水轮机基本知识问答

水轮机基本知识问答
1． 什么是水轮机？
答：一种将水能（包括水流的位能、压能和动能）转变为旋转机械能的动力机械。

它和发电机共同构成水轮发电机组。

2． 水轮机的主要工作参数工作水头H 、流量Q 、出力N 、效率 、转速n 是怎样定义的？
答：⑴水轮机工作水头H ，是指水轮机进口断面（通常指涡壳进口断面）与水轮机出口断面（通常指尾水管出口断面）的单位能量差，单位为m 。

它的大小表征水轮机利用水流单位能量的多少，影响水电站的开发方式、机组类型和经济效益。

它有如下几个特征水头值：
①水轮机的设计水头Hr ，是水轮机按额定转速运转时发出额定出力所必需的最小水头。

②水轮机的最大水头H m ax ，是水轮机运行中允许的最大工
作水头。

③水轮机的最小水头H m in ，是保证水轮机稳定运行的最小
工作水头。

⑵水轮机流量，是指单位时间内通过水轮机的水流体积,单位为s m 3。

⑶①水流出力N s ，是指具有一定水头和流量的水流输入给水
轮机的功率，N s =)kw (QH 81.9。

②水轮机出力N ，是指单位时间内水轮机主轴所输出的功
率，单位为kw。

③水轮机效率η，是指水轮机对水能的有效利用率，
η=N
N。

S
⑷水轮机转速n，是指水轮机在单位时间内旋转的次数，单位
r。

为min
3．水利机标称直径D1是怎样规定的？
答：⑴混流式水轮机D1是指转轮机叶片进水边的最大直径。

⑵轴流式和斜流式水轮机D1是指叶片旋转中心线与转轮室
表面相交处的转轮室内径。

⑶水斗式水轮机D1是指转轮与射流中心线相切处的节圆直
径。

4．水轮机分为几大类型？反击式水轮机又分为几种型式？其相应的特点怎样？
答：根据水流能量转换的特征不同，把水轮机分为两大基本类型：
⑴反击式水轮机：利用水流的势能（位能和压能）和动能的
水轮机。

⑵冲击式水轮机：只利用水流动能的水轮机。

反击式水轮机按水流流经转轮的方向及结构特征不同，又分为
⑴混流式水轮机（代表符号HL）：水流径向进入转轮，经旋
转改变方向，然后转为轴向流出。

一般应用在中高水头电
站。

⑵轴流式水轮机（代表符号ZL）：水流进入和流出这种水
轮机的转轮时，都是轴向的。

根据叶片在运转中能否转动，
又分为：
①轴流定浆式水轮机（代表符号ZD）：转轮叶片固定不动。

一般应用于水头和负荷变化幅度较小的低水头电站。

②轴流转浆式水轮机（代表符号ZZ）：其叶片可绕轮叶轴
线旋转，根据负荷变化导叶与轮叶可以按一定协联关系
而饶自身轴转动，以适应水流情况，保持效率变化不大。

一般应用在负荷变化较大的低水头电站。

⑶斜流式水轮机（代表符号XL）：水流流经转轮叶片时是倾
斜与轴线某一角度的方向，叶片可以转动，在水头和负荷
变化较大时，也能保持较高效率。

一般应用在抽水蓄能电
站中。

⑷贯流式水轮机（代表符号GL）：一种流道呈直线状的卧轴
水轮机，水流经水轮机时，是沿轴向“直贯”通过。

其结
构和特性与轴流式相近，一般应用在潮汐电站中。

5．反击式水轮机的主要过流部件有哪些？它们又分为哪些类型？
答：反击式水轮机的主要过流部件有四个：
⑴引水部件（引水室）：引导并集中水流流入转轮的部件。

它
按其特征又分为涡壳式（有金属涡壳和混疑土涡壳之分。

一般在水头大于40m采用金属涡壳，小于40m采用混疑土
涡壳）、明槽式、罐式、灯泡式、竖井式、虹吸式、、轴伸
式，常用的为前三种，后四种一般应用在贯流式水轮机中。

⑵导水部件：使流入转轮的水流具有所需要的速度方向和大小的导向部件。

其按导叶轴的位置和水流流经导叶的方向不同又分为三种型式：
①径向式导水部件：导叶轴位于同一个圆柱面上，水流流经
导叶的方向是径向的。

一般应用在混流式和轴流式水轮机中。

②轴向式导水部件：导叶轴位于圆盘上，水流流经导叶的方
向是轴向的。

一般应用在贯流式水轮机中。

③斜向式导水部件：导叶轴位于圆锥面上，水流流经导叶的
方向是倾斜主轴方向。

一般应用在贯流式和斜流式水轮机中。

⑶工作部件：把引入转轮的水流的水能转换为转动刚体机械能的能量部件。

其按水流流经转轮轮叶的方向不同又分为三种型式：
①混流式转轮。

②轴流式转轮，它又分为轴流定浆式转轮和轴流转浆式转
轮。

③斜流式转轮。

⑷尾水管：将转轮流出的水流引向下游，并利用其余能的泄水
部件。

其按结构形状分为两类：
①直锥形尾水管：一般应用在小型水电站中。

② 弯肘形尾水管：一般应用在大型水电站中。

6．水轮机型号编制规则是怎样的？
答：⑴水轮机产品型号由三部分组成，各部分之间用“-”分开。

⑵型号的第一部分，由水轮机型式及转轮型号组成。

①水轮机型式用两个汉语拼音字母表示，其型式代号见表6-1；
在水轮机型式代表符号后加“N ”表示可逆式水力机械。

②转轮型号用阿拉伯数表示，它代表该水轮机转轮的特征
比转速。

⑶型号第二部分，由两个汉语拼音字母组成，前一个表示主轴布置形式，见表6-2；后一个表示引水室结构特征，见
表6-3。

⑷型号第三部分，由水轮机标称直径D 1（以cm 表示）组成；
对水斗式水轮机，型号第三部分表示为：
设计射流直径
喷嘴数作用在每一个转轮上的轮的标称直径 水轮轮机转；水斗式水轮机有时在同一轴上装有一个以上转轮，转轮的数目表示在
水轮机符号的前面。

7．混流式水轮机通流部件有哪些？它们相互位置关系如何？答：按水流流经部件的次序，混流式水轮机通流部件有涡壳，座环，导叶，顶盖，底环，转轮，尾水管。

它们相互位置关系：涡壳为最外层，从四周包围着座环，并与座环的上、下环相连接。

座环上下环之间均布着能承重的固定导叶。

顶盖放置在座环的上下内法兰上，底环放置在下换法兰上。

顶盖和底环上下相对构成环形过流通道。

通道内均布着若干个活动导叶以调节流量。

活动导叶下轴径放置在底环预留的轴孔中，活动导叶上半段轴穿过顶盖预留孔，与顶盖上面导叶传动机构相连接。

座环下端通过基础环与尾水管上端相连接。

顶盖之下，尾水管之上是转轮，转轮四周被活动导叶所包围。

8．座环的作用是什么？它由哪几种构件组成？
答：座环的作用是：⑴水轮机的承重部件；⑵水轮机的通流部件；
⑶水轮机的安装基准件。

座环由上环、固定导叶和下环三种构件组成。

9．导水机构有哪些部件组成？其导叶传动机构的主要零部件有哪些？
答：导水机构有顶盖、底环、导叶、导叶臂、连杆、控制环和接力器等部件组成。

导叶传动机构主要零部件有控制环、连杆、导叶臂、分半键、剪断销、叉头（或耳柄）、连接螺杆（或旋套）。

10．混流式水轮机顶盖的作用是什么？
答：顶盖位于导叶和转轮上方，它的作用是：⑴与底环一起形成导水机构的流道；⑵支持导叶套筒及导叶传动机构；⑶其上要安装导轴承及其它附属装置。

11．导叶的立面间隙和端面间隙是如何调整的？
答：导叶立面间隙的调整，是通过导叶传动装置的补偿元件加以调整。

对于叉头式传动机构，补偿元件是调整螺杆（或现配偏心销轴）；对于耳柄式传动机构，补偿元件是旋套。

导叶端面简隙的调整，是通过导叶轴颈顶端上的调节螺钉。

12．导水机构常用的安全装置是什么？其工作原理如何？
答：导水机构常用的安全装置是剪断销。

其中部做成薄弱的断面，在正常调节导叶传动时，剪断销有足够的强度传递操作力矩。

当关小（或闭）导叶时，若有异物卡在导叶之间，所需操作力矩急剧增加，当操作力增大到正常应力
的1.5倍时，剪断销被剪断，被卡住的导叶失去控制，而其它导叶继续向关闭方向运动。

剪断销的中心孔内装有信号装置，当剪断销被剪断时发出信号。

13．混流式水轮机常用的接力器有哪几种型式？
答：按接力器缸的形式，混流式水轮机常用的接力器可分为两种：⑴直缸接力器，其又可分为单导管直缸型、双导管直缸型、小直缸型和摇摆式等型式。

⑵环形缸接力器，其又可分为活塞动和缸动两种型式。

14．混流式转轮式由哪些构件组成？能量转换是在哪个构件上进行的？
答：混流式转轮由上冠、叶片、下环、泄水锥、止漏环和减压装置组成。

能量转换是在叶片上进行的。

15．混流式转轮的结构型式有哪几种？各有什么特点？
答：混流式转轮的结构型式有三种：
⑴整铸转轮：上冠、叶片和下环一起整体浇铸成型的转轮。

一般采用铸铁或碳钢；为了跳高转轮的强度、抗磨和抗气
蚀性能，也可采用高强度的低合金钢。

其主要用于低水头
的小型转轮。

⑵铸焊转轮：上冠、叶片和下环分别铸造，然后按技术要求
焊接成转轮整体。

叶片单独加工，且采用抗气蚀、耐磨损
的材料，转轮水力性能好。

其被广泛采用。

⑶压模铸焊转轮：将叶片用钢板在模具中压制成型，上冠、
下环分别铸造，然后焊接成整体。

此种结构具有铸焊结构
的特点，又可避免叶片型线加工的困难，制造中小型转轮
应用较多。

16．混流式水轮机的止漏环有几种型式？特点怎样？
答：混流式水轮机的止漏环有三种型式：
⑴间隙式止漏环：它是以动件与不动件之间形成很小的直通
间隙以减少漏水，其间隙δ1D 001.0≥。

其结构简单，与转轮
的同心度高，制造、安装和测量方便，抗磨性能好。

但止漏效果较差，一般用于低水头或多泥沙的水电站，水头较高时常与梳齿式配合使用。

⑵迷宫式止漏环：它是由一系列突然扩大和收缩断面的间隙
组成，利用增大局部阻力减少漏水量，止漏效果好。

间隙1D 0005.0=δ。

这种止漏环的安装精度较高，一般用于中低水
头、水质较清洁的电站。

⑶梳齿式止漏环：它的转动部分和固定部分呈犬牙交错配合，
形成若干直角转弯的间隙，使水流方向和过水断面大小发生变化以增大阻力而减少漏水。

它通常水平安放，水平间隙mm 2~1=δ，轴向间隙h 1+δ=δ，h 为抬机高度。

梳齿式止漏环的止漏效果好，但与转轮的同心度不易保证，间隙不易测量，安装不方便。

这种结构多用于中、高水头的水轮机。

16．混流式水轮机的减压装置起什么作用？常用的减压装置有哪
些？
答：混流式水轮机的减压装置的作用是减小转轮轴向水推力。

常用的减压装置有两种：⑴引水板与泄水孔；⑵均压管和泄水孔。

17．混流式水轮机主轴有哪几种型式？适用什么场合？
答：混流式水轮机主轴有两种型式：
⑴单法兰：①常为实心阶梯轴，无法兰一端开有键槽，用键
与转轮连接传递扭矩。

法兰端开有止口，用与发电机轴法
兰盘对中心。

法兰盘用螺栓连接。

这种型式常用于中小型
卧式水轮机。

②对大中型伞式机组，主轴不分段，可少用
一对法兰，单法兰用于与水轮机连接，轴身为中空的。

⑵双法兰：一端与转轮相连，一端与发电机相连。

中小型水
轮机常用实心轴，大中型水轮机采用空心轴，即能减轻重
量，由布影响轴的强度和刚度。

18．混流式水轮机分块瓦式导轴承和圆筒式导轴承的结构特点怎样？
答：分块瓦式导轴承的结构特点：⑴主轴带有轴领；⑵轴瓦是分块的。

圆筒式导轴承的结构特点：⑴轴承合金直接浇铸在轴承体上，没有分块轴瓦，轴承体根据轴承尺寸和工艺的可能性，分成两半或更多，安装时组合成整体，形成整体的轴瓦；⑵具有和轴一起旋转的下油箱和固定的上油箱。

19．卧式水轮机的轴承要承受几种力？
答：卧式机组导轴承既要承受机组旋转径向力，还要承受旋转部分重量。

20．混流式主轴密封有哪些型式？
答：按其工作方式分为两类：⑴一类是在水轮机正常运行时起封水作用的密封，称工作密封，其结构型式有填料函式、橡胶平板式和端面式等型式；⑵另一类是下游水位高于导轴承的水轮机，在停机、导轴承或密封装置检修时起封水作用的密封，称为检修密封，其结构型式有机械式、围带式和抬机式等。

21．混流式水轮机补气装置的作用是什么？常见的补气方式有几种？
答：混流式水轮机在低负荷（40%～70%额定出力）时运行，微水管中出现涡带和压力脉动，也使气蚀加剧，此时补入适量的空气，可以增加水的弹性减轻机组的振动，改善水轮机的运行状态。

常见的补气方式有两种型式：⑴轴心孔补气；⑵尾水管补气。

22．混流式水轮机的紧急真空破环阀起什么作用？常见的型式有几种？
答：当机组事故紧急关闭导水机构时，由于水流的惯性作用，在转轮室内产生很大的真空，而引起很大的冲击力，甚至出现抬机现象。

在这种紧急状态下，向转轮室补入空气破坏真空，减小冲击力和抬机高度，以保护机组结构不致遭受破坏。

常见的型式有强迫式和自吸式两种。

23．轴流式水轮机结构和混流式水轮机结构的主要区别有哪些？答：两者主要区别有以下几点：
⑴转轮的结构型式不同，混流式水轮机的叶片边与主轴是近
似平行的，而轴流式水轮机的叶片进口边几乎是与主轴相
垂直，并且结构较复杂，尤其是转浆式水轮机，转轮内部
装有一套操作转轮叶片的机构。

⑵在水头低于30～35的情况下，轴流式水轮机通常采用混
凝土的非完全涡壳，而混流式多采用金属涡壳。

⑶轴流式水轮机的导叶上端为顶盖，转轮上面为支持盖。

而
混流式水轮机导叶和转轮上面合用一个顶盖。

24．轴流转浆式水轮机转轮一般由哪些部件组成？
答：其转轮一般由转轮体、叶片、泄水锥、密封装置和一套叶片操作机构等部件组成。

25．转浆式水轮机叶片操作机构的作用是什么？
答：叶片操纵机构装在转轮体内，用来转动叶片，变更叶片的转角，使其与导叶开度相适应，从而保证水轮机效率在任一工况下变化不大。

26．转浆式水轮机设置叶片密封装置的原因是什么？
答：由于转浆式的叶片法兰与转轮之间存在着相对转动的间隙，因此客观上为体内压力油漏出和体外压力水渗入提供了途径。

为此，必须设置叶片密封止漏装置。

27．造成机组产生抬机有哪些原因？
答：有如下一些原因：
⑴机组甩负荷和事故紧急关闭导水叶时，尾水管内由于真空
而中断了水流的连续性，有可能出现强烈的大于机组转动
部分总重量的反向轴向力；
⑵水轮机由空载工况转为调相运行时，导叶由空载缓慢关至
零，当转轮下部空气阀关闭，也可能会产生大于机组转动
部分总重量的反向轴向力。

28．什么是水轮机的气蚀？
答：在水轮机的流道中，由于边界条件的变化，某些地方流速会增加，致使压力降低。

由于水中含有气蚀核（小气泡、空气），当压力低于汽化压力时水会发生汽化，释放出蒸气泡，溶解在水中的气体也会分离出来，变成空气泡，这些蒸气泡和空气泡的混合物，一般称为汽穴。

这些微泡的形成、发展、溃裂以及对过流表面所产生的破坏过程称为气蚀。

29．水轮机的气蚀有哪些类型？
答：水轮机的气蚀有四种类型：
⑴翼型气蚀：发生在转轮叶片背面低压区上的一种气蚀。

⑵间隙气蚀：当水流通过狭小通道或缝隙时，若其局部流速
升高导致压力降低到一定程度时所发生的一种气蚀。

⑶局部气蚀：水流绕流不平表面时由于局部压力降低所发生
的一种气蚀。

⑷空腔气蚀：反击式水轮机在非设计工况下运行时，转轮出
口水流具有一定的圆周分量，水流在尾水管中产生旋转，
旋转水流的中心产生涡带。

涡带的中心形成很大的真空。

真空涡带周期性的扫射尾水管管壁，造成尾水管管壁破坏
的一种气蚀。

30．水轮机气蚀破坏造成的后果和影响怎样？
答：⑴气蚀直接破坏水轮机的过流部件，特别是转轮叶片，严重时可使叶片穿孔、缺口甚至脱落；
⑵水轮机在气蚀情况下运行，出力和效率都要显著降低，并
且要引起噪音、机组的强烈振动和运行的不稳定；
⑶气蚀缩短了检修周期，延长了检修工期，气蚀检修要耗用
大量的贵重金属材料和人力物力。

31．采取哪些措施来防止或减缓水轮机的气蚀破坏？
答：采取四个方面的防护措施：
⑴设计方面：①改善水轮机转轮的水力设计；②优化选型设
计。

⑵制造方面：①提高制造加工的工艺水平；②采用抗气蚀的
材料。

⑶运行方面：①改善运行条件，合理选定工作区；②进行气
蚀补气：ⅰ主轴中心孔补气；ⅱ尾水管补气。

⑷检修方面：①加强气蚀检修；②金属堆焊修整；③采用抗
气蚀材料作表面防护。

32．在装置水轮机时，可通过选择什么样的参数来控制转轮出口
处的压力值以避翼型气蚀的发生?此参数是怎样定义的？工程实践中又是如何规定的？
答：选择吸出高度S
H 。

S
H 是转轮叶片上压力最低点至下游水面之间的距离。

该点随工况变化而变动。

为计算方便，工程实践中对不同型式和装置方式的水轮机的 S
H 作了统一规定： ⑴立轴混流式的S
H 为下游水面至导水机构底环平面的距离；
⑵立轴轴流式和斜流式的S
H 为下游水面至转轮叶片旋转中心线与转轮室内壁交点的距离；
⑶卧轴反击式水轮机的S
H 为下游水面至叶片最高点的距离。

33．水轮机吸出高度计算公式是怎样的？
答：有两种计算公式：
⑴S H )(10σ∆+σ-∇-≤（m ）
式中∇-水轮机安装处海拔高程（m ），一般可用电站最低
尾水位；
H-通常采用设计水头；
σ-相应设计水头的模型气蚀系数；
σ∇-根据设计水头查得的气蚀系数修整值。

⑵H K 90010H S σ-∇-=σ(m)
式中σK -气蚀安全系数，对于混流式水轮机，σK =1.2～
1.5；对于轴流式水轮机，σK =1.1～1.2。

H-通常采用设计水头。

34．什么是水轮机名义吸出高度'S H
答：为了设计与安装时便于计算尺寸，常以水轮机安装基准至下
游水面的距离作为名义吸出高度'S H ，以此来确定水轮机安装高
程。

各种型式水轮机名义吸出高度规定如下：
⑴对立轴轴流式或斜流式
安装基准为叶片旋转中心线。

'S H =S H ；
⑵对立轴混流式
安装基准为导水机构中心线（即座环中心线）。

'S H =S H +2b 0
式中0b 为导水机构高度；
⑶对卧轴水轮机
安装基准为主轴中心线。

'S H =S H -2D 1
式中1D -转轮标称直径。

35．水轮机的安装高程安装∇是怎样计算的？
答：安装∇=下游∇+'S H
式中下游∇-电站下游尾水位高程。