第二章水轮机及其选择
水轮机的蜗壳
二、蜗壳的主要参数
1.断面型式与断面参数 1.断面型式与断面参数 金属蜗壳： 金属蜗壳：圆形结构 参数：座环外径、 参数：座环外径、内 导叶高度、 径、导叶高度、蜗壳 断面半径、 断面半径、蜗壳外缘 半径
混凝土蜗壳： 混凝土蜗壳：“T”形。 形 (1) m=n时：称为对称型 时 式 (2) m>n：下伸式 ： (3) m<n ：上伸式 (4) n=0：平顶蜗壳 ： 中间断面： 中间断面： 蜗壳顶点、 蜗壳顶点、底角点的变 化规律按直线或抛物线 确定。 确定。
α 2V2 2
2g
+ ∆ h2 − 5 )
∆E = EB − EA = H2 + (
α V −α V
2 2 2
2 5 5
2g
− ∆h2−5)
设置尾水管以后，在转轮出口形成了压力降低， 设置尾水管以后，在转轮出口形成了压力降低，出现了 真空现象，真空由两部分组成： 真空现象，真空由两部分组成： 静力真空： 落差) 静力真空：H2(落差)，也称为吸出高度Hs； 动力真空(转轮出口的部分动能) 动力真空(转轮出口的部分动能)
三、蜗壳的水力计算
水力计算的目的: 水力计算的目的 确定蜗壳各中间断面的尺寸， 确定蜗壳各中间断面的尺寸，绘出蜗壳单 线图，为厂房设计提供依据。 线图，为厂房设计提供依据。 已知： 已知：
H r ,Q
max
, b 0 , D a , D b , φ 0 ,V c
1. 水流在蜗壳中的运动规律
水流进入蜗壳后，形成一种旋转运动(环流 环流)， 水流进入蜗壳后，形成一种旋转运动 环流 ， 之后进入导叶,水流速度分解为 之后进入导叶 水流速度分解为Vr、Vu。 水流速度分解为 进入座环时，按照均匀轴对称入流的要求， 进入座环时，按照均匀轴对称入流的要求， Vr=常数。 常数。 常数
第二章 水轮机工作原理(蓝底)
v （绝对速度） w（相对速度） u（圆周速度）
由
，称为水流速度三角形。用来表示水流的运动状 态。如图所示
v
、u 、 w
三个矢量构成的封闭三角形
（2）分解 在实际应用时，常将 标分量表示。 在直角坐标系中分解
用它的三个坐 v
v vx v y vz
二、转轮内水流运动分析
1、转轮内水流运动 水流通过水轮机转轮流道时，一方面沿着扭 曲的转轮叶片作相对运动，同时，又随转轮旋 转，作园周运动。因此，转轮内的水流是一种 复杂的三维空间运动。 2、轴面与流面 由于水轮机是一种绕定轴旋转的机械，所以 常采用圆柱坐标体系来分析转轮中水流运动。
如图所示 Z轴—表示水轮机轴 线方向（轴向） r轴—表示垂直于轴线 的径向（径向） φ角—表示研究点所在 的径向平面与起始 径平面的夹角（辐 角）
直
4
(D d )
2 1 2 n
，方向与圆周速度垂
——轮毂直径，单位m。 （3）进口速度的圆周分量
dn
vu1i
Q ctg 0 b0 D1i
b0
——导叶高度，单位m。
作进、出口速度三角形应注意的问题：
①对于水头较高的低 为
1 0
n s 混流式水轮机，则认
l1 b0
②对于低 n s 的混流式水轮机，或水流呈轴对 称流动时，意味着转轮叶片无限多、无限薄， 水流紧贴着叶片离开转轮，则认为
根据轴流式转轮中水 流运动的特点，常认 为水流的径向分量很 小、可忽略，
vr 0
那么
vm vr v z v z
（1）进、出口圆周速度不变
u1 u2
郑州大学水利机械复习题及其答案
水力机械课程要点及复习思考题绪论：主要内容以及要了解和掌握要点：1、能源的种类；和其他类型的能源相比，水电的特点；我国水力资源的总量及水力发电在国民经济中所占的地位；我国水力资源的分布情况、开发程度以及规划利用前景；2、水力发电的生产流程以及和水电有关的主要技术参数和技术指标；水电站的基本类型；特点；主要建筑物及布置原则概述；第一章水力机械概述：主要内容以及要了解和掌握要点：1、水轮机的基本参数；水轮机的各种水头（设计水头，工作水头，最大和最小水头）及其含义；搞清水轮机的水头和水电站的水头不是一个概念；在设计水电站时如何协调两者之间的关系2、水轮机的主要类型及其构造；水轮机分为反击式和冲击式两大类原则，每一大类又可以分为几种不同的类型；常见和常用的水轮机类型都有那些各有什么特点；掌握常见水轮机如轴流式、混流式河水斗式水轮机的主要部件有那些，名称是什么，功用是什么，这些主要部件各处在水轮机的什么位置；3、水轮机的牌号极标称直径水轮机牌和的意义，作用，水轮机牌号的常规表示方法；目前水轮机牌号的使用现状；提出水轮机标称直径的目的；不同类型的水轮机标称直径的标注方法和具体位置；第二章水轮机的工作原理：主要内容以及要了解和掌握要点：1、水流在反击式水轮机转轮中的运动；水流在反击式水轮机转轮内运动的复杂性（恒定流和非恒定流）；水流和转轮叶片作用的原理；水流做功原理；对水流或流场的描述方法（解析，数值，速度三角形）；速度三角形中各速度示量的含义；2、水轮机的基本方程式推导水轮机基本方程三条假定的目的与意义；控制体的选择与研究对象；力矩的轴对称性，作用力和反作用力原理；水轮机基本方程的不同表现形式和物理意义；3、水轮机的效率及最优工况水轮机效率和能量损失的关系；水轮机能量损失的几种形式；不同损失产生的原因；无撞击进口和法向出口及最优工况条件；4、尾水管的工作原理动力真空和静力真空；尾水管回收能量的方式与原理；尾水管的作用；尾水管回收能量的程度；尾水管的水力损失系数和动能恢复系数；5、水轮机的空化与空蚀水轮机空化与空蚀的研究历史；水流空化的机理；空化压力和空化温度的关系；水轮机空蚀的机理；水轮机空蚀的破坏作用；水轮机空蚀的类型；水轮机空蚀的后果及表现形式；水轮机空蚀的预防或防护措施；6、水轮机的空蚀系数、吸出高及安装高程水轮机空蚀系数的来历；水轮机空蚀系数的意义；水轮机吸出高的来历；水轮机吸出高的确定；对不同水轮机吸出高的规定；对不同水轮机安装高程的规定与计算；第三章水轮机的相似原理及特性曲线：主要内容以及要了解和掌握要点：1、水轮机的相似原理概述相似概念及研究水轮机相似的目的；水轮机的相似条件；不同相似条件所对应的含义；相似的局限性和近似性；2、水轮机的相似率、单位参数和比转速流量相似率的含义；转速相似率的含义；出力相似率的含义；导出水轮机单位参数的目的与作用；导出水轮机比转速的目的与意义；3、水轮机的效率换算与单位参数修正水轮机效率换算的目的与意义；水轮机效率换算的依据与经验性；不同水轮机效率换算公式的适用条件；水轮机效率换算后再修正的原因；水轮机单位参数的修正；4、水轮机的主要综合特性曲线水轮机模型试验的目的；水轮机主要特性曲线的作用；常见类型水轮机综合特性曲线中所标示的内容；出力限制线的意义与作用；第四章水轮机选型：主要内容以及要了解和掌握要点：1、水轮机的标准系列采用标准系列的目的；水轮机型谱的来历与演变；水轮机的尺寸系列；水轮机转速和发电机转速的关系；发电机标准同步转速的确定；2、水轮机选择水轮机选型设计的基本内容；水轮机选型设计的基本要求；水轮机选型设计需要收集和整理的基本资料；确定电站装机台数、单机容量的原则和要考虑的相关因素；确定水轮机型号、主要参数的基本方法及其适用条件；不同水轮机主要参数之间的比较及最终方案确定的一般原则；3、水轮机运转特性曲线的绘制水轮机运转特性曲线的作用；水轮机运转特性曲线的绘制方法；水轮机的最优工作区域；水电站厂内优化运行的基本概念；4、水轮机蜗壳的型式及主要尺寸的确定水轮机基本型式；不同水轮机蜗壳的特点及适用场合；对蜗壳内水流运动规律的假定；蜗壳水力计算及轮廓尺寸确定的方法；蜗壳轮廓尺寸对水电站厂房尺寸的影响；5、尾水管的型式及主要尺寸的确定常见尾水管的型式及其特点；尾水管轮廓尺寸的确定；尾水管尺寸对水电站厂房尺寸的影响；尾水管尺寸可能变动的情况及对水轮机性能的影响；第五章水轮机调速器主要内容以及要了解和掌握要点：1、水轮机调节的基本概念水轮机调节的主要任务；水轮机调节的对象；目前调速器的附加功能；水轮机调速器应满足的特殊要求；2、调速器的类型及工作原理调速器的基本类型；水轮机调速器的发展趋势；微机调速器的优点；调速器的基本工作原理；调速器的工作稳定性及静、动特性曲线；有差调节和无差调节适用的场合；3、调速器的主要设备及选择调速器的主要设备及其功用；调速器的基本系列；调速设备选择的一般原则；水力机械课程复习思考题绪论部分：1、为什么说水力发电的可调节性比较好?P1电能不能储存，生产与消费必须同时。
第二节 水轮机选型设计
反击式水轮机转轮公称直径系列
25 30 35 (40) 42 50 60 71 (80) 84 100 120 140 160 180 200 225 250
275 300 330
380
410 450 500 550 850 900 950 1000
• 五、反击式水轮机的主要参数选择 • 2、转速n的选择
• 3、选择水轮机的型号： • （3）也可根据教材表8-4或图8-25确定水轮机的类型后， 或当用上述方法有两个型号接近的可选方案时，可用下 述方法选择水轮机的型号（比转速） • 轴流式 • 混流式
2300 ns Hr
2000 ns 20 Hr
• 贯流式：查下面曲线
• 2、装置方式选择 • 在大中型水电站中，其水轮发电机组的尺寸一般较大， 安装高程也较低，因此其装置方式多采用立轴式，即水 轮机轴和发电机轴在同一铅垂线上，并通过法兰盘联接。 这样使发电机的安装位置较高不易受潮，机组的传动效 率较高，而且水电站厂房的面积较小，设备布置较方便。 • 对机组转轮直径小于1m，吸出高度Hs为正值的水轮机， 常采用卧轴装置，以降厂房高度。而且卧式机组的安装、 检修及运行维护也较方便。
• 三、机组台数及单机容量的选择 • （2）运行效率 • 较大单机尺寸的机组，效率比较高。这对于预计经常满 负荷运行的水电厂获得的动能效益特别显著。 • 对变动负荷的水电厂，若采用过少的机组台数，虽单机 效率高，但在部分负荷时，由于负荷不便于在机组间调 节，因而不能避开低效率区。因此电厂的平均效率较低。
• 四、水轮机型号及装置方式的选择 • 1、根据电站装机总容量及机组台数，计算单机容量。
PZ P Z
• 2、选择水轮机的型号： • （1）根据水轮机系列应用范围综合图选择转轮型号 • 选型时可用已知的水电站设计水头和单机容量，在水轮 机系列应用范围综合图上找出适当的水轮机型号和装置 方式。有时可能有两种或三种适用的水轮机型号，这时 就需要根据具体情况，对不同机型方案进行全面的分析 比较，最后选用一种最优的机型。 • 常用于中小型机组的选择。
水轮机的标准与选择
水轮机的标准与选择1. 引言水轮机是一种将水的动能转化为机械能的装置，广泛应用于水力发电、灌溉、水泵等领域。
在选择和设计水轮机时，了解水轮机的标准和选择因素非常重要。
本文将介绍水轮机的标准和选择技巧。
2. 水轮机的标准水轮机的标准是确保其质量和性能的重要依据。
以下是一些常见的水轮机标准：2.1 国际标准国际标准主要由国际电工委员会（IEC）和国际标准化组织（ISO）制定。
这些标准涵盖了水轮机的设计、制造、安装和运行等方面。
2.2 国家标准各个国家都有自己的水轮机标准，根据当地的环境和需求来制定。
例如，中国的国家标准有GB/T标准系列。
2.3 行业标准水轮机行业也有一些行业标准，旨在规范行业内企业的生产和运作。
这些标准通常由行业协会或相关机构制定。
3. 水轮机的选择要素在选择水轮机时，需要考虑以下要素：3.1 水轮机类型水轮机有多种类型，包括水轮式、斜流式、混流式和螺旋式等。
不同类型的水轮机适用于不同的工况和流量要求。
3.2 功率需求根据需要的功率大小选择适当的水轮机。
功率需求与流量、水头等参数有关。
3.3 水头条件水头是指水轮机工作时水位差的高度，直接影响水轮机的效率和性能。
选择水轮机时，需要考虑水头条件和允许的变化范围。
3.4 流量要求流量是指单位时间内通过水轮机的水量。
根据流量要求选择合适的水轮机。
3.5 效率要求效率是指水轮机将水的动能转化为机械能的比例。
根据效率要求选择合适的水轮机。
3.6 经济性考虑除了满足技术要求外，还需要考虑水轮机的经济性。
包括水轮机的价格、维护成本、寿命等因素。
4. 水轮机的选择流程以下是选择水轮机的一般流程：4.1 确定需求根据具体需求确定所需的水轮机参数，包括功率、水头、流量等。
4.2 查找候选水轮机根据需求参数，查找符合要求的水轮机型号和制造商。
4.3 进行技术评估与水轮机制造商进行沟通，了解其技术规格，并进行技术评估，包括效率、可靠性、维护等方面。
4.4 经济评估根据水轮机的价格、维护成本以及预期寿命等因素进行经济评估，确保选择的水轮机经济合理。
水力机械第二章12
式中
v w u
v wu
——绝对流速（相对于大地） ——相对速度（水流质点相对于转轮 叶片从流道进口移动到出口） ——牵连（圆周）速度（水流质点随 转轮一起旋转）
绝对速度 v 与牵连速 度 u 之间的夹角a ，称为 绝对速度的方向角；相对 速度 w 与牵连速度 u 之间 的夹角 b ，称为相对速度 的方向角。
三、转速n
水轮机转速是指水轮机转轮每分钟内旋转的次数， 单位为r/min。 水轮机在稳定运行时的转速是固定不变的，称为水 轮机额定转速，并与发电机的同步转速相等。
机组丢弃全部负荷同时调速系统失灵时，导水叶不 能关闭，水流能量使转轮转速增加达到的最大值， 称为飞逸转速nrun，飞逸转速可达额定转速的1.8~ 3.0倍。 机组发生飞逸时，离心力非常大，它对机组的设计、 制造，对机组支撑结构及水电站厂房的振动都有较 大的影响。
以水流流线为母线绕水轮机主轴轴线旋转所形成的 若干回转面，称之为水流流面。 将流线与转轮叶片相割的流面展开，便可得到由 一系列叶片
翼型（即为
流面切割
叶片所得到
的剖面）所 组成的叶栅
剖面图。
混流式 轴流式
为了便于研究反击式水轮机转轮中复杂的水流运 动，做了如下假定：
（1）水流为理想流体； （2）转轮中水流的相对运动为定常运动（稳定流）； （3）叶片数无穷多，且叶片厚度无限薄（叶片翼型剖 面可以简化成无厚的骨线）；
已知条件
Di n
60
（1）u1和u2的大小和方向
u1 u2
方向：圆周切向方向
式中，Di 为同一流面上的转轮叶片进、出口计算点 所在圆直径，m。
（2）vm1和vm2的大小和方向
水轮发电机组中水轮机的选型设计
水轮发电机组中水轮机的选型设计摘要: 在水利水电系统中的建设过程, 怎样合理选择适用的水轮机组的类型对水轮机的性能是否优越十分重要。
因此应本着具体情况具体分析的原则设计相应的实践方案, 以提高其运行的灵活性。
本文着重阐述实践中应如何对水轮机组进行设计。
关键词: 水轮机组；特征；选型设计Abstract: In the water conservancy and hydropower system in the construction process, how to choose suitable hydraulic turbine type on turbine performance is superior is very important. It should be based on concrete analysis of the principles of design and the corresponding practices, in order to improve the operation flexibility. This paper focuses on the practice should be how to design of hydraulic turbine.Key words: turbine selection design; feature;0引言水轮机组的选型设计是水电站水力机械设计的重要组成部分。
发电机由水轮机驱动，它的转子短粗，机组的起动、并网所需时间较短，运行调度灵活。
水轮机组选型设计不仅为以后的电气部分、水工部分设计打下基础，同时也会影响到电站的机电设备投资、厂房投资及发电效益等经济指标。
因此，水轮机组的选型设计必须做到科学、准确、合理、先进，满足技术性能和经济指标的要求。
1水轮机选型设计的任务及内容水轮机是水电站中最主要动力设备之一，影响电站的投资、制造、运输、安装、安全运行、经济效益，因此根据H、N的范围选择水轮机是水电站中主要设计任务之一，使水电站充分利用水能，安全可靠运行。
第二章水轮机工作原理
u1
nD1i
60
500 2
60
52.36 m
s
② 进口轴面速度
v1m
Q F
Q
b0 D1
15 0.2 2
11.9 m
s
③ 转轮的进口角
0 1 140
v1
vm1
sin 1
11.9 s in 14 0
49.2
vu1 vm1ctg1 11.9 ctg140 47.7
⒈ 转轮内水流运动 水流通过水轮机转轮流道时，一方面沿着扭
曲的转轮叶片作相对运动，同时，又随转轮旋 转，作园周运动。因此，转轮内的水流是一种 复杂的三维空间运动。 ⒉ 轴面与流面
由于水轮机是一种绕定轴旋转的机械，所以 常采用圆柱坐标体系来分析转轮中水流运动。
如图所示： ❖ Z轴—表示水轮机轴
线方向（轴向） ❖ r轴—表示垂直于轴
60 u1
方向为圆周切线方向
n ——水轮机转速，单位 r min
D1i ——研究点所在直径，单位m。
⑵ 轴面速度 vm1
v m1
Q F1i
方向与 u1垂直
F1i ——通过研究点的过水断面面积（即与vm1
垂直的过水断面面积），其大小由古鲁金定理得
F1i 1D1gl1
式中： 1 ——转轮叶片排挤系数，常取1
vz
vz
⑴ 进、出口圆周速度不变
u1
u2
nDi
60
方向为圆周切线方向
Di ——研究点所在直径，单位m。
⑵ 进、出口圆周速度均匀分布
Q
vm1
vm2
4
(D12
d
2 n
)
方向与圆周速度垂直
d n ——轮毂直径，单位m。
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第一篇 水力机械
水轮机+发电机： 水轮发电机组
功能：
发电
水 泵+电动机： 水泵抽水机组
功能：
输水
水 泵+水轮机： 抽水蓄能机组。
功能：
抽水蓄能
水轮机是将水
能转变为旋转机
水
械能，从而带动
轮
发
发电机发出电能
电
机
的一种机械，是
组
水电站动力设备
之一。
2.1 水轮机的类型及其构造
混流式HL
水斗式水轮机转轮
轮叶 轮盘
斜击式水轮机转轮
双击式水轮机转轮
1．水轮机的工作参数 （1）工作水头H 特征水头： 最大水头Hmax 最小水头HmiP 加权平均水头Hw 设计水头Hd(η, h净) 额定水头Hr(Pr，Wr，miP)
（2）流量Q。
设计流量Qd(wr，hd) 额定流量Qr(hr，Pr，wr) 空载流量Q0(hr，Pr，w=0)
水流以自由水流的形式(P=Pa)冲击转轮，利用水流 动能(V方向、大小改变)产生旋转力矩使转轮转动。 在同一时刻内，水流只冲击着转轮的一部分，而 不是全部。不适宜调峰运行。 适用：水头高，流量小，多用于400m以上，最高 接近2000m。
(一)、反击式水轮机 (reactioP water turbiPe) 1. 混流式：水流径向流入转轮，轴向流出。 适用范围：H=30-450 m , 最高水头已接近700米，
冲击式水轮机运行中
单喷嘴运行中
水斗: 特点是由喷嘴出来的射流沿圆周切线方向 冲击转轮上的水斗作功。
目前，水斗式水轮机是冲击式水轮机中应用最广 泛的一种机型。
斜击式： 由喷嘴出来的射流沿圆周斜向冲击转轮 上的水斗。
双击式：水流两次冲击转轮。 斜击、双击水轮机构造简单，效率低，用于小型 电站。
（3）转速P。 额定转速Pr
（4）功率P与效率η。 水轮机功率：
水轮机的Po输ut 入9功.81率QPHiP：
PiP=9.81QH （kW） 水轮机的效率η：
最优效率： Pout 100 %
Pin
习题
已知某水电站在设计工况下，上游水位63m，下 游水位44.4m 通过水轮机流量为825m3/s，发电机 效率为0.96，水轮机效率为0.86，忽略水力损失， 试求水轮机输出功率和机组效率。
竖井式贯流机组：发电机安装在竖井内。
灯泡式水轮机组
轴伸式贯流机组
竖井贯流式水轮机
(二)、冲击式水轮机(IPpulse water tubiPe)
定义：利用水流的动能来做功的水轮机 特征：由喷管和转轮组成。
水流以自由水流的形式(P=Pa)冲击转轮，利用水流 动能(V方向、大小改变)产生旋转力矩使转轮转动。 在同一时刻内，水流只冲击着转轮的一部分，而 不是全部。不适宜调峰运行。 适用：水头高，流量小，多用于400m以上，最高 接近2000m。
反击式水轮机原理
水流通过转轮叶片时，水流流速的大小、方向 均发生变化，因此动量也发生了改变，水流产 生反作用力，作用与 每个转轮叶片，使转 轮产生旋转力矩，从 而做功。
(二)、冲击式水轮机(IPpulse water tubiPe)
定义：利用水流的动能来做功的水轮机 特征：由喷管和转轮组成。
轴流式ZL轴轴流流定转桨桨式式ZZDZ
水轮机反击式贯斜流流式式GXLL 贯 轴贯贯 流 流流流 定 调调转 桨 桨桨桨 式 式式式 GGGZT DTZ
水斗式切击式CJ
水轮机型式的代号
水轮机型式
代号
混流式
HL
斜流式
XL
轴流转桨式
蜗壳，水流直贯转轮。水流由管道进口到尾水管 出口都是轴向的。H<20m，小型河床电站。
贯流式机组分类
全贯流式：发电机转子安装在水轮机转轮外缘， 其密封困难，现在较少使用。
半贯流式：
灯泡贯流式：发电机组安装在密闭的灯泡体内，使用 较广泛，机组结构紧凑，流道形状平直，水力效率高。
轴伸式贯流机组：发电机安装在外面，水轮机轴伸出 到尾水管外面。
平行于主轴。
适用于大流量、低水头。一般水头在50m以下。 轴流定浆式：叶片不能随工况的变化而转动。高效率区
较小，适用于水Biblioteka 变化不大的小型电站。 轴流转浆式：叶片能随工况的变化而转动，进行双重调 节（导叶开度、叶片角度)。适用于大型水电站。
轴流调浆式：叶片能随工况的变化而转动，进行单重调 节（叶片角度)。
单机容量：几万kW-几十万kW 特点：适用水头范围广，结构简单，运行稳定，
效率高，适用中高水头电站。 三峡水电站即采用了这种水轮机，单机容量70
万kW。是世界上单机容量最大的机组。
混流式水轮机
(一)、反击式水轮机 (reactioP water turbiPe) 2. 轴流式： 特点：水流沿转轮轴向流入，轴向流出，水流方向始终
2．水轮机的型号及公称直径
水轮机型号排列顺序如下：
反击式
水轮机型式 + 转轮型号（比转数）+主轴布置型式 + 水 轮机室特征 + 转轮标称直径（cm） 冲击式
同轴安装的转轮数 + 水轮机型号 + 转轮型号（比转数） + 主轴布置型式 + 转轮标称直径（cm）+ 每个转轮上喷 嘴数 + 设计射流直径（cm）
冲击式 斜击式XJ
双击式SJ
一、主要类型
(一)、反击式水轮机 (reactioP water turbiPe) 定义：利用水流的压力能和动能做功的水轮机 特征：转轮的叶片为空
间扭曲面，流过转轮的 水流是连续的，而且在 同一时间内，所有转轮 叶片之间的流道都有水 流通过，水流充满转轮 室。
轴流式水轮机
轴流转浆式水轮机转轮
(一)、反击式水轮机 (reactioP water turbiPe) 3. 斜流式：水流经过转轮时是斜向的。转轮叶片随
工况变化而转动，高效率区广。
(一)、反击式水轮机 (reactioP water turbiPe) 4. 贯流式：水轮机的主轴装置成水平或倾斜。不设