水轮机及讲解

水轮机的基础知识水轮机的一些基础知识要点：1. 工作原理：水轮机通过水流对其内部转轮叶片的作用力而转动，将水流的动能和势能（位能）转化为机械能。

2. 分类：根据转换水流能量方式的不同，水轮机主要分为两大类：冲击式水轮机：如水斗式、斜击式和双击式等，这类水轮机的特点是水流在进入转轮前已转变为高速射流，直接冲击转轮叶片以做功。

反击式水轮机：包括混流式、轴流式、斜流式和贯流式等，其特点是水流在通过转轮叶片时，压力和速度同时发生变化，水流充满整个转轮通道，在流动过程中持续作用于叶片上。

3. 主要部件：转轮（Runner）：是水轮机中直接接受水流能量并将其转化为旋转运动的关键部件。

导叶（Guide Vanes）：用于调节水流方向和速度，控制进入转轮的水流状态，从而影响水轮机的工作效率和稳定性。

压力管道或蜗壳（Spiral Case）：将上游水库中的水引入水轮机，并调整水流到合适的参数供转轮使用。

尾水管（Draft Tube）：作完功后的水流出转轮后，通过尾水管逐渐减压并将剩余能量转化为低速水流排出，减少能量损失。

4. 工作参数：工作水头（Head）：即水流从上游至下游的高度差，它代表了水流的位能大小。

流量（Discharge 或 Flow Rate）：单位时间内通过水轮机的水量，反映了水流的能量密度。

输出功率（Power Output）：由水头和流量共同决定，水头越高、流量越大，则水轮机输出的功率也越大。

5. 应用场合：水轮机广泛应用于水电站，根据不同的水头和流量条件选择不同类型的水轮机设计，以达到最优的能源转化效率。

6. 性能指标：效率（Efficiency）：衡量水轮机能量转化好坏的重要参数，通常指水轮机的有效功率与输入水流总能量之比。

稳定性（Stability）：反映水轮机在各种工况下运行的稳定程度。

7. 发展历史：水轮机的历史悠久，早在古代中国就有利用水轮驱动磨坊等器械的记载，现代水轮机则经过不断的科技创新，设计和制造技术日益成熟，效能不断提升。

水轮机概述水轮机概述（Hydraulic Turbine Overview）水轮机是把水流的能量转换为旋转机械能的动力机械，是利用水流做功的水力机械，根据转换水流能量方式的不同，水轮机分为冲击式水轮机（Impulse Turbine）和反击式水轮机（Reaction Turbine）两大类。

水轮机受水流作用而旋转的部件称为转轮（Runner）。

水轮机主要类别见图1。

图1--水轮机主要类别图一、冲击式水轮机（Impulse Turbine）冲击式水轮机的转轮受到喷射水流的冲击而旋转，工作过程中水流的压力不变，主要是动能的转换，在同一时刻内，水流只冲击着转轮的一部分，而不是全部。

图2是冲击式水轮机水流向示意图。

图2--冲击式水轮机水流向示意图冲击式水轮机按水流的流向可分为切击式（又称水斗式）、斜击式、双击式三类。

图3--水斗式、斜击式、双击式水轮机示意图（1）水斗式水轮机（Pelton Turbine），水流由喷嘴喷射出来沿着转轮圆周的切线方向冲击在斗叶上做功，图3（a）。

由美国人培尔顿于1889年提出，又称为培尔顿式水轮机。

适用水头范围40~2000m，尤其适用超高水头，国外最大单机出力目前已达40万kW，是冲击式水轮机中应用最广泛的一种水轮机。

图4--水斗式水轮机转轮图5--双喷管水斗式水轮机（2）斜击式水轮机（Turgo Turbine、 Inclined-jet Turbine），水流由喷嘴喷射出来沿着与转轮旋转平面成某一角度（约22.5°）进入叶片，图3（b）。

适用于高水头，中小型的水电站。

图6--斜击式水轮机转轮图7--斜击式水轮机转轮及主轴（图片来源于网络）（3）双击式水轮机（Banki Turbine、Cross-flow turbine），水流从喷嘴流出后，从转轮外周通过径向叶片进入转轮中心，进行第一次能量交换，再从转轮中心通过径向叶片流出转轮，完成第二次能量交换，图3（c）。

水轮机组结构讲课（一）1. 水轮机的工作参数水轮机的工作参数是表征水流通过水轮机时水流能量转换为转轮机械能过程中的一些特性数据。

水轮机的基本工作参数主要有水头H 、流量Q 、出力P 、效率η、转速n 。

水头H水轮机的水头（亦称工作水头）是指水轮机进口和出口截面处单位重量的水流能量差，单位为m 。

水轮机水头H 又称净水头，是水轮机做功的有效水头。

上游水库的水流经过进水口拦污栅、闸门和压力水管进入水轮机，水流通过水轮机做功后，由尾水管排至下游，在这一过程中，产生水头损失w h 。

上、下游水位差值称为水电站的毛水头或静水头g H ，它代表的是单位重量水体所具有的势能，其单位为m 。

因而，水轮机的工作水头又可表示为：w g h H H -= （1-2）式中g H——水电站毛水头，m ；w h ——水电站引水建筑物中的水力损失，m 。

毛水头与净水头区别在于：毛水头是坝体上下游水体的能量差，净水头是水轮机进口和出口水体的能量差。

毛水头静态的，净水头是动态的，当机组运行时，毛水头和净水头都是存在的；当机组停机时，水体不流动了，间断了，净水头就不存在了，可势能依然存在，毛水头就存在。

1．最大水头max H ，是允许水轮机运行的最大净水头。

它对水轮机结构的强度设计有决定性的影响。

2．最小水头min H ，是保证水轮机安全、稳定运行的最小净水头。

3．加权平均水头a H ，是在一定期间内（视水库调节性能而定），所有可能出现的水轮机水头的加权平均值，是水轮机在其附近运行时间最长的净水头。

4.设计水头r H ，是水轮机发出额定出力时所需要的净水头，这个值是在电站设计时根据水库和水文资料等确定的一个值。

水轮机的水头，表明水轮机利用水流单位机械能的多少，是水轮机最重要的基本工作参数，其大小直接影响着水电站的开发方式、机组类型以及电站的经济效益等技术经济指标。

流量Q水轮机的流量是单位时间内通过水轮机某一既定过流断面的水流体积，常用符号Q 表示，常用的单位为m 3/s 。

水轮机的主要类型及适用水头水轮机是将水能转换成旋转机械能的一种水力原动机。

根据转轮转换水流能量方式的不同，水轮机分成两大类：反击式水轮机和冲击式水轮机。

反击式水轮机包括混流式、轴流式、斜流式和贯流式水轮机；冲击式水轮机分为水斗式、斜击式和双击式水轮机。

一、反击式水轮机反击式水轮机转轮区内的水流在通过转轮叶片流道时，始终是连续充满整个转轮的有压流动，并在转轮空间曲面型叶片的约束下，连续不断地改变流速的大小和方向，从而对转轮叶片产生一个反作用力，驱动转轮旋转。

当水流通过水轮机后，其动能和势能大部分被转换成转轮的旋转机械能。

1.混流式水轮机如图1-4所示，水流从四周沿径向进入转轮，然后近似以轴向流出转轮。

混流式水轮机应用水头范围较广，约为20～700m，结构简单，运行稳定且效率高，是应用最广泛的一种水轮机。

图1-4 混流式水轮机1—主轴；2—叶片；3—导叶2．轴流式水轮机如图1-5所示，水流在导叶与转轮之间由径向流动转变为轴向流动，而在转轮区内水流保持轴向流动，轴流式水轮机的应用水头约为3～80m。

轴流式水轮机在中低水头、大流量水电站中得到了广泛应用。

根据其转轮叶片在运行中能否转动，又可分为轴流定桨式和轴流转桨式水轮机两种。

轴流定桨式水轮机的转轮叶片是固定不动的，因而结构简单、造价较低，但它在偏离设计工况运行时效率会急剧下降，因此，这种水轮机一般用于水头较低、出力较小以及水头变化幅度较小的水电站。

轴流转桨式水轮机的转轮叶片可以根据运行工况的改变而转动，从而扩大了高效率区的范围，提高了运行的稳定性。

但是，这种水轮机需要有一个操作叶片转动的机构，因而结构较复杂，造价较高，一般用于水头、出力均有较大变化幅度的大中型水电站。

图1-5 轴流式水轮机1—导叶；2—叶片；3—轮毂3．斜流式水轮机如图1-6所示，水流在转轮区内沿着与主轴成某一角度的方向流动。

斜流式水轮机的转轮叶片大多做成可转动的形式。

因此，斜流式水轮机具有较宽的高效率区，适用水头在轴流式与混流式水轮机之间，约为40～200m。

水轮机基础知识水轮机是把水流的能量转换为旋转机械能的动力机械，它属于流体机械中的透平机械。

早在公元前100年前后，中国就出现了水轮机的雏形——水轮，用于提灌和驱动粮食加工器械。

现代水轮机则大多数安装在水电站内，用来驱动发电机发电。

在水电站中，上游水库中的水经引水管引向水轮机，推动水轮机转轮旋转，带动发电机发电。

作完功的水则通过尾水管道排向下游。

水头越高、流量越大，水轮机的输出功率也就越大。

水轮机按工作原理可分为冲击式水轮机和反击式水轮机两大类。

冲击式水轮机的转轮受到水流的冲击而旋转，工作过程中水流的压力不变，主要是动能的转换；反击式水轮机的转轮在水中受到水流的反作用力而旋转，工作过程中水流的压力能和动能均有改变，但主要是压力能的转换。

冲击式水轮机按水流的流向可分为切击式(又称水斗式)和斜击式两类。

斜击式水轮机的结构与水斗式水轮机基本相同，只是射流方向有一个倾角，只用于小型机组。

早期的冲击式水轮机的水流在冲击叶片时，动能损失很大，效率不高。

1889年，美国工程师佩尔顿发明了水斗式水轮机，它有流线型的收缩喷嘴，能把水流能量高效率地转变为高速射流的动能。

理论分析证明，当水斗节圆处的圆周速度约为射流速度的一半时，效率最高。

这种水轮机在负荷发生变化时，转轮的进水速度方向不变，加之这类水轮机都用于高水头电站，水头变化相对较小，速度变化不大，因而效率受负荷变化的影响较小，效率曲线比较平缓，最高效率超过91％。

20世纪80年代初，世界上单机功率最大的水斗式水轮机装于挪威的悉•西马电站，其单机容量为315兆瓦，水头885米，转速为300转／分，于1980年投入运行。

水头最高的水斗式水轮机装于奥地利的赖瑟克山电站，其单机功率为22.8兆瓦，转速750转/分，水头达1763.5米，1959年投入运行。

反击式水轮机可分为混流式、轴流式、斜流式和贯流式。

在混流式水轮机中，水流径向进入导水机构，轴向流出转轮；在轴流式水轮机中，水流径向进入导叶，轴向进入和流出转轮；在斜流式水轮机中，水流径向进入导叶而以倾斜于主轴某一角度的方向流进转轮，或以倾斜于主轴的方向流进导叶和转轮；在贯流式水轮机中，水流沿轴向流进导叶和转轮。

水轮机概论及工作原理水轮机是一种将水的能量转化为机械能的装置，广泛应用于水力发电和工业生产中。

水轮机的工作原理基于流体静力学原理和动力学原理，通过水流的压力和流速来驱动轮盘的转动。

水轮机的主要组成部分包括定子、转子和导水管道。

定子是需要安装在导水管道上的一种装置，用于引导水流并控制水流的压力和方向。

转子是水轮机的核心部分，由轮盘和转轴组成。

轮盘上面通常有多个叶片，可以根据水流的压力和流速来转动。

转轴将转动的动能传输给发电机或其他机械装置。

根据水轮机叶片的形状和布局方式，可以将水轮机分为多种类型，其中最常见的是水轮机和斜流水轮机。

水轮机：水轮机采用径流式布置，叶片通过水流的冲击和冲击力矩来转动轮盘。

流入水轮机的水流方向垂直于轮盘的转动轴线，水流经过叶片后冲击轮盘的另一侧。

水轮机适用于大流量、低水头的水力资源，如河流和瀑布。

斜流水轮机：斜流水轮机采用斜流式布置，水流的方向与轮盘的转动轴线呈45度角。

水流沿着叶片倾斜的方向经过水轮机，通过叶片的转动转变为轮盘的旋转动能。

斜流水轮机适用于中等流量、中等水头的水力资源，如河流和水库。

水轮机的工作过程可以概括为以下几个步骤：1.水流的引导：水轮机的定子通过导水管道将水流导向叶片区域。

定子具有特定的形状和角度，能够使水流以一定的速度和方向进入叶片。

2.水流的转向：水进入叶片区域后，受到叶片的作用发生方向的变化。

叶片的形状和布局可以改变水流的流向，并且通过冲击叶片产生冲击力矩来推动轮盘的转动。

3.转动轮盘：当水流对叶片施加冲击力矩时，叶片就会开始转动轮盘。

转动轮盘的速度取决于水流的流速和压力，以及叶片的形状和数量。

4.能量转移：转动轮盘的动能可以进一步转移到发电机或其他机械装置。

发电机将机械能转化为电能，用于供电；或者机械装置可以利用转动的动力进行生产。

总体上，水轮机利用水的能量来推动转子旋转，将水流的动能转化为机械能。

水轮机具有高效、可持续的特点，在水力资源丰富的地区广泛应用，为社会经济的发展提供了重要的能源支持。

水轮机的主要类型及适用水头水轮机是将水能转换成旋转机械能的一种水力原动机。

根据转轮转换水流能量方式的不同，水轮机分成两大类：反击式水轮机和冲击式水轮机。

反击式水轮机包括混流式、轴流式、斜流式和贯流式水轮机；冲击式水轮机分为水斗式、斜击式和双击式水轮机。

一、反击式水轮机反击式水轮机转轮区内的水流在通过转轮叶片流道时，始终是连续充满整个转轮的有压流动，并在转轮空间曲面型叶片的约束下，连续不断地改变流速的大小和方向，从而对转轮叶片产生一个反作用力，驱动转轮旋转。

当水流通过水轮机后，其动能和势能大部分被转换成转轮的旋转机械能。

1.混流式水轮机如图1-4所示，水流从四周沿径向进入转轮，然后近似以轴向流出转轮。

混流式水轮机应用水头范围较广，约为20～700m，结构简单，运行稳定且效率高，是应用最广泛的一种水轮机。

图1-4 混流式水轮机1—主轴；2—叶片；3—导叶2．轴流式水轮机如图1-5所示，水流在导叶与转轮之间由径向流动转变为轴向流动，而在转轮区内水流保持轴向流动，轴流式水轮机的应用水头约为3～80m。

轴流式水轮机在中低水头、大流量水电站中得到了广泛应用。

根据其转轮叶片在运行中能否转动，又可分为轴流定桨式和轴流转桨式水轮机两种。

轴流定桨式水轮机的转轮叶片是固定不动的，因而结构简单、造价较低，但它在偏离设计工况运行时效率会急剧下降，因此，这种水轮机一般用于水头较低、出力较小以及水头变化幅度较小的水电站。

轴流转桨式水轮机的转轮叶片可以根据运行工况的改变而转动，从而扩大了高效率区的范围，提高了运行的稳定性。

但是，这种水轮机需要有一个操作叶片转动的机构，因而结构较复杂，造价较高，一般用于水头、出力均有较大变化幅度的大中型水电站。

图1-5 轴流式水轮机1—导叶；2—叶片；3—轮毂3．斜流式水轮机如图1-6所示，水流在转轮区内沿着与主轴成某一角度的方向流动。

斜流式水轮机的转轮叶片大多做成可转动的形式。

因此，斜流式水轮机具有较宽的高效率区，适用水头在轴流式与混流式水轮机之间，约为40～200m。

水轮机讲义1、水轮机概述1.1水轮机的工作参数水轮机的主要工作参数有：水头H、流量Q、出力N、效率η和转速n 水轮机的工作水头H是指水轮机进口断面（即蜗壳进口断面）与出口断面（即尾水管出口断面）之间单位重量水流能量的差值。

（单位是米）水轮机流量是指单位时间内通过水轮机的水流总量（体积），单位是m³/s 水轮机转速是指单位时间内旋转的次数，单位是r/min水轮机的出力是指单位时间内水轮机轴端输出的功率，通常单位是kW 水流输入给水轮机的出力为：Nsr=ρgQH （W）=9.81QH （kW）水轮机效率是水轮机出力与水流出力Nsr之比，即：η=N/Nsrη始终为小于1的系数，由上可知，水轮机出力可表示为：N=9.81QHη (kW)1.2水轮机的基本类型和应用范围1.2.1基本类型根据水轮机转轮所转换能量的特征可分为反击式和冲击式水轮机两大类。

⑴反击式水轮机主要是利用水流的压能（在叶片前后形成压力差）和小部分动能进行工作的。

转轮在工作过程中全部浸在压力水流之中，水流流经转轮叶片时由于受叶片的作用使流速大小和方向发生改变，因而对转轮产生了作用力，使转轮旋转作功。

反击式水轮机按其水流流经转轮的方向不同又可分为混流式（HL）、轴流式（ZL）、斜流式（XL）和贯流式（GL）水轮机。

其中轴流式及贯流式又均可分为定桨式和转桨式，即轴流转桨式（ZZ）、轴流定桨式（ZD）、贯流转桨式（GZ）、贯流定桨式（GD）。

⑵冲击式水轮机是利用水流的动能进行能够工作的，工作时，转轮内只有部分充水，水流流经转轮叶片过程中压力保持不变等于大气压力。

水流具有与空气接触的自由表面。

冲击式水轮机根据水流射向转轮的方向分为切击式（又称水斗式）（QJ）、斜击式（XJ）、双击式（SJ）三种类型。

1.2.2各种类型水轮机的特点及应用范围(重点介绍混流式、轴流式、切击式)⑴混流式水轮机混流式水轮机其水流流经叶片时，水流径向进入转轮，经旋转改变方向，然后转为轴向流出，故称为混流式或辐向轴流式水轮机。

第一节 水轮机概述一、 水轮机工作参数1、水轮机工作水头（1）水轮机槪念：水流付出的能量转换成旋转机械能的机器。

（2）水轮机工作水头：水轮机进口断面与出口断面水流单 位能量之差。

公式H=Hst -Δh 即：水轮机工作水头等于水电站净水头。

Hst ---水电站毛水头，等于上下游水位差Δh----水头损失，引水管的沿程水力与局部水力损失（3）设计水头：水轮机发额定出力是的最小水头。

发电机水轮机ⅠⅠγZ IⅡ∏ⅡⅡα1v 122g2、水轮机的功率和效率（1）水轮机的功率：单位时间内，水流对水轮机所做的功。

用N表示。

公式：N=9.81QHη其中：Q为水轮机流量η为水轮机效率，现在的水轮机效率可达90%以上，而模型效率可达95%。

（2）水轮机效率：水轮机把水轮机出力与水流出力之比，主要有三方面的效率损失：①容积效率：即一部分水量没有流经转轮做功，损失了。

如：主轴漏水，下迷宫环漏水等。

用ηq表示。

②水流效率：转轮在旋转过程中，克服水的阻力所损失的功率，用ηd表示。

③机械效率：克服主轴与轴承之间的摩擦阻力所消耗的功率，用ηm表示。

则：水轮机的效率为η=ηq×ηd×ηm3、流量单位时间内流过转轮的水量，以Q表示，单位m³／s。

两种说法：①水轮机发额定出力时的最大流量②在设计´水头下，水轮机发额定出力时的流量。

4、水轮机的转速（1）定义：单位时间内水轮机旋转次数，以n表示。

n10´Hav公式n=──────D1其中：n10´为最优单元转速Hav为加权平均水头，在某些情况下可取设计水头。

（2）水轮机额定转速按（1）式计算结果，取相近发电机同步转速为水´轮机额定转速，可大于计算结果。

同步转速按n=f×60／P计算。

其中f=50HZ，P为磁极对数。

（3）飞逸转速：水轮机发额定出力时，突然跳闸，而调速器又失灵，不能关／闭导水机构，以致转速快速上升，并达到某一最高值后稳定，这个空转的最高转速就是水轮机的飞逸转速。