水轮机复习知识要点总结

水轮机原理及水力设计

第一章

1、 水轮机是一种将河流种蕴藏的水能转换成旋转机械能的原动机，水流流过水轮机时，通过主轴带动

发电机或者发电机的转子将旋转的机械能转换成电能。

2、 反击式水轮机转轮区内的水流在通过转轮叶片通道时，始终是连续充满整个转轮的有压流动，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。

3、 反击式水轮机包括：混流式水轮机：水流从四周沿径向进入转轮，然后近似的以轴向流出转轮，应用 水头范围较广，约为20~700m ，水头较高。

轴流式水轮机：水流在导叶和转轮之间由径向流动变为轴向流动，而在转轮

区

水流保持轴向流动，其应用水头约为3~80m ，适用水头较低，根据其转轮叶片在运行中能否转动，可以分为轴流定浆式和轴流转浆式两种。

斜流式水轮机：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 。

贯流式水轮机：根据其发电装置形式不同，分为全贯流式和半贯流式两类。

4、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，该射流冲击水轮机的部分轮叶，并在轮叶的约束下发生流速大小和方向的急剧改变，从而将其动能大部分传递给轮叶，驱动轮叶旋转。

5、冲击式水轮机按射流冲击转轮方式的不同分为：水斗式水轮机、斜击式水轮机、双击式水轮机三种。

6、水头H ：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 。

7、各种水头：（1）最大水头：H max ，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 性影响。

（2）最小水头H mim ，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H a ：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H r ：是水轮机发出额定出力时所需要的最小净水头。

8、流量： 水轮机的流量是指单位时间内通过水轮机某一过流断面的水流体积，常用符号Q 表示，常用

单

位为m/s 。在设计水头下，水轮机以额定转速、额定出力时所对应的水流量常委设计流量。

9、出力P:水轮机出力是水轮机轴端输出的功率，常用符号P 表示，常用单位为KW 。

10、水流的出力：P n =γQH=9.81QH(KW) 水轮机的效率：n

t P P =η由于水轮机在总做中存在能量耗损所以水轮机的出力P 总是小于水流的出力P n ，其效率总是小于1.

水轮机的出力P=P n ηt =9.81OH ηt (KW) 或者是P=M 60

n 2πωM = 其中ω是水轮机的旋转速度，rad/s ；M 是水轮机主轴输出的旋转力矩，N.m ；n 是水轮机转速，r/min 。

11、水轮机型号：①HL220—LJ —250，表示转轮型号为220的混流式水轮机，立轴，金属蜗壳，转轮直

径为250cm 。

②ZZ560—LH —500，表示转轮型号为560的轴流转浆式水轮机，立轴，混凝土蜗壳，

转轮直径为500cm 。

③GD600—WP —300，表示型号为600的贯流定浆式水轮机，卧轴、灯泡式引水，转轮

直径为300cm 。

④2CJ —20W —120/2×10，表示转轮型号为20的水斗式水轮机，一根轴上装有两个转轮，卧轴，转轮直径为120cm ，每个转轮有两个喷嘴，射流直径为20cm 。

11、水轮机的装置形式：指水轮机主轴的不知形式与引水室形式相结合的总体。

①反击式水轮机的装置形式：大型机组采用立轴布置形式，水轮机轴与发电机轴直接连接；中高水

头混流式机组，采用立轴，金属蜗壳，弯肘形尾水管；中低水头混流式机组和轴流式机组采用立轴，混凝土蜗壳，弯肘形尾水管。

②冲击式水轮机的装置形式:斜击式和双击式水轮机由于机组容量小，一般都采用卧轴装置型式，

切击式水轮机由于机组容量范围较大，因此装置形式有立式也有卧式，大容量机组一般是立式，小容量机组是卧式。

第二章

1、径面：取纸平面为辐角o 0=θ的起始面，任意θ角的r 轴和z 轴构成的平面称为经面或径面，常以m

表示。

轴面：o 0=θ和θ=o 180的径面称为轴面。

轴面投影：转轮叶片是空间扭曲面，常将其投影到轴面上，得到的投影为轴面投影。

2、水流在转轮中的运动：水流进入转轮中的流动是一种复合运动。水流质点沿叶片的运动称为相对运

动，相应的速度称为相对速度，用符号W 表示；水流质点随转轮的旋转运动称为牵连运动，相应的速度称为牵连速度，用符号U 表示；水流质点对大地的运动称为绝对运动，相应的速度称为绝对速度，用符号V 表示。V =U +W 。

3、动量矩定理：单位时间内水流质量对水轮机主轴的动量矩变化应等于作用在该质量上全部外力对同

一轴的力矩总和。只有圆周速度V U 作功，作用在水流质量上的外力矩只有转轮叶片对水流的作用力产生力矩。（g s ω

η=H V U1r 1-V U2r 2） =s ηH g 2g 2g 2212122212221W W U U V V -+-+-，速度矩的变化是转轮作功的主要依据。转轮的输出功率主要决定于转轮进口与出口的速度环量变化。

4、水轮机的效率：水轮机输出功率与水流输入功率之比称为水轮机的效率，常用η表示

水轮机总效率是由水力效率、容积效率和机械效率组成：

①水力效率：水轮机的水力效率是有效水头与工作水头的比值H H ∑-=h

s η

②容积效率：在水轮机的运行过程中有一小部分流量∑q 从水轮机的固定部件与旋转部件之间的间

隙中漏出，这部分流量没有对转轮作功，所以称为容积损失,Q q

-Q v ∑=η

③机械效率：在扣除水力损失和容积损失之后，便可得出水流作用在转轮上的有效功率

∑∑=--=v s e 9.81h .(q 9.81ηηQH H Q P ））（机械效率e j

e -j P P P ?=η水轮机的输出功率

j e j e P -η=?=P P P 水轮机的总效率为j v s ηηηη=故ηQH P 81.9=

5、 在水轮机的各种水利损失中水利损失是主要的，容积损失和机械损失都比较小而且基本上是一定值，因而提高水轮机的效率主要是提高其水力效率。

6、 无撞击进口工况：在某一工况下，在转轮进口速度三角形中，水流相对速度W 1的方向角1β与转轮叶片的进口角e1β相同，即1β=e1β，则水流平顺的进入转轮而不发生撞击和脱流现象，叶片进口水力损失小从而也提高了水轮机的水力效率，此工况称为无撞击进口工况。

7、 法向出口工况：在某一工况下，在转轮出口速度三角形里，水流绝对速度2V 的方向角o 290=α，即2V 垂直于2U 时，002u2=Γ=，V ，水流离开转轮后没有旋转并沿尾水管流出，不产生涡流现象，从而提高

了水轮机的水力效率，次工况称为法向出口工况。

8、 最优工况：当水轮机在1β=e1β，o 290=α的工况下工作时，则水流在转轮进口无撞击损失，出口无涡流损失，此时水轮机的效率最高，称为水轮机的最优工况。

9、 水斗叶片的出水角02=β，射流在斗叶上进出口的转向为180度，并且转轮的圆周速度U 等于射流速度V 0的一半时，则水斗式水轮机的水力效率或出力最大。

10、 水斗式水轮机中的能量损失主要包括喷嘴将水流的压能转变为动能，以及在转轮中射流的动能转变为主轴旋转机械能的过程中的损失，另外还有水流在转轮出口的能量损失：

①喷嘴损失：包括水流在喷管中的沿程水头损失和局部转弯、断面变化（与喷针的行程变化有

关）和分流等损失，还包括射流的收缩和在空气中的阻力损失。合理的喷嘴 效率H

V g 220可达95%到98%。 ②斗叶损失：1.进口撞击损失2.摩擦损失3.出口损失

③容积损失

④机械损失：除了主轴在轴承中的机械摩擦损失外尚应包括转轮在转动时的风阻损失。

第三章

1、空化现象：当液体温度一定时，降低压力到某一临界压力时，液体也会汽化或溶解于液体中的空气发育形成空穴，这种现象称为空化。空化过程可以发生在液体内部，也可以发生在固定边界上。

2、空蚀现象：空蚀是指由于空泡的溃灭，引起过流表面的材料损坏。在空泡溃灭过程中伴随着机械、电化、热力、化学等过程的作用。

3、空化和空蚀的关系：空化是空蚀的直接后果，先空化后空蚀，空化可以发生在液体内部，也可以发生在固定边界上，空蚀只发生在固定边界上。

4、空蚀对金属材料表面的侵蚀破坏有机械作用、化学作用和电化作用三种，以机械作用为主。

5、空化空蚀随水轮机的影响：

①破坏水轮机的过流部件，如导叶、转轮、转轮室、上下止漏环及尾水管。

②降低水轮机的出力和效率，因为空化和空蚀会破坏水流的正常运行规律和能量转换规律，并会增加水流的漏损和水力损失。

③空化和空蚀严重时，可能是机组产生强烈的振动、噪音及负荷波动，导致机组不能安全稳定运行。 ④缩短了机组的检修周期，增加了检修的复杂性。空化和空蚀检修不仅耗用大量钢材，而且延长工期，影响电力生产。

6、水轮机为何产生空化空蚀？

水轮机的工作介质是液体，液体的致电并不像固体那样围绕固定位置振动，而是质点的位置迁移较容易发生，对于某一温度的水，当压力下降到某一汽化压力时，水就开始产生汽化现象。通过水轮机的水流，如果在某些地方流速增高了，根据水力学的能量方程可知，必然引起该处的局部压力降低，如果该处水流速度增加很大，以致使压力降低到在该水温下的汽化压力时，则此低压区的水开始汽化，便会产生气蚀。

7、水轮机空化与空蚀的类型：

①翼型空化和空蚀：混流式水轮机主要可能发生在叶片背面下半部出水边、叶片背面与下环靠近处。下环立面内侧、转轮叶片背面与上冠交界处；轴流式水轮机主要发生在叶片背面的出水边和叶片与轮毂的连接处附近。

②间隙空化和空蚀：主要发生在混流式水轮机转轮上、下迷宫环间隙处，轴流转浆式水轮机叶片外缘与转轮室的间隙处，叶片根部与轮毂间隙处，以及导水叶端面间隙处。

③局部空化和空蚀：转浆式水轮机的局部空化空蚀一般发生在转轮室连接的不光滑台阶处或局部凹坑处的后方，还可能发生在叶片固定螺钉及密封螺钉处；混流式水轮机发生在转轮上冠泄水孔后。

④空腔空化和空蚀：一般发生在反击式水轮机的尾水管处。

8、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，既要效率高，又要充分利用水能，又要空化系数小，是水轮机在运行中不易发生气蚀破坏。

9、动力真空和静力真空：

①动力真空a k 222k 22v h -2g

-g 2h =+=W W V （不要求记忆）动力真空值由水轮机的转轮和尾水管所形成，它与水轮机各流速水头、转轮叶片和尾水管聚合形状有关，及与水轮机结构及运行工况有关。

②静力真空：静力真空a k s -Z Z H =又称为吸出高度，它与水轮机安装高程有关，取决与转轮相对与下游水面的装置高度，而与水轮机形式无关。

11、 吸出高度的计算公式：H H ）（σσ?+?≤m -900

-10.0s 或者H K H m s -900

-10.0σσ?≤ 12、各种不同型式水轮机的吸出高度：Page61图（可能考的画图题）

13、吸出高度与安装高度的关系： ①立轴混流式水轮机2

b o

s w ++?=?H ② 立轴轴流式水轮机1s w XD H ++?=? 式中w ?—尾水位，m o b —导叶高度，m 式中—D 1转轮直径，X —轴流式水轮机结构高度系数 ③卧式反击式水轮机：2

-1s w D H +?=?确定水轮机安装高程的水位通常为设计尾水位。 14、水轮机抗空化与空蚀的措施：

①改善水轮机的水力设计：改进尾水管及转轮上冠的设计能有效减轻空腔空化，提高运行稳定性，主要是加长尾水管的直锥管部分和加大扩散角，加长转轮的泄水锥；水轮机选型设计时要合理确定水轮机的吸出高度s H 、水轮机的比转速s n 、空化系数o σ。

②提高加工工艺水平，采用抗蚀材料：转轮叶片铸造与加工后的线性，应尽量能与设计模型图一致保证原型与模型水轮机相似；采用优良的抗蚀材料或增加材料的抗蚀性和过流表面采用保护层，一般不锈钢比碳钢抗空化性能优越。

③改善运行条件并采用适当的运行措施：合理拟定水电厂的运行方式，要尽量保持机组在最优工况区运行，以避免发生空化和空蚀。对于空化严重的运行工况区域应尽量避开，以保证水轮机的稳定运行，在非设计工况下运行时，可采用转轮下部补气的方法，对破坏空腔空化空蚀，减轻空化空蚀振动有一定作用，目前中小型机组厂采用自然补气和和强制补气两种方法，自然补气包括主轴中心孔补气和尾水管补气。

第四章

1、水轮机系列：水轮机原型可以按比例缩小为模型，如果取不同的比例，则可得若干个尺寸不同的水

轮机模型。所有这些模型尺寸大小不同，但过流部件几何形状相似，即水轮机的相应尺寸大小不等，但成同一比列，这样得到的一系列水轮机称为水轮机系列。

2、研究同系列水轮机的几何尺寸及特性参数间相似关系的理论，或者说，研究模型与原型相似关系的

理论，称为水轮机的相似理论。

3、相似条件：①几何相似：主要是指两个水轮机过留部分几何形状与表面糙度相同，并且一切相应的线性尺寸成比例。

②运动相似：是指两个水轮机所形成的液流相应点处的速度同名者方向相同，大小成比例，相应的夹角相等，或者说相应点处的速度三角形相似。

③动力相似：是指两个水轮机所形成的液流中各相应点所受的力，数量相同、名称相同，且同名力方向一致，大小成比例。

4、单位参数：为了比较时有一个统一的标准，通常规定把模型试验成果都同意换算到转轮直径D 1=1m ，有效水头1m S =ηH 时的水轮机参数，这种参数被称为单位参数。单位参数有单位转速n 11、单位流量Q 11

和单位出力P 11。

H D 1

*11n n = H D Q

Q ?2111= 2/32111H

D N N = 5、000M T ηηη-=? 0ηηη?+=M T

6、水轮机的比转速：对于统一系列的水轮机，在相似工况下其n 11和P 11均为常数，因此，1111n P =常数，这个常数就称为水轮机的比转速，常用n s 表示，即是4

/5S n n H P =（比转速高低水头，比转速低高水头）s n 是一个重要的综合参数，它代表统一系列水轮机在相似工况下运行的综合性能，常规定采用设计工况或者是最优工况下的比转速作为水轮机分类的特征参数。现代各型水轮机的比转速范围约为：

水斗式 s n =10—70 混流式s n =200—450 斜流式s n =60—350

轴流式 s n =400—900 贯流式s n =600—1100 空化系数与比转速的关系：20000

30n 1.8s ）（+=σ比转速增加空化系数增加，从材料强度与抗空化性能条件着眼，在一定的水头段只能采用对应合适比转速的水轮机，转轮进、出口直径比2

1D D 随比转速s n 的增加而减小，比转速不同转轮样式也不同。

7、水轮机的飞逸转速：水轮机发电组在正常情况下总是以额定转度运行。这时水轮机的转动力矩和发电机的电磁力矩是平衡的。如果外界负荷突然丢掉，调速机构失灵，导水机构又不能及时关闭时，由于输出的电磁力矩为零，因而输入的水流转动力矩除了少部分消耗与机械损失外，其余大部分就使机组转速急剧增高，并达到某一最大转速，这时的运行工况称为飞逸工况，这是的最大转速称为飞逸转速。水轮机飞逸转速的大小与水轮机的飞逸特性有关，而飞逸特性一般用单位飞逸转速R 11n 表示，按转速相似公式换算出相应的单位飞逸转速： H D R R 1

11n n = 1max 11R n n D H R =(r/min)

8、防飞逸措施主要有哪些？

答：设置快速阀门、增设事故配压阀、对转浆式水轮机、增大叶片转角，从而降低飞逸转速、

制动叶片、导叶自关闭。

第五章

1、水轮机的线型特性曲线：水轮机各参数之间的相互关系比较复杂，为了明确某些参数之间的关系，有时需要把一些参数固定，而单独考虑某两个参数之间的关系，这种表示某两个参数之间的关系的特性，是一元函数的关系，这种曲线成为水轮机的线型特性曲线。

2、水轮机的特性曲线：水轮机的特性曲线用于表达水轮机不同工况下对水流的能量转换、空化等方面的树立性能、力特性及其他性能。

3、水轮机的综合特性曲线:当需要综合考虑水轮机的个参数之间的相互关系时，需把表示水轮机各种性能的曲线绘于同一图上，这种曲线称为水轮机的综合特性曲线。

4、模型综合特性曲线：以单位参数1111n Q 、为纵、横坐标轴的特性曲线称为模型综合特性曲线。

5、以工作参数H 、P 为纵、横坐标的特性曲线称为运转综合特性曲线。

6、 水轮机的线型特性曲线包括：转速特性曲线、工作特性曲线、水头特性曲线，掌握怎样在图中找飞

逸转速（出力即功率为零时的转速）。

7、 混流式水轮机绘制出力限制线的目的：绘制出力限制线的目的是考虑到水轮机在最大出力下运行时，

不可能按正常规律实现功率的调节，而且，在超过95%最大功率运行时，效率随流量的增加而降低，且效率降低的幅度超过流量增加的幅度，因此水轮机的出力反而减小了，从而是调速器对水轮机的调节性能较差。为了避开这些情况并使水轮机具有一定的出力储备，因此将水轮机限制在最大出力的95%（有时取97%）范围内运行。

8、冲击式水轮机的过流量与水轮机的转速无关，仅与喷嘴的开度有关，因此它的等开度线是与11Q 坐标轴相垂直的直线。

9、冲击是水轮机的模型综合特性曲线一般不表出力限制线，不标注空化系数线。

10、水轮机运转综合特性曲线是在转轮直径D 1和转速n 为常数时，以水头H 和出力P 为纵、横坐标而绘

制的剧组等值线。

第七至十章

1、混流式水轮机的主要部件：主要过流部件一般为蜗壳、座环、导水机构、转轮及尾水管。

2、转轮的作用：转轮是各种型式水轮机将水能转变成机械能的核心部件，转轮也直接决定水轮机的过流能力、水力效率、容积效率、空蚀性能及工况稳定等工作性能。

3、止漏装置的类型、适用水头和优缺点：

①缝隙式止漏装置：使用水头H ＜200m 型谱内所列各种混流式转轮一般都采用缝隙式止漏装置；水流通过时产生反复扩大、收缩的现象，减低了水流压力，使漏水量大大减小。

②梳齿式止漏装置：对于高水头（H ＞200m ）混流式水轮机，需要采用梳齿式止漏装置；水流通过梳齿时转了许多直角弯，增加水流阻力，减少漏水量，在压力作用下，止漏环之间的空隙渗漏出水，使梳齿式止漏装置连接部件增大拉应力。

4、 减压装置的减压作用：减小作用在上冠外面轴向水推力，降低机组推力轴承的负荷。

5、 混流式水轮机的基本结构：转轮、支持盖和顶盖、桨叶密封装置、水轮机导轴承、泄水锥、转轮室。

6、 水轮机对引水室的基本要求：

① 尽可能减少水流在引水室中的水力损失以提高水轮机效率。

② 保证水流均匀、轴对称地进入导水机构以提高运行的稳定性。

③ 水流在进入导水机构前应具有一定的环量，以保证水轮机在主要的运行工况下水流能以较小的冲角进入固定导叶和活动导叶，减小导水机构的水力损失。

④ 具有合理的端面形状和尺寸，以降低厂房投资，同时便于电站辅助设备的布置。

⑤ 具有必要的强度及合适的材料，以保证恶狗上的可靠性和抵抗水流的冲刷。

7、反击式水轮机引水室的类型：①开敞式引水室②罐式引水室③蜗壳式引水室（金属蜗壳和混泥土蜗

壳）

8、蜗壳包角的定义：蜗壳自鼻端至进口端面所包围的角度称为蜗壳的包角o ?。

9、座环的作用：承受水轮发电机组的重量，蜗壳上部 部分混凝土重量以及水压力，并将其传递到电站基础上去，在结构上要求有足够的强度和刚度。

10、反击式水轮机尾水管的作用：

①将转轮出口处的水流引向下游。

②利用下游水面至转轮出口处的高程差，形成转轮出口处的静力真空。

③利用转轮出口处的水流动能，将其转换成为转轮出口处的动力真空。

11、尾水管恢复系数：实际恢复的动能与理想恢复的动能的比值称为尾水管的恢复系数w η，即：

g

2g 2h -g 222

25w 22w V V V ）（+=η尾水管对轴流式水轮机比对混流式水轮机更重要。

12、尾水管的基本类型：①直锥形尾水管：是一中简单的扩散型尾水管制造容易，内部水

均匀，阻力小，水力损失小，恢复系数比较高。

②弯曲型尾水管：由进口锥管、肘管及扩散管三部分组成，尾水管的恢复系数

较直锥形尾水管低。

13、引水机构的主要作用：压力钢管引进的水流首先进入水轮机室，主要作用是使引进的水流以尽可能

小的水头损失且较均匀地从四周进入水轮机的转轮。

14、导水机构的主要作用：导水机构的主要作用是调节进入转轮的流量，以适应负荷变化的需要；当发

电机负荷减少时，要求水轮机的进入流量相应减少，这时关水导叶开度，减

少流量，反之当负荷增大时，打开导叶开度加大流量。停机时，导叶全部关

闭，将水流截断。当机组发生故障而紧急停机时，导叶可迅速关闭。一般在

5-10s内导叶可从全部开启状态至全关闭状态。

15、混流式转轮水力设计的三种方法：一元理论、二元理论和三元理论设计方法，在这三种方法中都假设水流是理想的。

16、轴流式转轮叶片的水力计算方法：升力法、奇点分布法、统计法和保角变换法。

17、圆柱层无关性假设：假定水流在轴流式转轮区域内是沿着与主轴同心的圆柱面上流动，水流绝对速度在半径方向的分量Vr=0,即在各圆柱层之间水流质点没有相互作用，这就是圆柱层无关性假设。18、协联工况：轴流转桨式水轮机采用双重调节使水轮机的导叶开度a0和转轮叶片转角φ随着电力系统外负荷的增减同时变化，并使导叶开度a0和转轮叶片转角φ之间形成最优协联关系，使得水轮机内水力损失最小，经常运行在最优工况或最优工况附近。这种保持导叶开度与叶片转角之间最优协联关系的工况为协联工况。