水轮机的类型构造及工作原理
水轮机的基本组成结构
水轮机一、水轮机的基本参数1)工作水头（H）:水轮机的工作水头就是指水轮机的进、出口单位能量差，也就是上游水位与下游水位之差，用H表示，其单位为m。
其大小表示水轮机利用水流单位能量的多少。
2)流量（Q）：在单位时间内流经水轮机的水量，称为流量，用Q表示，其单位为m³/s。
其大小表示水轮机利用水流能量的多少3)出力（P）：具有一定水头和流量的水流通过水轮机便做功，而在单位时间内所做的功率称为水轮机的出力，用P表示，其单位KW。
水轮机的出力为：P=9.81QH4）效率（η）目前混流式水轮机的最高效率95%P=9.81QHη5）比转速指工作水头H为1m、发出的功率P为1kw时水轮机所具有的转速，故称为比转速。
二、水轮机的类型与代号我们根据水流能量的转换的特征不同，把水轮机分为两大类，及反击型和冲击型水轮机。
反击型水轮机，具有一定位能的水流主要以压能的形态，由水轮机转变为机械能。
按其水流经过转轮的方向不同，反击型水轮机可分为以下几种类型：反击型：轴流（定桨、转桨）水轮机、混流式水轮机、贯流式水轮机、斜流式水轮机冲击型：水流不充满过流流道，而是在大气压力下工作，水流全部以动能形态由转轮变为机械能。
按射流冲击水斗的方式不同，可分为如下几种类型：冲击型：水斗式水轮机、斜击式水轮机、双击式水轮机我国水轮机式的代号，有三部分组成，第一部分由水轮机型式及转轮型号组成,并由汉语拼音表示。
水轮机型式的代号以本电站为例：水轮机型号：HL(247)—LJ—235，表示混流式水轮机，转轮型号为247，立轴，金属蜗壳，转轮直径为235㎝。
三、混流式水轮机1定义：水流从径向流入转轮，在转轮中改变方向后从轴向流出的水轮机。
其叶片固定，不能转动调节。
2 混流式水轮机 - 结构特点混流式水轮机主要应用于20—450米的中水头电厂，其结构紧凑，效率较高，能适应很宽的水头范围，是目前世界各国广泛采用的水轮机型式之一。
当水流经过这种水轮机工作轮时，它以辐向进入、轴向流出，所以也称为辐向轴流式水轮机。
水轮机结构及工作原理
水轮机结构及工作原理
水轮机是一种利用水流转动轮盘产生动力的机械装置，它可以将流体动能转化为机械能。
水轮机结构简单，主要由导流装置、转轮、出水装置和传动装置组成。
导流装置通常由水导管、导叶或导流管等构成，主要作用是引导水流进入转轮；转轮是水轮机的核心部件，通常由叶片和轮辐组成，它负责将水流的动能转化为机械能；出水装置用于将转轮后的水流排出；传动装置则将转轮的机械能传递给其他设备，如发电机或机械磨粉机等。
水轮机的工作原理基于液体在流动过程中所具有的动能和压力能。
当水流进入转轮时，叶片将水流的动能转化为转轮的旋转动能，然后通过传动装置将旋转动能传递出去。
在转轮内部，水流的压力能也会对转轮产生作用，进一步增加了转轮的驱动力。
水轮机的工作过程可以分为导流、冲击和排泄三个阶段。
在导流阶段，导流装置将水流引导进入转轮，并使其流向叶片；在冲击阶段，水流与叶片相互作用，使叶片受到冲击力，从而转动转轮；在排泄阶段，转轮后的水流通过出水装置被排出。
总之，水轮机通过利用水流动能和压力能的转化，将水流的动能转化为机械能，实现了能源的转换和利用。
水轮机具有结构简单、效率高等优点，在水力发电、水泵和机械加工等领域得到了广泛应用。
水轮机类型构造及工作原理培训课件课件(PPT36页)
我厂水轮机型号：HLA743-LJ-395
水轮机类型构造及工作原理培训课件( PPT36 页)管理 培训教 材财务 业务培 训绩效 管理PP T课件 人力资 源管理 培训
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三、水轮机结构简介
由于水轮机类型较多，这次培训主要讲述我厂的水轮机结构，总体来说水
轮机分为埋入部分、导水机构、转动部分、水导轴承、主轴密封、检修密封、
接力器及机组自动化等几个主要部件。
1、埋入部分
埋入部分由肘管、锥管、座环、蜗壳、机坑里衬等组成。
座环
机坑里衬
蜗壳 预留坑
基础环
尾水管里衬
埋设件安装
我厂的水轮机类型为混流式
混流式水轮机：混流式水轮机结构简单，运行可靠，效率高，应用于水 头范围宽阔，水流沿径向进入转轮而轴向流出转轮。与其他型式的水轮机相 比，当运行条件相同时，混流式的能量特性比水斗式好，面抗气蚀性能比轴 流式强，额定负荷时效率高。同时，它的结构简单，制造、安装方便，运转 可靠，因而得到广泛的应用。
水轮机类型、构造及工作原理
二〇一七年八月
目录
一
水轮机概述
二
水轮机分类及型号
三
水轮机结构
四
水轮机常见问题及分析
五
小结
1
一、水轮机概述
1、水力发电基本原理
水轮机获得旋转的机械能后带动发电机旋转，发电机便将旋转的机械能 转换成电能。
2 、水轮机的基本工作参数
当水流通过水轮机时，水流的能量被转换为水轮机转轮的机械能，就 把这一能量转换的过程的参数，来作为水轮机的基本工作参数。
水轮机原理及构造
水轮机原理及构造水轮机是一种将水流动能转化为机械能的能量转换装置。
它的工作原理基于动能守恒定律和能量守恒定律。
水轮机的构造主要包括水轮机轮盘、水轮机叶片、水轮机导叶和水轮机主轴等。
水轮机的工作原理：水轮机的工作原理是利用水流的冲击力和动能来推动轮盘旋转，从而进行能量转换。
具体来说，水轮机是利用流体在受力后产生的动量变化来实现动能转化的。
当水流经过水轮机叶片时，由于叶片形状和速度的变化，水流的动量发生了变化。
这个过程中，水流的动能减小，而叶片所受到的水流冲击力增加，从而推动轮盘旋转。
水流的动力作用可分为冲击力和剪力两部分，它们共同作用在叶片上，产生一个向环形斜盘中心方向的作用力，使其在金属皮带或摩擦轮的拉力下转动。
水轮机的构造：1.水轮机轮盘：水轮机轮盘是水轮机的主要部件，它可以分为定子轮盘和转子轮盘两部分。
定子轮盘通常是固定的，而转子轮盘则与主轴连接，并能转动。
轮盘的外形和材料选择需根据具体的工作条件和需求来确定。
2.水轮机叶片：水轮机叶片是位于轮盘上的一系列叶片，其形状和角度的设计对水轮机的性能具有很大的影响。
一般来说，叶片可以分为定叶和移动叶两种类型。
定叶是固定在轮盘上的，主要用于导向水流；移动叶则可以调整角度，用于控制水流的进入和出口。
叶片通常由耐磨和高强度的材料制成，如钢铁或铝合金。
3.水轮机导叶：水轮机导叶位于叶片和进水管道之间，用于引导水流进入叶片。
导叶的设计可根据水流的速度和压力来决定。
通常，导叶是可调角度的，通过调整导叶的角度，可以控制水流的流向和流速，从而实现对水轮机的调节。
4.水轮机主轴：水轮机主轴是连接轮盘和发电机或其他设备的中心轴。
它负责传输轮盘旋转产生的机械能，使之转化成用于发电或其他工作的机械能。
主轴的设计需考虑到承载能力、刚度和传动效率等要素。
除了以上主要构造部件外，水轮机还包括导叶机构、轴承、机壳和冷却系统等辅助部件。
导叶机构通常是由液压或电动设备控制，用于调节导叶的角度。
水轮机的类型构造及工作原理
水轮机的类型构造及工作原理
水轮机是一种将水流动能转化为机械能的机器，广泛应用于水力发电、灌溉、排水等领域。
根据水轮机的构造和工作原理，可以将其分为以下几种类型：
一、依据水轮机叶轮的类型：
1. 低扬程水轮机：叶轮为平板或斜板叶轮，适用于水头较低的场合。
2. 中扬程水轮机：叶轮为斜流叶轮或混流叶轮，适用于水头较中等的场合。
3. 高扬程水轮机：叶轮为反曲叶轮或轴流叶轮，适用于水头较高的场合。
二、依据水轮机的布置方式：
1. 水平轴水轮机：水流与水轮机轴线平行，叶轮通常为轴流叶轮或混流叶轮。
2. 垂直轴水轮机：水流与水轮机轴线垂直，叶轮通常为斜流叶轮或反曲叶轮。
三、依据水轮机的进水方式：
1. 直径式水轮机：水流直接冲击叶轮，叶轮中心为进水口。
2. 斜流式水轮机：水流斜向冲击叶轮，叶轮中心为进水口。
3. 轴流式水轮机：水流沿轴线方向进入叶轮，叶轮中心为进水口。
水轮机的工作原理是利用水流的动能将叶轮带动旋转，从而将水流动能转化为机械能。
水流经过进水口进入叶轮，叶片将水流的动能转化为叶轮的旋转动能，然后通过轴传递到发电机或其他机械设备上。
水轮机的效率取决于水头、流量、叶轮类型和转速等因素，通常可达到70%以上。
总之，水轮机是一种重要的水力发电设备，其类型和工作原理的了解对于水力发电和水资源利用具有重要的意义。
混流式、切击式水轮机的结构及工作原理
混流式、切击式水轮机的结构及工作原理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。
(河海大学)水轮机类型、构造及工作原理_水电站
第七页，共83页。
第二节 水轮机的工作参数
参数：水头、流量、功率、效率、转速等
一、水头 Head
EUZUEDpUEZ AD U 2VZ pgU2A DpA D 2V gD 2A 2VgA 2
第八页，共83页。
第二节 水轮机的工作参数
效率 N 100%
N入
N N入 9.81QH (kw)
第二十四页，共83页。
第三节 水轮机的主要类型及其构造
混流式水轮 机的基本构
造
蜗壳 spiral case 座环环 ssttaayyrriningg
导水机构 Distributor 转轮 runner
尾水管 draft tube
第二十五页，共83页。
第三节 水轮机的主要类型及其构造
组成：上环、下环及支柱组成。 作用：支承水轮发电机组的重量及蜗壳上部部
叶片的安放角φ： 一般在-15°~+20° 之间，φ＞0°叶 片往开启方向转动， φ＜0°反之。
安放角
第三十九页，共83页。
轴流式水轮机的特点
第三节 水轮机的主要类型及其构造
3
4
5
叶片转动的操作 机构安装在轮毂 内
轮毂比（轮毂直 径dg 与转轮直 径 D1 的比值）：
0.33~0.55
水轮机转轮室 内壁经常承受很 大的脉动水压力。
第四十五页，共83页。
第三节 水轮机的主要类型及其构造
二、冲击式水轮机 Impulse turbine
水流特征：水流以自由射流的水柱冲击转轮，利用水流动 能使转轮旋转。
型式：
水斗式（Pelton Turbine ）
双击式（ Cross flow turbine） 斜击式（Turgo turbine）
水轮机的类型构造及工作原理
水轮机的类型构造及工作原理水轮机是一种将水流动能转化为机械能的装置，广泛应用于水利发电、抽水、供水等领域。
根据不同的工作原理和构造方式，水轮机可以分为以下几种类型：1. 蓄能式水轮机（Impulse Water Turbine）：蓄能式水轮机通过高速水流冲击叶轮上的叶片，将水流的动能转化为叶轮的动能，再通过机械传动将动能转化为机械能。
蓄能式水轮机可以进一步分为斯奈尔逊水轮机、佩尔顿水轮机和弧翻水轮机等。
斯奈尔逊水轮机（Pelton Turbine）：斯奈尔逊水轮机是一种利用高速喷射水流冲击叶片的水轮机。
当高速的水流经过喷射管，喷射口处有一个喷嘴，水流经过喷嘴变为高速的射流，射流喷向叶轮上的叶片，冲击叶片使其转动。
斯奈尔逊水轮机主要适用于高水头和小流量的水力发电站。
佩尔顿水轮机（Turgo Turbine）：佩尔顿水轮机是斯奈尔逊水轮机的改进型，喷口由一个切割型孔道和一个喷射皮供水孔组成，通过设计孔道形状和取适当的工作压力，充分利用水力能量，使得佩尔顿水轮机相对效率高，适用于中、小型水力发电站。
弧翻水轮机（Cross-Flow Turbine）：弧翻水轮机是一种垂直轴流式水轮机，水流经过顶部的导水管流入导水槽，然后通过导叶导入叶轮，流经叶轮后再通过弧翻装置流出。
弧翻水轮机适用于较低水头和大流量的水力发电站。
2. 反作用式水轮机（Reaction Water Turbine）：反作用式水轮机是通过水流对叶轮叶片的冲击和流经叶轮的作用力来驱动叶轮旋转的水轮机。
反作用式水轮机可以进一步分为法兰西斯水轮机、咆哮水轮机、半径式水轮机等。
法兰西斯水轮机（Francis Turbine）：法兰西斯水轮机是一种水流流过叶轮两侧的轴流水轮机，水流首先流经导叶，然后分流流经叶轮两侧，冲击叶片使其旋转。
法兰西斯水轮机适用于中、高水头和大流量的水力发电站。
咆哮水轮机（Kaplan Turbine）：咆哮水轮机是一种可调桨叶片的轴流水轮机，叶轮上的桨叶可以根据水流条件的不同调节叶片角度，以适应不同的工况。
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2、冲击式水轮机：主要利用水流的动能做功的水轮机。 冲击式水轮机按射流冲击转轮的方式不同分为水斗式、斜击式
和双击式。
四川农业大学水建系
一、反击式水轮机 (reaction water turbine)
定义：利用水流的势能和动能做功的水轮机称为 反击式水轮机。
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，积水流 充满转轮室。
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。
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水流在反击式水轮机转轮中的运动
视频
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混流式水轮机
在转轮区内水流径向流入转轮，轴向流出。视频1
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座环（Stay ring）
组成：位于导叶的外围。由上、下环和立柱组成。 功用：支撑件和安装基准件。 ①承受发电机组轴向荷载
并传到下部基础； ②支承活动导叶；③使水流以一定方 向、轴对称进入导水机构 断面设计：流线形，保证强度、刚度。数目为活动导叶 的一半。
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4. 安装基准件 机组安装过程中起基础作用的部件，其余零部件依据它为准安装， 或者直接安装其上，机组的安装质量很大程度决定于基准件安装的 精度。 注意：不同型式的机组，其安装基准件不同
水头 40—80m
60—130m
120—200m
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贯流式水轮机
水流特点：转轮区水流轴向流入，轴向流出； 结构特点：水轮机主轴装置成水平或倾斜（卧式布置）；
不设蜗壳，水流直贯转轮；
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贯流式
特点：水轮机的主轴装置成水平或倾斜。 不设蜗壳，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。
水头为3-80米
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斜流式水轮机
转轮区水流斜向流入，斜向流出。视频3
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斜流式水轮机
适用范围：适用于水头变幅大的电站，一般用于40-200m水头范围 特点：水流经过转轮时是斜向的。转轮叶片随工况变化而转动，
运行效率高，强度高，气蚀性好，但制造工艺复杂 技术要求高。
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冲击式水轮机
水斗式：喷嘴出来的射流沿圆周切线方向冲击转轮上的水 斗作功。视频4
斜击式：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。
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冲击式水轮机
类型： (1)水斗式：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。适用于负荷变化大而 水头变幅不大的电站。 它是唯一运用于水头在700米以上的水轮机。适用H： 100~2000m；使用最广泛（高水头，小流量）
发电机
天然水能
可利用水能
旋转机械能
电能
视频
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水能
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河段水流的出力
N
E
t
rwH
12
1
tLeabharlann rQH12从这个式子可以看出：
水头和流量是构成水能的两个基本要素，它们是水
电站动力特性的重要特征。
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水轮发电机组
水轮机是将水能转变
水
为旋转机械能，从而带
轮
动发电机发出电能的一
Hmin=Z死—Z下max—hA-B
Z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。
设计水头(计算水头)Hr
水轮机发额定出力时的最小水头，一般由设计者根据电站情况确
定。
平均水头:
Ha=Z上a—Z下a
即上下游平均水位差。
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流量
单位时间内通过水轮机的水量Q(m3/s)。 Q=f(H，N)，Q随H、N的变化而变化，H、N一定时，Q也一定。 设计流量Qr：当H=Hr、N=N额时的最大流量。
转速
转速：水轮机转轮在单位时间内的旋转次数。r/min 额定转速n：一般我国所用的电流频率为50赫兹，所以在正常 情况下机组的转速保持为固定转速，该转速称为额定转速，并 与发电的同步转速相等。 发电机的同步转速=水轮机的额定转速=机组的额定转速
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工作水头（净水头）
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。
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最大工作水头Hmax：
Hmax=Z正—Z下min—hA-B
Z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Hmin:
世界上最高水头的混流式可逆水轮机装于南斯拉夫巴伊 纳巴什塔电站,水头为600.3米，水泵扬程为623.1米， 单机功率为315兆瓦。
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总结：水轮机的分类
利用水流的势能和动能进行工作；
转轮完全淹没在密闭的水体中。
混流式
轴流定浆式
水轮机
反击式
轴流式 斜流式 贯流式
轴流转浆式
全贯流式
灯泡式
动发电机发电，这种发电方式就称为水力发电。
2、水力发电的转换原理
在天然河流上，修建水工建筑物，集中水头，通过一定的流量将 “载能水”输送到水轮机中，使水能→旋转机械能→带动发电机组 发电→输电线路→用户。
天然水流
可用水能
旋转机械能
电能
水工建筑 和设备
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水轮机
水轮发电机
建筑物和设备
水轮机
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水流流动方向
上游水库
压力水管
水机构（导叶） 转轮
蜗壳
座环
导
尾水管
下游。
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蜗 壳 (Volute)
(一) 功用 使水流产生圆周运动，并引导水流均匀、轴对称 地进入座环。设置在尾水管末端。
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蜗 壳 (Volute)
(二) 型式 金属蜗壳和混凝土蜗壳。
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工作水头(working head)
1、 水电站的毛水头(静水头)
Hg=Z上-Z下
2 、水轮机的工作水头(净水头) H=Hg - hA-B (即毛水头 - 水头损失=净水头) hA-B：水电站引水建筑物中的水力损失
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。
发
种机械。
电
水轮机与发电机联接
机
组
成的整体称为水轮发电
机组。
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第一节 水轮机主要类型
一、水轮机定义 水轮机是将水能转换成轴的旋转机械能的水力机械。能量转换
是借助转轮叶片与水流的相互作用来实现。
二、分类 按水流能量的转换特征分为反击式和冲击式水轮机。
1）反击式水轮机：利用水流的势能和动能做功的水轮机。 反击式水轮机按转轮区水流相对于主轴方向的不同分为混流式、
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导水机构（distributor ）
组成：导叶和传动机构。 导叶：导水机构的主体，由导叶体和导叶轴两部分组成。 上下端分别固定在底环和顶盖上，为流线形。 传动机构：由控制环、连杆、转臂三部分组成，用于传递 接力器操作力矩，使导叶转动，改变导叶开度以改变流量。 导叶转动是通过调速器和接力器来实现的。
轴对称进入导水机构； ②形成一定速度环量。 (2) 导水机构（导叶及控制设备)：调节流量、形成环量、控
制工况。 (3) 转轮（工作核心)：能量转换，决定水轮机的尺寸、性能、
结构。 (4) 泄水机构(尾水管)：回收能量、排水至下游。
此外还有主轴、轴承等非过流部件。
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反击式水轮机的主要构造
(2)斜击式：H：25-300m 斜击、双击水轮机构造简 单，效率低
(3)双击式：H：5-80m。 多用于小型电站。
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水斗式水轮机转轮
轮叶
轮盘
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可逆式水轮机
可逆式水轮机：又称水泵水轮机、发电电动机。它既可 作水轮机运行，又可作水泵运行，主要用于抽水蓄能电 站。可逆式水轮机也分为混流式、斜流式和轴流式3 种。其中以混流式应用最广,因为它的应用水头范围广 （30～600米）。
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出力
1、水流出力N N=9.81QHg
2、水轮机输入功率 (通过水轮机的水流出力) 水流传给水轮机的能量 Nw QH 9.81QH
3、水轮机输出功率（水轮机出力） η N=Nw× t
4、机组出力(单机容量)
机组的最大出力
Ng 9.81QH t g
5、水电站装机容量
水电站发出的最大出力,是各台机组容量的总和
半贯流式 轴伸式
冲击式
水斗式 双击式
竖井式
利用水流的动能进行工作 斜击式
四转川轮农业露大在学空水气建系中。
小结
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第二节 水轮机的工作参数
1、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。 2、水轮机的基本工作参数主要有水头、流量、转速、出 力、效率。
混流式水轮机
适用范围：H=20-700 m , 单机容量：几万kW-几十万kW 优点：适用范围广，结构简单，运行稳定，效率高，适用于高
水头小流量电站。 （能适应很宽的水头范围。是目前应用最广泛的水轮机之一）
四川农业大学水建系