第二节 冲击式水轮机和反击式水轮机工作原理的异同点
水轮机的类型
二、冲击式水轮机
➢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。 ➢适用：水头高，流量小，多用于400m
以上，最高接近2000m。
运行中的冲击式水轮机
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。
水轮机主要类型
反击式水轮机 冲击式水轮机
水轮机主要类型：
水轮机
反击式 冲击式
混流式 轴流式 斜流式 贯流式
水斗式 双击式 斜击式
轴流定浆式
轴流转浆式
全贯流式
灯泡式
半贯流式
轴伸式
竖井式
一、反击式水轮机
➢ 定义：利用水流的势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。
➢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。
水
斗
式轮叶ຫໍສະໝຸດ 水轮机转
轮盘
轮
斜击式水轮机转轮
双击式水轮机转轮
（导叶开度、叶片角度)。适用于大型水电站。
轴流式水轮机
轴流转浆式水轮机转轮
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。
4. 贯流式：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
灯泡式水轮机组
1. 混流式
水轮机知识水轮机的主要类型及适用水头
水轮机的主要类型及适用水头水轮机是将水能转换成旋转机械能的一种水力原动机。
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1-4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，是应用最广泛的一种水轮机。
图1-4 混流式水轮机1—主轴；2—叶片；3—导叶2．轴流式水轮机如图1-5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1-5 轴流式水轮机1—导叶；2—叶片；3—轮毂3．斜流式水轮机如图1-6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。
因此，斜流式水轮机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。
水轮机专业基础知识问答(附参考答案)
水轮机专业基础知识问答（附参考答案）第一部分简答1什么叫水轮机?答:将水能转变为旋转机械能的水力原动机叫做水轮机。
2简述冲击式水轮机与反击式水轮机的区别。
答:工作原理方面:利用水流的势能与动能做功的水轮机为反击式水轮机;利用水流的动能做功的水轮机为冲击式水轮机；流动特征方面:反击式水轮机转轮流道有压,封闭,全周进水;冲击式水轮机转轮流道无压,开放,部分进水；结构特征方面也显著不同.如转轮的差别,有无喷嘴,尾水管。
3简述反击式水轮机的过流部件及其作用。
引水室:作用是引水流进入导水机构。
导水机构:作用是调节水轮机过流量,并使水流能按一定方向进入转轮。
转轮:将水流能量转换为固体旋转机械能量的部件。
尾水管:作用是将水流排下下游,并回收转轮出口的剩余动能。
4简述冲击式水轮机的主要部件喷嘴:水轮机自由射流的形成装置。
喷针:与喷嘴共同完成流量控制(以行程变化喷嘴控制喷嘴出口过流面积)。
转轮:由轮盘和轮盘外周均匀排列的水斗构成的组件,转换水流能量为固体旋转机械能。
折向器:自由射流流程内部件,可遮断射流,以防止转轮飞逸。
5简述我国关于水轮机标准直径的定义。
混流式:转轮叶片进水边上最大直径。
浆叶式(轴流式,斜流式,贯流式):浆叶转动轴线与转轮室相交处直径。
冲击式:射流中心线与转轮相切处节圆直径。
6简述水轮机主要工作参数工作水头H:水轮机的进口和出口处单位重量水流的能量差值。
流量Q:单位时间内通过水轮机的水流体积。
转速n:水轮机转轮单位时间内旋转的次数。
出力P:水轮机轴端输出的功率。
效率η:水轮机的输入与输出功率之比。
7简述水轮机中水流运动的分解水轮机流道内水流空间运动,可用若干个简单运动表示的方法就是其水流运动的分解。
例如转轮中水流运动,为水流质点绝对运动(或绝对速度),为水流质点沿叶片的相对运动(或相对速度),为水流质点随转轮所用的周向牵连运动(或牵连速度).其相应的矢量关系图即为速度三角形。
8简述水轮机工况的概念水轮机的运行状态或运行条件称为水轮机的工况.水轮机的不同工况相应一组不同的工作参数。
自编——《水电站》复习资料
《水电站》作业11、 水电站水能如何转化为电能的？（用框图表示）2、水电站是通过（水轮机）把水能变成旋转机械能，再通过（发电机）把机械能变成电能的。
3、水轮机的工作参数有（H ）、（Q ）、（N t ）、（n ）、（ηt ）等。
4、水轮机的工作水头是水轮机（进口）和（出口）单位重量水流的能量差值。
5、水轮机分为（反击式）和（冲击式）两大类。
（1）什么叫水轮机？答：将水能转变为旋转机械能的水力原动机叫做水轮机。
（2）冲击式水轮机与反击式水轮机的区别。
答：工作原理方面： 利用水流的势能与动能做功的水轮机为反击式水轮机；利用水流的动能做功的水轮机为冲击式水轮机。
流动特征方面： 反击式水轮机转轮流道有压、封闭、全周进水；冲击式水轮机转轮流道无压、开放、部分进水。
结构特征方面：转轮的差别，反击式水轮机转轮叶片的断面呈翼型形状。
由蜗壳、导水机构、转轮与尾水管形成封闭的流道；冲击式水轮机转轮叶片多呈斗叶状，有喷嘴。
6、反击式水轮机是靠（势能和动能）做功的，冲击式水轮机是靠（动能）做功的。
7、反击式水轮机的过流部件由（引水部件）、（导水部件）、（工作部件转轮）和（泄水部件）构成。
8、冲击式水轮机的主要部件有（喷嘴）、（折向器）、（转轮）、（机壳）等。
9、某水轮机在设计工况下蜗壳进口压力表读数为65⨯104p a ，压力表中心高程为887m ，压力表所在的钢管直径D=6m ，电站下游水位为884m ，水轮机流量Q=290m 3/s ，发电机功率N g =180MW ，取发电机效率ηg =0.97，试求水轮机的工作水头H 与水轮机效率ηt 。
（不计引水系统水头损失）。
解：取水轮机进口断面为蜗壳进口断面，水轮机出口断面为尾水管出口处下游断面。
g rv p z E v p 22111α++= 002++=z E d s m QD V 3.10614.329044221=⨯⨯==π g v p Z Z E E H d p 2211121αγ++-=-==8.923.109800106588488724⨯+⨯+-=74.7m 水轮机的出力0.97180N ηN g gt ===185.57（MW ）水流出力N w =9.8QH=9.81⨯290⨯74.7=212.51（MW ） 水轮机的效率873.051.21257.185===N N W TT η 10、我国对水轮机的型号是如何规定的？11、（座环）是水轮机的过流部件，又是水轮机的承重部件。
水轮机对比
水轮机特性选型比较水动能回收型冷却塔和冷却塔节能改造技术的核心是水轮机，水轮机的效率决定改造的成功与否，而影响水轮机效率的因素从水轮机选型、到工艺结构都对能改造的系统富余能量的有效利用起着决定性的作用。
1、水轮机的分类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。
A、冲击式水轮机工作原理：冲击式水轮机的转轮受到水流的冲击而旋转，有收缩喷嘴，能把水流能量转变为高速射流的动能，主要是动能的转换。
B、反击式水轮机工作原理：反击式水轮机内的转轮在水中受到水流的反作用力而旋转，工作过程中水流的势能和动能均有改变，主要是势能的转换。
冲击式水轮机（图片A）反击式水轮机（图片B）2、两种形式水轮机的能量比较A 、冲击式水轮机能量计算公式：22)(2121S Qm mV E ==对于冲击式水轮机而言，需尽可能减小管道面积以输出更多的能量。
对所有的冲击式水轮机而言进水口处都有明显的变径（如下图2），也就相当于在管道上增加了一个阀门，多消耗了一部分能量。
B 、反击式水轮机能量计算公式：P=ρg Q H对于反击式水轮机而言，需尽可能增加势能以输出更多的能量。
通过反击式水轮机的转轮来增加势能，满足输出功率要求，没有管道变径（如下图1），不存在额外的能量损耗。
对循环水系统而言，反击式水轮机高效率的利用系统中的流量和扬程提供的势能比冲击式水轮机减小管道面积获得更高动能更可取。
对工业循环水系统而言，额外增加阻力会减少水泵的输出流量。
所以对工业循环水系统而言，冲击式水轮机不可取。
3、两种形式水轮机的效率比较在反击式水轮机中，水流充满整个转轮流道，全部叶片同时受到水流的作用，所以在同样的水头下，转轮直径小于冲击式水轮机，最高效率也高于冲击式水轮机。
根据冷却塔节能技改所应用工业循环水系统的特性，利用循环水系统富余能菱电反击式混流水轮机（图1） 冲击式水轮机（图2）量驱动水轮机运转，在工业循环水中较小流量和较小压头的前提下，系统能量的有效利用是建立在水轮机高效率的基础上。
水轮机及讲解
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
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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水力发电过程能量转换：水能—机械能— —电能
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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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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
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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。
冲击式水轮机
第一节 切击式水轮机结构
贵州天生桥水电站
一、冲击式水轮机主要类型及其工作特点 二、冲击式水轮机和反击式水轮的异同点 三、切击式水轮机结构及主要工作部件
Hale Waihona Puke • 一、冲击式水轮机主要类型及其工作特点
• 冲击式水轮机是借助于特殊导水机构（喷管） 引出具有动能的自由射流，冲向转轮水斗，使 转轮旋转做功，从而完成将水能转换成机械能 的一种水力原动机。
第一章 绪论 第二章 水轮机的工作原理 第三章 水轮机的相似理论与模型试验 第四章 水轮机的空化与空蚀 第五章 反击式水轮机的结构 第六章 冲击式与贯流式水轮机 第七章 水轮机的特性曲线与选型设计 第八章 水轮机的运行与检修
第六章 冲击式与贯流式水轮机
第一节 切击式水轮机结构 第二节 贯流式水轮机结构
• 外调节机构 • 副喷嘴 • 机壳 • 排水坑渠
图6-4 卧式双喷嘴水轮机结构示意图 1-进水管；2-喷管；3-转轮；4-外调节机构；5-副喷嘴；6-机壳
• 三、切击式水轮机结构及主要工作部件
• （一）进水管
• 作用：引导水流，并将过机流量均匀分配给各喷管。
• 组成：水斗式水轮机的进水管均由直线段、肘管、分叉 管、环行收缩流道和导流体组成。多喷嘴水斗式水轮机 的进水管是一个具有极度弯曲和分叉的变断面输水管， 并在装有喷射机构的区域内设有导流体。
水轮机过流量较小，因而在一定水头和工作轮直径条件 下，冲击式水轮机的出力比较小。另外，充实水轮机的 转速相对比较低、出力小，导致了较低的比转速，故冲 击式水轮机适用于高水头小流量的场合。
• 三、切击式水轮机结构及主要工作部件
• 切击式水轮机是冲击式水轮机应用水头最高、容量最大 的一种机型。
• 主要结构部件有： • 进水管 • 喷管 • 转轮
反击式水轮机
反击式水轮机反击式水轮机（Counter-attack type water turbine）引言：水力发电是一种环保、可再生的能源，被广泛应用于发电行业。
水轮机作为水力发电的核心设备之一，不断进行改进和创新以提高发电效率和可靠性。
本文将介绍一种新型水轮机——反击式水轮机，它采用特殊的设计和工作原理，能够在不同水流条件下获得较好的发电效果。
一、反击式水轮机的工作原理反击式水轮机采用的是一种全新的工作原理，以反击式的方式将水流的动能转化为机械能并驱动发电机。
其基本构造包括水轮机叶片、反击式机构和发电机三部分。
1. 水轮机叶片：反击式水轮机的叶片采用独特设计，可以更好地适应不同水流条件下的工作。
其材料选择和叶片结构强化使得水轮机能够承受较高的水流冲击，并能有效转换水流的动能。
2. 反击式机构：反击式水轮机的核心组成部分是反击式机构，通过该机构可以将水流的动能转化为机械能。
当水流进入水轮机，水流的冲击力使得反击式机构受到反向压力，进而产生反击力。
这种反击力使得水轮机的转动更加平稳，有效利用水流的动能。
3. 发电机：反击式水轮机通过转动发电机发电。
发电机的工作原理是将机械能转化为电能。
水轮机通过反击式机构驱动发电机转动，产生电能供应给电网或存储设备。
二、反击式水轮机的优势1. 适应性强：由于反击式水轮机的叶片和机构设计独特，能够适应不同水流条件下的工作。
无论是水流的流速、流量或者水流的冲击力大小，反击式水轮机都可以保持较好的发电效果。
2. 效率高：反击式水轮机的工作原理使得转换水流的动能更加高效。
通过反击式机构的驱动，水轮机能够转动较为平稳，转换效率更高，从而提高发电效率。
3. 可靠性强：反击式水轮机在设计时考虑了水流冲击的特点，采用了适当的材料和结构强化，从而使得水轮机的耐久性更强。
其特殊的工作原理使得水轮机能够承受较大的冲击力，减少设备损坏的风险。
4. 维护成本低：反击式水轮机的结构相对简单，维护成本较低。
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第二节冲击式水轮机和反击式水轮机工作原理的异同点冲击式水轮机的工作原理与反击式水轮机相同点是，均是利用水流与转轮叶片的作用力和反作用力原理将水流能量传给转轮，使转轮旋转释放出机械能。
冲击式水轮机与反击式水轮机工作原理显著的不同点是：
1. 在冲击式水轮机中，喷管（相当于反击式水轮机的导水机构）的作用是：引导水流，调节流量，并将液体机械能转变为射流动能。
而反击式水轮机的导水机构，除引导水流，调节流量外，在转轮前形成一定的旋转水流，以满足不同比转速水轮机对转轮前环量的要求。
2. 在冲击式水轮机中，水流自喷嘴出口直至离开转轮的整个过程，始终在空气中进行。
则位于各部分的水流压力保持不变（均等于大气压力）。
它不像反击式水轮机那样，在导水机构、工作轮以及转轮后的流道中，水流压力是变化的。
故冲击式水轮机又称为无压水轮机，而反击式水轮机，称之为有压水轮机。
3. 在反击式水轮机中，由于各处水流压力不等，并且不等于大气压力。
故在导水机构、转轮及转轮后的区域内，均需有密闭的流道。
而在冲击式水轮机中，就不需要设置密闭的流道。
4. 反击式水轮机必须设置尾水管，以恢复压力，减小转轮出口动能损失和进一步利用转轮至下游水面之间的水流能量。
而冲击式水轮机，水流离开转轮时已流速很小，又通常处在大气压力下,因此它不需要尾水管。
从另一方面讲，由于没有尾水管，使冲击式水轮机比反击式水轮机少利用了转轮至下游水面之间的这部分水流能量。
5. 反击式水轮机的工作转轮淹没在水中工作，而冲击式水轮机的工作轮是暴露在大气中工作，仅部分水斗与射流接触，进行能量交换。
并且，为保证水轮机稳定运行和具有较高效率，工作轮水斗必须距下游水面有足够的距离（即足够的排水高度和通气高度）。
6. 在冲击式水轮机中，因工作轮内的水压力不变，故有可能将工作轮流道适当加宽，使水流紧贴转轮叶片正面，并由空气层把水流与叶片的背面隔开。
这样，可使水流不沿工作轮的整个圆周进入其内，而仅在一个或几个局部的地方，通过一个或几个喷嘴进入工作轮。
由于工作叶片流道仅对着某个喷嘴时被水充满，而当它转到下一个喷嘴之前，该叶片流道中的水已倾尽，故水流沿叶片流动不会发生紊乱。
7. 冲击式水轮机的工作轮仅部分过水，部分水斗工作，故水轮机过流量较小，因而在一定水头和工作轮直径条件下，冲击式水轮机的出力比较小。
另外，充实水轮机的转速相对比较低（这是由于转轮进口绝对速度大，圆周速度小）、出力小，导致了较低的比转速，故冲击式水轮机适用于高水头小流量的场合。