第五章 反击式水轮机的基本结构(二)
反击式水轮机工作原理
反击式水轮机工作原理一、引言反击式水轮机是一种常见的水力发电设备，其工作原理是利用水流的动能转化为机械能，再通过发电机将机械能转化为电能。
本文将详细介绍反击式水轮机的工作原理。
二、反击式水轮机的结构反击式水轮机主要由导叶、转子、定子和出口管道等组成。
其中导叶用于控制水流进入转子，转子则是将水流动能转化为旋转动能的部件，定子则是固定在反击式水轮机壳体内部的部件，用于支撑和固定转子，出口管道则是将旋转后的水流引出。
三、反击式水轮机的工作原理1. 水流进入导叶当水流进入反击式水轮机时，首先会遇到导叶。
导叶的作用是将进入反击式水轮机的高速液体流量控制并引导到适当位置。
导叶可以调整其位置和角度以改变液体进入转子的速度和方向。
2. 水流进入转子经过导叶控制后，液体会进入到具有特殊形状和角度的叶片上。
这些叶片被称为转子，它们旋转的动能会将水流动能转化为机械能。
由于转子的叶片形状和角度不同，因此液体在进入和离开叶片时会发生压力变化，这种变化会使得叶片产生反作用力。
3. 反作用力反作用力是指液体在进入和离开叶片时产生的压力变化所产生的反向力量。
这种反向力量可以使得转子旋转，并将机械能传递给发电机。
4. 转子传递机械能当水流进入并离开叶片时，会产生反作用力，这些反作用力可以使得转子旋转。
由于液体的运动速度很高，因此可以通过增加叶片数量和角度来增加液体对叶片的冲击力，从而提高机械能输出。
5. 发电机将机械能转化为电能最后，通过与反击式水轮机相连的发电机将机械能转化为电能。
发电机中包含了一系列线圈和磁铁等部件，在机械运动下产生磁场变化从而产生电流。
四、总结综上所述，反击式水轮机是一种利用水流动能转化为机械能的设备。
水流经过导叶进入转子，由于叶片形状和角度的不同，液体在进入和离开叶片时会产生反作用力，从而使得转子旋转并将机械能传递给发电机，最终将机械能转化为电能。
蜗壳断面设计
第五章反击式水轮机的基本结构第三节：反击式水轮机的引水室一、简介一般混流式水轮机的引水室和压力水管联接部分还装有阀门，小型水轮机为闸阀或球阀，大型多为碟阀。
阀的作用式在停机时止水，机组检修时或机组紧急事故时导叶又不能关闭时使用，绝不能用来调节流量水轮机引水室的作用：1.保证导水机构周围的进水量均匀，水流呈轴对称，使转轮四周受水流的作用力均匀，以便提高运行的稳定性。
2.水流进入导水机构签应具有一定的旋转（环量），以保证在水轮机的主要工况下导叶处在不大的冲角下被绕流。
二、引水室引水室的应用范围1.开敞式引水室2.罐式引水室3.蜗壳式引水室混凝土蜗壳一般用于水头在40M以下的机组。
由于混凝土结构不能承受过大水压力，故在40M以上采用金属蜗壳或金属钢板与混凝土联合作用的蜗壳蜗壳自鼻端至入口断面所包围的角度称为蜗壳的包角蜗壳包角图金属蜗壳的包角340度到350度三、金属蜗壳和混凝土蜗壳的形状及参数1.蜗壳的型式水轮机蜗壳可分为金属蜗壳和混凝土蜗壳当水头小于40M时采用钢筋混凝土浇制的蜗壳，简称混凝土蜗壳；一般用于大、中型低水头水电站。
当水头大于40M时，由于混凝土不能承受过大的内水压力，常采用钢板焊接或铸钢蜗壳，统称为金属蜗壳。
蜗壳应力分布图椭圆断面应力分析图金属蜗壳按制造方法有焊接铸焊和铸造三种。
，尺寸较大的中、低水头混流一般采用钢板焊接，其中铸造和铸焊适用于尺寸不大的高水头混流水轮机2.蜗壳的断面形状金属蜗壳的断面常作成圆形，以改善其受力条件，当蜗壳尾部用圆断面不能和座环蝶形边相接时，采用椭圆断面。
金属蜗壳与有蝶形边座环的连接图金属蜗壳的断面形状图混凝土蜗壳的断面常做成梯形，以便于施工和减小其径向尺寸、降低厂房的土建投资混凝土蜗壳断面形状图当蜗壳的进口断面的形状确定后，其中间断面形状可由各断面的顶角点的变化规律来决定，有直线变化和向内弯曲的抛物线变化规律混凝土蜗壳的断面变化规律3.蜗壳的包角对于金属蜗壳，其过流量较小，允许的流速较大因此其外形尺寸对厂房造价影响较小，为获得良好的水力性能及考虑到其结构和加工工艺条件的限制，一般对于混凝土蜗壳其过流量较大，允许的流量较小，因此其外形尺寸常成为厂房大小的控制尺寸，直接影响厂房的土建投资，一般4.蜗壳的进口流速当蜗壳断面形状及包角确定后，蜗壳进口断面平均流速是决定蜗壳尺寸的主要参数。
反击式水轮机
反击式水轮机简介反击式水轮机是一种能够将水的动能转化为机械能的装置。
其特点是具有高效率、稳定性和节能的特点，在水力发电和水利工程中应用广泛。
本文将对反击式水轮机的原理、结构和工作过程进行详细介绍，并探讨其在实际应用中的优势和发展前景。
原理反击式水轮机基于水流动的动能转换原理，通过水流的撞击和回旋，实现动能到机械能的转换。
其主要原理包括：1.反击原理：水流在与叶片相撞后，产生反冲力，改变水流的方向和运动速度，使得水流的动能转化为机械能。
2.旋转原理：反击式水轮机的叶片具有弯曲形状，当水流通过叶片时，会产生一定的旋转力矩，驱动轮盘旋转。
结构反击式水轮机的结构相对简单，主要包括以下部分：1.轴承和轴：用于支撑和转动轮盘，保证轴心与水平面垂直，以实现最佳效能。
2.轮盘：由多个叶片组成的圆盘状部分，叶片呈弯曲形状，以增加水流对叶片的冲击力。
3.导向装置：用于引导水流进入轮盘，保证水流与叶片的撞击效果最佳。
4.出水管道：用于排放已经转化为机械能的水流。
工作过程反击式水轮机的工作过程可以分为以下几个步骤：1.水流进入导向装置，被引导到轮盘的叶片上。
2.水流与叶片发生碰撞，产生反击力，并改变水流的运动方向。
3.水流的动能通过反击力转化为机械能，驱动轮盘旋转。
4.旋转的轮盘传递机械能，通过轴承和轴传递给其他机械装置，如发电机。
5.转化为机械能的水流通过出水管道排放。
优势相比其他类型的水轮机，反击式水轮机具有以下优势：1.高效率：反击式水轮机能够充分利用水的动能，转化为机械能，提供可靠而高效的动力。
2.稳定性：反击式水轮机的结构稳定，运行平稳，不易受到外界因素的影响。
3.环保节能：反击式水轮机利用水的能力，不消耗化石燃料或其他能源，具有环保和节能的特点。
4.维护成本低：反击式水轮机的结构简单，少量易损件，维护成本相对较低。
发展前景随着能源资源的日益枯竭和环境保护意识的增强，水力发电作为一种清洁能源将更加受到重视。
反击式水轮机作为一种高效且可靠的水力发电装置，在未来的发展中具有巨大的潜力。
第五章 反击式水轮机的基本结构(二)
相对开度：导叶在任意位置时的开度a0与最大径向开 度a0max的比值。
a0
a0 a0 max
a0 Z 0
D1
对几何相似的水轮机相对开度值相同： a0 a0M
a0
D1 D1M
aoM
中小型水轮机真机与模型的导水机构，由于结构原
因不能保持几何相似。为此使真机导水机构的出水角
与模型相等，来获得导水机构出口水流的相似关系。
另一方面又要求减小电站水下开挖量及混凝土量， 土建工程最小，即减少电站一次性投资。
影响弯肘形尾水管性能的三个因素： （1）尾水管的深度：水轮机 导水机构底环平面至尾水管底 板平面之间的距离。
深度越大直锥段的长度可 取大一些，因而降低其出口即 肘管段进口及后面的流速，有 利于降低肘管内损失。
尾水管深度对运行稳定性影响很大，特别是混流式 水轮机因叶片角度不能调整而容易产生偏心涡带及振 动，研究表明：采用较大的深度可改善尾水管偏心涡 带所引起的振动。
D0 / D1 1.13 ~ 1.30
按导水机构能紧密关 闭的原则，确定叶栅密 度和翼弦长度L0：
L0Z0 1.1
D0
三、径向式导水机构的基本结构
基本要求 1.导水机构过流部件的尺寸应与模型水轮机相应部
件的尺寸保持几何相似，过流部件表面应光滑以减小 水力损失；
2.导水机构的最大开度要可靠并应留有一定的裕量， 以保证水轮有足够的过水能力；
1、4、6—尼龙轴瓦；2—导水机构底环；3—导叶；5—轴套； 7—水轮机顶盖；8—连接板；9—转臂；10—分半键；11—剪断销；
12—连杆；13—推拉杆；14—控制环；15—支座；16—补气阀
第五节 水轮机调节
电力系统向用户提供的电能质量：频率和电压应 保持在额定值附近的一定范围内。我国规定电力系 统频率为50Hz，偏差在0.2-0.5Hz。
第五章 反击式水轮机的基本结构(一)
止漏效果差，但其与转轮 的同心度高，制造、安装方 便，抗磨损性能较好。在含 泥沙较多的电站采用间隙式 止漏环。迷宫式止漏环，与 转轮的同心度高，制造、安 装较方便。
水头H<200m
间隙式
迷宫式
当水从迷宫式止漏环间隙中流过时，由于局部阻力加大，使 压力降低，当水流到达沟槽部位时又突然扩大，进入下一个间 隙时又突然收缩，这种反复扩大、收缩的结果减低了水流压 力，使漏水量大大减少。
FE F1 F2 F3 F4 ( N )
F1—转轮流道内水流作用产生的推力； F2—作用于转轮上冠因水压力产生的水推力； F3—作用于下环因水压力产生的推力； F4—浮力。
在实际设计中，往往用经验公式来计算作用于转轮的轴向推 力。对混流式水轮机有：
Ft 9.81 10 K3水轮机总的轴向推力：
F Ft 9.81 10 3 (WR WS )
N
在高水头混流式水轮机中，为了降低机组推力轴承的负荷，在 结构上主要采用减小作用在上冠外面轴向水推力的措施。
常用的减压装置结构形式： 引水板和泄水孔的减压方式； 顶盖排水管和转轮泄水孔的减压方式。 上下环形引水板分别装在顶盖 下方和上冠的上面，当漏水进入 顶盖引水板与上冠引水板之间的 间隙c时，由于转轮旋转受离心 力的作用，漏水被逸至顶盖引水 板上，经泄水孔排至尾水管。此 型式的减压效果与引水板面积、 间隙E和c的大小及泄水孔的直径 d有关。一般认为引水板和泄水 孔面积越大，间隙E和c越小，减 压效果越显著。泄水孔最好开成 顺水流方向倾斜β=20o~30o。
转轮：将水能转变成机械能的核心部件。 转轮直接决定水轮机的过流能力，水力效率，空蚀 性能，工况稳定性等工作性能。 要求转轮各部分应满足：水力设计的型线，有足够的 强度和刚度，制造的转轮应具备有抗空蚀损坏，耐泥 沙磨损的性能。 转轮由上冠，下环和叶片组成，一般混流式水轮机 有14~19个叶片。叶片、上冠和下环组成坚固的整体钢 性结构。转轮上冠与主轴的下法兰连接。泄水锥与上 冠连接，用于消除水流旋蜗。
第五章 反击式水轮机的基本结构(三)
影响弯肘形尾水管性能的三个因素： （2）肘管型式 肘管形状对整个尾水管的性能影响很大，推荐定型的标准肘管。 （3）水平长度 水平长度L：机组中心到尾水管出 口的距离。 肘管型式一定，长度决定了水 平扩散段的长度，增加L可使尾水 管出口动能下降，提高效率，但L 太长了将增加沿程损失和增大厂 房水下部分尺寸。 增长L的效益不如增加高度h的 效益显著。
V52 V22 h 2g 2g V22 2g
尾水管恢复系数表征了尾 水管的质量，反映了其转换动 能的能力，故也称为尾水管的 效率。
水流经尾水管总的损失为内部水 力损失与出口动能损失之和：
V52 h 2g
V23 1 2g
（5）组合轴承 对于双支点结构的灯泡机组，以电机侧的导轴承与正反方向推 力轴承组合在一起成为承受径向力又受力轴向力的组合轴承。
1—顶轴千斤顶； 2—发电机导轴瓦； 3—轴承支持环； 4—配合垫片； 5—发电机导轴承壳体； 6—反推力瓦； 7—护板； 8—推力环； 9—正推力瓦； 10—推力轴承壳体； 11—抗重螺钉； 12—主轴
L 4.5D1
四、减轻尾水管振动的措施
1. 尾水管加导流隔板 目的：消除或减弱偏心尾水管涡带。 产生偏心涡带的根本原因：转轮出口水流有环量存在。
2. 尾水管补气 目的：减少压力脉动和由它引起的尾水管振动，以及为了 在混流式水轮机的某些运行工况下，破坏尾水管的真空。
第三节 贯流式水轮机基本结构
V52 V22 h 2g 2g V22 2g
V23 尾水管相对水力损失： 1 H 2 gH
尾水管的恢复系数≠尾水管的相对损失 高比转速水轮机的转轮出口动能占总水头的40%左右，而低 比转速水轮机却不到1%。以尾水管的恢复系数都等于75%来估 算，则高比转速水轮机尾水管的相对水力损失达10%，而低比 转速的仅为0.25%左右。 尾水管对高比转速轴流式水轮机比对混流式水轮机更重要。
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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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）——
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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。
反击式水轮机
反击式水轮机反击式水轮机（Counter-attack type water turbine）引言：水力发电是一种环保、可再生的能源，被广泛应用于发电行业。
水轮机作为水力发电的核心设备之一，不断进行改进和创新以提高发电效率和可靠性。
本文将介绍一种新型水轮机——反击式水轮机，它采用特殊的设计和工作原理，能够在不同水流条件下获得较好的发电效果。
一、反击式水轮机的工作原理反击式水轮机采用的是一种全新的工作原理，以反击式的方式将水流的动能转化为机械能并驱动发电机。
其基本构造包括水轮机叶片、反击式机构和发电机三部分。
1. 水轮机叶片：反击式水轮机的叶片采用独特设计，可以更好地适应不同水流条件下的工作。
其材料选择和叶片结构强化使得水轮机能够承受较高的水流冲击，并能有效转换水流的动能。
2. 反击式机构：反击式水轮机的核心组成部分是反击式机构，通过该机构可以将水流的动能转化为机械能。
当水流进入水轮机，水流的冲击力使得反击式机构受到反向压力，进而产生反击力。
这种反击力使得水轮机的转动更加平稳，有效利用水流的动能。
3. 发电机：反击式水轮机通过转动发电机发电。
发电机的工作原理是将机械能转化为电能。
水轮机通过反击式机构驱动发电机转动，产生电能供应给电网或存储设备。
二、反击式水轮机的优势1. 适应性强：由于反击式水轮机的叶片和机构设计独特，能够适应不同水流条件下的工作。
无论是水流的流速、流量或者水流的冲击力大小，反击式水轮机都可以保持较好的发电效果。
2. 效率高：反击式水轮机的工作原理使得转换水流的动能更加高效。
通过反击式机构的驱动，水轮机能够转动较为平稳，转换效率更高，从而提高发电效率。
3. 可靠性强：反击式水轮机在设计时考虑了水流冲击的特点，采用了适当的材料和结构强化，从而使得水轮机的耐久性更强。
其特殊的工作原理使得水轮机能够承受较大的冲击力，减少设备损坏的风险。
4. 维护成本低：反击式水轮机的结构相对简单，维护成本较低。
水轮机类型与构造—反击式水轮机的主要部件
➢ 叶片的作用是直接将水能转换为机械能。叶片断面形状为翼
形，转轮叶片数的多少对水力性能和强度有显著的影响，随 比转速的不同叶片数在9～21的范围内变化。
3.3.4 混流式转轮
3.3.4.1 混流式转轮的结构
➢ 转轮下环的作用是增加转轮强度和刚度并与上冠形成过流通道。
➢ 泄水锥的作用是引导经叶片流道流出的水流迅速而顺畅地向下渲
相对开度是某一位置开度与最大开度的比值，用百分数表示，一
般所说开度即相对开度。
➢ 开度的变化导致流量变化，
进而改变机组出力。
➢ 导叶开度由调速器控制。
3.3.2 导水部件
3.3.2.3 导水机构的开度
小流量时开度
大流量时开度
3.3.3 工作部件
3.3.3.1 工作部件的作用
➢ 工作部件即转轮。
➢ 转轮作用是将水能转换为旋转机械能。它对水轮机的性能、结构、
轴流定桨式
泄水锥 叶片
轮毂
3.3.5 轴流式转轮
3.3.5.1 轴流式转轮的结构
轴流转桨式
桨叶操作机ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ示意图 1-桨叶；2-转轴；3、4-轴承； 5-转臂；6-连杆；7-操作架；
8-接力器活塞；9活塞杆
3.3.5 轴流式转轮
3.3.5.2 轴流式转轮的适用范围
➢ 轴流式水轮机根据转轮叶片在运行中能否调节，又分为轴流定桨
导水机构，基本保证水流的轴对称性与均匀性，并形成一定的环 量，以提高水能转换效率。
3.3.1 混流式引水部件 3.3.1.2 引水部件的类型
➢ 为了适应不同流量与水头条件，各种型式反击式水轮机所采用的
引水室形状和材料是不一样的。归纳起来有开敞式引水室、罐式 引水室和蜗壳式引水室三大类。 1.开敞式引水室
反击式水轮机
冲击式水轮机的工作轮仅部分过水，部分水斗工作，故水轮机过流量较小，因而在一定水头和工作轮直径条 件下，冲击式水轮机的出力比较小。另外，冲击水轮机的转速相对比较低（这是由于转轮进口绝对速度大，圆周 速度小）、出力小，导致了较低的比转速，故冲击式水轮机适用于高水头小流量的场合。
谢谢观看
不同点
作用不同 水压不同
流道不同 流速不同
喷嘴不同
水斗不同
转速不同
在冲击式水轮机中，喷管（相当于反击式水轮机的导水机构）的作用是：引导水流，调节流量，并将液体机 械能转变为射流动能。而反击式水轮机的导水机构，除引导水流，调节流量外，在转轮前形成一定的旋转水流， 以满足不同比转速水轮机对转轮前环量的要求.
反击式水轮机
水轮机
01 介绍
03 不同点
目录
02 工作原理
反击式水轮机是水轮机的一种。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。水轮机按工作原理分为反击式水轮机和冲击式水轮机。反击式水轮机的工作原理是在一个圆锥形筒的 下端焊接两个或更多个出水曲管，圆锥形筒可绕中心竖直轴自由转动、往筒里灌水，水从下端曲管中流出时产生 沿水流方向的加速度，根据牛顿第三定律，水以相反方向的力作用于曲管上。这样，圆筒在水流的反作用力作用 下，绕竖直轴转动，直到筒中的水流尽为止。
反击式水轮机必须设置尾水管，以恢复压力，减小转轮出口动能损失和进一步利用转轮至下游水面之间的水 流能量。而冲击式水轮机，水流离开转轮时已流速很小，又通常处在大气压力下,因此它不需要尾水管。从另一方 面讲，由于没有尾水管，使冲击式水轮机比反击式水轮机少利用了转轮至下游水面之间的这部分水流能量。
反击式水轮机的工作转轮淹没在水中工作，而冲击式水轮机的工作轮是暴露在大气中工作，仅部分水斗与射 流接触，进行能量交换。并且，为保证水轮机稳定运行和具有较高效率，工作轮水斗必须距下游水面有足够的距 离（即足够的排水高度和通气高度）。
水轮机理论学习
6 水轮机包括哪几个基本工作参数？各参数的含义是什 水轮机包括哪几个基本工作参数？ 么？
水轮机基本工作参数有工作水头H、流量Q、出力NT、效率ηT和转速n等。 工作水头H是指水轮机进、出口断面处单位重量水体的能量差（亦称比能 差），单位是米（m）。 流量Q是指单位时间内，通过水轮机某一既定过流断面的水量，单位是米3／ 秒（m3／s）。 出力（即功率）N，是指单位时间内，水轮机主轴所输出的功，单位是千瓦 (kW)。 效率NT，它等于水轮机出力从与输入水轮机的水流出力9. 81QH之比。 转速n是指水轮机运行时，在单位时间内的旋转次数，单位是转／分（r／ min）。
在水轮机前面装设蝴蝶阀或球阀或快速闸门是防飞逸的有效措施。当机组 过速达额定转速的150％时，关闭蝴蝶阀（球阀）或快速闸门，截断水流， 使机组停机，以缩短水轮机在过速或飞逸转速下运行的时间，起到对水 轮机的保护作用。
(2) 油压保护：压油装置高、低油压事故停机
(3) 瓦温保护：轴承瓦温升高报警，过高停机 (4) 剪断销：报警 剪断销保护装置由剪断销及其信号器组成。水轮机导水机构的传动机构中， 连接板和导叶臂之间是通过剪断销连接在一起的。正常情况下，导叶在 动作过程中，剪断销足够强度带动导叶转动，但当某导叶间有异物卡住 时，导叶轴和导叶臂都不能动了，而连接板在叉头带动下转动，因而对 剪断销产生剪切，当该剪切应力增加到正常操作应力的1．5倍时，剪断 销首先被剪断，该导叶脱离控制环，而其它导叶仍可正常转动，避免事 故扩大。同时剪断销剪断后，发出信号告诉运行人员 (5) 机组轴承油面保护（包括推力、上下导轴承任一个油槽油面升高或降 低到整定极限值）
混流式水轮机主要部件有： 主轴、转轮、水导、导水机构、顶盖、座环、基础环、蜗壳、尾水管、止漏 装置、减压装置和密封装置等。
水能的组成,反击式、冲击式水轮机的分类、工作原理及特点
第一节 水轮机的主要类型
水能构成
动能 位置势能
压力势能
第一节 水轮机的主要类型
运动的水体
动能
势能
水力机械旋转运动
压力势能 位置势能
第一节 水轮机的主要类型
水能减少（水轮机） 水力原动机
水能
机械能
水力工作机 水能增加（水泵）
第一节 水轮机的主要类型
水轮机发电机组工作原理
第一节 水轮机的主要类型
水电站
第一篇 水轮机 第二篇 水电站输水系统
第三篇 水电站厂房
第一节 水轮机的主要类型
第一节 水轮机的主要类型
水力机械（hydraulic machinery）：将水流的运动及能量与机械的运动及能量进行 转换的机器
水轮机（hydraulic turbine）：将水流的能量转换为旋转机械能的水力原动机 水泵（pump）：将机械能传递给水流，使水流的能量增加的水力工作机
H
(zA
pA
A v 2A 2g
)
(zB
pB
B v 2B 2g
)
一、水头 （Head）
第二节 水轮机的工作参数
毛水头Hg (gross head)：水电站上下游水位之差，单位：m
H g EU ED ZU Z D
落差
一、水头 （Head）
第二节 水轮机的工作参数
最大水头Hmax: 允许水轮机运行的净水头的最大值，单位： m 。对水轮机结构的强度设计有决定性的影响。
翼型
第一节 水轮机的主要类型
一、反击式水轮机( Reaction turbine)
环列叶栅绕流 蜗壳、导叶、尾水管等部件与优化形状和尺寸的环列叶栅配合， 使得反击式水轮机高效率、高稳定性地利用水能
02__水轮机及其选择分析讲解
第二章水轮机及其选择水力机械❑水轮机+发电机：水轮发电机组❑功能：发电❑水泵+电动机：水泵抽水机组。
❑功能：输水❑水泵+水轮机：抽水蓄能机组。
❑功能：抽水蓄能水轮机水轮机是将水能转变为旋转机械能，从而带动发电机发出电能的一种机械，是水电站动力设备之一。
2.1 水轮机的类型和构造()()()()()()()()()()()()()()⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎨⎧⎪⎩⎪⎨⎧⎪⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎪⎨⎧⎪⎩⎪⎨⎧⎪⎩⎪⎨⎧ 双击式 斜击式 切击式水斗式冲击式贯流调桨式贯流定桨式贯流转桨式贯流式 斜流式 轴流调桨式 轴流定桨式 轴流转桨式轴流式 混流式反击式水轮机SJ XJ CJ GT GD GZ GL XL ZT ZD ZZ ZL HL一、反击式水轮机❑定义：利用水流的势能和动能做功的水轮机称为反击式水轮机。
❑特征：转轮的叶片为空间扭曲面，流过转轮的水流是连续的，而且在同一时间内，所有转轮叶片之间的流道都有水流通过，即水流充满转轮室。
反击式水轮机类型❑1.混流式：水流径向流入转轮，轴向流出。
适用范围：H=30-700 m , 单机容量：几万kW-几十万kW适用于高水头小流量电站。
三峡水电站水轮机转轮❑2. 轴流式：水流沿转轮轴向流入，轴向流出，水流方向始终平行于主轴。
轴流定浆式：叶片不能随工况的变化而转动。
轴流转浆式：叶片能随工况的变化而转动，进行双重调节（导叶开度、叶片角度)。
3. 斜流式：水流经过转轮时是斜向的。
转轮叶片随工况变化而转动，高效率区广。
常用于抽水蓄能水电站。
反击式水轮机类型4. 贯流式：水轮机的主轴装置成水平或倾斜。
不设蜗壳，水流直贯转轮。
水流由管道进口到尾水管出口都是轴向的。
适用于低水头、大流量的河床式和潮汐水电站。
二、冲击式水轮机❑定义：利用水流的动能来做功的水轮机为冲击式水轮机。
❑特征：由喷管和转轮组成。
水流以自由水流的形式(P=Pa)冲击转轮，利用水流动能(V方向、大小改变)产生旋转力矩使转轮转动。
水轮机常识讲解
水轮机常识一、水轮机水轮机是将水能转变为旋转机械能，从而带动发电机发出电能的一种机械，是水电站动力设备之一。
二、水轮机的主要类型1、反击式水轮机定义：利用水流的势能和动能做功的水轮机特征：转轮的叶片为空间扭曲面，流过转轮的水流是连续的，而且在同一时间内，所有转轮叶片之间的流道都有水流通过，水流充满转轮室。
2、反击式水轮机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，使转轮产生旋转力矩，从而做功。
（1）混流式：水流径向流入转轮，轴向流出。
适用范围：H=30-450 m , 最高水头已接近700米，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。
高效率区较小，适用于水头变化不大的小型电站。
轴流转浆式：叶片能随工况的变化而转动，进行双重调节（导叶开度、叶片角度)。
适用于大型水电站。
轴流转浆式水轮机转轮（3）斜流式：水流经过转轮时是斜向的。
转轮叶片随工况变化而转动，高效率区广。
（4）贯流式：水轮机的主轴装置成水平或倾斜。
不设蜗壳，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。
1）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：a、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。
b、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。
C、竖井式贯流机组：发电机安装在竖井内。
轴伸式贯流机组竖井贯流式水轮机3、冲击式水轮机定义：利用水流的动能来做功的水轮机特征：由喷管和转轮组成。
轴流式水轮机的结构
第二节 轴流式水轮机的结构一、概述轴流式水轮机与混流式水轮一样属于反击式水轮机，由于水流进入转轮和离开转轮均是轴向的，故称为轴流式水轮机。
轴流式水轮机又分为轴流定桨式和轴流转桨式两种。
轴流式水轮机用于开发较低水头，较大流量的水利资源。
它的比转速大于混流式水轮机，属于高比转速水轮机。
在低水头条件下，轴流式水轮机与混流式水轮机相比较具有较明显的优点，当它们使用水头和出力相同时，轴流式水轮机由于过流能力大（图2-15），可以采用较小的转轮直径和较高的转速，从而缩小了机组尺寸，降低了投资。
当两者具有相同的直径并使用在同一水头时，轴流式水轮机能发出更多的效率。
特别是轴流转桨式水轮机，由于转轮叶片和导叶随着工况的变化形成最优的协联关系，提高了水轮机的平均效率，扩大了运行范围，获得了稳定的运行特性，更是值得广泛使用的一种机型。
图2-15 轴流式水轮机1— 1— 1— 转轮接力器活塞；2—转轮体；3—转臂；4—叶片；5—叶片枢轴；6—转轮室图2-16所示是轴流转桨式水轮机的结构图。
它的工作过程和混流式水轮机基本相同。
水流经压力水管、蜗壳、座环、导叶、转轮、尾水管到下游。
与混流式水轮机所不同的是负荷变化时，它不但调节导叶转动，同时还调节转轮叶片，使其与导叶转动保持某种协联关系，以保持水轮机在高效区运行。
轴流式水轮机转轮位于转轮室内，轴流式水轮机转轮主要由转轮体、叶片、泄水锥等部件组成。
轴流转桨式水轮机转轮还有一套叶片操作机构和密封装置。
转轮体上部与主轴连接，下部连接泄水锥，在转轮体的四周放置悬臂式叶片。
在转桨式水轮机的转轮体内部装有叶片转动机构，在叶片与转轮体之间安装着转轮密封装置，用来止油和止水。
轴流式水轮机广泛应用于平原河流上的低水头电站，应用水头范围为3～55m ，目前最大应用水头不超过70m 。
限制轴流式水轮机最大应用水头的原因是空化和强度两方面的条件。
由于轴流式水轮机的过流能力大。
单位流量11Q 和单位转速11n 都比较大，转轮中水流的相对流速比相同直径的混流式转轮中的高，所以它具有较大的空化系数 。
【精品】《水电站》问答题100问
《水电站》课程考试试题库《水电站》问答题100问1.水电站有哪些基本类型？（1）答：根据水能开发方式的不同，水电站有不同的类型：（1）坝式水电站：采用坝式开发修建的水电站称为坝式水电站。
坝式水电站按大坝和水电站厂房相对位置的不同又可分为河床式、闸墩式、坝后式、坝内式、溢流式等，在实际工程中，较常采用的坝式水电站是河床式水电站和坝后式水电站。
（2）引水式水电站：在河道上游坡度较陡的河段上，不宜修建较高的拦河坝，用坡度比河道坡度缓的渠道集中水头，此外，当遇有大河湾时，可通过渠道或隧洞将河湾截直获得水头，所修建的水电站称为引水式水电站。
引水式水电站据引水建筑物的不同又可分为无压引水式水电站和有压引水式水电站两种类型。
（3）混合式水电站：混合式水电站常建造在上游具有优良库址，适宜建库，而紧接水库以下河道坡度突然变陡，或有大河湾的河段上，水电站的水头一部分由坝集中，一部分由引水建筑物集中，因而具有坝式水电站和引水式水电站两个方面的特点。
（4）潮汐水电站：潮汐水电站是利用大海涨潮和退潮时所形成的水头进行发电的。
（5）抽水蓄能电站：抽水蓄能电站是装设具有抽水和发电两种功能的机组，利用电力低谷负荷期间的剩余电能向上水库抽水储蓄水能，然后在系统高峰负荷期间从上水库放水发电的水电站。
2.反击式水轮机的主要过流部件各有何作用？（2）答：工作部件转轮是水轮机的核心部件，作用是将水能转变为旋转机械能。
导水部件导叶的主要作用是根据机组负荷变化来调节进入水轮机转轮的流量，以达到改变水轮机输出功率与外界负荷平衡之目的，并引导水流按必须的方向进入转轮，形成一定的速度矩。
水轮机的引水部件又称为引水室，其功用是将水流均匀平顺轴对称地引向水轮机的导水机构，进入转轮。
泄水部件尾水管的作用为：①将通过水轮机的水流泄向下游；②转轮装置在下游水位之上时，能利用转轮出口与下游水位之间的势能H2；③回收利用转轮出口的大部分动能（）。
3.为什么高水头小流量电站一般采用金属蜗壳，低水头大流量电站采用混凝土蜗壳？（2）答：金属蜗壳：由铸铁、铸钢或钢板焊成，材料强度大，但造价高，故适用于较高水头（H>40m）小流量的水电站和小型卧式机组。
项目五：反击式水轮机的尾水管
第五节：反击式水轮机的尾水管
• • • • • •
第五章 反击式水轮机的基本结构 第五节：反击式水轮机的尾水管 一、尾水管的作用 尾水管的作用 1.将转轮出口水流引向下游 2.利用下游水面至转轮出口处的高程差，形成转 轮出口处的静力真空 • 3.利用转轮出口的水流动能，将其转换成为转轮 出口处的动力真空
（2）肘管型式 标准混凝土肘管
• （3）水平长度 • 水平长度是机组中心到尾水管出口的距离 • 通常取：L=4.5 扩散段与支敦
四、减轻尾水管振动的措施
• 1.尾水管加导流隔板 • 尾水管中装设导流板
2.尾水管补气
• • • • • •
第五章 反击式水轮机的基本结构 第五节：反击式水轮机的尾水管 一、尾水管的作用 尾水管的作用 1.将转轮出口水流引向下游 2.利用下游水面至转轮出口处的高程差，形成转 轮出口处的静力真空 • 3.利用转轮出口的水流动能，将其转换成为转轮 出口处的动能量差比较
• 1.没有尾水管 • 2.具有圆柱形尾水管 • 3.具有扩散型尾水管时
• 实际恢复的动能与理想恢复的功能的比值 称为尾水管的恢复系数
二、尾水管的基本类型
1.直锥形尾水管
• 2.弯曲线尾水管 • 弯肘形尾水管 • 弯锥形尾水管
• 三、尾水管选择 • 1.直锥形尾水管的设计 • （1）根据经验公式，决定尾水管的进口速 度 • （2）确定尾水管出口断面面积
• (3) 确定锥角 及管长 L • 根据扩散管中水力损失最小原则，一般选 锥角 ，管长L 可由进口断面面积 和出口断面面积 值及 值 算出。 • (4) 决定排水渠道尺寸
• （1）尾水管的深度 • 尾水管深度是指水轮机导水机构底环平面 至尾水管底板平面之间的距离。 • 对转轮进口直径 小于转轮出口直径 的混 流式水轮机取 ； • 对转桨式水轮机取 ， • 对转轮直径 的高水头混流式水轮机则 可取 。
第五章 反击式水轮机的基本结构(二)
Q0
0
360
Q (m 3 / s)
v0 K ' H （ m 3 / s )
Q0 2 F0 0 v0 (m 2 )
0
F0
( m)
( m)
进口断面外径
R0 a0 0
由进口断面尺寸，可以求出蜗壳系数C和蜗壳常数K
C
0
2 2 a0 a0 0
720K C Q
QC QC K 360 2 720
(c)圆断面计算；
2r0 h x C C 2 2 i x h ai r0 x Ri ai i
i
i
2
表 5-4
金属蜗壳圆形断面计算表
（a）蜗壳参数与断面连接尺寸选择； 1）按图中曲线选择蜗壳流速系数K’； 2）确定蜗壳包角； 3）与座环连接部位几何尺寸同由座环设计给定。
1—1960年以前国内生产的产品K’值统计曲线； 2—1960～1970年间国内生产的产品K’值统计曲线； 3—推荐曲线。
(b)进口断面计算； 进口断面流量 进口断面流速 进口断面面积 进口断面半径 进口断面中心距
C
2Ra 1 ctg C i c sin
2
i
A 2 d 2 tg 2 1
R
3、混凝土蜗壳的水力计算 1）根据机组的水头和出力选择蜗壳型式和包角； 2）在已知设计水头、设计流量、导叶高度和座环尺才的基础 上，确定蜗壳从进口到鼻端之间各断面的形状及尺寸； 3）绘出蜗壳的断面图和平面图。 （1）确定进口断面尺寸 进口断面面积
断面号
i
C
rb
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弯肘形尾水管的选择及计算
与直锥型尾水管的不同之处在于弯肘形尾水管的轴 心线为曲线，整个尾水管由不同断面形状组织而成。 选择弯肘形尾水管就是根据电站机组的具体条件选择 各组合断面的几何参数。 参数选择原则：
一方面要尾水管有较高的能量指标，增加尾水管的 高度，即恢复系数要大，这会对电站带来长期的经济 效益；
行，防止产生飞逸。
水轮发电机组在工作中水头或负荷（出力）变化时， 转速是固定不变的，就必须调节通过的流量。理想的 调节机构是在运行工况变化时，仅仅只改变流量而水 头损失很小。
水轮机流量调节方程
Q
r2
gH
1
2b0
ctga0
r2 A2
ct g 2
流量调节可通过改变：
导叶高度 b0
转轮叶片角度 β2
电力系统的负荷处于非规律性变化，根据水轮发 电机组出力变化灵活的特点，要求其出力可进行动 态调节。
对磁极对数确定的水轮发电机，输出电能的频率 取决于机组的转速，因此要保持机组供电频率不变， 则必须维持机组转速不变，一般要求不得超过 ±0.1%-±0.4%。
水轮机调节的基本任务：根据负荷的变化不断调节 水轮发电机组的出力，并维持机组转速在规定范围 内；还有机组起动、并网和停机等任务。
机组转速下降。应增大水轮机流量，从而增大Mt，以
达到Mt=Mg的新平衡状态。
水轮机调节系统过渡过程：系统以频率（即机组转速） 为被调节参数，根据实测频率与给定值间的偏差调节 导水机构的开度，从而改变机组的出力和转速（频 率)，但要使改变后的频率符合给定值，需要一个调 节过程。
在过渡过程中频率、开度等参数随时间的变化情况， 及在经过一段时间以后是否能达到新的平衡状态（稳 定工况），与调节系统的特性有关，这种特性称调节 系统的动特性。
三种情况：
J
d
dt
Mt
Mg
（1）水轮机动力矩等于发电机阻力矩 ，dω/dt=0
ω=常数，机组以恒定转速运行。
（2）水轮机动力矩大于发电机阻力矩， dω/dt>0 ，
机组转速上升。应减小水轮机流量，从而减小Mt，以
达到Mt=Mg的新平衡状态。
（3）水轮机动力矩小于发电机阻力矩， dω/dt<0 ，
第四节 反击式水轮机导水机构
一、导水机构的作用和类型
反击式水轮机导水机构如百叶窗， 调节时同步绕自身轴线转动，以改变 水流的出口角。
导水机构的主要作用： 其一，根据电力系统负荷的变化，调节水轮机流量，
以适应系统对机组出力的要求； 其二， 形成和改变进入转轮的水流环量，以满足水
轮机对进入转轮前水流环量的要求； 其三，在机组甩负荷时，导叶关闭使水轮机停止运
1—负曲度叶型；2—对称叶型 3—正曲度叶型
3. 导水机构高度b0及最大开度a0max 比转速越高流量就越大，导叶应该做得高一些，否
则就要增加开度。开度过大导叶片将会接近于径向开 度，将增加导叶及转轮内的流动损失。
比转速低流量相对较小，如果导叶过高，则对应的 开度将很小，水流从两片导叶之间的窄缝中流出，也 会引起较大的损失。
2g
尾水管相对水力损失：
H
V22 2gH
1
尾水管的恢复系数≠尾水管的相对损失
尾水管对高比转速轴流式水轮机比对混流式水轮机更
重要。高比转速转轮出口动能占总水头的40%左右，而
低比转速却不到1%。以尾水管恢复系数按75%估算，则
高比转速水轮机尾水管相对水力损失达10%，而低比转
水轮机自动调节系统： 1、调节对象（水轮机及其导水机构） 2、调速器（包括接力器）
机组转速动力方程
J
d
dt
Mt
Mg
J- 机 组 转 动 部 分 惯 性 矩 ； ω- 机 组 旋 转 角 速 度 ， ω=πn/30，n为转速；Mt-水轮机动力矩；Mg-发电 机阻力矩。
Mt
QH
只有流量Q易于改变，来改变水轮机的动力矩Mt。
减轻。但是加工量增加，
2.5~8.5
24
结构较复杂。
9 以上
32
4. 导叶数Z0、导叶轴线分布圆直径D0及导叶弦长L 导叶分布圆直径D0宜
尽量缩小，以减小机组 体积和重量，以导叶在 最大可能开度下不致与 转轮叶片相碰为限。
D0 / D1 1.13 ~ 1.30
按导水机构能紧密关 闭的原则，确定叶栅密 度和翼弦长度L0：
允许的最大开度： 混流式水轮机：设计水头下额定出力时的开度值，此 开度值如果小于最低水头下5%出力限制线上的开度值 时，则取后者为最大开度。 转桨式水轮机：通常根据允许的吸出高度来确定。
相对开度：导叶在任意位置时的开度a0与最大径向开 度a0max的比值。
a0
a0 a0 max
a0 Z 0
D1
静特性：稳定工况（平衡状态）时各参数之间的关 系。也与调节系统的特性有关，
调速器类型：
机械液压调速器：自动控制部分为机械元件。 电气液压调速器：自动控制部分为电气元件。 微机调速器：自动控制部分为微型电子计算机。
操作部分均采用液压系统 液压系统中，油压装置向调速器提供压力油，以推 动接力器等部件，实现导叶转动。
另一方面又要求减小电站水下开挖量及混凝土量， 土建工程最小，即减少电站一次性投资。
影响弯肘形尾水管性能的三个因素： （1）尾水管的深度：水轮机 导水机构底环平面至尾水管底 板平面之间的距离。
深度越大直锥段的长度可 取大一些，因而降低其出口即 肘管段进口及后面的流速，有 利于降低肘管内损失。
尾水管深度对运行稳定性影响很大，特别是混流式 水轮机因叶片角度不能调整而容易产生偏心涡带及振 动，研究表明：采用较大的深度可改善尾水管偏心涡 带所引起的振动。
因此，对应于某一比 转速的水轮机，应有一 个最佳的导叶高度和最 佳的出口角或开度。
4. 导叶数Z0、导叶轴线分布圆直径D0及导叶弦长L
导叶数影响进入转轮 水流的均匀度。数目多叶
导叶数目 转轮直径 D1
(m)
导叶数 Z0
栅稠密度大、出水流速分
1.0 以内
12
布均匀，且单片导叶重量
1.0~2.25
16
导叶出水角 α0
按水流流经导叶时与水轮机轴线的相对位置，导水 机构可分为：
1）径向式导水机构 混流式和轴流式水轮机
2）轴向式导水机构 贯流式、灯泡贯流式
3）斜向式导水机构 斜流式水轮机
二、径向式导水机构的几何参数
1. 导叶开度 a0 导叶出口边与相邻导叶体之间的最短距离。
表征水轮机在流量调 节过程中，导叶安放位 置的一个参数。当导叶 处于径向位置时为最大 径向开度值a0max。
V22
2g
尾水管恢复系数：实际恢复动能 与理想恢复功能的比值。表征了 尾水管的质量，反映了其转换动 能的能力，也称尾水管的效率。
水流经尾水管总的损失为内部
水力损失与出口动能损失之和：
h
V52 2g
V22 2g
1
V22 2g
h
V22
V52 2g
Q
r2
gH
1
2b0
ctga0
r2 A2
ct g 2
开度相同的情况下，出 口角大者、过流量也大。
出口角相同时，尽管开 度各不相同，但过流量却 很接近。
因此决定流量变化及转 轮前流态的参数不是开度， 而是导叶出口角。
某一固定形状的导叶， 开度和出口角一一对应， 故可以用开度来表示导水 机构的工作参数。
V22 ) 2g
E
Hd
V22 2g
一、尾水管的作用
E
E1
E2
(H d
Pa ) ( P2
g g
V22 ) 2g
2.圆形尾水管
h
Hs
P2
g
V22 2g
Pa
g
h
V2 25
2g
h
吸出高度 静力真空
Pa P2
g
Hs
h
12—连杆；13—推拉杆；14—控制环；15—支座；16—补气阀
第五节 水轮机调节
电力系统向用户提供的电能质量：频率和电压应 保持在额定值附近的一定范围内。我国规定电力系 统频率为50Hz，偏差在0.2-0.5Hz。
否则将引起用电设备的转速变化，引起严重后果， 如电钟计的准确性、数控机床精度、布匹纤维的均 匀性等。
影响弯肘形尾水管性能的三个因素： （1）尾水管的深度
混流式水轮机： 当转轮进口直径D1小于转轮出口直径D2时，h≥2.6D1
第六节 反击式水轮机尾水管
一、尾水管的作用
1．将转轮出口处的水流引向下游； 2．利用下游水面至转轮出口处的高程差（如转轮安装 得低于下游水位，此功能不存在），形成转轮出口处 静力真空； 3．利用转轮出口水流 的动能，将其转换成为 动力真空。
直接影响到水轮机的 效率和稳定性。
一、尾水管的作用
转轮利用能量
a0 max
Dra
Z0
Z0
(D0
2L1)
a0 max
D1
Z0
导叶最大开度 a0max：导叶可能达到的最大开度。 导水机构在最大开度、径向位置工作时，水力损失
很大，水流在转轮前不能形成环量。根据水轮机基本 方程式，要产生旋转机械能就需要在转轮出口有负环 量，这样，进入尾水管的能量大大增加，又会形成很 大的损失。不允许导叶在径向位置运行。
V22 V52 2g