第二章 水轮机及其选择

实际上是
卧轴安装的 轴流式水轮 机，发电机 安装在灯泡
体内。
灯泡贯流式水轮机 我国开发采用灯泡贯流式水轮机的时间相对较晚，
近年来灯泡贯流式水轮机的导叶都采用了重锤式
关闭机构来防飞逸，从而可节约引水系统的快速
闸门。 目前采用的灯泡贯流式水轮机使用水头高达27.3m， 转轮直径7.5m，单机容量达48MW。 广东飞来峡(4×35MW)、宁夏沙坡头(4×30MW)、
水轮机型式的代号
水轮机型式
混流式 斜流式 轴流转桨式 轴流调桨式 轴流定桨式 贯流转桨式
代号
水轮机型式
贯流调桨式 贯流定桨式 水斗（冲击） 式 斜击式 双击式
代号
HL XL ZZ ZT ZD GZ
GT GD CJ XJ SJ
主轴布臵形式和结构特征的代号
名
立 卧
称
轴 轴
代号
名
罐
称
式
代号
L W
G Q
万kW。是世界上单机容量最大的机组。
混流式水轮机
(一)、反击式水轮机 (reactioP water turbiPe) 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。 轴流调浆式：叶片能随工况的变化而转动，进行单重调 节（叶片角度)。
（b）适用于中水头；
（c）适用于高水头
(二)、轴流式水轮机的构造
2. 转轮构造 轴流式水轮机除转轮外，其它部件与混流式相似
组成：叶片、轮毂、主轴、泄水锥、转动机构
2. 转轮构造
叶片 ：表面为曲面，断面为翼形，根部厚，边缘 薄，以承受水流作用的抟矩。 叶片数目：与H大小有关，一般为3~8片； 叶片转角Φ：最优工况时Φ=0°，Φ>0，叶片开 始启动，Φ<0向关闭方向转动。
主轴成45°~60°的夹角。
毛家村电站的运行证明，斜流式水轮机可以在比 较宽阔的负荷范围内保持较高的平均效率，但其 缺点也很突出，如结构复杂，可靠性较低，容易 漏油，造成污染，在吸出高度Hs=-8m条件下运行，
其空化现象仍比较严重。
由于斜流水轮机无显著特点，在设计中很少采用。
(四)、灯泡贯流式水轮机
水斗式水轮机转轮
轮叶
轮盘
斜击式水轮机转轮
百度文库
双击式水轮机转轮
1．水轮机的工作参数 （1）工作水头H 特征水头： 最大水头Hmax 最小水头HmiP 加权平均水头Hw 设计水头Hd(η, h净) 额定水头Hr(Pr，Wr，miP)
（3）转速P。 额定转速Pr
（4）功率P与效率η。 水轮机功率：
一、主要类型
(一)、反击式水轮机 (reactioP water turbiPe)
定义：利用水流的压力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。
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
全贯流式
金属蜗壳
混凝土蜗壳 明槽式 有压明槽式
J
H M My
灯 泡 式
竖井式 虹吸式 轴伸式
P
S X Z
特例 HL220/A153-WJ_84 表示为新入谱转轮型号 转轮代号为220，转轮研制单位的转轮编号为A153 卧 轴，金属蜗壳的混流式水轮机 转轮直径为84cm HLA153—LJ—84 重庆水轮机厂 比转速219.2 HLA194—LJ_100 哈尔滨电机厂 比转速 182
灯泡式水轮机组
轴伸式贯流机组
竖井贯流式水轮机
(二)、冲击式水轮机(IPpulse water tubiPe)
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。
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。 在同一时刻内，水流只冲击着转轮的一部分，而 不是全部。不适宜调峰运行。 适用：水头高，流量小，多用于400m以上，最高 接近2000m。
2、冲击式水轮机的主要组成部件：喷管，转轮，折
流器，机壳，射流制动器等组成。
(一)、混流式水轮机基本构造
水流—蜗壳—座环—导叶—转轮—尾水管—下游
引水部件：
开敞式引水室 压力槽式 罐式
金属蜗壳
蜗壳与座环的相对位置
1.
蜗壳：其作用是使水流产生圆周运动，并引导 水流均匀地、轴对称地进入水轮机。
冲击式水轮机运行中
单喷嘴运行中
水斗: 特点是由喷嘴出来的射流沿圆周切线方向 冲击转轮上的水斗作功。
目前，水斗式水轮机是冲击式水轮机中应用最广 泛的一种机型。 斜击式： 由喷嘴出来的射流沿圆周斜向冲击转轮 上的水斗。 双击式：水流两次冲击转轮。
斜击、双击水轮机构造简单，效率低，用于小型 电站。
三门峡水电站水轮机蜗壳
蜗壳组装
导水部件---座环
位于导叶的外围。由上、下环和立柱组成。
作用：是水轮机的骨架，承受机墩及传来的荷载，
并传到下部基础；支承活动导叶；故必须有足够
的强度和刚度。
座环也是水轮机的过流部件和水轮机的安装基准
件。
水轮机座环 1－上环；2－下环；3－固定导叶
水轮机座环
混流式水轮机转轮
转轮的组成
在法兰盘四周开有几个减压孔，以便将经过上冠
外缘渗入冠体上侧的积水排入尾水管。
大型机组在与上冠连接的主轴端常装有补气装置，
以便向泄水锥下侧的水流低压区补气。
泄水锥的作用是引导径向水流平顺地过渡成轴向
流动，以消除径向水流的撞击及漩涡。
转轮的组成
转轮叶片是扭曲面体，其进水边扭曲度较小，而
2．水轮机的型号及公称直径
水轮机型号排列顺序如下：
反击式 水轮机型式 冲击式 同轴安装的转轮数
+ 转轮型号（比转数）+主轴布置型式 + 水 轮机室特征 + 转轮标称直径（cm） + 水轮机型号 + 转轮型号（比转数） + 主轴布置型式 + 转轮标称直径（cm）+ 每个转轮上喷 嘴数 + 设计射流直径（cm）
导叶
导叶
导叶：导水机构的主体，上下端分别固定在底环
和顶盖上，断面设计成翼型。也称为活动导叶。
导叶的上下端面，导叶间均设有橡胶和不锈钢的
密封装置. 作用：改变导叶开度以改变流量。导叶转动是通 过调速成器和接力器来实现的。
接力器
接力器用于操作控制环的转动
接力器示意图
5. 转轮
水能旋转机械能 组成：轴、上冠、叶片、下环、止漏环、泄水锥
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：调节水轮机的流量，以行程表示。
(一)、反击式水轮机 (reactioP water turbiPe)
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：适用水头范围广，结构简单，运行稳定，
效率高，适用中高水头电站。
三峡水电站即采用了这种水轮机，单机容量70
2.1.3
水轮机的主要过流部件
1、反击式水轮机的主要组成部件： (1) 引水部件（蜗壳）：使水流均匀、旋转，以最
小水头损失送入转轮室。
(2) 导水机构（导叶及控制设备)：控制工况。 (3) 转轮（工作核心)：能量转换，决定水轮机的尺 寸、性能、结构。 (4) 泄水部件（尾水管）：回收能量、排水至下游。
《水 电 站》
第一篇 水力机械
水轮机+发电机： 功能： 水 泵+电动机： 功能： 水 泵+水轮机： 功能： 水轮发电机组 发电 水泵抽水机组 输水 抽水蓄能机组。 抽水蓄能
水轮机是将水 能转变为旋转机
水 轮 发 电 机 组
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。
练习： （1）HL220-WJ-71 （2）XLP200-LJ-300 （3）GD600-WP-250 （4）CJ22-W-70/1×7 答案： 1混流式水轮机，转轮型号是220，卧轴，金属蜗壳，转轮直径为 71cm 2斜流可逆式水轮机，转轮型号200，立轴，金属蜗壳，转轮直径为 300cm 3惯流定桨式水轮机，转轮型号为600，卧轴，灯泡式水轮机室，转 轮标称直径250cm 4水斗式水轮机，一个转轮，转轮型号22，卧轴，转轮标称直径 70cm，一个喷嘴，射流直径为7cm。
-15° ­>Φ<+20°
轮毂：外部连接叶片，内部安装转动机构。
转动机构：安装在轮毂内，由调速器控制，调整 导叶角度。
叶片转动操作机构
(三)、斜流式水轮机构造
斜流式水轮机构造
主要部件：座环、转轮及其叶片、导水机构、尾
水管、主轴、导轴承等。
与轴流转浆式水轮机不同之处：叶片转动轴线与
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。
竖井式贯流机组：发电机安装在竖井内。
轴流式水轮机
轴流转浆式水轮机转轮
(一)、反击式水轮机 (reactioP water turbiPe) 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。
(一)、反击式水轮机 (reactioP water turbiPe) 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。
出水边扭曲度较大，其断面形状为翼形。叶片的
数目通常在12-20片之间。 止漏环也称为迷宫环。在转轮上冠和下环的外缘 处均安装着止漏环的转动部分，它与相对应的固 定部分之间形成一系列忽大忽小的空间或迷宫状 的直角转弯，以增长渗径，加大阻力，从而减小 渗漏损失。
混流式转轮剖面图
（a）适用于低水头；
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。
(二)、冲击式水轮机(IPpulse water tubiPe)
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。
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。 在同一时刻内，水流只冲击着转轮的一部分，而 不是全部。不适宜调峰运行。 适用：水头高，流量小，多用于400m以上，最高 接近2000m。
甘肃炳灵(5×48MW)等电站，均为灯泡贯流机组。
泄水部件 -尾水管
作用：引导水流进入下游河道，并回收部分动
能和势能。
龙滩水电站尾水管施工
•泄水部件 尾水管型式：
直锥形尾水管
形式 特点 适用
弯管直锥形
形式 特点 适用
弯曲形尾水管
形式 特点 适用
(五)、水斗式水轮机构造
水斗式水轮机的组成：喷管、折流板、转轮、机
水轮机的输入功率PiP： PiP=9.81QH （2）流量Q。 设计流量Qd(wr，hd) 额定流量Qr(hr，Pr，wr) 空载流量Q0(hr，Pr，w=0) 水轮机的效率η： 最优效率： （kW）
Pout 9.81QH
Pout 100% Pin
习题
已知某水电站在设计工况下，上游水位63m，下 游水位44.4m 通过水轮机流量为825m3/s，发电机 效率为0.96，水轮机效率为0.86，忽略水力损失， 试求水轮机输出功率和机组效率。
2.1 水轮机的类型及其构造
混流式HL 轴流转桨式ZZ 轴流式ZL 轴流定桨式ZD 轴流调桨式ZT 反击式 斜流式 XL 贯流转桨式GZ 水轮机 贯流式GL贯流定桨式GD 贯流调桨式GT 水斗式切击式CJ 冲击式 斜击式 XJ 双击式SJ