水轮机及讲解
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• 水轮机按能量转换特征分为两类，即反击式和 冲击式。而每一类水轮机又根据转轮区内水流 的特征和转轮的结构特征又分为多种形式。
• 能量转换特征：利用水流的势能、动能的比例。
• 转轮内水流特征：水流方向与主轴关系（垂直、 平行 、斜交）。
• 转轮的结构特征：桨叶固定、转动，转轮的高、 扁等。
2016/7/2
座环
2016/7/2
34
导水部件—导叶及其传动机构
• 导叶及传动机构
– 导叶的主要作用是根据机组负荷变化来调节水轮机流量以 改变水轮机出力，并引导水流按一定的方向进入转轮，形 成一定的速度矩。 – 包括的部件有：导叶、推拉杆、控制环、拐臂和连杆等
2016/7/2
35
导水部件—导叶及其传动机构
• 导叶及传动机构
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能量转换特征分类：反击式和冲击式
– 单位重量水体在转轮进、出口的能量之差：
– 可变换为
水流势能
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水流动能
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冲击式：只利用动能 反击式：既利用动能也利用势能
– 势能占总能量的比例 – 动能占总能量比例 – 水轮机利用的能量为水流势能和水流动能的总和 – 若Ep=0，Ec=1，这种利用水流动能的水轮机称为 冲击式水轮机 – 若0＜Ep<1，Ep＋Ev=1，这种同时利用水流动能 和势能的水轮机称为反击式水轮机
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37
工作部件—转轮是水轮机的核心
• 转轮
– 转轮是直接将水能转换为旋转的机械能的过流部件，它对 水轮机的性能、结构、尺寸等起着决定性的作用，是水轮 机的核心来自百度文库分。
三峡左案9号机组吊装
2016/7/2
38
泄水部件—尾水管断面沿程扩散
• 尾水管
– 尾水管除了引导转轮流出的水流泄入下游外，其主要的作 用是回收位能和动能，它对水轮机效率影响很大，特别是 对于低水头的情况。这部分内容后面详细论述
即 其中：f-电流频率；我国电网f=50Hz；p-发电机的 磁极对数。则：
磁极对数p
3
4
5
6
7
8
9
.....
同步转速n 1000 750 600 500 428.6 375 333.3 .....
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17
1.2 水轮机的主要类型
• 水轮机有各种类型的原因是什么？
• 水能利用的条件千差万别，最重要的特点是
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41
工作部件转轮有不同的形状
轴流式水轮机转轮
•轴流式水轮机的转轮是由轮毂、轮叶和泄水锥三部分组成。 在轮毂四周按悬臂方式安装轮叶，轮叶是扭曲面。边缘薄，根 部厚，外形类似螺旋桨。轮叶数目按工作水头大小而定，工作 水头较低，轮叶数较少；反之，较多。一般为3～8片
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42
水斗式水轮机主要由喷嘴、针阀、转轮和 折向器组成
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14
水轮机流量：水流在单位时间内通过水轮 机的水流体积
– 通常用Q表示，其单位为m3/s
– 水轮机 的引用流量主要随着水轮机的工作 水头和出力的变化而变化 – 在设计水头下水轮机以额定出力工作时其 过水流量最大
H和Q是水力发电的两大 要素， H大Q小也发不出 大量电， Q大H小也发不 出大量电
水轮机工作水头：单位重量水体通过水轮 机进出口断面的能量差值
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工作水头不是毛水头，而是净水头
为水电站上下游水位差，称为水电站毛水头 为水电站引水系统水头损失 为净水头即水轮机工作水头
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13
水轮机的工作水头是随上下游水位变 化而变化的
• 常选用几个特征水头来表示水轮机的运行 工况和运行范围，这些特征水头由水能计 算确定 （1）最大水头 H max （2）最小水头 H min （3）加权平均水头 H av （4）设计水头 H r
1－导叶；2－转轮； 3－发电机；4－灯泡 4
1
3 2
2
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28
反击式（Reaction Hydraulic Turbine）
through flow turbine
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冲击式（impulse turbine）
inclined jet turbine
crossflow turbine, Banki turbine
大中型电站立式机组一般采用弯肘型尾水管
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泄水部件—尾水管断面沿程扩散
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工作部件转轮有不同的形状
中高比转速混流式水轮机转轮
低比转速混流式水轮机转轮
•混流式水轮机转轮组成：轮叶、上冠、下环和泄水锥
•上冠的外形与圆台体相似，在其下端固定着泄水锥，用于引导水流顺利地形 成轴向流动，以消除顺利漩涡。轮叶的上端与上冠相固定，下端与下环相固 定。三者连成一个整体，叶片呈扭曲状，其断面为翼形，叶片数目通常是 10～20片，均匀分布在上冠与下环之间
为了研究问题的方便，工程上一般作如下假定： • 假定叶片无限多、无限薄。这样可以认为转 轮中的水流运动是均匀、轴对称的。显然在 此假定下，流线也就和骨线的形状完全一致。 （叶片翼形断面的中心线称为骨线） • 假定水流在进入转轮之前的运动是均匀的、 轴对称的。 • 假定水轮机在所研究的工况下保持稳定运行， 即水轮机的特征参数（H、Q、N、n）保持不 变，从而水流在水轮机各过流部件中的运动 均为恒定流动。 • 忽略水流的粘性：可认为这些流面之间是互 不干扰的。
导叶与导叶间的距离称为开度，开度的变化 导致流量变化，进而改变出力。导叶开度由 调速器控制。
小开度（小流量）
2016/7/2
大开度（大流量）
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工作部件—转轮是水轮机的核心
• 转轮
– 转轮是直接将水能转换为旋转的机械能的过流部件，它对 水轮机的性能、结构、尺寸等起着决定性的作用，是水轮 机的核心部分。
斜流式：斜向进流，斜向出流
diagonal flow turbine
1－蜗壳；2－导叶； 3－叶片；4－尾水管
1
2
3 可转动叶片
4
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反击式（Reaction Hydraulic Turbine）
贯流式：机组在流道中间，周围过水
through flow turbine bulb turbine 1
斜流式
贯流式
冲击式
水斗式（切击式） 斜击式 双击式 可逆式
混流式
轴流式
斜流式
贯流式
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24
反击式（Reaction Hydraulic Turbine）
混流式：幅向进流，轴向出流
radiaxial turbine，Francis turbine 1
4 2 3 5 1－主轴；2－叶片；3－导叶； 4－蜗壳；5－尾水管
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水轮机的主要工作参数
水轮机的主要工作参数有5个
水轮机出力 水轮机工作水头 水轮机流量 水轮机效率 水轮机转速
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水轮机出力：水轮机传给发电机的功率
• 水体能量扣除水轮机的能量损失 • 设在 t 时段内有W 的水体从1-1断面流过2-2断 面，因此，该段水体W 所提供的能量为：
水力发电系统组成：水电站建筑物、水力 机械、电器设备
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1
水力发电过程能量转换：水能—机械能— —电能
2016/7/2
2
本课程的主要内容
• 水电站是水利枢纽的一个重要组成部分，是利 用水力资源发电的场所，是建筑物、水、机、 电的综合体。
– 进水及引水建筑物（进水口、引水隧洞、压力管 道）——
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25
反击式（Reaction Hydraulic Turbine）
轴流式：轴向进流，轴向出流
axial flow turbine, Kaplan turbine
1 4 2 3 5 1－导叶；2－叶片；3－轮毂 4－蜗壳；5－尾水管
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4
26
反击式（Reaction Hydraulic Turbine）
冲击式
无蜗壳、无尾水管，利用 针阀调节流量
上、下游水位差扣掉引 水道中水头损失
大中型均为立轴，转轮 可装在下游水位以上或 以下
上游水位与喷嘴出口高程 差扣掉引水道中水头损失
立轴、卧轴均可，转轮必 须装在下游最高水位以上
混流 轴流 水斗 H=30-700m，H=3-80m H=100-2000m
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这些转轮分别是哪种水轮机的？
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46
1.4 水轮机的型号
• 水轮机的牌号就是水轮机的姓名，其目的是为了统一 产品规格，提高产品质量，便于选择使用。 • 表明水轮机性能有两个主要参数：转轮直径D1和水轮 机的比转速ns，所以在水轮机牌号上不仅要表明是什 么类型的水轮机，而且要表示它的转轮直径和比转速。 • 我国统一规定的水轮机牌号由三部分代号组成。
– 水轮机部分（能量转换的机械设备）—— – 水电站厂房（发电和配电：主厂房、副厂房、主变 压器、开关站）——
– 水锤、调压室（非恒定流动）——
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3
水轮机
水轮机和发电机连轴组成发电机组
发电机
水轮机
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5
水轮机—将水能转化为旋转机械能
发电机
水轮机
蜗壳:引水 导叶:调节流量 转轮:能量转换 尾水管:泄水
– 水头有高有低，高者水头上千米，低者数米
– 流量有大有小，大者几千立方米每秒，小者不到一 立方米每秒
• 各种水轮机型式的出现均是为了最大限度利用 水能 • Francis、Kaplan，Pelton等人发明了针对不 同水头的水轮机
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18
现代水轮机可按能量利用特征、水流特征、 转轮结构特征分类
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21
反击式：水流方向和流速大小受叶片约束 而改变,从而对叶片一个反作用力
混流式水轮机 （Francis）
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冲击式：转轮处在大气中，高速射流冲击 转轮
• 冲击式水轮机 （Pelton）
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水流特征、转轮结构特征和工作方式分类
混流式
轴流式 反击式 轴流定桨式 轴流转桨式
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1.5 水流在反击式水轮机中的运动
水流在转轮中的运动是三维复合运动
叶片表面：三维扭曲面 叶道：三维扭曲空间 转轮：绕主轴旋转 所以水流在反击式水轮机 转轮中的运动是一个复杂 的三维空间的复合运动
相对运动、牵连运动 和绝对运动
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51
分析水流在水轮机中的运动要作假定
• 喷嘴的作用是引导压力水流均匀流动，在喷嘴处收缩 转换为仅有动能的自由射流；针阀的作用是控制流量 的大小，适应出力大小的需要。
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水斗式水轮机的构造
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44
反击式和冲击式水轮机的差别
类型 项目 能量转换 构造特点 工作水头 布置方式 水头范围
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反击式 势能（主要）+动能 有蜗壳、尾水管，利用 导叶调节流量 动能
Pelton turbine
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各型水轮机适用不同水头范围对应不同转 轮形状
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1.3 水轮机的基本构造
• 反击式水轮机通常由四大部分组成
– 进水部件：蜗壳 和座环 – 导水部件：导叶及其传动机构 – 工作部件：转轮 – 泄水部件：尾水管
• 这四大部分对于不同类型的水轮机各不完 全相同，有着自身的特点
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引水部件—蜗壳和座环
• 蜗壳（和座环）
– 蜗壳的作用主要是使水流以较小的水力损失均匀对 称地流入转轮；座环起加强蜗壳的刚度并传递上部 结构力的作用。
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引水部件—蜗壳和座环
• 蜗壳（和座环）
– 蜗壳的作用主要是使水流以较小的水力损失均匀对 称地流入转轮；座环起加强蜗壳的刚度并传递上部 结构力的作用。
–第一部分代表水轮机类型和转轮型号； –第二部分表示水轮机主轴的布置型式及水轮机室特征； –第三部分表示水轮机转轮标称直径D1。
• 比如：HL240-LJ-140，即混流式，比转速ns=240，立 轴金属蜗壳，转轮直径D1=140cm。
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水轮机型号中标称直径对不同水轮机有不 同规定
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水轮机效率：水轮机的输出功率与输入功 率比值
水力效率:
水轮机效率还可表示为 容积效率:
机械效率：
效率也是水轮机的最重要 参数之一，越高越好。
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转速n：水轮机组每分钟转动的转数
• 对于大中型水轮发电机组，水轮机与发电机是 同轴运行的，所以它们的转速相同，并需要满 足同步转速的要求。
H 和 Q 称为水能两个基本要素。
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水体能量决定于流量和落差
水体具有的能量（功率）
–
差或水头），单位为m =1000kg/m3 。 – 为水的容重。 – Q 为单位时间里通过1-1断面的流量 （m3/s）。 – N w为水体所具有的作功能力（kg.m/s）。
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H12 为1-2断面水面降落的垂直高度（通常称为落
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水轮机出力决定于流量和工作水头
水体具有的能量（功率） （kg.m/s）
– 工程上常用“千瓦”或“马力”来表示， 1千瓦 =102kg.m/s
（千瓦）
– 水流给予水轮机的功率 – 水轮机输出功率（出力） – η为水轮机的效率
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• 能量转换特征：利用水流的势能、动能的比例。
• 转轮内水流特征：水流方向与主轴关系（垂直、 平行 、斜交）。
• 转轮的结构特征：桨叶固定、转动，转轮的高、 扁等。
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座环
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导水部件—导叶及其传动机构
• 导叶及传动机构
– 导叶的主要作用是根据机组负荷变化来调节水轮机流量以 改变水轮机出力，并引导水流按一定的方向进入转轮，形 成一定的速度矩。 – 包括的部件有：导叶、推拉杆、控制环、拐臂和连杆等
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导水部件—导叶及其传动机构
• 导叶及传动机构
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能量转换特征分类：反击式和冲击式
– 单位重量水体在转轮进、出口的能量之差：
– 可变换为
水流势能
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水流动能
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冲击式：只利用动能 反击式：既利用动能也利用势能
– 势能占总能量的比例 – 动能占总能量比例 – 水轮机利用的能量为水流势能和水流动能的总和 – 若Ep=0，Ec=1，这种利用水流动能的水轮机称为 冲击式水轮机 – 若0＜Ep<1，Ep＋Ev=1，这种同时利用水流动能 和势能的水轮机称为反击式水轮机
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工作部件—转轮是水轮机的核心
• 转轮
– 转轮是直接将水能转换为旋转的机械能的过流部件，它对 水轮机的性能、结构、尺寸等起着决定性的作用，是水轮 机的核心来自百度文库分。
三峡左案9号机组吊装
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泄水部件—尾水管断面沿程扩散
• 尾水管
– 尾水管除了引导转轮流出的水流泄入下游外，其主要的作 用是回收位能和动能，它对水轮机效率影响很大，特别是 对于低水头的情况。这部分内容后面详细论述
即 其中：f-电流频率；我国电网f=50Hz；p-发电机的 磁极对数。则：
磁极对数p
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同步转速n 1000 750 600 500 428.6 375 333.3 .....
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1.2 水轮机的主要类型
• 水轮机有各种类型的原因是什么？
• 水能利用的条件千差万别，最重要的特点是
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工作部件转轮有不同的形状
轴流式水轮机转轮
•轴流式水轮机的转轮是由轮毂、轮叶和泄水锥三部分组成。 在轮毂四周按悬臂方式安装轮叶，轮叶是扭曲面。边缘薄，根 部厚，外形类似螺旋桨。轮叶数目按工作水头大小而定，工作 水头较低，轮叶数较少；反之，较多。一般为3～8片
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水斗式水轮机主要由喷嘴、针阀、转轮和 折向器组成
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水轮机流量：水流在单位时间内通过水轮 机的水流体积
– 通常用Q表示，其单位为m3/s
– 水轮机 的引用流量主要随着水轮机的工作 水头和出力的变化而变化 – 在设计水头下水轮机以额定出力工作时其 过水流量最大
H和Q是水力发电的两大 要素， H大Q小也发不出 大量电， Q大H小也发不 出大量电
水轮机工作水头：单位重量水体通过水轮 机进出口断面的能量差值
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工作水头不是毛水头，而是净水头
为水电站上下游水位差，称为水电站毛水头 为水电站引水系统水头损失 为净水头即水轮机工作水头
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水轮机的工作水头是随上下游水位变 化而变化的
• 常选用几个特征水头来表示水轮机的运行 工况和运行范围，这些特征水头由水能计 算确定 （1）最大水头 H max （2）最小水头 H min （3）加权平均水头 H av （4）设计水头 H r
1－导叶；2－转轮； 3－发电机；4－灯泡 4
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反击式（Reaction Hydraulic Turbine）
through flow turbine
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冲击式（impulse turbine）
inclined jet turbine
crossflow turbine, Banki turbine
大中型电站立式机组一般采用弯肘型尾水管
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泄水部件—尾水管断面沿程扩散
2016/7/2
40
工作部件转轮有不同的形状
中高比转速混流式水轮机转轮
低比转速混流式水轮机转轮
•混流式水轮机转轮组成：轮叶、上冠、下环和泄水锥
•上冠的外形与圆台体相似，在其下端固定着泄水锥，用于引导水流顺利地形 成轴向流动，以消除顺利漩涡。轮叶的上端与上冠相固定，下端与下环相固 定。三者连成一个整体，叶片呈扭曲状，其断面为翼形，叶片数目通常是 10～20片，均匀分布在上冠与下环之间
为了研究问题的方便，工程上一般作如下假定： • 假定叶片无限多、无限薄。这样可以认为转 轮中的水流运动是均匀、轴对称的。显然在 此假定下，流线也就和骨线的形状完全一致。 （叶片翼形断面的中心线称为骨线） • 假定水流在进入转轮之前的运动是均匀的、 轴对称的。 • 假定水轮机在所研究的工况下保持稳定运行， 即水轮机的特征参数（H、Q、N、n）保持不 变，从而水流在水轮机各过流部件中的运动 均为恒定流动。 • 忽略水流的粘性：可认为这些流面之间是互 不干扰的。
导叶与导叶间的距离称为开度，开度的变化 导致流量变化，进而改变出力。导叶开度由 调速器控制。
小开度（小流量）
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大开度（大流量）
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工作部件—转轮是水轮机的核心
• 转轮
– 转轮是直接将水能转换为旋转的机械能的过流部件，它对 水轮机的性能、结构、尺寸等起着决定性的作用，是水轮 机的核心部分。
斜流式：斜向进流，斜向出流
diagonal flow turbine
1－蜗壳；2－导叶； 3－叶片；4－尾水管
1
2
3 可转动叶片
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反击式（Reaction Hydraulic Turbine）
贯流式：机组在流道中间，周围过水
through flow turbine bulb turbine 1
斜流式
贯流式
冲击式
水斗式（切击式） 斜击式 双击式 可逆式
混流式
轴流式
斜流式
贯流式
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反击式（Reaction Hydraulic Turbine）
混流式：幅向进流，轴向出流
radiaxial turbine，Francis turbine 1
4 2 3 5 1－主轴；2－叶片；3－导叶； 4－蜗壳；5－尾水管
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水轮机的主要工作参数
水轮机的主要工作参数有5个
水轮机出力 水轮机工作水头 水轮机流量 水轮机效率 水轮机转速
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水轮机出力：水轮机传给发电机的功率
• 水体能量扣除水轮机的能量损失 • 设在 t 时段内有W 的水体从1-1断面流过2-2断 面，因此，该段水体W 所提供的能量为：
水力发电系统组成：水电站建筑物、水力 机械、电器设备
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1
水力发电过程能量转换：水能—机械能— —电能
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2
本课程的主要内容
• 水电站是水利枢纽的一个重要组成部分，是利 用水力资源发电的场所，是建筑物、水、机、 电的综合体。
– 进水及引水建筑物（进水口、引水隧洞、压力管 道）——
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反击式（Reaction Hydraulic Turbine）
轴流式：轴向进流，轴向出流
axial flow turbine, Kaplan turbine
1 4 2 3 5 1－导叶；2－叶片；3－轮毂 4－蜗壳；5－尾水管
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反击式（Reaction Hydraulic Turbine）
冲击式
无蜗壳、无尾水管，利用 针阀调节流量
上、下游水位差扣掉引 水道中水头损失
大中型均为立轴，转轮 可装在下游水位以上或 以下
上游水位与喷嘴出口高程 差扣掉引水道中水头损失
立轴、卧轴均可，转轮必 须装在下游最高水位以上
混流 轴流 水斗 H=30-700m，H=3-80m H=100-2000m
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这些转轮分别是哪种水轮机的？
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1.4 水轮机的型号
• 水轮机的牌号就是水轮机的姓名，其目的是为了统一 产品规格，提高产品质量，便于选择使用。 • 表明水轮机性能有两个主要参数：转轮直径D1和水轮 机的比转速ns，所以在水轮机牌号上不仅要表明是什 么类型的水轮机，而且要表示它的转轮直径和比转速。 • 我国统一规定的水轮机牌号由三部分代号组成。
– 水轮机部分（能量转换的机械设备）—— – 水电站厂房（发电和配电：主厂房、副厂房、主变 压器、开关站）——
– 水锤、调压室（非恒定流动）——
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水轮机
水轮机和发电机连轴组成发电机组
发电机
水轮机
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水轮机—将水能转化为旋转机械能
发电机
水轮机
蜗壳:引水 导叶:调节流量 转轮:能量转换 尾水管:泄水
– 水头有高有低，高者水头上千米，低者数米
– 流量有大有小，大者几千立方米每秒，小者不到一 立方米每秒
• 各种水轮机型式的出现均是为了最大限度利用 水能 • Francis、Kaplan，Pelton等人发明了针对不 同水头的水轮机
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现代水轮机可按能量利用特征、水流特征、 转轮结构特征分类
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反击式：水流方向和流速大小受叶片约束 而改变,从而对叶片一个反作用力
混流式水轮机 （Francis）
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冲击式：转轮处在大气中，高速射流冲击 转轮
• 冲击式水轮机 （Pelton）
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水流特征、转轮结构特征和工作方式分类
混流式
轴流式 反击式 轴流定桨式 轴流转桨式
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1.5 水流在反击式水轮机中的运动
水流在转轮中的运动是三维复合运动
叶片表面：三维扭曲面 叶道：三维扭曲空间 转轮：绕主轴旋转 所以水流在反击式水轮机 转轮中的运动是一个复杂 的三维空间的复合运动
相对运动、牵连运动 和绝对运动
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分析水流在水轮机中的运动要作假定
• 喷嘴的作用是引导压力水流均匀流动，在喷嘴处收缩 转换为仅有动能的自由射流；针阀的作用是控制流量 的大小，适应出力大小的需要。
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水斗式水轮机的构造
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反击式和冲击式水轮机的差别
类型 项目 能量转换 构造特点 工作水头 布置方式 水头范围
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反击式 势能（主要）+动能 有蜗壳、尾水管，利用 导叶调节流量 动能
Pelton turbine
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各型水轮机适用不同水头范围对应不同转 轮形状
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1.3 水轮机的基本构造
• 反击式水轮机通常由四大部分组成
– 进水部件：蜗壳 和座环 – 导水部件：导叶及其传动机构 – 工作部件：转轮 – 泄水部件：尾水管
• 这四大部分对于不同类型的水轮机各不完 全相同，有着自身的特点
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引水部件—蜗壳和座环
• 蜗壳（和座环）
– 蜗壳的作用主要是使水流以较小的水力损失均匀对 称地流入转轮；座环起加强蜗壳的刚度并传递上部 结构力的作用。
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引水部件—蜗壳和座环
• 蜗壳（和座环）
– 蜗壳的作用主要是使水流以较小的水力损失均匀对 称地流入转轮；座环起加强蜗壳的刚度并传递上部 结构力的作用。
–第一部分代表水轮机类型和转轮型号； –第二部分表示水轮机主轴的布置型式及水轮机室特征； –第三部分表示水轮机转轮标称直径D1。
• 比如：HL240-LJ-140，即混流式，比转速ns=240，立 轴金属蜗壳，转轮直径D1=140cm。
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水轮机型号中标称直径对不同水轮机有不 同规定
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水轮机效率：水轮机的输出功率与输入功 率比值
水力效率:
水轮机效率还可表示为 容积效率:
机械效率：
效率也是水轮机的最重要 参数之一，越高越好。
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转速n：水轮机组每分钟转动的转数
• 对于大中型水轮发电机组，水轮机与发电机是 同轴运行的，所以它们的转速相同，并需要满 足同步转速的要求。
H 和 Q 称为水能两个基本要素。
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水体能量决定于流量和落差
水体具有的能量（功率）
–
差或水头），单位为m =1000kg/m3 。 – 为水的容重。 – Q 为单位时间里通过1-1断面的流量 （m3/s）。 – N w为水体所具有的作功能力（kg.m/s）。
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H12 为1-2断面水面降落的垂直高度（通常称为落
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水轮机出力决定于流量和工作水头
水体具有的能量（功率） （kg.m/s）
– 工程上常用“千瓦”或“马力”来表示， 1千瓦 =102kg.m/s
（千瓦）
– 水流给予水轮机的功率 – 水轮机输出功率（出力） – η为水轮机的效率
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