第三章_水轮机的工作原理

3、各型水轮机各个部件、构造及各部件的作用是什么？
反击式水轮机
主要组成部件：
(1) 引水部件—蜗壳 (2) 导水部件—导水机构 （导叶及控制设备) (3) 工作部件—转轮（核心) (4) 泄水部件—尾水管

作用：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。
蜗
壳
座
环
作用：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。
导水机构
作用： 根据机组负荷变化，调节水轮机流量，改 变出力，引导水流按切向进入转轮，形成速度矩。
转
尾水管的作用：
Leabharlann Baidu
轮
作用： 水能转变为机械能
①将通过水轮机的水流泄向下游； ②能利用转轮出口与下游水位之间的势能； ③回收利用转轮出口的大部分动能。
冲击式水轮机
主要组成部件：
(1) 喷嘴
(2) 折流板 (3) 转轮 (4) 机壳
水轮机的工作原理
1、水轮机根据能量转换特征分为哪几类?反 击式水轮机及冲击式水轮机又是如何分类的 ? 根据水流流经转轮的方式不同分

根据水能转 换的特征分 反击式 水轮机
混流式
轴流式 斜流式 贯流定浆式 贯流式 贯流转浆式 水斗式（切击式） 冲击式 斜击式 双击式 轴流定浆式 轴流转浆式

全贯流式
上冠上端与水轮机主轴相连，下端装有泄水锥。
泄水锥:引导水流平顺地形成轴向流动，减小水力损 失和振动。
轴流式水轮机转轮由轮毂，轮叶，泄水锥组成。
轮毂
轮叶
泄水锥

轮毂 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。
轮叶
泄水锥
轴流定桨式转轮模型 轴流转桨式转轮模型
5、试阐述尾水管有哪些型式及尾水管的作用。直锥形与弯肘形尾 水管的轮廓尺寸如何确定？
（3）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 U W
—— V 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 。
U
U
水流运动的速度三角形:
V U W
W
—— V 转轮室中水流的运动，绝对流速; —— U 水流随转轮的旋转而产生的转动，牵连流速; —— W水流沿叶片流道的流动，相对流速;
贯流式
半贯流式
轴伸式
灯泡式 竖井式
2、试说明各型水轮机的特点及其应用范围。
能量转换 反击式 冲击式 势能 （动能） 动能 水流流态 压 力 自由射流 转轮 主要组成部件
蜗壳、导水部件、 有 压 转轮、尾水管 大气压 喷嘴、折流板、 转轮、机壳
水流流经转轮 适用水头 流入 流出 H（M） 混流式 轴流式 斜流式 贯流式 辐向 轴向 斜向 轴向 轴向 轴向 斜向 轴向
尾水管的形式：直锥型、弯管直锥形、弯曲型。
直锥型尺寸确定从以下几个参数考虑：
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 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
（假定转轮流道不动） （假定水流进入转轮后不动）
用速度角形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。
绝对速度V

圆周速度Vu
轴面速度Vm
相对速度 W

牵连速度U
vu vcos
vm vsin
方程的实质：由水流能量转换为旋转机械能的平衡方程。
u1Vu1 u 2Vu 2 v1 cos1u1 v2 cos 2 u 2 H g g

（1）复杂的空间非恒定流 （2）恒定流状态
（3）水流运动是空间三元流
（1）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。
水轮机在变工况下，水流在水轮机中的流动是
该方程只与进、出口速度三角形有关，而与中间水流特征无关。
水流传给转轮的能量与水流在转轮进出口之间的动量矩的 变化相平衡。没有这种动量矩的改变，转轮就不可能获得水流 能量而做功。 该方程式为通用方程式，对反击式、冲击式水轮机均适用。
非恒定流。
（2）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。
水轮机在稳定工况 (H、Q、n不变)下，水流
在水轮机的蜗壳、导水机构及尾水管中的流动 是恒定流。水流在转轮内的流动相对于转轮旋 转坐标而言，是相对恒定流。
喷嘴:将水流压能变为动能，形成射流并
以一定方向冲击转轮，使转轮旋转，完成
能量转换。
针阀:调节进水流量，以调节水轮机出力。 转 轮 (核 心)
作用:将射流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，在 1~2s内使射流部分全部偏向，不冲击转轮，此时针阀 可在5~10s或更长时间内缓慢关闭，减小水锤压力。
机
壳
作用：把水斗排出的水引入尾水槽中排向下游
4、试说明混流式水轮机转轮及轴流式水轮机转轮的构造及各组成 部分的作用。
混流式水轮机的转轮由上冠、下环、叶片组成。
转轮叶片均布在上冠与下环之间，轮叶上端固定于转轮上冠， 下端固定于转轮下环。轮叶呈扭曲形，各轮叶间形成狭窄的流道。 一般轮叶的数目为12~20片。
单机容量 KW
适用电站 广泛 低水头大流 量河床式 抽水蓄能 河床式 潮汐式
30~700 几十~几十万 3~88 40~200 2~30 几~几万 几十~几十万
射流特点 适用水头H（M） 适用电站
切击式 切线方向 斜击式 侧面 40~2000 50~400 广泛 小型
双击式 二次冲击
6~150
小型
HL220－L J－140
XL220－LH－520
ZZ560－LH－250
GD103－WP－275
XJ02—W—60/1×14
CJ22—W—125/1×12.5
水轮机的工作原理
第一节
水轮机的基本方程
第二节
水轮机的能量损失和效率
第三节 水轮机的汽蚀、吸出高度与安装高程
3-1 水轮机的基本方程式
1、水流在转轮中的运动