水轮机的工作原理.
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。
水轮机的工作原理
水轮机的工作原理
首先，水轮机的工作原理是基于水的动能转换为机械能。
当水流经过水轮机叶片时，水的动能会转化为叶片的动能，使得叶片开始旋转。
这种旋转运动会带动水轮机主轴转动，从而驱动发电机产生电能。
其次，水轮机的工作原理还涉及到水的动能和势能的转换。
在水流经过水轮机叶片时，水的动能会转化为叶片的动能，同时也会有一部分水的势能被转化为叶片的动能。
这样，水轮机就能够将水的动能和势能转换为机械能，实现发电的效果。
另外，水轮机的工作原理还包括水流的控制和调节。
为了使水轮机能够正常工作，需要对水流进行控制和调节，以保证水流的稳定性和流速的合适性。
这样才能够保证水轮机的正常运转，提高发电效率。
此外，水轮机的工作原理还与水轮机的结构和设计有关。
不同类型的水轮机有不同的结构和设计，但其工作原理都是基于水的动能转换为机械能。
因此，在设计和选择水轮机时，需要考虑其工作原理和适用性，以实现最佳的发电效果。
总的来说，水轮机的工作原理是基于水的动能和势能转换为机械能，通过水流的能量来驱动水轮机转动，从而带动发电机产生电能。
在实际应用中，需要综合考虑水流条件、水轮机的结构和设计以及水流的控制和调节，以实现最佳的发电效果。
希望本文能够对水轮机的工作原理有所帮助。
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。
水轮机原理及构造
水轮机原理及构造水轮机是一种将水流动能转化为机械能的能量转换装置。
它的工作原理基于动能守恒定律和能量守恒定律。
水轮机的构造主要包括水轮机轮盘、水轮机叶片、水轮机导叶和水轮机主轴等。
水轮机的工作原理：水轮机的工作原理是利用水流的冲击力和动能来推动轮盘旋转，从而进行能量转换。
具体来说，水轮机是利用流体在受力后产生的动量变化来实现动能转化的。
当水流经过水轮机叶片时，由于叶片形状和速度的变化，水流的动量发生了变化。
这个过程中，水流的动能减小，而叶片所受到的水流冲击力增加，从而推动轮盘旋转。
水流的动力作用可分为冲击力和剪力两部分，它们共同作用在叶片上，产生一个向环形斜盘中心方向的作用力，使其在金属皮带或摩擦轮的拉力下转动。
水轮机的构造：1.水轮机轮盘：水轮机轮盘是水轮机的主要部件，它可以分为定子轮盘和转子轮盘两部分。
定子轮盘通常是固定的，而转子轮盘则与主轴连接，并能转动。
轮盘的外形和材料选择需根据具体的工作条件和需求来确定。
2.水轮机叶片：水轮机叶片是位于轮盘上的一系列叶片，其形状和角度的设计对水轮机的性能具有很大的影响。
一般来说，叶片可以分为定叶和移动叶两种类型。
定叶是固定在轮盘上的，主要用于导向水流；移动叶则可以调整角度，用于控制水流的进入和出口。
叶片通常由耐磨和高强度的材料制成，如钢铁或铝合金。
3.水轮机导叶：水轮机导叶位于叶片和进水管道之间，用于引导水流进入叶片。
导叶的设计可根据水流的速度和压力来决定。
通常，导叶是可调角度的，通过调整导叶的角度，可以控制水流的流向和流速，从而实现对水轮机的调节。
4.水轮机主轴：水轮机主轴是连接轮盘和发电机或其他设备的中心轴。
它负责传输轮盘旋转产生的机械能，使之转化成用于发电或其他工作的机械能。
主轴的设计需考虑到承载能力、刚度和传动效率等要素。
除了以上主要构造部件外，水轮机还包括导叶机构、轴承、机壳和冷却系统等辅助部件。
导叶机构通常是由液压或电动设备控制，用于调节导叶的角度。
水轮机的工作原理
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：
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”。
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。
水轮机的工作原理
水轮机的工作原理水轮机是一种利用水能转换成机械能的装置，是水电站发电的主要设备之一。
它通过水流的动能转换成机械能，驱动发电机发电。
水轮机的工作原理主要包括水流入口、叶轮、转子、出口等几个部分，下面将详细介绍水轮机的工作原理。
首先，水轮机的工作原理是基于水的动能转换成机械能。
当水流通过水轮机的叶轮时，水的动能被传递给叶轮，使叶轮产生旋转运动。
这种旋转运动将驱动水轮机的转子旋转，转子与发电机相连，通过机械传动将机械能转换成电能。
其次，水轮机的叶轮是实现水能转换的核心部件。
叶轮通常由多个叶片组成，叶片的形状和排列方式会影响叶轮的效率和性能。
当水流通过叶轮时，叶片受到水流的冲击力，产生转动力，从而驱动叶轮旋转。
因此，叶轮的设计和制造对水轮机的工作效率和稳定性有着重要的影响。
另外，水轮机的转子是叶轮传递动能的部分，也是驱动发电机发电的关键。
转子通常由轴承、转子盘和转子叶片等部件组成，其主要作用是将叶轮传递的动能转换成机械能，并输出到发电机上。
转子的设计和制造需要考虑其承受水流冲击的能力和转动的平衡性，以确保水轮机的正常运行和发电效率。
最后，水轮机的出口是水流离开水轮机的地方，也是水轮机工作原理的最后一环。
当水流通过叶轮后，其动能已经转换成机械能，水流将从水轮机的出口流出，继续向下游流动。
在水轮机出口处通常设置有排水装置，用于控制水流的排放和保证水轮机的正常运行。
总的来说，水轮机的工作原理是基于水的动能转换成机械能，通过叶轮、转子等部件的协同作用实现水能的利用和发电。
水轮机的工作原理涉及流体力学、机械传动、发电原理等多个领域，是一种高效、可靠的水能利用装置。
希望通过本文的介绍，读者对水轮机的工作原理有了更深入的了解。
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
第一节水流在反击式水轮机转轮中的运动一、复杂的空间非恒定流水轮机内的水流运动是复杂的空间非恒定流1) 水头、流量在不断变化2) 叶片形状为空间扭曲面，水流在两叶片之间的流道内为复合运动，流速的大小、方向在不断地变化，而转轮本身也在运动。
二、恒定流状态水轮机在某一工作状况时，(H、Q、N、η不变)，水流在水轮机的蜗壳、导水叶及尾水管中的流动是恒定流。
水流在转轮内的流动相对于转轮旋转坐标而言，也是恒定流。
水流在转轮中的运动非常复杂，上述假定可以简化分析。
三、水流运动是空间三元流水流运动规律用速度三角形表达=V+WUV——水流绝对流速（相对于地球）U——水流随转轮旋转牵连流速W——水流沿叶片流动的相对流速用速度三角形分析水流运动的方法是研究转轮流速场的重要方法。
对于混流式水轮机，可以认为任一水流质点在转轮中的运动是沿着某一喇叭形的空间曲面(称之为流面)而作的螺旋形曲线运动。
流面即由某一流线绕主轴旋转而成的回旋曲面。
在整个转轮流道内有无数个这样的流面。
流面上每一个进口点的速度三角形是相同的；每一个出口点的速度三角形也是相同的。
根据恒定流假定可知，任一水流质点在转轮进口的运动状态及其流动到转轮出口的运动状态可由同一时刻该流面上任意进、出口点的速度三角形表示。
速度与分速度的空间矢量关系第二节 水轮机工作的基本方程式一、动量矩定理单位时间内水流对转轮的动量矩改变，应等于作用在该水流上的外力的力矩总和。
即：)(2211r V r V gQ M u u e-=γ其中M 为水流对转轮的力矩，方程右端为水流本身速度矩的变化。
该式表达了水轮机中水流能量转换为旋转机械能的平衡关系。
二、水轮机的基本方程在稳定工况下(n 、Q 、H 均不变)，转轮内的水流运动时相对的恒定流，因此转轮的出力为：ϖγϖ)(2211r V r V gQ M N u u ee -==)(2211u u eV U V U gQ -=γs e e H Q N ηγ=所以，水轮机的基本方程为：2211u u s V U V U g H -=η该方程式对反击式、冲击式水轮机均适用。
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。
水轮机的工作原理—水轮机效率
与轴承间的摩擦、与密封装置的磨擦、转轮外表面与水流的摩擦 等。
➢ 设 N j为总的机械摩擦损失功率，则水轮机的输出功率为
N N e N j
➢ 因此机械效率为
4.2.3 水轮机的总效率
➢ 水轮机的总效率为总的输出功率除以总的输入功率。 ➢ 也可根据出力公式计算 N 水轮机的工作水头 减去上述总的水头损失 ，便是水轮机的有效水
头 ，即
4.2.2 水轮机效率
➢ 水轮机的旋转部分与固定部分之间存在间隙，因此有一小部分流
量q会从间隙中漏损掉，这一部分漏损掉的水流能量称为容积损 失。
➢ 将水流的有效流量Qe 与水轮机输入流量Q 之比称为容积效率，即
4.2.2 水轮机效率
➢ 按损失特性可把能量损失分为：容积损失、水力损失和机械损失。 ➢ 各种损失相应的效率分别称为容积效率、水力效率和机械效率。 ➢ 现代水轮机的最高效率可达0.90～0.95。
4.2.2 水轮机效率
➢ 水流经过引水室、导水机构、转轮、尾水管流过，必然要产生沿
程水头损失和局部水头损失，这些水头损失，称为水力损失。
项目4.水轮水机电的站 工作原理
1
水轮机基本方程式
2
水轮机的效率
3
水轮机的安装高程
项目4.水轮机的工作原理
4.2 水轮机的效率
4.2.1 水轮机效率概述
➢ 任何机械在工作中都会存在能量损失。 ➢ 进入水轮机的水流功率 (即水轮机的输入功率)大于水轮机的机械功
率 (即水轮机的输出功率)，两者之差便是水轮机工作过程中产生的 能量损失。
➢ 令 表示水轮机效率，则
➢ 即水轮机效率等于容积效率、水力效率和机械效率三者的乘积，
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。
水轮机工作原理
水轮机内的水流运动是复杂的空间非恒定流1)水头、流量在不断变化2)叶片形状为空间扭曲面，水流在两叶片之间的流道内为复合运动，流速的大小、方向在不断地变化，而转轮本身也在运动。
水流运动规律用速度三角形表达=WV+UV——水流绝对流速（相对于地球）U——水流流动的牵连流速W——水流沿叶片流动的相对流速对于混流式水轮机，可以认为任一水流质点在转轮中的运动是沿着某一喇叭形的空间曲面(称之为流面)而作的螺旋形曲线运动。
流面即由某一流线绕主轴旋转而成的回旋曲面。
在整个转轮流道内有无数个这样的流面。
流面上每一个进口点的速度三角形是相同的；每一个出口点的速度三角形也是相同的。
根据恒定流假定可知，任一水流质点在转轮进口的运动状态及其流动到转轮出口的运动状态可由同一时刻该流面上任意进、出口点的速度三角形表示。
一、动量矩定理单位时间内水流对转轮的动量矩改变，应等于作用在该水流上的外力的力矩总和。
即：)(2211r V r V g Q M u u e-=γ其中M 为水流对转轮的力矩，方程右端为水流本身速度矩的变化。
该式表达了水轮机中水流能量转换为旋转机械能的平衡关系。
在稳定工况下(n 、Q 、H 均不变)，转轮内的水流运动时假定为恒定流，因此转轮的出力为：ϖγϖ)(2211r V r V g Q M N u u ee -==)(2211u u e V U V U g Q -=γ se e H Q N ηγ= 所以，水轮机的基本方程为：2211u u s V U V U g H -=η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。
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汽蚀的危害
降低水轮机效率，减小出力。 破坏水轮机过流部件，影响机组寿命。 产生强烈的噪音和振动，从而影响水轮机的 安全稳定运行 。
汽蚀类型
叶型汽蚀：发生在水轮机转轮
叶片上的汽蚀。（如图a)
图a
间隙汽蚀：水流通过狭小的流
道与间隙时流速变大，从而
引起压力降低而产生负压
所形成。 (如图b)
图b
叶型汽蚀
卧轴混流式、贯流式水轮机，HS为下游 水面至叶片最高点的垂直高度（如下图）
水轮机安装高程:
水轮机安装高程是水电站厂房设计中 的控制性高程，对于不同类型、不同装置方 式的水轮机，工程上规定的安装高程位置不 同.
反击式水轮机
冲击式水轮机
反击式水轮机安装高程确定
立轴轴流式和斜流式水轮机 立轴混流式水轮机 卧轴混流式和贯流式水轮机
比值，一般取 X =
0.38~0.46；
D1 ——转轮标称直径，
卧轴混流式和贯流式水轮机
Zs
Za
Hs
D1 2
+Hs
zs
-Hs
式中符号含义 与以上各式的相同
冲击式水轮机
冲击式水轮机无尾水管，除喷嘴、针阀和 斗叶处可能产生间隙汽蚀外，不产生叶型汽蚀 和空腔汽蚀，故其安装高程确定应在充分利用 水头又保证通风和落水回溅不妨碍转运转的 前提下，尽量减小水轮机的泄水高度 hp .
900
对不同的 Hs 规定如下
对不同形式水轮机的HS作如下规定
立轴轴流式水轮机， HS为下游水 面至叶片转 动中心的 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 环平面的垂 直高度(图右)
立轴斜流式水轮机，HS为下游水面至叶片 旋转 轴线与转轮 室内表面相交点 的垂 直距离 （如右图）
立轴混流式水轮机（如图）
Zs
Za
Hs
b0 2
ZS——安装高程， m； Za——下游尾水位， m； HS——吸出高度， m；
b0 ——导叶高度， m。
立轴轴流式和斜流式水轮机(如下图)
Z s Z a H s XD1
Z s、Z a 、H s 意义同上，
X ——结构系数，转轮中
心与导叶中心距离与1的
水轮机汽蚀、吸出高度与安装高程
汽蚀现象 水轮机的吸出高度
汽蚀现象
汽蚀现象 汽蚀的危害 汽蚀类型 水轮机汽蚀的防护
汽蚀现象
当某点的压力达到（或低于）该温度下水的汽化压 力时，水就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压力，并以很高的频率冲击金 属表面，使水轮机过流部件的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，
局部汽蚀：水轮机过流部件局部凸凹不 平时，也会引起局部真空形成局部气蚀。 （如图c）
图c
空腔汽蚀：反击式水轮机偏离最优工况时， 水轮机出口流速则产生一圆 周分量使水流在转轮出口 处产生脱流和旋涡形成 一大空腔，在中心产生 很大真空形成。
(如图d)
图d
水轮机汽蚀的防护
为防止和减轻汽蚀对水轮机的危害，一 般从以下几个方面来考虑：
水轮机设计制造方面 工程措施方面 运行方面
水轮机的吸出高度
汽蚀系数 吸出高度 水轮机安装高程
汽蚀系数
动力真空的相对值 为汽蚀系数， 用σ表示。
k vk2 5v52
2g
hk5
H
吸出高度
水轮机的吸出高度是指转轮中压力最
低点（k）到下游水面的垂直距离，常用HS
表示。
Hs
≤ 10.0 H
机械效率：
j (Ne N) / Ne N / Ne
对 N / Ns做恒等变形
N /(9.81QH )
N /(9.81(Q q)( H h)) * (Q q) / Q * (H h) / H
j * v *s
故 j * v *s
水力效率：
s (H h) / H
容积损失与容积效率
容积损失:
进入水轮机的水流，有一部分会从这些 间隙中漏掉，样就会造成一部分不对转轮做功， 这能量损失，此损失称为容积损失。
容积效率
(Q q) / Q
机械损失和机械效率
机械损失：
水轮机的一些部件之间存在一定的摩擦 ,这 些摩擦消耗一定的能量的简称，用 ΔN 表示。
g
水轮机的能量损失及效率
主要内容： 水力损失(head loss)和水力效率 容积损失(water loss)与容积效率
机械损失(friction loss)和机械效率
水力损失和水力效率
水力损失：
天然水流经过蜗壳，导水机构，转轮及尾 水管等过流部件时产生水力摩擦、撞击、涡流、 脱壁等引起能量损失。
第三章 水轮机的工作原理
水轮机的基本方程式 水轮机的能量损失及效率 水轮机汽蚀、吸出高度与安装高程
水轮机的基本方程式
水流在转轮中的运动 (动画演示) 水轮机的基本方程式（欧拉方程）
水轮机的基本方程式（欧拉方程）
水轮机基本方程式: H (vu1 u1 vu2 u2 ) ；
g
H v1 cos1u1 v2 cos 2u2