水轮机概论
水轮机概论
4、水轮机的装置方式
• 水轮机轴装置方式——立轴、卧轴、斜轴 • 机组连接方式：直接——水轮机轴、发电机轴在同一 轴线 间接——水轮机轴、发电机轴不在同 一轴线，靠传动装置连接 • 立轴直接连接方式——大中型水轮机 • 卧轴直接连接方式——大中型水斗式水轮机
金属蜗壳—立轴装置
混凝土蜗壳—立轴装置
金属蜗壳—卧轴布置
明槽——卧轴布置
5、思考练习
P17 1、2、3、4题
•
• •
2、水轮机基本类型
• 反击式水轮机——利用水流的压力能和动能做 功：混流式、轴流式、斜流式、贯流式 • 冲击式水轮机——利用水流的动能做功：水斗 式（切击式）、斜击式、双击式
混流式水轮机
• 指水流沿径向进入转轮然后沿轴向自转轮流出的水轮 机。适用水头一般为20～700m，适用水头范围广，结 构简单，运行可靠，应用最为广泛。
• 流道呈直线状的卧轴水轮机,分为定桨式和转桨式两种。 其转轮与轴流式水轮机相似,但效率和过流量比轴流式 水轮机大,适用水头一般为3～20m，是开发低水头和潮 汐水力资源的新型水轮机。按发电机的布置方式分为 全贯流式和半贯流式两种半贯流式又分为竖井式、轴 伸式和灯泡式,其中以灯泡式水轮机应用最广泛。
斜流式水轮机
• 水流经转轮叶片时倾向于轴线某一方向的水轮机。其 叶片可转动，在结构和特性方面介于混流式和轴流式 水轮机之间，适用水头一般为40～120m，比轴流式水 轮机的适用水头高，比混流式水轮机的平均效率高， 对水头、负荷变化的适应性好。缺点是制造工艺复杂， 造价高，小型电站不宜采用。
贯流式水轮机
水斗式水轮机
• 由喷嘴喷射的轮缘 上所组成，适用水头一般为100～1700m。
3、水轮机型号
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）
水轮机概述及水电站水系统总结
间隙配合、过盈配合、过渡配合
（2）过盈配合 具有过盈（包括最小过盈等于零）的配合称 为过盈配合。此时，孔的公差带在轴的公差 带之下. 在过盈配合中，孔的最大极限尺寸减轴的最 小极限尺寸所得的差值为最小过盈Ymin， 是孔、轴配合的最松状态；孔的最小极限尺 寸减轴的最大极限尺寸所得的差值为最大过 盈Ymax ，是孔、轴配合的最紧状态。
水轮机概述及水电站 水系统
水轮机概述
1、水轮机的基本参数： 水头H、流量Q、功率P、效率η、 转速n 2、水轮机的类型：
反击式水轮机 冲击式水轮机
水轮机概述
3、水轮机型号：
水 轮 机 型 式
混 流 式
代 表 符 号
HL ZZ ZD
主 轴 布 置 型 式及 引 水 室 特 征 立 卧 金 属 蜗 轴 轴 壳
谢谢！！
间隙配合、过盈配合、过渡配合
三种配合类别的区别 （1）间隙配合 a．孔的实际尺寸永远大于或等于轴的实际尺 寸 b．孔的公差带在轴的公差带的上方 c．允许 孔轴配合后能产生相对运动 （2）过盈配合 a．孔的实际尺寸永远小于或等于轴的实际尺 寸 b．孔的公差带在轴的公差带的下方 c．允许孔轴配合后使零件位置固定或传递载 荷 （3）过渡配合 a．孔的实际尺寸可能大于或小于轴的实际尺 寸 b．孔的公差带与轴的公差带相互交叠
水轮机概述
水轮机型号示 例： ZZ560-LH-1130：表示转轮代码为560、 立轴、混凝土蜗壳的轴流转桨式水轮机， 转轮直径为1130cm
水电站水系统
自流供水 水泵单元供水 技术供水 混流供水 其他供水 水电站水系统 消防供水 排水
渗漏排水
检修排水
水电站水系统
技术供水：
水头：15-40m 自流供水：
第1章 水轮机概论
泸州职业技术学院电子工程系 1.2.2 各类型水轮机的特点及应用范围 水头40～ 水头40～120M 40
3.斜流式水轮机（ 3.斜流式水轮机（图1－6） 斜流式水轮机
斜流式水轮机是指轴面水流以倾斜于主轴的方向进、 斜流式水轮机是指轴面水流以倾斜于主轴的方向进、出 转轮的反击式水轮机； 转轮的反击式水轮机； 其转轮在结构与性能方面介于轴流式与混流式之间； 其转轮在结构与性能方面介于轴流式与混流式之间； 4.贯流式水轮机（ 4.贯流式水轮机（图1－7） 贯流式水轮机 水头2 水头2～20M
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第1章 水轮机概论
泸州职业技术学院电子工程系
1.1 水轮机的基本参数 水头H 1. 水头H 定义： 定义：水轮机的工作水头为水轮机进口断 面和尾水管出口断面处单位重量水流能量之差。 面和尾水管出口断面处单位重量水流能量之差。 流量Q 2. 流量Q 功率P 3. 功率P 水轮机输出功率Pout Pout＝ 水轮机输出功率Pout＝9.81QHη≌8QH 4.水轮机效率 水轮机效率η 4.水轮机效率η 5.转速 转速n 5.转速n
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第1章 水轮机概论
水轮机的类型及应用， 1.2 水轮机的类型及应用，水轮机的基本类型 1.反击式水轮机 1.反击式水轮机 利用水流的压力能和动能做功的水轮机是反击式水轮机； 利用水流的压力能和动能做功的水轮机是反击式水轮机； 水流是有压的，水流充满水轮机的整个流道，从转轮进口至出口， 水流是有压的，水流充满水轮机的整个流道，从转轮进口至出口，水 流压力逐渐降低，水流通过与叶片的相互作用使转轮转动， 流压力逐渐降低，水流通过与叶片的相互作用使转轮转动，从而把水流能 量传递给转轮。 量传递给转轮。 特征：转轮的叶片为空间扭曲面，流过转轮的水流式连续的， 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。 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。 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， 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， 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。 产生旋转力矩，从而做功。 为了减少水流与叶片相互作用的能量损失， 为了减少水流与叶片相互作用的能量损失，反击式水轮机的叶片断面 多是空气动力翼型形状。 多是空气动力翼型形状。 类型：混流式、轴流式（轴流定浆、轴流转浆）、 ）、斜流式 贯流式。 类型：混流式、轴流式（轴流定浆、轴流转浆）、斜流式 、贯流式。
《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）。
【引用】水轮机原理及构造
【引用】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。
水轮泵原理简述
水轮泵原理简述什么是水轮泵水轮泵是利用水能进行能量转换的机械设备。
具体来说，水轮泵将水流动的动能转换成了机械能，从而实现水的输送。
水轮泵广泛应用于水利、农业、市政等领域。
水轮泵原理水轮泵的原理主要是通过叶轮、静叶环和导水管等组件来实现水流动的动能转换成机械能。
具体来说，水经过导水管进入叶轮的叶片，叶片会将流动的水转化为旋转的能量，然后静叶环将这种旋转能量转化成了水的动能，再将水推向流出口，从而实现水的输送。
水轮泵的结构水轮泵的结构相对简单，主要由导水管、叶轮和静叶环等组成。
其中，导水管是将流动的水引导到叶轮的组件，叶轮是将水的动能转化为叶片旋转能量的组件，静叶环则主要负责将叶轮旋转能量转化成水的动能的组件。
除此之外，水轮泵还有进水口、流出口和支架等结构。
水轮泵的分类根据水轮泵的运动方式和结构形式，可以将其分为多种类型。
最常见的水轮泵类型有：1.涡轮式水轮泵：主要特点是叶轮和静叶环的叶片数目相等，并且叶轮与静叶环几乎是呈平行关系的。
2.离心式水轮泵：主要特点是叶轮和静叶环叶片数目不相等，并且叶轮与静叶环之间的夹角较大。
3.螺旋泵：其主要特点是叶轮和静叶环之间夹角较小，呈螺旋状排布。
4.切割式水轮泵：其主要特点是进水口对着叶轮叶片的一端，叶轮和静叶环的叶片呈倒绒毛状排布。
以上是常见的水轮泵类型，不同类型的水轮泵在应用于不同的场合时，都要根据具体情况来选择。
水轮泵的应用水轮泵的应用非常广泛，主要应用于以下几个领域：1.水利工程：水轮泵可以用来灌溉、排水和输水等，可应用于农田、园林、公园等地。
2.制浆工业：水轮泵可以用来输送浆料，可应用于造纸和造纸原料等。
3.市政工程：水轮泵可以用于清洁污水或输送淤泥等。
如今，水轮泵已经成为现代生产生活中不可或缺的能源转换设备。
总结水轮泵是一种利用水能转换能量的机械设备，其原理主要是通过叶轮、静叶环和导水管等组件来将水流动的动能转化为机械能。
水轮泵具有结构简单、应用广泛等特点，是现代生产生活中不可或缺的能源转换设备之一。
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，
(完整word版)水轮机概论
2 均流速，m/s；I、II分别为Ⅰ-Ⅰ和Ⅱ-Ⅱ处的过流断面速度分布不均匀系数；为水的密度，kg/m3；g为重力加速度。 净水头H又可表示为： 1AghHH （1-2） 式中：Hg为水电站水头（毛水头）；1Ah为水电站引水建筑物中的水力损失。 毛水头是水电站上、下游水位的高程差，用符号gH表示，单位为m。 2．额定水头Hr 额定水头是水轮机在额定转速下，输出额定功率时的最小净水头，单位为m。 3．设计水头Hd 设计水头是水轮机在最高效率点运行时的净水头，单位为m。 4．最大（最小）水头Hmax（Hmin） 最大（最小）水头是在运行范围内，水轮机水头的最大（最小）值，单位为m。 5．加权平均水头Hw 加权平均水头是在电站运行范围内，考虑负荷和工作历时的水轮机水头的加权平均值，单位为m。 图1-2 立轴反击式水轮机的工作水头
情景1
1 情景1 水轮机概论 1.1 水轮机基本参数 水轮机是把水流能量转换成旋转机械能的水力机械，是水电厂最主要的动力设备。水轮机主轴带动发电机轴旋转，利用发电机将机械能转换成电能。水轮机一般装在水电站的厂房内，如图1-1所示，当水流经引水道进入水轮机，由于水流和水轮机的相互作用，水流的能量便传给了水轮机，水轮机获得能量后开始旋转而做功。因为水轮机轴和发电机轴相连，水轮机便把它获得的能量传给了发电机，并驱动带有磁场的发电机转子转动而形成旋转磁场，发电机定子绕组切割磁力线而感应出电动势，带上外负荷后便输出了电流。 当水流通过水轮机时，水能即转变成机械能，这一工作过程的特性可用水轮机基 本参数来表征。其基本参数有：水头H、流量Q、功率P、效率η和转速n等。 1.1.1 水轮机水头H 1．净水头H 净水头是水轮机进口与出口测量断面的总水头差，即水轮机做功用的有效水头，用符号H表示，单位为m。图1-2为反击式水电站水轮机装置示意图。 对于反击式水轮机，进口断面取在蜗壳进口处Ⅰ-Ⅰ断面，出口断面取在尾水管出口Ⅱ-Ⅱ断面，则净水头为 ggpZggpZHIIIIIIIIII2222 （1-1） 式中：ZI 、ZII分别为断面Ⅰ-Ⅰ和Ⅱ-Ⅱ处相对于某基准的位置高度，m；Ip、IIp分别为断面Ⅰ-Ⅰ和Ⅱ-Ⅱ处的流体压强，Pa； I、II分别为Ⅰ-Ⅰ和Ⅱ-Ⅱ处过流断面的平 图1-1 拦河坝式水电站坝后式厂房 1-水轮机；2-发电机；3-尾水管；4-桥机；5-引水道
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。
水轮发电机的结构讲义
发电机部分
定子
固定部分，产生磁场，通常由铁芯和绕组组成。
转子
转动部分，在定子磁场中转动，产生感应电动势， 驱动发电机转动。
03
水轮发电机的运行原理
水能转化为机械能
当水流通过水轮机的转轮时，转轮会受到水流的冲击力 而旋转，将水能转化为机械能。
水流的速度、水轮机的转速以及转轮的形状等因素都会 影响水能转化为机械能的效率。
广。
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水轮发电机的历史与发展
总结词
水轮发电机自19世纪末发明以来，经历了多个发展阶段，技术不断进步，已成为现代可再生能源的重要组成部分。
详细描述
水轮发电机自1878年由法国工程师Gustave Eiffel发明以来，经历了多个发展阶段。最初的水轮发电机采用直流 发电方式，后来逐渐发展为交流发电。随着科技的不断进步，水轮发电机的效率和可靠性得到了显著提高。如今， 水轮发电机已成为现代可再生能源的重要组成部分，广泛应用于水电站建设。
水轮发电机的应用领域
水力发电
潮汐能利用
水轮发电机是水力发电的核心设备， 通过水流驱动水轮机转动，进而带动 发电机发电。
潮汐能发电利用潮汐能驱动水轮发电 机组发电，是可再生能源利用的一种 形式。
抽水蓄能
抽水蓄能电站利用水轮发电机作为抽 水蓄能的动力设备，在电力需求低谷 时段将水抽到高处储存，在电力需求 高峰时段放水发电。
水轮发电机的种类与特点
总结词
水轮发电机根据水流能量的利用方式可分为反击式和 冲击式两种类型，各有其特点和应用范围。
详细描述
水轮发电机根据水流能量的利用方式可分为反击式和 冲击式两种类型。反击式水轮发电机利用水流在引水 系统中产生的压力和动能，通过水轮机将能量转化为 旋转机械能，再带动发电机发电。冲击式水轮发电机 则是利用自由落体的水流的动能，通过喷嘴和转轮将 能量转化为旋转机械能。两种类型的水轮发电机各有 其特点和应用范围，可根据实际情况选择使用。
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。
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。
水泵水轮机简介
水泵水轮机简介一、水轮机分类二、水轮机结构三、水泵水轮机各部件的配合四、水泵水轮机五、问题及补充1、水轮机分类根据转轮内水流运动的特征和转轮转换水流能量形式的不同，水轮机可分为冲击式和反击式。
1.1冲击式又分水斗式、斜击式、双击式。
将水的动能转换为机械动能。
借助特殊的导水装置（如喷嘴），把高压水流变为高速的自由射流，通过射流与转轮的相互作用，将水流能量传递给转轮。
转轮不是整周进水，因此过流量较小。
1.2反击式又分混流式、轴流式、斜流式、贯流式。
将水的压能、势能转换为机械动能。
水流充满整个水轮机的流道，整个流道是有压封闭系统，水流是有压流动，水流沿着转轮外圆整周进水，从转轮的进口至出口水流压力逐渐减小。
冲击式混流式1.2.1混流式：水流由径向进入转轮，然后沿轴向流出。
由美国人法兰西斯发明，所以又称法兰西斯式。
混流式水轮机的转轮由上冠、下环、叶片和泄水锥组成，混流式转轮叶片是固定不动的，混流式结构紧湊，运行可靠，效率高，能适应很宽的水头范围，是目前应用最广泛的水轮机之一。
轴流式水流在导叶与转轮之间的流动方向由径向转为轴向，经过转轮区域时水流是轴向流进又轴向流出。
轴流转桨式由捷克人卡普兰在1916年提出的，所以又称卡普兰式。
1.2.2轴流式水轮机的转轮由转轮体（即轮毂）、叶片和泄水锥组成，叶片数少于混流式，叶片轴线与水轮机轴线垂直。
在同样直径与水头时，它的过流能力比混流式大，气蚀性能较混流式差。
轴流转桨式适用于水头变化较大，特别是出力变化较大的电站。
广泛用于低水头、大容量的电站。
2、水泵水轮机结构以混流式水轮机为例有以下主要部件：蜗壳、座环、导水机构、转轮、尾水管、主轴、水导轴承。
2.1蜗壳：以最小的水力损失把水流引向转轮前的导水机构，并使水流能均匀而轴对称地进入导水机构，同时让水流具有一定的速度环量。
根据使用水头和单机容量不同，蜗壳的制作材料有金属和混凝土，金属蜗壳的截面形状为圆形，蜗壳的外形像蜗牛壳，从蜗壳进口到鼻端又像一个断面逐渐收缩的管子。
水力机械水轮机发电机水轮发电机组功能
水流流动方向：
水流→喷管→折流板→转轮→机壳→尾水槽
(1). 转轮
组成：轮盘、斗叶（沿轮盘均匀分布）。 连接方式：螺拴、整体铸造、焊接。
水斗的形状
(2). 喷管
组成：喷嘴、喷管体、针阀、喷杆、操作机构 针阀：控制水轮机的过水流量，以行程表示。
多喷嘴安装
广泛应用的喷嘴
(3). 折流板 使针阀缓慢关闭，降低水锤压力，使水流偏离水斗， 避免机组转速升高。
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。
贯流式机组分类
全贯流式：发电机转子安装在水轮机转轮外缘，其 密封困难，现在较少使用。
半贯流式：
灯泡贯流式：发电机组安装在密闭的灯泡体内，使用较 广泛，机组结构紧凑，流道形状平直，水力效率高。
轴伸式贯流机组：发电机安装在外面，水轮机轴伸出到 尾水管外面。
单机容量：几万kW-几十万kW 特点：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。 三峡水电站即采用了这种水轮机，单机容量70
万kW。是世界上单机容量最大的机组。
混流式水轮机
2. 轴流式： 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。
适用于大流量、低水头。一般水头在50m以下。 轴流定浆式：叶片不能随工况的变化而转动。高
(4). 机壳 把水斗中排出的水引导入尾水槽内。一般为铸钢件。 (5). 引水板 防止水流随转轮飞溅到上方，造成附加损失
水斗水轮机的装置方式
(1) 为了提高机组转速及过流量，常在一个转轮上 装设两个或更多个喷嘴。有时又在一根轴上装 设两个(或多个)转轮，以提高机组的单机出力。
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情景1 水轮机概论1.1 水轮机基本参数水轮机是把水流能量转换成旋转机械能的水力机械，是水电厂最主要的动力设备。
水轮机主轴带动发电机轴旋转，利用发电机将机械能转换成电能。
水轮机一般装在水电站的厂房内，如图1-1所示，当水流经引水道进入水轮机，由于水流和水轮机的相互作用，水流的能量便传给了水轮机，水轮机获得能量后开始旋转而做功。
因为水轮机轴和发电机轴相连，水轮机便把它获得的能量传给了发电机，并驱动带有磁场的发电机转子转动而形成旋转磁场，发电机定子绕组切割磁力线而感应出电动势，带上外负荷后便输出了电流。
当水流通过水轮机时，水能即转变成机械能，这一工作过程的特性可用水轮机基 本参数来表征。
其基本参数有：水头H 、流量Q 、功率P 、效率η和转速n 等。
1.1.1 水轮机水头H1．净水头H净水头是水轮机进口与出口测量断面的总水头差，即水轮机做功用的有效水头，用符号H 表示，单位为m 。
图1-2为反击式水电站水轮机装置示意图。
对于反击式水轮机，进口断面取在蜗壳进口处Ⅰ-Ⅰ断面，出口断面取在尾水管出口Ⅱ-Ⅱ断面，则净水头为⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛++-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛++=I I g g p Z g g p Z H II II II II I I 2222υαρυαρ （1-1） 式中：Z I 、Z II 分别为断面Ⅰ-Ⅰ和Ⅱ-Ⅱ处相对于某基准的位置高度，m ；I p 、II p 分别为断面Ⅰ-Ⅰ和Ⅱ-Ⅱ处的流体压强，Pa ； I υ、II υ分别为Ⅰ-Ⅰ和Ⅱ-Ⅱ处过流断面的平图1-1 拦河坝式水电站坝后式厂房1-水轮机；2-发电机；3-尾水管；4-桥机；5-引水道均流速，m/s ；I α、II α分别为Ⅰ-Ⅰ和Ⅱ-Ⅱ处的过流断面速度分布不均匀系数；ρ为水的密度，kg/m 3；g 为重力加速度。
净水头H 又可表示为：1-∆-=A g h H H （1-2）式中：H g 为水电站水头（毛水头）；1-∆A h 为水电站引水建筑物中的水力损失。
毛水头是水电站上、下游水位的高程差，用符号g H 表示，单位为m 。
2．额定水头H r额定水头是水轮机在额定转速下，输出额定功率时的最小净水头，单位为m 。
3．设计水头H d 设计水头是水轮机在最高效率点运行时的净水头，单位为m 。
4．最大（最小）水头H max （H min ）最大（最小）水头是在运行范围内，水轮机水头的最大（最小）值，单位为m 。
5．加权平均水头H w加权平均水头是在电站运行范围内，考虑负荷和工作历时的水轮机水头的加权平均值，单位为m 。
图1-2 立轴反击式水轮机的工作水头对于冲击式水轮机，以图1-3卧轴水斗式水轮机为例，净水头H 则为喷嘴进口断面与射流中心线（两者距离为a ）跟转轮节圆相切处单位质量水流机械能之差，即II I I Z g g p a Z H -⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+++=I I 22υαρ （1-3） 1.1.2 水轮机流量Q水轮机流量是单位时间内通过水轮机进口测量断面的水的体积，用符号Q 表示，单位为m 3/s 。
即υF Q = （m 3/s ） （1-4） 式中：F 为水轮机过水断面面积，m 2；υ为过水断面平均流速，m/s 。
1．额定流量Q r额定流量是水轮机在额定水头、额定转速下，输出额定功率时的流量，单位为m 3/s 。
2．水轮机空载流量Q o水轮机空载流量是水轮机在额定水头和额定转速下，输出功率为零时的流量，单位为m 3/s 。
1.1.3 水轮机功率P1． 水轮机输入功率P in水轮机输入功率是水轮机进口水流所具有的水力功率，单位为kW 或MW 。
QH gQH P in 81.9==ρ (kW) （1-5）2． 水轮机输出功率P out水轮机输出功率是水轮机主轴输出的机械功率，单位为kW 或MW 。
由于水流在通过水轮机时会产生一部分损耗，包括容积损失、水力损失和机械损失，因此水轮机的出力P in 要小于水轮机的输入功率P out ，两者关系为图1-3 卧轴水斗式水轮机水头ηηQH P P in out 81.9== (kW) （1-6）式中：η为水轮机效率，一个小于1的系数。
3． 额定输出功率P r额定输出功率是在额定水头和额定转速下水轮机能连续发出的功率，单位为kW 或 MW 。
1.1.4 水轮机效率η效率是水轮机输出功率与其输入功率的比值。
它表示水流能量的有效利用程度，即inout P P =η （1-7） 水轮机的效率与设计、制造工艺及运行工况有关。
对于某水轮机而言，在最优运行工况时水轮机效率最高，水轮机各效率中的最大值即最优效率。
目前水轮机效率最高可达93%~96%。
1.1.5 水轮机转速n水轮机转速是指水轮机转轮单位时间内旋转的圈数，用符号n 表示，单位为r/min 。
额定转速n r 是水轮发电机组按电站设计选定的稳态同步转速。
水轮机的旋转方向是从发电机轴端看到的转轮的旋转方向。
贯流式水轮机则从上游向下游方向看。
水泵水轮机的旋转方向取水轮机工况的旋转方向。
1.2 水轮机的类型及应用1.2.1 水轮机基本类型水轮机属于水力机械中的一种，即水力原动机。
不同的水头和流量，所适用的水轮机型式与种类也不一样。
现代水轮机按水能利用的特征分为两大类，即反击式水轮机和冲击式水轮机，见表1-1。
1. 反击式水轮机转轮利用水流的压力能和动能做功的水轮机是反击式水轮机。
在反击式水轮机流道中，水流是有压的，水流充满水轮机的整个流道，从转轮进口至出口，水流压力逐渐降低。
水流通过与叶片的相互作用使转轮转动，从而把水流能量传递给转轮。
为减少水流与叶片相互作用时的能量损失，反击式水轮机的叶片断面多是空气动力翼型形状。
反击式水轮机根据其适应的水头和流量的不同，又分为混流式、轴流式、斜流式和贯流式四种型式。
2. 冲击式水轮机转轮只利用水流动能做功的水轮机是冲击式水轮机。
冲击式水轮机的明显特征是：水流在进入转轮区域之前，先经过喷嘴形成自由射流，将压能转变为动能，自由射流以动能形式冲动转轮旋转，故称为冲击式。
在冲击式水轮机流道中，水流沿流道流动过程中保持压力不变（等于大气压力），水流有与空气接触的自由表面，转轮只是部分进水，因此水流是不充满整个流道的。
为适应于利用水流动能做功的需要，冲击式转轮叶片一般呈斗叶状。
按射流冲击转轮叶片的方向不同可分为水斗式（切击式）、斜击式和双击式。
表1-1 水轮机型式及适用范围表1.2.2 各类型水轮机特点及应用范围1. 混流式水轮机（图1-4）混流式水轮机是指轴面水流径向流入、轴向流出转轮的反击式水轮机，又称法兰西斯式水轮机或辐向轴流式水轮。
最早发明这种水轮机的是1847年在美国工作的英国工程师法兰西斯。
混流式水轮机为固定叶片式水轮机，混流式转轮由上冠、叶片、下环连成一个整体。
因此，结构简单，具有较高的强度，运行可靠，效率高，应用水头范围广，一般用于中高水头水电站，大、中型混流式水轮机应用水头范围为30~450m。
可逆混流式水轮机（转轮为主动时可当水泵用）应用水头高达700m。
中、小型混流式水轮机的适用水头范围为25~300m。
2. 轴流式水轮机（图1-5）轴流式水轮机是指轴面水流轴向进、出转轮的反击式水轮机。
其转轮形似螺旋桨，水流在转轮区域是轴向流进轴向流出的。
根据叶片在运行中能否相对转轮体自动调节角度，又分为轴流转桨式、轴流调桨式和轴流定桨式。
（1）轴流转桨式水轮机。
轴流转桨式水轮机是指转轮叶片可与导叶协联调节的轴流式水轮机，又称卡普兰式水轮机。
其转轮叶片可以根据运行条件调整到不同角度，转轮叶片角度在不同水头下与导水叶开度都保持着相应的协联关系，实现了导水叶与转轮叶片双重调节，扩大了高效率区的范围，使水轮机有较好的运行稳定性。
但它需要一套转动叶片的操作机构，因此，结构较复杂，造价高。
轴流转桨式水轮机主要用于大中型水电站，应用水头范围在3~80m之间。
（2）轴流调桨式水轮机。
轴流调桨式水轮机是指仅转轮叶片可调节的轴流式水轮机，又称托马式水轮机。
（3）轴流定桨式水轮机。
轴流定桨式水轮机是指转轮叶片不可调的（或停机可调的）轴流式水轮机。
其转轮叶片相对转轮体是固定不动的，其出力仅仅依靠导水叶来调节，结构简单，造价低，但在偏离最优工况时效率会急剧下降。
因此，一般用于功率及水头变幅较小的小型水电站，应用水头通常为3~50m。
图1-4 混流式水轮机图1-5 轴流式水轮机3. 斜流式水轮机（图1-6）斜流式水轮机是指轴面水流以倾斜于主轴的方向进、出转轮的反击式水轮机。
其转轮在结构与性能方面介于轴流式与混流式之间。
斜流式转轮也可分为转桨式和定桨式，一般是转桨式。
与轴流转桨式类似，斜流转桨式水轮机的转轮叶片在运行中一般也可以改变角度，从而实现双重调节，但结构复杂，制造难度大。
斜流式水轮机有较宽的高效率区，常用于抽水蓄能式水电站，作为水泵水轮机使用。
这种水轮机的应用水头为40~120m。
4. 贯流式水轮机（图1-7）贯流式水轮机是指过流通道呈直线（或S形）布置的轴流式水轮机。
贯流式水轮机为卧轴布置，进水管、转轮室与尾水管为同一中心线，水流在整个水轮机流道中“直贯”而过，故称为贯流式。
这种水轮机水力损失小，过流能力大，适用于水头为2~20m的低水头水电站。
贯流式水轮机的转轮与轴流式水轮机相同，只是流道形式有区别。
贯流式转轮也可分为贯流转桨式、贯流调桨式和贯流定桨式。
此外，根据流道布置形式的不同，又分为全贯流式与半贯流式。
贯流式水轮机转轮可设计成双向流动方式在潮汐电站中使用。
图1-6 斜流式水轮机1-7 贯流式水轮机5. 水斗式水轮机（图1-8）水斗式水轮机是指转轮叶片呈斗形，且射流中心线与转轮节圆相切的冲击式水轮机，又称贝尔顿水轮机，或称切击式水轮机。
它靠从喷嘴出来的射流沿转轮切线方向冲击转轮而做功，因此称为切击式。
这种水轮机的叶片如勺状水斗，均匀排列在转轮的轮辐外周，故此又称为水斗式。
水斗式水轮机适用于高水头小流量的水电站。
小型水斗式水轮机的应用水头为40~250m，大型水斗式水轮机用于200~450m水头的电站，目前最高应用水头达1772 m。
图1-8 水斗式水轮机1-水斗；2、4-转轮；3-机壳；5-喷嘴；6-针阀；7-调速手轮；8-压力水管；9-尾水渠6. 斜击式水轮机（图1-9）斜击式水轮机是指转轮叶片呈碗形，且射流中心线与转轮转动平面呈斜射角度的冲击式水轮机。
它靠从喷嘴出来的射流以一定角度（一般约22.5º）斜向冲击转轮叶片做功。
它的结构简单，造价低，一般用于中小型水电站中，适用水头25~300m。
7. 双击式水轮机（图1-10）双击式水轮机是指转轮叶片呈圆柱形布置，水流穿过转轮两次作用到转轮叶片上的冲击式水轮机。
其特点是喷嘴出来的射流首先从转轮的外周进入部分叶片流道，并将约80％的水流能量传递给转轮，然后，这部分水流再从转轮内部二次进入另一部分叶片流道，将剩余的能量传递给转轮。