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水轮机工作原理一水轮机中水流运动1、蜗壳中的水流运动反击式水轮机蜗壳的主要作用是能将引水管渠引来的水，进一步以最小的水力损失、最经济的断面尺寸引至转轮前的导水机构内。
并且，为了提高作用于工作轮上的有效谁能及转轮的有效稳定性，则要求进入工作轮前的水流具有一定的水流旋转环量和呈轴对称流动。
蜗壳的水利设计就是以完成蜗壳的上述任务为前提。
而蜗壳中的水流运动规律又取决于蜗壳的内壁轮廓线。
故蜗壳内壁轮廓线的形状控制了蜗壳内的水流运动规律。
关于蜗壳的水流运动规律，有不同的简化表达方式。
一般认为，蜗壳中的水流运动，可看成符合等速度距（C =r v u ）变化规律，简称“等速度距律”。
即位于蜗壳内任一点水流速度的切向分量u v ，与该点距水轮机轴线的半径r 的乘积保持不变；也有人认为，蜗壳中的水流运动，按u v 从蜗壳进口至鼻端呈递增规律变化。
实践证明，水轮机用按“等速度距律”设计蜗壳其性能较好。
下面即介绍蜗壳中按“等速度距律”的水流运动规律。
“等速度距律”对蜗壳中的水流运动作如下假设：（1）忽略水流粘性及其与管壁的摩擦损失。
实际上它们的影响所占比例很小，很小影响水流运动规律。
（2）蜗壳内壁是光滑的，没有引起使水流产生涡旋的异物。
认为蜗壳中的水流运动是无旋运动。
这要求蜗壳内壁比较光滑，对蜗壳的制造和施工提出了严格要求。
（3）蜗壳中的水流运动是以水轮机轴为对称的运动。
则蜗壳内水流速度v 、压力p 、等运动要素有：0θp 0θv =∂∂=∂∂，。
由上假设表明，蜗壳内的水流运动为理想液体作轴对称有势流动。
将蜗壳中的水流简化成上述流体力学模型后，其运动有以下规律：（1）蜗壳中位于任一点的水流速度距r v u 为常数。
记为K r v u =式中 积分常数。
半径；研究点距水轮机轴线的）；的圆周分量（图某一点水流速度---K r 1-2v v u上述结论是不难证明的。
由流体力学知，。
水轮机原理及构造1、概述混流式水轮机工作原理：水流经压力钢管在开启蝶阀后进入蜗壳形成封闭的环流〔形成环流是为了使水流作用转轮时，使转轮各方向受力均匀，到达机组稳定运行的目的〕，在导叶开启后，水流径向进入转轮又轴向流出转轮〔所以称之为混流式水轮机〕，在这个过程中由水流和水轮机的相互作用，水流能量传给水轮机，水轮机开始旋转作功。
水轮机带动直流励磁的同步发电机转子旋转后，根据电磁感应原理〔问题〕，在三相定子绕阻中便感应出交流电势，带上外负荷后便输出电流。
注：电磁感应闭合电路的一部分导体在磁场中做切割磁感线运动时，导体中就产生感应电流，这种现象叫做电磁感应，产生的电流叫做感应电流。
①产生感应电流的必要条件是：a、电路要闭合；b、闭合电路中一部分导体做切割磁感线运动，缺一不可；假设是闭合电路的一部分导体，但不做切割磁感线运动则无感应电流，假设导体做切割磁感线运动但电路不闭合，导体上仍无感应电流则导体两端有感应电压。
②感应电流的方向跟磁场方向和导体切割磁感线运动方向有关三者互相垂直，改变磁场方向或改变导体切割磁感线方向都会改变感应电流的方向。
③在电磁感应现象中机械能转化为电能。
应用：发电机是根据电磁感应原理制成的，它使人们大规模获得电能成为现实。
①交流发电机主要由转子和定子两部分组成，另外还有滑环、电刷等。
②交流电的周期与频率周期和频率是用来表示交流电特点的两个物理量，周期是指交流发电机中线圈转动一周所用的时间，所以单位是“秒”；频率是指每秒钟内线圈转动的周数，它的单位是“赫”。
我国使用的交流电周期为0.02秒，频率是50赫，其意义是发电机线圈转一周用时0.02秒，即1秒内线圈转50周，因为线圈每转一周电流方向改变两次，所以，频率为50赫的交流电在1秒钟内方向改变100次。
2、水轮机的主要类型：水轮机基本类型有：还击式冲击式还击式：混流式〔HL〕、东风：HLA722C-LJ-192HL混流式水轮机设计序号为A722C为L立轴J金属蜗壳192转轮直径为192cm轴流式〔ZL〕：轴流转桨式〔ZZ〕轴流定桨式〔ZD〕、斜流式〔XL〕、贯流式〔GL〕：贯流转桨式〔GZ〕贯流定桨式〔GD〕特点：将位能〔势能〕、动能转换为压能，进行工作；转轮完全淹没在密闭的水体中。
水轮发电机的工作原理水轮发电机是利用水能转化为机械能，再经过发电机器将机械能转化为电能的一种发电装置。
其工作原理主要包括水轮机的工作原理和发电机的工作原理。
水轮机的工作原理是利用水流的动能驱动水轮机转动。
水轮机由基础、轴承、导水管、转轮等组成。
当水流通过导水管进入转轮内部，由于导水管的合理设计，水流的动能会转化为转轮上的压力能和动能。
转轮上的叶片可以将水流的动能转化为转轮的转动能量。
通过转子轴将转动能量传递至发电机上，进而将其转化为电能。
发电机的工作原理是利用转动的机械能转化为电能。
发电机是由固定的磁极和旋转的励磁线圈（转子）组成。
当转子转动时，励磁线圈会不断切割磁场，产生电磁感应效应。
根据法拉第电磁感应定律，励磁线圈内就会产生感应电动势，并通过导线输出。
同时，为了增强发电效果，发电机通常采用了电磁励磁。
电磁励磁使用励磁线圈产生一个恒定的磁场，从而保持发电机输出的电压稳定。
通过控制转动速度和磁场强度，可以调节发电机输出的电压和电流。
在水轮发电机中，水轮机和发电机相互配合工作，即水流驱动水轮机转动，水轮机将机械能传递给发电机，发电机利用机械能转化为电能。
水轮机通过合理的叶轮设计和水流控制，可以最大程度地转化水流的动能为机械能，提高水轮机的效率。
而发电机通过合理的电磁感应原理和电磁励磁控制，可以将机械能高效地转化为电能。
在实际应用中，水轮发电机广泛用于水能资源丰富的地区，如山区、湖泊等地。
通过调整导水管的角度和水量，可以控制水轮机的转速，从而调节发电机输出的电能量。
水轮发电机具有的优点是水能源免费、稳定可靠、环保等，同时还可以储存电能和供电调峰，具有较高的经济和社会效益。
然而，水轮发电机也存在一些局限性。
首先，水轮发电机需要有丰富的水源才能保证长期稳定的发电。
其次，水轮发电机的建设和维护成本较高，需要投入较大的资金和人力物力。
此外，水轮发电机的效率也受到一定的限制，受到水流速度、水位等因素的影响。
总之，水轮发电机借助水轮机和发电机的相互配合，将水流的动能转化为电能，是一种利用水能发电的重要装置。
水轮机工作原理
水轮机工作原理是通过水的力量来驱动转轮转动，从而产生动力。
水轮机主要由转轮、导水管和发电机组成。
水轮机利用水的重力势能和动能转化为机械能。
当水从导水管流入转轮处时，由于水的自身重力和流速的作用，会给转轮带来冲击力。
转轮通常是由多个叶片组成的，当水流冲击到叶片上时，会使转轮发生旋转。
转轮旋转的动力进一步转化为机械能，通过轴传递给发电机。
发电机利用机械能转化为电能，通过输出电压和电流，实现电能的传输和应用。
水轮机的工作原理可以分为两种类型：反动式和顶轮式。
反动式水轮机是将流出的水引流回转轮的另一侧，以反向推动转轮，从而增加转轮的动力。
顶轮式水轮机是将流出的水直接引导到转轮上，由水的冲击力驱动转轮旋转。
总的来说，水轮机的工作原理是利用水的力量产生机械能，然后通过发电机将机械能转化为电能。
这种利用水能的方式广泛应用于水电站和其他需要大量电能的场合。
水轮机工作原理水轮机是一种利用水能转换为机械能的装置，其工作原理主要是利用水流的动能来驱动水轮机转动，从而产生机械能。
水轮机广泛应用于水电站、水泵站、水利灌溉等领域，是一种重要的水利工程设备。
水轮机的工作原理可以分为以下几个方面来进行解析：1. 水流的动能转换。
水轮机的工作原理首先是利用水流的动能转换为机械能。
当水流经过水轮机叶片时，水流的动能会使叶片产生转动，从而驱动水轮机转动。
这种动能转换的过程是通过水流的作用力来实现的，水流的速度和流量会直接影响到水轮机的转动效果。
2. 叶轮的设计。
水轮机的叶轮设计是影响其工作效率的重要因素。
叶轮的设计需要考虑到水流的速度、流量和压力等因素，以及叶轮的形状和材质等因素。
通过合理的叶轮设计，可以使水流的动能得到最大程度的转换，从而提高水轮机的工作效率。
3. 水轮机的转动。
水轮机的转动是通过叶轮受到水流的作用力而产生的。
当水流经过叶轮时，叶轮会受到水流的冲击力，从而产生转动。
这种转动会驱动水轮机的转子转动，从而产生机械能。
水轮机的转动速度和转动力矩会直接影响到其输出功率和工作效率。
4. 机械能的输出。
水轮机通过转动产生的机械能可以用于驱动发电机、水泵等设备，从而实现能量转换和利用。
通过合理设计水轮机的叶轮和转子等部件，可以使机械能的输出达到最大化，从而提高水轮机的工作效率。
总的来说，水轮机的工作原理是利用水流的动能转换为机械能的过程。
通过合理设计水轮机的叶轮和转子等部件，可以使水轮机达到最大的工作效率和输出功率。
水轮机在水利工程中具有重要的应用价值，是一种高效的水能利用装置。
第三章 水轮机工作原理本章教学要求：1． 了解水流在反击式水轮机中的运动规律；2． 熟练掌握水轮机的速度三角形及其作用；3． 熟练掌握水轮机的基本方程极其意义；4． 掌握水轮机效率的定义；5． 掌握水轮机在最优工况、非最优工况下的运行特点。
第一节 水流在反击式水轮机转轮中的运动一、蜗壳中的水流运动反击式水轮机蜗壳的主要作用是以最小的水力损失把水流引向转轮前的导水机构，并使水流能均匀而轴对称地进入导水机构，同时，让水流具有一定的速度环量，以提高作用于工作轮上的有效水能及转轮的运行稳定性。
蜗壳的水力设计就是以完成蜗壳的上述任务为前提。
而蜗壳中的水流运动规律又取决于蜗壳的内壁轮廊线，故蜗壳内壁轮廓线的形状控制了蜗壳内的水流运动规律。
关于蜗壳中的水流运动规律，一般认为有两种形式。
根据设计者的意图，设计出来的蜗壳形状也稍有不同。
这两种规律是：1．蜗壳断面的平均速度周向分量均u V 为常数的规律常数均==0V V u （3-1）式中0V 为蜗壳进口断面的水流速度。
2． 蜗壳中水流按等速度矩规律运动。
即位于蜗壳内任一点水流速度的切向分量u V 与该点距水轮机轴线的半径r 的乘积不变。
C r V u ==⋅常数 （3-2）式中u V ——某一点水流速度的圆周分量，见图3-1所示；r ——研究点距水轮机轴线的半径。
图3-1 蜗壳中的水流运动实践证明，水轮机按“等速度矩规律”设计的蜗壳性能较好。
“等速度矩”规律对蜗壳中的水流运动作如下假设：1．忽略水流粘性及与管壁的磨擦损失。
2．蜗壳内壁是光滑的，认为蜗壳中的水流运动是无旋流动。
3．蜗壳中的水流运动是以水轮机轴为对称的运动。
即蜗壳内水流速度V ，压力P 等运动要素有：0,0=∂∂=∂∂θθP V 。
因此，蜗壳内的水流运动为理想液体作轴对称流动。
由式3-2可知，蜗壳中距水轮机轴线半径相同的各点，其水流切向速度u V 相等；蜗壳中距水轮机轴线半径不同的点，其切向速度u V 与半径r 成反比。
蜗壳中各断面所通过流量变化规律。
为了提高机组的运行稳定性，使蜗壳中的水流能均匀地，轴对称地进入导水机械及转轮，要求通过蜗壳各断面的流量均匀地减小。
设通过水轮机的全部流量为Q ，则通过蜗壳任一断面的流量i Q ，为：Q Q i i ⋅=ο360ϕ （3-3）式中i Q ——自蜗壳鼻端至任一蜗壳计算断面包围的角度。
蜗壳中水流流线的特点。
为研究蜗壳中水流流线的特点，假设蜗壳各断面高度b 相等。
并且，水流速度沿蜗壳断面高度方向均匀分布。
由图3-1可知，蜗壳中任一点水流速度V ，可分解为切向速度u V 和径向速度r V 。
设该点速度V 与圆周方向夹角为α，则：ur V V tg =α（3-4） 又因水流沿圆周方向均匀进入水轮机导水机构和转轮，故： rbQ V r π2=（3-5） 式中r ——计算点距水轮机轴线的距离；b ——蜗壳高度；Q ——通过水轮机流量。
由式（3-2）、（3-4）、（3-5）可得 bcQ rc rb QV V tg u r ππα22===（3-6） 当水头和流量一定时，则αtg 为常数。
因此，蜗壳内的水流流线呈对数螺线状。
另外，当α一定时，即在给定蜗壳中，若流量改变时，蜗壳中任一点水流速度V 的大小也随之改变（r V 与u V 均与Q 成正比例变），但V 的方向始终恒定不变，始终以一个方向进入座环支柱。
可是在实际中，水轮机的蜗壳断面大多不是等高的。
所以，严格讲，蜗壳中的水流流线并不是等角螺线，蜗壳中任一点的水流速度方向也并非始终不变。
二、转轮中的水流运动水流通过水轮机转轮流道时，一方面随转轮旋转，同时又沿着弯曲的转轮叶片作相对运动。
因此，转轮中的水流形成一种复杂的运动。
为了研究这种水流运动，一般采用圆柱坐标系。
坐标系统选择如图3-2所示。
Z 为水轮机轴向方向，r 为径向，ϕ为圆周方向（切向）。
此切向垂直于由径向及轴向所构成的平面。
由r ，Z 组成的平面称子午平面，因它通过水轮机的轴心线，故又称为轴平面。
图3-2中阴影部分即为某个轴平面。
混流式转轮在某个轴平面上的投影称为转轮的轴面投影。
但此投影与一般制图上的所谓正投影不同，它是转轮叶片进、出水边以其相应的半径旋转到某同一轴平面上再投影。
对混流式水轮机而言，由于轴平面与转轮上冠，下环正交，因此，在其轴面投影图上，上冠，下环的投影线为实际的轮廓形状。
而叶片进、出水边在轴面上的投影线保持了真实的径向尺寸。
这是使用轴面投影的优点。
叶片的轴面投影如图3-3所示：图3-2 转轮的圆柱坐标系图3-3 转轮的轴面投影图水流在导水机构中的流动基本上是沿垂直于水轮机轴心线的径向方向流动。
但当水流离开导叶后，进入转轮前，以及在转轮区域内，两种机型的水流流动方向有着明显的不同。
这种流动方向的改变，在混流式水轮机中是在转轮叶片流道中完成的。
而在轴流式水轮机中，则在转轮叶片流道前基本完成的。
因此，混流式水轮机转轮中水流流线是曲线，而在轴流式转轮中的轴面流线则近似为与轴线平行的直线。
由这些流线绕轴旋转构成的回转面称流面。
混流式转轮中的水流流面呈花篮形，轴流式则近似为圆柱表面。
图3-4中表示出混流式与轴流式中水流运动的比较。
在转轮流道中，从上冠到下环的范围内有无限多的流面，水流质点就在这些流面上运动。
如果把某一流面展开，可以得到由一系列叶片组成的流道。
分析水流在转轮中的流道就是在这样的一些展开面上进行的。
图3-4 混流式与轴流式转轮中水流流动比较)(a 混流式；)(b 轴流式 三、水流运动的合成与分解水轮机中某一点的水流运动情况可用该点的速度三角形来描述。
速度三角形是流场中同一点的速度与分速度按平行四边形法则构成的向量三角形。
转轮进，出口处的速度三角形，是研究水轮机工作过程和进行转轮水力设计的工具。
轮转中的水流运动是一种复杂的运动。
一方面是水流相对于叶片流动，即相对流动，另一方面是水流随转轮运动，即圆周运动或牵连运动。
转轮中的水流动动可以看成这两种运动的合成。
根据这个特点可以用下列速度构成速度三角形。
绝对速度V ，即在静止地面上看到的水流速度。
相对速度W ，即随转轮运动时见到的水流速度。
圆周速度U ，即考察点随转轮转动时的线速度，其数值为：60DnU π=式中U ——圆周速度（m/s ）；D ——考察点所在圆周直径（m ）； n ——水轮机转速（r/min ）。
若用速度关系表示，则有： U W V ρρρ+= （3-7）构成的速度三角形如图3-5)(a图3-5 速度三角形在实际应用中为了分析的方便又常把绝对速度沿圆周速度方向和垂直于圆周速度的方向正交分解，可得到两个分速度：1．速度的圆周分速度u V ρ，即绝对速度按正交分解在圆周速度方向的分速度，称绝对速度圆周分速度。
2．轴面速度m V ρ，即绝对速度按正交分解在轴向平面上的分速度，因m V ρ在轴平面上，故m V ρ称为轴面速度。
若用速度关系表示，则有 m u V V V ρρϖ+= （3-8）构成的速度三角形如图3-5)(b在转轮的水力设计时，或当分析水流在转轮中的流动，常常要应用到这两个速度分量，图3-6表明了速度三角形中各速度的空间相互关系。
图3-6 各速度的空间关系 为了便于研究方便，又常将位于某点的水流绝对速度V ρ用它的三个坐标分量来表示，如图3-6所示 u m z u r V V V V V V ϖϖρρρρ+=++=（3-9）式中 V ρ——转轮内某一点水流绝对速度； r V ρ——该点绝对速度V ρ的径向分量； z V ρ——该点绝对速度V ρ的轴向分量； u V ρ——该点绝对速度V ρ的圆周分量； m V ρ——该点绝对速度V ρ的轴面分量。
四、转轮进、出口速度三角形水轮机通过转轮时，转轮获得能量的大小主要取决于水流流经转轮进，出口其运动状态的变化，而速度三角形实质上表征着水轮机的工作状态，因此有必要研究转轮的进出口速度三角形。
图3-7 混流式转轮进、出口速度三角形图3-7给出了混流式水轮机转轮的进出口速度三角形，对位于转进水边某一点的水流速度三角形，可以根据如下条件求出： 1．圆周速度i U 1ρ 601n D U i i π=（3-10） 式中 i U 1——进口边上计算点i 处的圆周速度（m/s ）；i D ——考察点所在圆周直径（m ）；n ——水轮机转速r/min 。
2．轴面速度i m V 1ρ ii m F Q V 11οη=（3-11） 式中Q ——水轮机过流量； οη——水轮机容积效率；i F 1——考察点i 处的过水断面面积。
为了求得通过考察点（如图3-8的i 点）的过水断面面积i F 1，可在轴面上作出通过该点与轴面水流线（E D C B A 、、、、等）垂直的线段ae ，并以ae 为母线的旋转面积就是i F 1，由古鲁金定理：ae g i L R F π21=（3-12）式中g R ——线段ae 的重心所在圆半径；ae L ——线段ae 的长度。
图3-8 轴面水流的过水断面在式（3-12）中，若考虑由于叶片厚度对水流的排挤，则实际轴面水流过水断面面积为：1111112212ϕππδπδaeggaegaeiiLRRZLRLZFF=⎪⎪⎭⎫⎝⎛-=-='（3-13）式中1δ——转轮叶片进水边厚度；1Z——转轮叶片数目；1ϕ——为gRZπδ2111-，转轮进口叶片排挤系数。
叶片占据过水断面越多，系数越小。
若不考虑叶片排挤，或假设叶片无限薄时，1ϕ=1。
3．绝对速度1V的方向，即11UVρρ与之间的夹角1α，对应用较高水头的低比转速混流式水轮机而言，转轮叶片进水边接近导叶出水边，转轮叶片进口的绝对水流角1α，可认为近似等于导叶出口水流角α'；对于中、高比转速，应用水头较低的混流式水轮机和轴流式水轮机，从导叶出口至转轮进口这一区域，可应用动量矩定理，证明其速度矩保持不变，则：221iiuuDVDV=式中uV——导叶出口处水流速度V的圆周分量；D——导叶出水边所在圆直径；iuV1——转轮叶片进水边计算点i处的水流绝对速度i V1的圆周分量；iD——转轮叶片进水边上计算点i所在圆直径。
另外，利用导叶出口速度三角形，如图3-9)(b可确定uVαπα'='=ctgbDQctgVVru图3-9 轴流式转轮的进、出口速度三角形因此1απ'==ctgbDQDDVViiuiu（3-14）式中Q——水轮机过流量；0b ——导叶高度；α'——导叶出口水流角。
根据上述三个条件即可作出转轮进口某点的速度三角形。
利用此速度三角形，可求得其它的一些速度量值，如等Λρρ11,W V 。
混流式转轮出口速度三角形也可根据下列三个条件作出：1．圆周速度i U 2ρ 602n D U i i '=π（3-15） 式中i D '——转轮叶片出水边某计算点所在圆直径。
