第二章 水轮机

导水机构结构图
活动导叶及其操纵机构 ——液压操作
接力器
调速环
接力器
接力器用于操作控制环的转动
接力器示意图
导叶的主要几何参数
(1) 导叶开度a0：两导叶 之间的垂直距离，最大 开度为amax。 导叶相对开度：
a0
a0 a 0 max
导叶的开度
（2) 导叶转动轴分布 圆直径D0： 应满足导叶在最大可 能开度时不碰到固定 导叶和转轮。 一般D0=1.13~ 1.16D1
生反作用力，作用于 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，单机容量70万kW。世界上单机容
水轮机的类型
混流式 轴流式 反击式 轴流转浆式 斜流式 全贯流式 贯流式 水轮机 水斗式 冲击式 双击式 斜击式 半贯流式 轴伸式 竖井式 灯泡式 轴流定浆式
水轮机类型及应用水头范围
类 型 反 击 式 型 式 混 流 式 混流可逆式 轴流转桨式 适应水头范围（m） 20～700 80～600 3～80
（按射流是否在转轮旋转平面内？）
水斗式: 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。
也称：切击式，培尔顿式
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
水斗式水轮机转轮
轮叶
轮盘
单机功率最大： 挪威的悉•西马（ Simma）水电站（ 单机容量315 MW ，水头885m，转 速300 r/min）， 1980年。 水头最高：奥地 利的莱塞克（ Lascek）水电站（ 单机功率22.8MW ，水头1767m）， 1959年。
导叶的主要几何参数
(3) 导叶数Z0：与D1有关。
转轮直径D1(m) <1.0 1.0～2.25 2.5～8.5 ＞9
导叶数z0 12 16 24 32
(4) 导叶相对高度b0/D1： HL：0.1~0.39; ZL：0.35~0.45
第四节 反击式水轮机转轮
混流式水轮机转轮 组成：轴、上冠、叶片、下环、止漏环、泄水锥
量最大的机组。
混流式水轮机
2. 轴流式：
特点：水流轴向流入，轴向流出转轮，
轴流定浆式：叶片不能转动。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。
适用于大流量、低水头。一般水头在50m以下。最 高到88m 葛洲坝：1982，轴流转浆式17万千瓦，12.5千瓦
双击式：从喷嘴出来的射流先后两次冲击在转轮叶片上
(a) (b) 图1-11 带有闸板阀门的双击式水轮机 (a) 转轮； (b) 整体结构 1-工作轮；2-喷嘴；3-调节闸板；4-舵轮；5-引水管；6-尾水槽
结构简单、制作方便，但效率低、转轮叶片强度差，仅适用于单机 出力不超过1000kW的小型水电站，其适用水头一般为5～100m。
为什么？ 怎样才能做到呢？
引水部件：包括引水室和座环，是水流进入水轮机 的第一个过流部件。
引水室按特征分为
蜗壳式--------大中型水轮机，金属蜗壳和混凝土蜗壳 明槽式--------小型水轮机 罐式--------小型水轮机
灯泡式 竖井式 虹吸式 轴伸式
贯流式
三门峡水电站水轮机蜗壳
蜗壳组装
定义：利用水流的动能做功 特征： 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。 适用：水头高，流量小，多用于400m以上，最高 接近2000m。
冲击式水轮机运行中
单喷嘴运行中
结构特点: 喷管 转轮 类型; 按射流冲击轮叶方式的不同，分为: 水斗式、 斜击式 双击式
较大，这会导致灯泡体尺寸过大而使流道水力损失
增加。为此常在水轮机与发电机之间设置齿轮增速 传动机构，使发电机转速比水轮机转速大3-10倍， 从而缩小发电机尺寸，减小灯泡体尺寸，改善流道 的过流条件。但这种增速机构结构复杂，加工工艺
要求较高，传动效率一般较低，因此目前仅应用于
小型贯流式机组。
第五节、水斗式水轮机构造
座环：
位置：导水叶
的外围。
组成：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，传到下部基础； 支承活动导叶 断面：流线形，保证强 度、刚度。 数目：活动导叶的一半。
图1-14 座环空间示意图 1-上环；2-下环；3-固定导叶
第三节 反击式水轮机导水机构
作用：
形成与改变进入转轮 的水流速度环量， 引导水流按一定方向 进入转轮。 调节进入转轮的流量 ，调节出力并开停机 。
轴流式水轮机的构造
轴流式水轮机特点
(1)转速高，当H，N相同时，转速是混流式水轮机
的2倍，尺寸较小。
(2) 轴流转浆式多用于低水头大流量的大型电站，
其转轮叶片可以转动（双调节），H、N变化时，
水轮机具有较高的效率。
转轮构造 组成：叶片、轮毂、主轴、泄水锥、转动机构
1－主轴；2－转轮体；3－定位销； 4－叶片；5---卡环；6－泄水锥
图1-6 灯泡贯流式水轮机 1-转轮；2-导叶；3-发电机定子； 4-发电机转子；5-灯泡体
轴伸式贯流机组
水轮机轴伸出到尾水管外面。发电机安装在外面，
Hale Waihona Puke Baidu
竖井贯流式水轮机
发电机安 装在竖井 内。
1-竖井；2-发电机；3-传动 装置；4-水轮机转轮
(二)、冲击式水轮机(Impulse water turbine)
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，出
出水边扭曲度较大，其断面形状为翼形。叶片的
数目通常在12-21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。
<1.2 3.0～1.2 >3.0 12≤Pr＜100 ≥100 尚无确切定 义
中型 大型 巨型
三峡(9.8m,700MW)、水布垭、小湾、龙滩、向家坝、溪洛渡、锦屏二级
其他电站的标称直径和单机容量是多少？
水轮机的基本构造
1、反击式： (1) 进水(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。（本章第二节，第四章第七节）
一、主要类型
(一)、反击式水轮机 (reaction water turbine)
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。
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
叶片转动操作机构
1-叶片；2-枢轴；5-转臂；6-连杆；7-操作架； 8---转轮接力器活塞9---活塞杆
(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
适用：高水头、小流量的水电站 大型 300～1700m，小型 40～250m 高效率区宽，最高效 率超过91％
亚洲第一高水头 电站：我国广西 天湖水电站（单 机功率 15MW， 水头1074 m）。
斜击式：喷嘴出来的射流沿着与转轮旋转平面成一角度的方向，
从转轮的一侧进入轮叶再从另一侧流出轮叶。
特点：流量较大，但效率较低， 适用：一般用于中小型水电站，适用水头一般为20～300m。
第一节 水轮机的主要类型及其特点
冲击式 ：动能
2 pA A v2 p v A H ( zA ) ( zB B B B ) 2g 2g
( zA
pA

) ( zB H
pB

) Ep
2 A v2 v A B B
2 gH
Ev
E p Ev 1
组成：转轮、喷管、折流板、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
混流式
轴流式 斜流式
轴流定桨式
斜 流 式 斜流可逆式 贯流转桨式 贯流定桨式
3～50
40～200 40～120
贯流式
2～30 300～1700 20～300
5～100
水斗式
冲 击 式
斜击式
双击式
小、中、大型水轮机的分类
类 型 小型 转轮直径D1（m） 混流式 <1.0 2.25～ 1.0 >2.25 轴流式 额定出力Pr （MW） ＜12 备注
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)、 甘肃炳灵(5×48MW)等电站，均为灯泡贯流机组。
当水头较低而机组容量又较大时，若水轮机与发电 机的主轴直接联接，则发电机将因转速较低而直径
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 蚀现象仍比较严重。 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
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 近年来灯泡贯流式水轮机的导叶都采用了重锤式
《水 电 站》
2014年5月
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 抽水 抽水蓄能机组。 抽水蓄能发电
水 轮 发 电 机 组
水轮机将水能 转变为旋转机械 能，带动发电机
发出电能
第一章
水轮机类型及构造
反击式 ：势能、动能
混流式水轮机转轮
1－轮毂；2－轮叶；3－下环； 4－止漏环；5－泄水锥；6－减压孔
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
轴流转浆式水轮机转轮
3. 斜流式：水流斜向经过转轮。转轮叶片随工况 变化而转动，高效率区广，水头20~200m。可作 为可逆式
毛家村：1969, 8000kw
密云抽水蓄能：1.5万kw 水泵水轮机
4. 贯流式：主轴装置成水平或倾斜。不设蜗壳，
水流直贯转轮。H<20m，小型河床电站。
贯流式机组分类
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4~8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。
-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。
全贯流式：发电机转 子安装在水轮机转轮
外缘，其密封困难。
半贯流式：
灯泡贯流式： 轴伸式贯流机组： 竖井式贯流机组：
1-5 全贯流式水轮机 1-前固定导叶；2-活动导叶；3-发电机转子； 4-发电机定子；5-转轮叶片；6-后固定导叶
灯泡式水轮机组
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。
(2) 导水机构（导叶及控制设备)：控制工况。 （第三
节）
(3) 转轮（工作核心)：能量转换，决定水轮机的尺
寸、性能、结构。 （第四节）
(4) 泄水部件(尾水管)：回收能量、排水至下游。
（第四章第七节） 2、冲击式（第五节）： 喷管，转轮，折流器，机壳，射流制动器等。
第二节 反击式水轮机引水部件
将水流 平顺、 均匀、 轴对称地， 以最小水头损失 引入转轮室。