水轮机的工作原理
水斗式水轮机工作原理
水斗式水轮机工作原理一、水能利用水斗式水轮机的工作原理基于水能的利用。
水能是一种可再生能源，通过水的落差和流速来转化成机械能或电能。
水轮机就是利用水能的一种装置，它通过水流驱动转轮旋转，从而将水能转化为旋转的机械能。
二、导叶调节在水斗式水轮机中，导叶（也称为活动导叶或可调导叶）是一个重要的组成部分。
导叶的主要作用是调节进入水轮机的水流方向和流量，从而控制水轮机的输出功率和转速。
通过改变导叶的角度，可以改变进入转轮的水流方向和流量，从而实现水轮机的调节和控制。
三、转轮作用转轮是水斗式水轮机的核心部件，它由一系列的叶片组成。
当水流冲击转轮的叶片时，转轮受到水流的力矩作用而旋转。
水流通过转轮叶片的角度和形状，将水的动能使转轮旋转，进而将水能转化为机械能。
转轮的设计和制造对水轮机的效率和使用寿命有着重要影响。
四、水斗协同水斗式水轮机的名称来源于其特有的水斗结构。
水斗附着在转轮叶片上，当转轮旋转时，水斗将水引向转轮中心，然后沿切线方向抛出。
这种设计利用了水流的速度和动能，提高了水轮机的效率。
多个水斗协同工作，使水轮机能够充分利用水流能量，产生更大的机械功率。
五、转速控制转速控制是水斗式水轮机的重要技术之一。
通过调节导叶和流量，可以控制水轮机的转速。
在并网运行时，为了保持电网频率稳定，需要采取相应的控制策略来调整水轮机的输入功率，从而控制其转速。
此外，通过调节导叶和活动导叶的角度，可以实现对水轮机工况的快速响应和调整，以满足不同负荷需求的变化。
综上所述，水斗式水轮机的工作原理主要涉及水能的利用、导叶调节、转轮作用、水斗协同和转速控制等方面。
这些原理的运用使得水斗式水轮机能够有效地将水能转化为机械能，为电力生产和其他工业应用提供动力来源。
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。
第三章_水轮机的工作原理
广泛
轴流式 轴向 轴向
3~88
几十~几十万
低水头大流 量河床式
斜流式 斜向 斜向 40~200
抽水蓄能
贯流式 轴向 轴向 2~30
几~几万
河床式 潮汐式
射流特点 适用水头H（M） 适用电站
切击式 切线方向 40~2000
广泛
斜击式 侧面
50~400
小型
双击式 二次冲击
6~150
小型
3、各型水轮机各个部件、构造及各部件的作用是什么？
3.产生强烈的噪音和振动，恶化工作环境，从而影响水轮机的安全稳定。
汽蚀破坏是机械、化学、电化学作用的共同结果，其中机械 破坏为主。
三、汽蚀类型
1、叶型汽蚀——发生在水轮机转轮叶片上的汽蚀。是反击式水轮机的主 要汽蚀形式，主要是由于叶片的几何形状造成的汽蚀。
反击式水轮机的轮叶为扭曲形，水流流经转轮时，一般叶片正面为
这种周期性的气泡产生、破灭而破坏水轮机过流金属表面的现象称为 水轮机的汽蚀现象 。
二、汽蚀的危害
1.降低低水轮机效率，减小出力。汽泡的产生破坏了水流的连续性，水 流质点相互撞击消耗部分能量从而增大了水力损失，使水轮机效率降低， 出力减小。 2.破坏水轮机过流部件，影响机组寿命。汽蚀产生，使金属表面失去光泽， 产生麻点，蜂窝，严重时轮叶上产生孔洞或大面积剥落。
η根据模型试验得到提高效率的有效方法减小水头损失、 流量损失、机械摩擦。
反击式水轮机所提供给水流的过道并不是等断面的，有宽窄之分，这 就会使水流流速大小不同，进而引起压力低高不同，亦就是造成水轮机内 有高压区和低压区之分，若低压区的压力达到（或低于）该温度下水的汽 化压力时，水就开始局部汽化产生大量汽泡，同时水体中存在的许多眼看 不见的气核体积骤然增大也形成可见气泡，这些气泡随着水流进入高压区 （压力高于汽化力）时，气泡瞬时破灭，由于汽泡中心压力较低，气泡周 围的水质点将以很高的速度向汽泡中心撞击形成巨大的水击压力（可达几 百甚至上千个大气压力），并以很高的频率冲击金属表面，高频率冲击的 结果，使过流流道的金属表面遭到严重破坏。
三峡大坝水轮机发电原理
三峡大坝水轮机发电原理三峡大坝是中国长江上的一座巨大水利工程，其主要功能之一是发电。
三峡大坝发电使用的是水轮机发电原理，下面将详细介绍该原理。
水轮机是一种通过水的动能来驱动机械装置工作的设备，它将流动的水转化为旋转的机械能，进而驱动发电机发电。
在三峡大坝中，水轮机是通过水的高差和流速的改变来获得动能的转换。
首先，三峡大坝上方的水通过引水系统流入引水隧洞或引水渠道，然后流向水轮机，形成了一定的压力和流速。
这部分水被称为进口水。
进口水经过进水口进入水轮机的导水管道，进而流经水轮机叶片。
叶片是水轮机的核心部分，也是动能转换的关键部分。
水的流动会使得叶片转动，从而将水的动能转化为机械能。
水轮机的导叶片和转子叶片通过导轮和转轮构成。
导叶片的作用是引导水流进入转子叶片，而转子叶片则能够将水的动能转化为机械能。
导轮的作用是调整水流的方向和速度，以使水轮机达到最高效率。
转轮则是水轮机的主要部分，其叶片被水冲击转动。
叶片的转动进一步驱动水轮机内部的发电机组工作。
发电机组是由发电机、转子和定子等组成的，其作用是将机械能转化为电能。
当转子转动时，通过电磁感应原理，转子内部的磁场和定子之间的磁场相互作用，从而在定子上感应出一定大小的电压。
通过电压的变化，发电机组会产生交流电。
最后，产生的交流电经过变压器降压、调整电压后，输送到变电站，再通过输电线路传输电力。
变电站将电能进行调节和分配，最终将电能输送到各个用户。
总之，三峡大坝水轮机发电的原理是利用水的动能将水轮机转动，进而驱动发电机组发电。
这种发电方式具有可再生、清洁、高效的特点，并且对环境污染较小，是一种重要的可持续发展能源。
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：
水泵水轮机工作原理
水泵水轮机工作原理
水泵水轮机是一种常用于水力发电站中的设备，其工作原理是利用水的能量将水泵送到水轮机中，通过水轮机的转动来驱动发电机产生电能。
下面将详细介绍水泵水轮机的工作原理。
水泵的作用是将水从低处输送到高处，以便水能够流入水轮机中并产生动力。
水泵通常由一个或多个叶轮和一个电机组成。
当电机启动时，叶轮开始旋转，将水吸入泵体并将其推向出口。
这种推动方式被称为离心式推动，因为水以离心力的方式被推向出口。
水轮机的作用是将水的动力转化为机械能，进而驱动发电机产生电能。
水轮机的主要部分是转子和定子。
转子由一个或多个叶轮组成，当水从叶轮中流过时，其动能转化为机械能使叶轮开始旋转。
定子是水轮机的主体部分，其中包含一些线圈。
当转子旋转时，磁场也随之旋转，使得线圈中的电流发生变化。
这些电流产生的磁场与转子的磁场相互作用，进而驱动发电机产生电能。
水泵水轮机的工作原理可以概括为以下几个步骤：
1. 水从低处进入水泵，被叶轮推向高处；
2. 水流入水轮机中，使叶轮开始旋转；
3. 叶轮的旋转驱动转子运动，进而驱动发电机产生电能；
4. 电能通过变压器升压后输出到电网中供电。
需要注意的是，水泵水轮机的效率受到一些因素的影响，例如水的流量、水的压力、水轮机的转速等。
因此，在设计和运行水泵水轮机时，需要进行严密的计算和调整，以确保其正常运行并获得最佳的发电效率。
总的来说，水泵水轮机是一种非常重要的水力发电设备，其工作原理简单而又高效。
通过合理的设计和运行，可以使水泵水轮机发挥最大的功效，为人们提供可靠的电力供应。
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
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。
水轮机工作原理
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。
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
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
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
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。
水轮永动机的工作原理
水轮永动机的工作原理
1. 水轮永动机希望利用水的流动来不断驱动水轮转动,从而不需要额外能量输入就可以持续输出功率,实现“永动”。
2. 但根据热力学第一定律,一种过程要持续输出功,必须有等量的能量不断输入此过程。
3. 水流自身的动能是有限的,不可能凭空产生输出功,必须存在外界输入能量。
4. 单依靠水流本身是不可能持续驱动水轮的运转而不停止的。
5. 水轮机需要水库高度形成水头,水头潜能转化为动能驱动水轮,这属于能量转换。
6. 所以不存在不依靠外部能量输入就可以自行持续运转的水轮机,“永动机”在科学上不成立。
7. 任何所谓利用自身能量永远循环的机械都是违反热力学法则的,不可能实现。
8. 技术上应该追求的是提高能量转换效率,而不是寻找不符合物理规律的“永动机”。
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1、为了使水斗排出的水流不冲击下一个水斗的背
面，叶片的出水角β2 并不等于零，一般采用
β2= 7o~13o；
2、射流在斗叶曲面上的运动是扩散的，各点的圆
周速度U并不是均匀的，且由于摩擦损失的影响，
W2 也 并 不 等 于 W1 。 因 此 最 大 出 力 并 不 发 生 在 U=0.5V0时，根据实验，水斗式水轮机最有利的 U/V0约为0.42~0.49。
H.E.茹可夫斯基定理
P V
反击式水轮机转轮叶片上作用力的形成与绕流翼型 上的作用力类似。作用力的方向指向旋转方向，依靠 叶片工作面与背面的压力差而形成的。
转轮正是在压力差的作用下被“推”着旋转。
第三节 水轮机的效率及最优工况
一、水轮机的效率
水轮机将水流的输入功率转变为旋转轴的输出机
作用在水流质量上的外力及形成的力矩：
1、转轮叶片作用力：迫使水流改变运动的方向与速度 的大小，对水流产生作用力矩；
2、转轮外水流在转轮进、出口处的水压力：此压力对 转轮是轴对称的，压力通过轴心，不产生作用力矩；
3、上冠、下环内表面对水流的压力：内表面均为旋转 面，故此压力也是与轴线相交的，不产生作用力矩；
轴面速度
Vr
Vu
Vm VrV Vz
z
Vm Vr 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 Wu Wm
U Uu
Wr Wu Wm
W
V U W
V Vu Vz Vr Vu Vm
冲击作功的整个过程在大气压力下进行。
特 点：
1、适合于在高水头小流量的条件下工作； 2、可以避免因控制空化要求而带来的过大基础开挖； 当水头超过 400~500m 时，与混流式水轮机相比， 水斗式水轮机有很大的优越性。 3、效率略低于混流式水轮机。
一、水斗式水轮机基本方程式
射流速度：
V0 kv 2 gH
速度三角形正交分解
Vm Wm , Vr Wr , Vz W
轴流式水轮机：沿轴向流进、流出转轮。
假定水流沿以主轴中心线为轴线的圆柱面流动。
忽略水流粘性>>>圆柱面流动各层间互不干扰
即在轴截面内只有轴向速度Vz，没有径向速度：
Vr 0
轴流式水轮机转轮中
任一点的速度：
沿轴向 沿圆周向
轴流式水轮机
轴面：θ=0°和θ=180°的径平面。
轴面投影：将空间扭曲面投影到轴面上。
圆柱坐标系
混流式转轮叶片轴面投影
水流流经水轮机转轮，是复杂的三维空间流动， 对不同类型水轮机，由于转轮形状不同，水流运动 形态也应不同。但都应是：
一方面：沿叶片间流道流动； 另一方面：随着转轮的转动而旋转。
相对运动：水流质点沿叶片的运动（相对速度W）； 牵连运动：水流质点随转轮的旋转运动（牵连速度 或圆周速度U）； 绝对运动：水流质点对大地的运动（绝对速度V）。
轴流转浆式和斜流式水轮机，在不同工况下，调
速器在调节导叶开度的同时，亦能调节转轮叶片的
转角，仍能达到或接近于无撞击进口和法向出口的
最优工况，故有较宽广的高效率工作区。
第四节 水斗式水轮机的工作原理
水斗式水轮机喷嘴：压力钢管引来的高压水流的
压能>>>高速射流的动能。
仅对转轮上的某几个叶片冲击作功。
当水轮机β1=βe1 ， α2=900 工况时，水流在转轮进
口无撞击损失，出口无涡流损失，水轮机的效率最
高，称为水轮机的最优工况。
实践证明，α2 稍小于 900 、水流在出口略带正向 （即与转轮旋转方向相同）圆周分量 Vu2 时，可使水 流紧贴尾水管管壁而避免产生脱流现象，反而会使 水轮机效率略有提高。
根据水流连续定理，流进转轮和流出转轮的流量不
变，均为有效流量Qe,因此
单位时间内流进转轮外缘的动量矩：
流出转轮内缘的动量矩：
Qe
g
Vu1r1
Qe
g
Vu 2 r2
单位时间内水流质量 m 动量矩的增量，应等于此质 量在转轮出口与进口间的动量矩之差：
d mVu r Qe Vu 2 r2 Vu1r1 dt g
2、斗叶损失 （1）进口撞击损失：水流方向在进口处发生的急剧 变化； （2）摩擦损失：水流在斗叶上的扩散； （3）出口损失：转轮出口的动能和从射流中心到下 游水面之间的水头。
3、容积损失 水斗在转轮上不连续，一小部分水流未能进入 水斗作功而形成了容积损失。 4、机械损失 除主轴在轴承中的机械摩擦损失外尚应包括转 轮在转动时的风阻损失。
二、水斗式水轮机中的能量损失
主要包括：
（1）喷嘴将水流压能转变为动能过程中的损失；
（2 ）转轮中射流动能转变为主轴旋转机械能过程中
的损失； （3）水流在转轮出口的能量损失。 1、喷嘴损失 喷管中的沿程损失和局部转弯、断面变化（与
喷针的行程变化有关）和分流等损失，包括射流收
缩和空气的阻力损失，喷嘴效率可达0.95~0.98。
V Q 0
Z0 H
kv 0.97 ~ 0.98
喷嘴流量： d 0 0.545
射流直径：
d 0 0.545 Q Z0 H
4
d k
2 0 v
2 gH Z 0
1、射流冲击与斗 叶分水刃相垂直， 水流在叶片处的进
口速度 V1 等于射流
速度V0； 2、斗叶运动近似 为平行于射流的直 线运动，大小等于
W12 W22 2g
第一项为水流作用在转轮上的动能水头； 第二、三项为势能水头，它主要用于克服水流因 旋转产生的离心力和加速转轮中水流的相对运动。 对轴流式水轮机： U1=U2 ，有效水头取决于绝对速 度和相对速度，它们不能过分增大，否则会增加水力 损失，这就限制了轴流式水轮机的水头应用范围。 水轮机基本方程式给出有效出力与转轮进出口水 流运动参数之间的关系。实质：水能转换为转轮旋转 机械能的基本平衡关系。
来进行分析。 B、水流质量的动量矩与水流的速度成正比。 其中：Vr通过轴心，而Vz又与主轴平行，所以两者都 不对主轴产生速度矩。 故有:
转轮中水流绝对速度V的三个正交分量Vu，Vz和Vr，
d mVu r M dt
m Qe dt
Qe
g
dt
水轮机在稳定工况>>>转轮中水流运动恒定流动，
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： 在稳定工况下，水轮机的工作水头、
流量和转速都保持不变。
可认为水流在蜗壳、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，均属
恒定流动。 即水流运动参数不随时间的变化而变化：
f 0 t
径面：任意θ角的r轴和z轴构成的平面。
2、提高水水力损失中，局部撞击损失和涡流损失所占的比
值较大，特别在水轮机满负荷或较小负荷工作时。 在机组负荷变化时，导叶的开度发生相应的改变， 水流在转轮进、出口的绝对速度的大小及其方向角、 也随着发生改变，水轮机的进、出口速度三角形亦有 所不同。
无撞击进口
法向出口工况
U Uu U z Ur
W Wu Wz Wr Wu Wm
Vm Wm , Vr Wr , Vz Wz Vu Wu U
Wm , Vr Wr , Vz Wz W U W W uU Vu V uV m u u m
Vu Vr Vz U u Wu Wr Wz
2 1
圆周速度U1；
3 、水流在斗叶进口处的相对速度 W1 的方向与射流的方 向一致，因此叶片进口处的速度三角形为一条直线： W1=V0-U1=W0
4 、射流对斗叶绕
流运动近似看成
平面运动；沿着
斗叶工作面向相 反的方向分流，
1
出 口 相 对 速 度 W2 ，
与 U2 反 方 向 之 间
的夹角β2 为斗叶
械功率，能量转换过程中存在的各种损失：
水力沿程损失、局部损失 漏水容积损失、摩擦机械损失等 水轮机输出功率与水流输入功率之比称为水轮机 效率。
水轮机总效率：
水力效率、容积效率、机械效率
1、水力损失及水力效率
s
H h H
Q q Q
2、容积损失及容积效率
v
3、机械损失及机械效率
j
Ne N j Ne
有效功率
N e 9.81Q q H h 9.81QH s v
轴功率
N 9.81QH s v j
总效率
sv j
大中型水轮机的最高效率达 0.90～0.95
二、水轮机的最优工况
1、反击式水轮机的各种损失中主要是：水力损失。
有效出力是和转轮进、出口速度矩的改变相平衡的，
所以转轮作功的实质：
速度矩的变化
用环量表示：
2Vu1r1 2Vu 2 r2 1 2 H s 2g 2g
用速度表示的水轮机基本方程式：
H s V12 V22 2g
2 U 12 U 2
2g
将水流运动的圆柱面与叶片相割的流面展开，可 得平面叶栅的绕流图，在叶栅上绘制转轮进、出口 速度三角形。
V Vu Vz , W Wu Wz Vm Vz Wm Wz
轴流式转轮进出口速度三角形
第二节 水轮机的基本方程式
对反击式水轮机，压力水流以一定的速度流进转
轮，受空间扭曲叶片所形成流道对水流的约束，使
Qe
g Qe Vu1U1 Vu 2U 2 N g
Vu1r1 Vu 2 r2