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2 水轮机水流能量 机械能 电能水 水轮机+力水 泵+电动机 水泵抽水机组。
功能：输水机械 水 泵+水轮机是将水能转变为旋转机械能，从而带动发电机发出电能的一种机械，是水电站动力设备之一。
研究的目的是充分利用水能资源，为厂房布置设计作准备。
2.1 水轮机类型、水轮机基本构造2.1.1水轮机的工作参数(working parameters)一、基本概念水流经引水道进入水轮机，由于水流和水轮机的相互作用，水流便把自己的能量传给了水轮机，水轮机获得能量后开始旋转作功。
水流流经水轮机时，水流能量发生改变的过程——水轮机的工作过程。
反映水轮机工作状况特性值的一些参数，称水轮机的基本参数。
由水能出力公式: N=9.81QHη 可知，其基本参数包括：工作水头H、流量Q、出力N、效率η，此外还有工作力矩M、机组转速n。
二、工作水头(workinghead)如图所示，A—A为引水道进口，B—B为水轮机进口，C—C为尾水管出口，D—D为尾水渠。
根据能量方程可以推导出：1、 水电站的毛水头(nominal productive head)H m=E A-E C=Z A+H A=Z上—Z下2 、水轮机的工作水头(working head)H G=E B - E D=H M - h A-B毛水头 - 水头损失=净水头(即水轮机的工作水头)3 、特征水头(characteristic head)水轮机的工作水头随上下游水位而变化，因此提出特征水头的概念，用于表示水轮机 的运行工况和运行范围。
特征水头一般由水能规划计算确定。
最大工作水头：H max =Z 正—Z 下min —h A-BZ 正为上游正常设计水位，Z 下min 为下游最低水位，一般取一台机组发电时下游水位。
最小工作水头 :H min =Z 死—Z 下max —h A-BZ 死为上游死水位，Z 下max 为下游最高水位，一般取全部机组发电时的下游水位或汛期下泄安全泄量时的水位。
全国水轮机标准一、水轮机分类与型号水轮机按照工作原理可分为冲击式水轮机和反击式水轮机两大类。
冲击式水轮机根据喷嘴数量和布置方式又分为单喷嘴、双喷嘴和多喷嘴几种，反击式水轮机则根据转轮叶片形状和布置方式分为轴流式、混流式、斜流式和贯流式四种。
型号是水轮机在标准额定工况下的性能参数和尺寸规格的简称，由机组的额定转速、额定流量、额定功率、吸出高度等参数组合而成。
如冲击式水轮机的型号是“HLI36-L21/1000”，其中H表示水轮机，L表示立式，I表示单喷嘴，36表示设计序号，L2表示转轮叶片进口位置相对于下止水面高度为2米，1000表示额定转速为1000转/分钟。
反击式水轮机型号是“HL123-L7.7/2250”，其中H表示水轮机，L表示立式，123表示设计序号，L7.7表示转轮叶片进口位置相对于下止水面高度为7.7米，2250表示额定转速为2250转/分钟。
二、水轮机设计规范设计规范是进行水轮机设计的准则和基础，包括水轮机的结构形式选择、过流通道设计、转轮叶片设计、导水机构设计、接力器设计、调速器设计等方面。
在设计中应充分考虑设备的适用性、高效性、可靠性和经济性，以满足不同工况下的性能要求。
三、水轮机材料标准水轮机材料应具有足够的强度、耐腐蚀性和耐磨性，以保证在运行过程中不发生断裂、变形和磨损等现象。
常用的材料包括铸钢、铸铁、合金钢、不锈钢等。
对于不同材料的使用范围和使用条件应严格执行相应的标准规范。
四、水轮机制造与装配标准制造与装配标准是保证水轮机产品质量的关键环节，包括制造工艺流程、装配工艺流程、质量检验等方面的规定。
在制造过程中应严格控制材料的质量和加工精度，保证转轮叶片与导叶的配合精度以及各部件之间的连接牢固可靠。
在装配过程中应按照规定的顺序和步骤进行组装，确保设备的正确性和可靠性。
五、水轮机性能试验与评价方法性能试验与评价是对水轮机性能的全面检测和评估，包括效率试验、空化试验、动平衡试验等方面。
水轮机知识1．什么是水力机械？分为几类？在液体的水和固体机械之间进行机械能转换的机器称为水力机械。
水力机械可分为水力原动机、水力工作机、可逆式水力机械、液力传动装置和水力推进器等五类。
前两类是基本的，而后三类是派生的。
2．水轮机有哪些工作参数？水轮机的基本工作参数有水头、流量、转速、出力和效率。
水轮机水头是指水轮机进口断面与其出口断面的单位重量水流能量的差值，用H表示，单位为m。
水轮机流量是指单位时间内通过水轮机过水断面的水流体积。
水轮机转速是指水轮机主轴每分钟旋转的次数。
水轮机出力是指水轮机轴端输出的功率。
水轮机效率是指水轮机出力与水流出力之比。
3. 水轮机有哪几种类型？水轮机可分为反击式和冲击式两大类。
反击式水轮机包括混流式水轮机(HL)、轴流定桨式水轮机(ZD)、轴流转桨式水轮机(ZZ)、斜流式水轮机(XL)、贯流定奖式本轮机(GD)和贯流转桨式水轮机(GZ)六种型式。
冲击式水轮机包括水斗式(切击式)水轮机(CJ)、斜击式水轮机(XJ)和双击式水轮机(SJ)三种形式。
4．什么是反击式水轮机和冲击式水轮机？将水流的位能、压能和动能转换成固体机械能的水轮机称为反击式水轮机。
将水流的动能转换成固体机械能的水轮机称为冲击式水轮机。
5．混流式水轮机的特点及适用范围？混流式水轮机又称法兰斯式水轮机，水流由径向进入转轮，大体沿轴向流出。
混流式水轮机应用水头范围较大，结构简单，运行可靠，效率高。
是现代应用最广泛的水轮机之一。
水头适用范围50～700m。
6．轮流式水轮机的特点及适用范围？轴流式水轮机，转轮区域内水流沿轴向流动，水流在导叶与转轮间由径向转为轴向。
定桨式结构简单,但它在偏离设计工况时效率会急剧下降,适用于功率不大及水头变化幅度较小的电站,一般水头范围3～50m。
转桨式结构较复杂，它通过桨叶的转动与导叶的转动相互配合，实现导叶与桨叶的双重调节，扩大了高效区的出力范围，有较好的运行稳定性。
目前，应用水头范围从几米直到50～70m。
机组运行参数
1水轮发电机组技术参数
1.1水轮机技术参数
1.2发电机技术参数
1.2.2水轮发电机各部温度整定
1推力轴承双螺杆泵及高压减载装置基本参数
3发电机中性点接地变参数
2调速器系统主要技术参数
2.1调速柜设备主要参数：
2.2调速器技术参数
4主变技术参数
1.1.主变技术参数
1.1.1.主变主要技术参数
1.1.
2.冷却条件变化时负载特性表
1.1.3.主变分接开关技术参数。
1.1.4.主变冷却器主要技术参数
1.2.18kV 干式变主要技术参数1.2.1.18kV 干式变额定值
5.1快速闸门
5.2 快速闸门液压系统见表1－2
6压缩空气系统主要技术参数
7技术供水减压阀
7.2泄压安全阀
7.3滤水器主要参数
8、10kV 干式变参数
1.2.3.10kV 干式变额定值
1.2.4.干式变压器过负荷能力。
1.2.5.干式变线圈温度与风机运行状态关系表
1.2.6.照明变有载调压装置主要技术参数
1设备主要技术参数
1.1500kV GIS设备主要参数。
1.1.1SF6气室中含水量PPM参数（见表1）：
1.1.2500kV GIS组合电器设备参数（见表3）：
1.1.3隔离开关、检修接地开关、快速接地开关、电压互感器、电流互感器、SF6/空气出线套管性能参数（见表3～表6）
1.2发电机出口断路器GCB主要技术参数
1.3封闭母线IPB。
机组运行参数
1水轮发电机组技术参数
1.1水轮机技术参数
1.2发电机技术参数
1.2.2水轮发电机各部温度整定
1推力轴承双螺杆泵及高压减载装置基本参数
3发电机中性点接地变参数
2调速器系统主要技术参数
2.1调速柜设备主要参数：
2.2调速器技术参数
4主变技术参数
1.1.主变技术参数
1.1.1.主变主要技术参数
1.1.
2.冷却条件变化时负载特性表
1.1.3.主变分接开关技术参数。
1.1.4.主变冷却器主要技术参数
1.2.18kV 干式变主要技术参数1.2.1.18kV 干式变额定值
5.1快速闸门
5.2 快速闸门液压系统见表1－2
6压缩空气系统主要技术参数
7技术供水减压阀
7.2泄压安全阀
7.3滤水器主要参数
8、10kV 干式变参数
1.2.3.10kV 干式变额定值
1.2.4.干式变压器过负荷能力。
1.2.5.干式变线圈温度与风机运行状态关系表
1.2.6.照明变有载调压装置主要技术参数
1设备主要技术参数
1.1500kV GIS设备主要参数。
1.1.1SF6气室中含水量PPM参数（见表1）：
1.1.2500kV GIS组合电器设备参数（见表3）：
1.1.3隔离开关、检修接地开关、快速接地开关、电压互感器、电流互感器、SF6/空气出线套管性能参数（见表3～表6）
1.2发电机出口断路器GCB主要技术参数
1.3封闭母线IPB。
第一节水轮机的主要类型自然界有多种能源，其中有很多式可以开发利用的，目前已被利用的能源中主要有热能、水能、风能和核能。
其中水能是一种最经济的能源，水能的开发利用已受到越来越多的关注。
我国有着丰富的水力资源，对水能的开发利用已受到社会的广泛关注，对水能最重要的开发形式就是兴建各种各样的水电站。
水轮机作为将水能转换成旋转机械能的一种水力原动机，是水电站中最重要的组成部分。
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1-1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，是现代应用最广泛的一种水轮机。
图1-1 混流式水轮机1—主轴；2—叶片；3—导叶2．轴流式水轮机如图1-2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1-2 轴流式水轮机1—导叶；2—叶片；3—轮毂3．斜流式水轮机如图1-3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，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。
它是在50年代初为了提高轴流式水轮机适用水头而在轴流转桨式水轮机基础上改进提出的新机型，其结构形式及性能特征与轴流转桨式水轮机类似，但由于其倾斜桨叶操作机构的结构特别复杂，加工工艺要求和造价均较高，所以一般只在大中型水电站中使用，目前这种水轮机应用还不普遍。
图1-3 斜流式水轮机1—蜗壳；2—导叶；3—转轮叶片；4—尾水管4．贯流式水轮机贯流式水轮机是一种流道近似为直筒状的卧轴式水轮机，它不设引水蜗壳，叶片可做成固定的和可转动的两种。
根据其发电机装置形式的不同，分为全贯流式和半贯流式两类。
全贯流式水轮机（如图1-4）的发电机转子直接安装在转轮叶片的外缘。
它的优点是流道平直、过流量大、效率高。
但由于转轮叶片外缘的线速度大、周线长，因而旋转密封困难。
目前这种机型已很少使用。
半贯流式水轮机有轴伸式、竖井式和灯泡式等装置形式，如图1-5、图1-6、图1-7所示，其中轴伸式和竖井式结构简单、维护方便，但效率较低，一般只用于小型水电站。
目前广泛使用的是灯泡贯流式水轮机，其结构紧凑、稳定性好、效率较高，其发电机布置在被水绕流的钢制灯泡体内，水轮机与发电机可直接联接，也可通过增速装置联接。
图1-4 全贯流式水轮机1—转轮叶片；2—转轮轮缘；3—发电机转子轮辋；4—发电机定子；5、6—支柱；7—轴颈；8—轮毂；9—锥形插入物；10—拉紧杆；11—导叶；12—推力轴承；13—导轴承图1-5 轴伸贯流式水轮机1—转轮；2—水轮机主轴；3—尾水管；4—齿轮转动机构；5—发电机图1-6 灯泡贯流式水轮机1—转轮叶片；2—导叶；3—发电机定子；4—发电机转子；5—灯泡体图1-7 竖井贯流式水轮机贯流式水轮机的适用水头为1～25m，适用于低水头、大流量的水电站。
由于其卧轴式布置及流道形式简单，所以土建工程量少，施工简便，因而在开发平原地区河道和沿海地区潮汐等水力资源中得到较为广泛的应用。
目前我国自行研制的最大的灯泡贯流式水轮机转轮直径为5.5m，单机出力为15MW。
二、冲击式水轮机冲击式水轮机的转轮始终处于大气中，来自压力钢管的高压水流在进入水轮机之前已转变成高速自由射流，该射流冲击转轮的部分轮叶，并在轮叶的约束下发生流速大小和方向的改变，从而将其动能大部分传递给轮叶，驱动转轮旋转。
在射流冲击轮叶的整个过程中，射流内的压力基本不变，近似为大气压。
冲击式水轮机按射流冲击转轮的方式不同可分为水斗式、斜击式和双击式三种。
1．水斗式水轮机水斗式水轮机，亦称切击式水轮机，如图1-8所示。
从喷嘴出来的高速自由射流沿转轮圆周切线方向垂直冲击轮叶。
这种水轮机适用于高水头、小流量的水电站，特别是当水头超过400m时，由于结构强度和气蚀等条件的限制，混流式水轮机已不太适用，则常采用水斗式水轮机。
大型水斗式水轮机的应用水头约为300～1700m，小型水斗式水轮机的应用水头约为40～250m。
目前水斗式水轮机的最高水头已用到1767m（奥地利莱塞克电站），我国天湖水电站的水斗式水轮机设计水头为1022.4m。
图1-8 水斗式水轮机2．斜击式水轮机如图1-9所示，从喷嘴出来的自由射流沿着与转轮旋转平面成一角度的方向，从转轮的一侧进入轮叶再从另一侧流出轮叶。
与水斗式相比，其过流量较大，但效率较低，因此这种水轮机一般多用于中小型水电站，适用水头一般为20～300m。
图1-9 斜击式转轮转轮；(b)斜击式转轮进水示意图管帽；2—针阀；3—轮叶；3．双击式水轮机如图1-10所示，从喷嘴出来的射流先后两次冲击在转轮叶片上。
这种水轮机结构简单、制作方便，但效率低、转轮叶片强度差，仅适用于单机出力不超过1000kW的小型水电站，其适用水头一般为5～100m。
图1-10 带有闸板阀门的双击式水轮机1—工作轮；2—喷嘴；3—调节闸板；4—舵轮；5—引水管；6—尾水槽各种类型水轮机及应用水头范围如表1-1所示。
表1-1 水轮机类型及应用水头范围第二节 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、流量、出力、效率、转速。
一、水头水轮机的水头（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 。
对反击式水轮机进口断面取在蜗壳进口处Ⅰ-Ⅰ断面，出口取在尾水管出口Ⅱ-Ⅱ断面。
列出水轮机进、出口断面的能量方程，如图1-11所示，根据水轮机工作水头的定义可写出其基本表达式：图1-11 水电站和水轮机的水头示意图（1-1）式中 ——单位重量水体的能量，m ；——相对某一基准的位置高度，m ；——相对压力，N/m 2或Pa ；——断面平均流速，m/s ； ——断面动能不均匀系数； ——水的重度，其值为9810N/m 3； ——重力加速度，m/s 2。
式（1-1）中，计算常取称为某截面的水流单位动能，即比动能（m ）；称为某截面的水流单位压力势能，即比压能（m ）；称为某截面的水流单位位置势能，即比位能（m ）。
、与的三项之和为某水流截面水的总比能。
水轮机水头又称净水头，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。
上、下游水位差值称为水电站的毛水头，其单位为m 。
水轮机的工作水头又可表示为（1-2） 式中 ——水电站毛水头，m ；——水电站引水建筑物中的水力损失，m 。
从式（1-2）可知，水轮机的水头随着水电站的上下水位的变化而改变，常用取几个特征水头表示水轮机水头的范围。
特征水头包括最大水头、最小水头、加权平均水头、设计水头等，这些特征水头由水能计算给出。
1．最大水头，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性的影响。
2．最小水头，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，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，是水轮机发出额定出力时所需要的最小净水头。
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。
二、流量H Q P ηn H ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛++-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛++=-=g V P Z g V P Z E E H ⅡⅡⅡⅡⅠⅠⅠⅠⅡⅠ2222αγαγE Z P V αγg g V ⅡⅠ2,12ααα==γP Z g V 2αP Z H g H h H H g ∆-=g H h ∆max H min H a H r H max H min H a H r HQ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，常用符号表示，常用的单位为m 3/s 。
在设计水头下，水轮机以额定转速、额定出力运行时所对应的水流量称为设计流量，它是水轮机发出额定出力时所需要的最大流量。
三、转速水轮机的转速是水轮机转轮在单位时间内的旋转的次数，常用符号表示，常用单位为r/min 。
四、出力与效率水轮机出力是水轮机轴端输出的功率，常用符号表示，常用单位kW 。
水轮机的输入功率为单位时间内通过水轮机的水流的总能量，即水流的出力，常用符号表示，则(KW) （1-3）由于水流通过水轮机时存在一定的能量损耗，所以水轮机出力总是小于水流出力。
水轮机的输入和输出功率之比称为水轮机的效率，用符号表示。
（1-4） 由于水轮机在工作过程中存在能量损耗，故水轮机的效率<1。
由此，水轮机的出力可写成（KW ） （1-5） 水轮机将水能转化为水轮机轴端的出力，产生旋转力矩用来克服发电机的阻抗力矩，并以角速度旋转。
水轮机出力、旋转力矩和角速度之间有以下关系式（1-6） 式中 ——水轮机旋转角速度，rad/s ；——水轮机主轴输出的旋转力矩，N ·m ； ——水轮机转速，r/min 。
第三节 水轮机的空化系数与吸出高度一、水轮机的空化系数衡量水轮机性能好坏有两个重要参数，一个参数是效率，表示能量性能，另一个参数是空化系数，表示空化性能。
所以，一个好的水轮机转轮必须同时具备良好的能量性能和空化性能，即既要效率高，能充分利用水能，又要空化系数小，使水轮机在运行中不易发生汽蚀破坏。
本节将分析和推导叶片不发生空化的条件和表征水轮机空化性能的空化系数。
