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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）。
【引用】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，达到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；若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，若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：反击式冲击式反击式：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。
水轮泵原理简述什么是水轮泵水轮泵是利用水能进行能量转换的机械设备。
具体来说，水轮泵将水流动的动能转换成了机械能，从而实现水的输送。
水轮泵广泛应用于水利、农业、市政等领域。
水轮泵原理水轮泵的原理主要是通过叶轮、静叶环和导水管等组件来实现水流动的动能转换成机械能。
具体来说，水经过导水管进入叶轮的叶片，叶片会将流动的水转化为旋转的能量，然后静叶环将这种旋转能量转化成了水的动能，再将水推向流出口，从而实现水的输送。
水轮泵的结构水轮泵的结构相对简单，主要由导水管、叶轮和静叶环等组成。
其中，导水管是将流动的水引导到叶轮的组件，叶轮是将水的动能转化为叶片旋转能量的组件，静叶环则主要负责将叶轮旋转能量转化成水的动能的组件。
除此之外，水轮泵还有进水口、流出口和支架等结构。
水轮泵的分类根据水轮泵的运动方式和结构形式，可以将其分为多种类型。
最常见的水轮泵类型有：1.涡轮式水轮泵：主要特点是叶轮和静叶环的叶片数目相等，并且叶轮与静叶环几乎是呈平行关系的。
2.离心式水轮泵：主要特点是叶轮和静叶环叶片数目不相等，并且叶轮与静叶环之间的夹角较大。
3.螺旋泵：其主要特点是叶轮和静叶环之间夹角较小，呈螺旋状排布。
4.切割式水轮泵：其主要特点是进水口对着叶轮叶片的一端，叶轮和静叶环的叶片呈倒绒毛状排布。
以上是常见的水轮泵类型，不同类型的水轮泵在应用于不同的场合时，都要根据具体情况来选择。
水轮泵的应用水轮泵的应用非常广泛，主要应用于以下几个领域：1.水利工程：水轮泵可以用来灌溉、排水和输水等，可应用于农田、园林、公园等地。
2.制浆工业：水轮泵可以用来输送浆料，可应用于造纸和造纸原料等。
3.市政工程：水轮泵可以用于清洁污水或输送淤泥等。
如今，水轮泵已经成为现代生产生活中不可或缺的能源转换设备。
总结水轮泵是一种利用水能转换能量的机械设备，其原理主要是通过叶轮、静叶环和导水管等组件来将水流动的动能转化为机械能。
水轮泵具有结构简单、应用广泛等特点，是现代生产生活中不可或缺的能源转换设备之一。
情景1 水轮机概论1.1 水轮机基本参数水轮机是把水流能量转换成旋转机械能的水力机械，是水电厂最主要的动力设备。
水轮机主轴带动发电机轴旋转，利用发电机将机械能转换成电能。
水轮机一般装在水电站的厂房内，如图1-1所示，当水流经引水道进入水轮机，由于水流和水轮机的相互作用，水流的能量便传给了水轮机，水轮机获得能量后开始旋转而做功。
因为水轮机轴和发电机轴相连，水轮机便把它获得的能量传给了发电机，并驱动带有磁场的发电机转子转动而形成旋转磁场，发电机定子绕组切割磁力线而感应出电动势，带上外负荷后便输出了电流。
当水流通过水轮机时，水能即转变成机械能，这一工作过程的特性可用水轮机基 本参数来表征。
其基本参数有：水头H 、流量Q 、功率P 、效率η和转速n 等。
1.1.1 水轮机水头H1．净水头H净水头是水轮机进口与出口测量断面的总水头差，即水轮机做功用的有效水头，用符号H 表示，单位为m 。
图1-2为反击式水电站水轮机装置示意图。
对于反击式水轮机，进口断面取在蜗壳进口处Ⅰ-Ⅰ断面，出口断面取在尾水管出口Ⅱ-Ⅱ断面，则净水头为⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛++-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛++=I I g g p Z g g p Z H II II II II I I 2222υαρυαρ （1-1） 式中：Z I 、Z II 分别为断面Ⅰ-Ⅰ和Ⅱ-Ⅱ处相对于某基准的位置高度，m ；I p 、II p 分别为断面Ⅰ-Ⅰ和Ⅱ-Ⅱ处的流体压强，Pa ； I υ、II υ分别为Ⅰ-Ⅰ和Ⅱ-Ⅱ处过流断面的平图1-1 拦河坝式水电站坝后式厂房1-水轮机；2-发电机；3-尾水管；4-桥机；5-引水道均流速，m/s ；I α、II α分别为Ⅰ-Ⅰ和Ⅱ-Ⅱ处的过流断面速度分布不均匀系数；ρ为水的密度，kg/m 3；g 为重力加速度。
净水头H 又可表示为：1-∆-=A g h H H （1-2）式中：H g 为水电站水头（毛水头）；1-∆A h 为水电站引水建筑物中的水力损失。
毛水头是水电站上、下游水位的高程差，用符号g H 表示，单位为m 。
2．额定水头H r额定水头是水轮机在额定转速下，输出额定功率时的最小净水头，单位为m 。
3．设计水头H d 设计水头是水轮机在最高效率点运行时的净水头，单位为m 。
4．最大（最小）水头H max （H min ）最大（最小）水头是在运行范围内，水轮机水头的最大（最小）值，单位为m 。
5．加权平均水头H w加权平均水头是在电站运行范围内，考虑负荷和工作历时的水轮机水头的加权平均值，单位为m 。
图1-2 立轴反击式水轮机的工作水头对于冲击式水轮机，以图1-3卧轴水斗式水轮机为例，净水头H 则为喷嘴进口断面与射流中心线（两者距离为a ）跟转轮节圆相切处单位质量水流机械能之差，即II I I Z g g p a Z H -⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+++=I I 22υαρ （1-3） 1.1.2 水轮机流量Q水轮机流量是单位时间内通过水轮机进口测量断面的水的体积，用符号Q 表示，单位为m 3/s 。
即υF Q = （m 3/s ） （1-4） 式中：F 为水轮机过水断面面积，m 2；υ为过水断面平均流速，m/s 。
1．额定流量Q r额定流量是水轮机在额定水头、额定转速下，输出额定功率时的流量，单位为m 3/s 。
2．水轮机空载流量Q o水轮机空载流量是水轮机在额定水头和额定转速下，输出功率为零时的流量，单位为m 3/s 。
1.1.3 水轮机功率P1． 水轮机输入功率P in水轮机输入功率是水轮机进口水流所具有的水力功率，单位为kW 或MW 。
QH gQH P in 81.9==ρ (kW) （1-5）2． 水轮机输出功率P out水轮机输出功率是水轮机主轴输出的机械功率，单位为kW 或MW 。
由于水流在通过水轮机时会产生一部分损耗，包括容积损失、水力损失和机械损失，因此水轮机的出力P in 要小于水轮机的输入功率P out ，两者关系为图1-3 卧轴水斗式水轮机水头ηηQH P P in out 81.9== (kW) （1-6）式中：η为水轮机效率，一个小于1的系数。
3． 额定输出功率P r额定输出功率是在额定水头和额定转速下水轮机能连续发出的功率，单位为kW 或 MW 。
1.1.4 水轮机效率η效率是水轮机输出功率与其输入功率的比值。
它表示水流能量的有效利用程度，即inout P P =η （1-7） 水轮机的效率与设计、制造工艺及运行工况有关。
对于某水轮机而言，在最优运行工况时水轮机效率最高，水轮机各效率中的最大值即最优效率。
目前水轮机效率最高可达93%~96%。
1.1.5 水轮机转速n水轮机转速是指水轮机转轮单位时间内旋转的圈数，用符号n 表示，单位为r/min 。
额定转速n r 是水轮发电机组按电站设计选定的稳态同步转速。
水轮机的旋转方向是从发电机轴端看到的转轮的旋转方向。
贯流式水轮机则从上游向下游方向看。
水泵水轮机的旋转方向取水轮机工况的旋转方向。
1.2 水轮机的类型及应用1.2.1 水轮机基本类型水轮机属于水力机械中的一种，即水力原动机。
不同的水头和流量，所适用的水轮机型式与种类也不一样。
现代水轮机按水能利用的特征分为两大类，即反击式水轮机和冲击式水轮机，见表1-1。
1. 反击式水轮机转轮利用水流的压力能和动能做功的水轮机是反击式水轮机。
在反击式水轮机流道中，水流是有压的，水流充满水轮机的整个流道，从转轮进口至出口，水流压力逐渐降低。
水流通过与叶片的相互作用使转轮转动，从而把水流能量传递给转轮。
为减少水流与叶片相互作用时的能量损失，反击式水轮机的叶片断面多是空气动力翼型形状。
反击式水轮机根据其适应的水头和流量的不同，又分为混流式、轴流式、斜流式和贯流式四种型式。
2. 冲击式水轮机转轮只利用水流动能做功的水轮机是冲击式水轮机。
冲击式水轮机的明显特征是：水流在进入转轮区域之前，先经过喷嘴形成自由射流，将压能转变为动能，自由射流以动能形式冲动转轮旋转，故称为冲击式。
在冲击式水轮机流道中，水流沿流道流动过程中保持压力不变（等于大气压力），水流有与空气接触的自由表面，转轮只是部分进水，因此水流是不充满整个流道的。
为适应于利用水流动能做功的需要，冲击式转轮叶片一般呈斗叶状。
按射流冲击转轮叶片的方向不同可分为水斗式（切击式）、斜击式和双击式。
表1-1 水轮机型式及适用范围表1.2.2 各类型水轮机特点及应用范围1. 混流式水轮机（图1-4）混流式水轮机是指轴面水流径向流入、轴向流出转轮的反击式水轮机，又称法兰西斯式水轮机或辐向轴流式水轮。
最早发明这种水轮机的是1847年在美国工作的英国工程师法兰西斯。
混流式水轮机为固定叶片式水轮机，混流式转轮由上冠、叶片、下环连成一个整体。
因此，结构简单，具有较高的强度，运行可靠，效率高，应用水头范围广，一般用于中高水头水电站，大、中型混流式水轮机应用水头范围为30~450m。
可逆混流式水轮机（转轮为主动时可当水泵用）应用水头高达700m。
中、小型混流式水轮机的适用水头范围为25~300m。
2. 轴流式水轮机（图1-5）轴流式水轮机是指轴面水流轴向进、出转轮的反击式水轮机。
其转轮形似螺旋桨，水流在转轮区域是轴向流进轴向流出的。
根据叶片在运行中能否相对转轮体自动调节角度，又分为轴流转桨式、轴流调桨式和轴流定桨式。
（1）轴流转桨式水轮机。
轴流转桨式水轮机是指转轮叶片可与导叶协联调节的轴流式水轮机，又称卡普兰式水轮机。
其转轮叶片可以根据运行条件调整到不同角度，转轮叶片角度在不同水头下与导水叶开度都保持着相应的协联关系，实现了导水叶与转轮叶片双重调节，扩大了高效率区的范围，使水轮机有较好的运行稳定性。
但它需要一套转动叶片的操作机构，因此，结构较复杂，造价高。
轴流转桨式水轮机主要用于大中型水电站，应用水头范围在3~80m之间。
（2）轴流调桨式水轮机。
轴流调桨式水轮机是指仅转轮叶片可调节的轴流式水轮机，又称托马式水轮机。
（3）轴流定桨式水轮机。
轴流定桨式水轮机是指转轮叶片不可调的（或停机可调的）轴流式水轮机。
其转轮叶片相对转轮体是固定不动的，其出力仅仅依靠导水叶来调节，结构简单，造价低，但在偏离最优工况时效率会急剧下降。
因此，一般用于功率及水头变幅较小的小型水电站，应用水头通常为3~50m。
图1-4 混流式水轮机图1-5 轴流式水轮机3. 斜流式水轮机（图1-6）斜流式水轮机是指轴面水流以倾斜于主轴的方向进、出转轮的反击式水轮机。
其转轮在结构与性能方面介于轴流式与混流式之间。
斜流式转轮也可分为转桨式和定桨式，一般是转桨式。
与轴流转桨式类似，斜流转桨式水轮机的转轮叶片在运行中一般也可以改变角度，从而实现双重调节，但结构复杂，制造难度大。
斜流式水轮机有较宽的高效率区，常用于抽水蓄能式水电站，作为水泵水轮机使用。
这种水轮机的应用水头为40~120m。
4. 贯流式水轮机（图1-7）贯流式水轮机是指过流通道呈直线（或S形）布置的轴流式水轮机。
贯流式水轮机为卧轴布置，进水管、转轮室与尾水管为同一中心线，水流在整个水轮机流道中“直贯”而过，故称为贯流式。
这种水轮机水力损失小，过流能力大，适用于水头为2~20m的低水头水电站。
贯流式水轮机的转轮与轴流式水轮机相同，只是流道形式有区别。
贯流式转轮也可分为贯流转桨式、贯流调桨式和贯流定桨式。
此外，根据流道布置形式的不同，又分为全贯流式与半贯流式。
贯流式水轮机转轮可设计成双向流动方式在潮汐电站中使用。
图1-6 斜流式水轮机1-7 贯流式水轮机5. 水斗式水轮机（图1-8）水斗式水轮机是指转轮叶片呈斗形，且射流中心线与转轮节圆相切的冲击式水轮机，又称贝尔顿水轮机，或称切击式水轮机。
它靠从喷嘴出来的射流沿转轮切线方向冲击转轮而做功，因此称为切击式。
这种水轮机的叶片如勺状水斗，均匀排列在转轮的轮辐外周，故此又称为水斗式。
水斗式水轮机适用于高水头小流量的水电站。
小型水斗式水轮机的应用水头为40~250m，大型水斗式水轮机用于200~450m水头的电站，目前最高应用水头达1772 m。
图1-8 水斗式水轮机1-水斗；2、4-转轮；3-机壳；5-喷嘴；6-针阀；7-调速手轮；8-压力水管；9-尾水渠6. 斜击式水轮机（图1-9）斜击式水轮机是指转轮叶片呈碗形，且射流中心线与转轮转动平面呈斜射角度的冲击式水轮机。
它靠从喷嘴出来的射流以一定角度（一般约22.5º）斜向冲击转轮叶片做功。
它的结构简单，造价低，一般用于中小型水电站中，适用水头25~300m。
7. 双击式水轮机（图1-10）双击式水轮机是指转轮叶片呈圆柱形布置，水流穿过转轮两次作用到转轮叶片上的冲击式水轮机。
其特点是喷嘴出来的射流首先从转轮的外周进入部分叶片流道，并将约80％的水流能量传递给转轮，然后，这部分水流再从转轮内部二次进入另一部分叶片流道，将剩余的能量传递给转轮。
