ht (kW) 60
定义 单位时间内通过水轮机的水量 Q (m3/s)。
Q = f ( H，N ) 说明 : Q 随 H、N 的变化而变化。 (1) H、N 一定时，Q 也一定；
(2) 当 H = Hr、N = N额 时，Q 为最大即
为设计流量 Qr：在设计水头下，水轮机以额定 转速、额定出力运行时所对应的水流量 。它是 水轮机发出额定出力时所需要的最大流量。
4. 授课时间：第1~14周
5. 课程性质：专业课
6. 课程作用：本课程是水动专业本科生的专
业必修课，帮助学生了解水轮机结构，工作
原理、选型与设计的理论方法等。
7. 教学目标：使学生系统掌握水轮机的专业
知识，为后续毕业设计和走上工作岗位后从 事水电站主机设计、安装与检修、运行管理 与科学研究打下坚实的理论基础。
三峡大坝泄洪
三 峡 双 线 五 级 船 闸
5. 水电站毛水头 (nominal productive head) ： （水电站静水头） H H ( Z Z ) (m)
g AT A T
6. 水轮机工作水头H为： H H g (hA h Ⅱ hⅡT） 7. 水电站装机容量：水电站可能发出的最大出力
三峡转轮
2. ZL式（卡普兰式）
水流特点：转轮区水流轴向流入，轴向流出； 结构特点：转轮由叶片，轮毂，泄水锥组成； 3～ 8叶片，分不动与转动两种。 ZD式：优点：叶片不能随工况变而转动。改变叶片转角
引水式 混合式
坝后式水电站厂坝横剖面示意图
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
河床式水电站枢纽布置示意图
龙羊峡水电站
李家峡水电站
二滩水电站厂房内
三峡水电站模型
三峡工程航拍
三峡水电站厂房内
势能 EP
动能 Ek
所以，根据水流作用原理：
反击式: 0<EP <1，EP+Ek=1，以利用势能为主 水 轮 机
（1）水流特点：有压流道；从转轮进口→出口 压力下降；全周进水。 （2）结构特点：叶片呈空气动力翼型；有尾水管。
reaction water turbine
冲击式: EP =0， EP=1，完全利用水流动能
3. 转速 (rotational speed )
定义 水轮机单位时间内旋转的次数 n
单位：r/min 或 rpm (revolution per minute）。 额定转速nr ：一般我国所用的电流频率为50赫 兹，所以在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，并与发电的同步
转速相等。 nr=3000/p
1.3 水轮机的类型和结构
一. 水轮机的分类 概念：水轮机过流通道（流道）： 引水部件→导水机构→转轮→泄水部件 我们知道，水轮机工作水头H表明水轮机利用 水流单位能量的多少，根据其表达式分析：
2 P ⅡvⅡ P v2 ZⅡ Ⅱ H Z 2g 2g P P ( Z ZⅡ ) ( Ⅱ ) 2 v2 ⅡvⅡ 1 H 2 gH
（1）水流特点：无压流道；恒压水流由喷嘴射流
冲击水轮机；外周部分进水。
（2）结构特点：叶片水斗状；有喷嘴；无尾水管。 Inpulse water
混流式（HL）
按转轮水流方向分
轴流式（ZL） 反击式 斜流式(XL)
轴流定桨式（ZD） 轴流转桨式(ZZ) 斜流定桨式（XD） 斜流转桨式(XZ) 贯流定桨式（GD） 贯流转桨式(GZ)
水轮机 水泵 发电机
机械能
电动机
电能
水轮机+发电机：水轮发电机组。 功能：发电
水轮机组
水泵水轮机+发电电动机：水泵抽水机组。 功能：输水与蓄能
1.1.2 天然河段蕴藏的水能
Z 1
Z1
v1
2
Z2
H1-2
1 E1
v2
2 E2 L
河段1-2间蕴藏的水能E为：
2 2 P1 1v1 P2 2 v 2 W Z2 E E1 E 2 W Z 1 2g 2g
式中：p ——发电机磁极对数
4. 出力与效率 (output and efficiency)
定义 （1）出力N：指水轮机轴传给发电机轴的功
率(输出功率)。
水轮机的输入功率(水流传给水轮机的能量)为：
N I 9.81 Q H (kW)
水轮机的输出功率： No 9.81Q Ht (kW) （2）效率：
式中：
M——水轮机主轴输出的旋转力矩，用来
克服发电机对主轴产生的阻力矩，单位为N· ; m
ω——水轮机旋转角速度.
例
注意：
题（见书中P5）
1 kg /cm 2 104 pa
本节小结
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： 水头，流量，转速，出力，效率