第一章 水輪機(jī)的類型構(gòu)造及工作原理

1、水電站程永光Prof. Dr. Yongguang Cheng武漢大學(xué)水利水電學(xué)院Tel: QQ: 1005955368Em: 2022/10/112水力發(fā)電系統(tǒng)組成：水電站建筑物、水力機(jī)械、電器設(shè)備水庫進(jìn)水口引水隧洞調(diào)壓室調(diào)壓力管道發(fā)電機(jī)主閥尾水渠廠房水輪機(jī)2022/10/113水力發(fā)電系統(tǒng)組成：水電站建筑物、水力機(jī)械、電器設(shè)備2022/10/114水力發(fā)電過程能量轉(zhuǎn)換：水能機(jī)械能電能2022/10/115本課程的內(nèi)容分四大部分水電站是水利樞紐的一個(gè)重要組成部分，是利用水力資源發(fā)電的場(chǎng)所，是建筑物、水、機(jī)、電的綜合體。進(jìn)水及引水建筑物（進(jìn)水口、引水隧洞、壓力管道）

2、水輪機(jī)部分（能量轉(zhuǎn)換的機(jī)械設(shè)備） 水電站廠房（發(fā)電和配電：主廠房、副廠房、主變壓器、開關(guān)站） 水錘、調(diào)壓室（非恒定流動(dòng)） 第一篇 水輪機(jī)2022/10/117水輪機(jī)和發(fā)電機(jī)連軸組成發(fā)電機(jī)組發(fā)電機(jī)水輪機(jī)2022/10/118水輪機(jī)將水能轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)機(jī)械能發(fā)電機(jī)水輪機(jī)蝸殼:引水導(dǎo)葉:調(diào)節(jié)流量轉(zhuǎn)輪:能量轉(zhuǎn)換尾水管:泄水第1章 水輪機(jī)的類型構(gòu)造及工作原理1.1 水輪機(jī)的主要工作參數(shù)2022/10/1110水輪機(jī)的主要工作參數(shù)有5個(gè)水輪機(jī)出力水輪機(jī)工作水頭水輪機(jī)流量水輪機(jī)效率水輪機(jī)轉(zhuǎn)速2022/10/1111水輪機(jī)出力：水輪機(jī)傳給發(fā)電機(jī)的功率水體能量扣除水輪機(jī)的能量損失設(shè)在 時(shí)段內(nèi)有 的水體從1-1斷面流

3、過2-2斷面，因此，該段水體 所提供的能量為： 和 稱為水能兩個(gè)基本要素。2022/10/1112水體能量決定于流量和落差水體具有的能量（功率） 為1-2斷面水面降落的垂直高度（通常稱為落差或水頭），單位為m 為水的容重。 =1000kgf/m3 =9810N/m3 。 為單位時(shí)間里通過1-1斷面的流量 （m3/s）。 為水體所具有的作功能力（kgf.m/s）。2022/10/1113水輪機(jī)出力決定于流量和工作水頭水體具有的能量（功率）工程上常用“千瓦”或“馬力”來表示， 1千瓦=102kgf.m/s水流給予水輪機(jī)的功率水輪機(jī)輸出功率（出力）為水輪機(jī)的效率（kg.m/s）（千瓦）2022/10

4、/1114水輪機(jī)工作水頭：?jiǎn)挝恢亓克w通過水輪機(jī)進(jìn)出口斷面的能量差值2022/10/1115工作水頭不是毛水頭，而是凈水頭為水電站上下游水位差，稱為水電站毛水頭為水電站引水系統(tǒng)水頭損失 為凈水頭即水輪機(jī)工作水頭2022/10/1116水輪機(jī)的工作水頭是隨上下游水位變化而變化的常選用幾個(gè)特征水頭來表示水輪機(jī)的運(yùn)行工況和運(yùn)行范圍，這些特征水頭由水能計(jì)算確定（1）最大水頭 （2）最小水頭 （3）加權(quán)平均水頭 （4）設(shè)計(jì)水頭 2022/10/1117水輪機(jī)流量：水流在單位時(shí)間內(nèi)通過水輪機(jī)的水流體積通常用Q表示，其單位為m3/s水輪機(jī) 的引用流量主要隨著水輪機(jī)的工作水頭和出力的變化而變化在設(shè)計(jì)水頭下水輪

5、機(jī)以額定出力工作時(shí)其過水流量最大H和Q是水力發(fā)電的兩大要素， H大Q小也發(fā)不出大量電， Q大H小也發(fā)不出大量電2022/10/1118水輪機(jī)效率：水輪機(jī)的輸出功率與輸入功率比值水力效率: 容積效率:機(jī)械效率：水輪機(jī)效率還可表示為 效率也是水輪機(jī)的最重要參數(shù)之一，越高越好。2022/10/1119轉(zhuǎn)速n：水輪機(jī)組每分鐘轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)數(shù)對(duì)于大中型水輪發(fā)電機(jī)組，水輪機(jī)與發(fā)電機(jī)是同軸運(yùn)行的，所以它們的轉(zhuǎn)速相同，并需要滿足同步轉(zhuǎn)速的要求。即 其中：f-電流頻率；我國(guó)電網(wǎng)f=50Hz；p-發(fā)電機(jī)的磁極對(duì)數(shù)。則：磁極對(duì)數(shù)p 3 4 5 6 7 8 9 .同步轉(zhuǎn)速n 1000 750 600 500 428.6 3

6、75 333.3 .2022/10/11201.2 水輪機(jī)的主要類型水輪機(jī)有各種類型的原因是什么？水能利用的條件千差萬別，最重要的特點(diǎn)是水頭有高有低，高者水頭上千米，低者數(shù)米流量有大有小，大者幾千立方米每秒，小者不到一立方米每秒各種水輪機(jī)型式的出現(xiàn)均是為了最大限度利用水能Francis、Kaplan，Pelton等人發(fā)明了針對(duì)不同水頭的水輪機(jī)2022/10/1121現(xiàn)代水輪機(jī)可按能量利用特征、水流特征、轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)特征分類水輪機(jī)按能量轉(zhuǎn)換特征分為兩類，即反擊式和沖擊式。而每一類水輪機(jī)又根據(jù)轉(zhuǎn)輪區(qū)內(nèi)水流的特征和轉(zhuǎn)輪的結(jié)構(gòu)特征又分為多種形式。能量轉(zhuǎn)換特征：利用水流的勢(shì)能、動(dòng)能的比例。轉(zhuǎn)輪內(nèi)水流特征：水

7、流方向與主軸關(guān)系（垂直、平行 、斜交）。轉(zhuǎn)輪的結(jié)構(gòu)特征：槳葉固定、轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)輪的高、扁等。2022/10/1122能量轉(zhuǎn)換特征分類：反擊式和沖擊式單位重量水體在轉(zhuǎn)輪進(jìn)、出口的能量之差：可變換為水流勢(shì)能水流動(dòng)能2022/10/1123沖擊式：只利用動(dòng)能反擊式：既利用動(dòng)能也利用勢(shì)能勢(shì)能占總能量的比例動(dòng)能占總能量比例水輪機(jī)利用的能量為水流勢(shì)能和水流動(dòng)能的總和若Ep=0，Ec=1，這種利用水流動(dòng)能的水輪機(jī)稱為沖擊式水輪機(jī)若0Ep1，EpEv=1，這種同時(shí)利用水流動(dòng)能和勢(shì)能的水輪機(jī)稱為反擊式水輪機(jī)2022/10/1124反擊式：水流方向和流速大小受葉片約束而改變,從而對(duì)葉片一個(gè)反作用力混流式水輪機(jī)（Fra

8、ncis）2022/10/1125沖擊式：轉(zhuǎn)輪處在大氣中，高速射流沖擊轉(zhuǎn)輪沖擊式水輪機(jī)（Pelton）2022/10/1126水流特征、轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)特征和工作方式分類反擊式混流式軸流式斜流式貫流式軸流定槳式軸流轉(zhuǎn)槳式?jīng)_擊式水斗式（切擊式）斜擊式雙擊式可逆式混流式軸流式斜流式貫流式2022/10/1127反擊式（Reaction Hydraulic Turbine）混流式：幅向進(jìn)流，軸向出流1主軸；2葉片；3導(dǎo)葉；4蝸殼；5尾水管12345radiaxial turbine，F(xiàn)rancis turbine2022/10/1128反擊式（Reaction Hydraulic Turbine）軸流式：軸

9、向進(jìn)流，軸向出流axial flow turbine, Kaplan turbine1導(dǎo)葉；2葉片；3輪轂4蝸殼；5尾水管1234452022/10/1129反擊式（Reaction Hydraulic Turbine）斜流式：斜向進(jìn)流，斜向出流diagonal flow turbine12341蝸殼；2導(dǎo)葉；3葉片；4尾水管可轉(zhuǎn)動(dòng)葉片2022/10/1130反擊式（Reaction Hydraulic Turbine）貫流式：機(jī)組在流道中間，周圍過水through flow turbinebulb turbine1導(dǎo)葉；2轉(zhuǎn)輪；3發(fā)電機(jī)；4燈泡1234122022/10/1131反擊式（Re

10、action Hydraulic Turbine）through flow turbine2022/10/1132沖擊式（impulse turbine）inclined jet turbine （a）水斗式； （b）斜擊式； （c）雙擊式?jīng)_擊式水輪機(jī)：高速射流在空氣中沖擊轉(zhuǎn)輪Banki turbinePelton turbine2022/10/1133沖擊式（impulse turbine）inclined jet turbine crossflow turbine, Banki turbinePelton turbine2022/10/1134可逆式:既是水輪機(jī)又是水泵(Reversibl

11、e) Pump Turbine混流式：3040600700m斜流式：150m以下，水頭變幅較大軸流式：少慣流式：潮汐電站，水頭1520m可逆式2022/10/1135各型水輪機(jī)適用不同水頭范圍對(duì)應(yīng)不同轉(zhuǎn)輪形狀2022/10/11361.3 水輪機(jī)的基本構(gòu)造反擊式水輪機(jī)通常由四大部分組成進(jìn)水部件：蝸殼 和座環(huán)導(dǎo)水部件：導(dǎo)葉及其傳動(dòng)機(jī)構(gòu)工作部件：轉(zhuǎn)輪泄水部件：尾水管 這四大部分對(duì)于不同類型的水輪機(jī)各不完全相同，有著自身的特點(diǎn)2022/10/1137引水部件蝸殼和座環(huán)蝸殼（和座環(huán)）蝸殼的作用主要是使水流以較小的水力損失均勻?qū)ΨQ地流入轉(zhuǎn)輪；座環(huán)起加強(qiáng)蝸殼的剛度并傳遞上部結(jié)構(gòu)力的作用。2022/10/1

12、138引水部件蝸殼和座環(huán)蝸殼（和座環(huán)）蝸殼的作用主要是使水流以較小的水力損失均勻?qū)ΨQ地流入轉(zhuǎn)輪；座環(huán)起加強(qiáng)蝸殼的剛度并傳遞上部結(jié)構(gòu)力的作用。座環(huán)2022/10/1139導(dǎo)水部件導(dǎo)葉及其傳動(dòng)機(jī)構(gòu)導(dǎo)葉及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)導(dǎo)葉的主要作用是根據(jù)機(jī)組負(fù)荷變化來調(diào)節(jié)水輪機(jī)流量以改變水輪機(jī)出力，并引導(dǎo)水流按一定的方向進(jìn)入轉(zhuǎn)輪，形成一定的速度矩。包括的部件有：導(dǎo)葉、推拉桿、控制環(huán)、拐臂和連桿等2022/10/1140導(dǎo)水部件導(dǎo)葉及其傳動(dòng)機(jī)構(gòu)導(dǎo)葉及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)導(dǎo)葉與導(dǎo)葉間的距離稱為開度，開度的變化導(dǎo)致流量變化，進(jìn)而改變出力。導(dǎo)葉開度由調(diào)速器控制。小開度（小流量）大開度（大流量）2022/10/1141工作部件轉(zhuǎn)輪是水輪機(jī)的核

13、心轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)輪是直接將水能轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)的機(jī)械能的過流部件，它對(duì)水輪機(jī)的性能、結(jié)構(gòu)、尺寸等起著決定性的作用，是水輪機(jī)的核心部分。2022/10/1142工作部件轉(zhuǎn)輪是水輪機(jī)的核心轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)輪是直接將水能轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)的機(jī)械能的過流部件，它對(duì)水輪機(jī)的性能、結(jié)構(gòu)、尺寸等起著決定性的作用，是水輪機(jī)的核心部分。三峽左案9號(hào)機(jī)組吊裝2022/10/1143泄水部件尾水管斷面沿程擴(kuò)散尾水管尾水管除了引導(dǎo)轉(zhuǎn)輪流出的水流泄入下游外，其主要的作用是回收位能和動(dòng)能，它對(duì)水輪機(jī)效率影響很大，特別是對(duì)于低水頭的情況。這部分內(nèi)容后面詳細(xì)論述大中型電站立式機(jī)組一般采用彎肘型尾水管2022/10/1144泄水部件尾水管斷面沿程擴(kuò)散2022

14、/10/1145工作部件轉(zhuǎn)輪有不同的形狀中高比轉(zhuǎn)速混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪組成：輪葉、上冠、下環(huán)和泄水錐上冠的外形與圓臺(tái)體相似，在其下端固定著泄水錐，用于引導(dǎo)水流順利地形成軸向流動(dòng)，以消除順利漩渦。輪葉的上端與上冠相固定，下端與下環(huán)相固定。三者連成一個(gè)整體，葉片呈扭曲狀，其斷面為翼形，葉片數(shù)目通常是1020片，均勻分布在上冠與下環(huán)之間低比轉(zhuǎn)速混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪2022/10/1146工作部件轉(zhuǎn)輪有不同的形狀軸流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪軸流式水輪機(jī)的轉(zhuǎn)輪是由輪轂、輪葉和泄水錐三部分組成。在輪轂四周按懸臂方式安裝輪葉，輪葉是扭曲面。邊緣薄，根部厚，外形類似螺旋槳。輪葉數(shù)目按工作水頭大小而定，工作水頭較低

15、，輪葉數(shù)較少；反之，較多。一般為38片2022/10/1147水斗式水輪機(jī)主要由噴嘴、針閥、轉(zhuǎn)輪和折向器組成噴嘴的作用是引導(dǎo)壓力水流均勻流動(dòng)，在噴嘴處收縮轉(zhuǎn)換為僅有動(dòng)能的自由射流；針閥的作用是控制流量的大小，適應(yīng)出力大小的需要。2022/10/1148水斗式水輪機(jī)的構(gòu)造2022/10/1149反擊式和沖擊式水輪機(jī)的差別 類型項(xiàng)目反擊式?jīng)_擊式能量轉(zhuǎn)換勢(shì)能（主要）+動(dòng)能動(dòng)能構(gòu)造特點(diǎn)有蝸殼、尾水管，利用導(dǎo)葉調(diào)節(jié)流量無蝸殼、無尾水管，利用 針閥調(diào)節(jié)流量工作水頭上、下游水位差扣掉引水道中水頭損失上游水位與噴嘴出口高程差扣掉引水道中水頭損失布置方式大中型均為立軸，轉(zhuǎn)輪可裝在下游水位以上或以下立軸、臥軸均可

16、，轉(zhuǎn)輪必須裝在下游最高水位以上水頭范圍 混流 軸流H=30-700m，H=3-80m水斗H=100-2000m2022/10/1150這些轉(zhuǎn)輪分別是哪種水輪機(jī)的？2022/10/11511.4 水輪機(jī)的型號(hào)水輪機(jī)的牌號(hào)就是水輪機(jī)的姓名，其目的是為了統(tǒng)一產(chǎn)品規(guī)格，提高產(chǎn)品質(zhì)量，便于選擇使用。表明水輪機(jī)性能有兩個(gè)主要參數(shù)：轉(zhuǎn)輪直徑D1和水輪機(jī)的比轉(zhuǎn)速ns，所以在水輪機(jī)牌號(hào)上不僅要表明是什么類型的水輪機(jī)，而且要表示它的轉(zhuǎn)輪直徑和比轉(zhuǎn)速。我國(guó)統(tǒng)一規(guī)定的水輪機(jī)牌號(hào)由三部分代號(hào)組成。第一部分代表水輪機(jī)類型和轉(zhuǎn)輪型號(hào)；第二部分表示水輪機(jī)主軸的布置型式及水輪機(jī)室特征；第三部分表示水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪標(biāo)稱直徑D1。 比如

17、：HL240-LJ-140，即混流式，比轉(zhuǎn)速ns=240，立軸金屬蝸殼，轉(zhuǎn)輪直徑D1=140cm。2022/10/11522022/10/1153水輪機(jī)型號(hào)中標(biāo)稱直徑對(duì)不同水輪機(jī)有不同規(guī)定1.5 水流在反擊式水輪機(jī)中的運(yùn)動(dòng)2022/10/1155水流在轉(zhuǎn)輪中的運(yùn)動(dòng)是三維復(fù)合運(yùn)動(dòng)相對(duì)運(yùn)動(dòng)、牽連運(yùn)動(dòng)和絕對(duì)運(yùn)動(dòng)葉片表面：三維扭曲面葉道：三維扭曲空間轉(zhuǎn)輪：繞主軸旋轉(zhuǎn)所以水流在反擊式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪中的運(yùn)動(dòng)是一個(gè)復(fù)雜的三維空間的復(fù)合運(yùn)動(dòng)2022/10/1156分析水流在水輪機(jī)中的運(yùn)動(dòng)要作假定為了研究問題的方便，工程上一般作如下假定： 假定葉片無限多、無限薄。這樣可以認(rèn)為轉(zhuǎn)輪中的水流運(yùn)動(dòng)是均勻、軸對(duì)稱的。顯然在

18、此假定下，流線也就和骨線的形狀完全一致。（葉片翼形斷面的中心線稱為骨線）假定水流在進(jìn)入轉(zhuǎn)輪之前的運(yùn)動(dòng)是均勻的、軸對(duì)稱的。假定水輪機(jī)在所研究的工況下保持穩(wěn)定運(yùn)行，即水輪機(jī)的特征參數(shù)（H、Q、N、n）保持不變，從而水流在水輪機(jī)各過流部件中的運(yùn)動(dòng)均為恒定流動(dòng)。忽略水流的粘性：可認(rèn)為這些流面之間是互不干擾的。2022/10/1157流面:水流軌跡線所在的喇叭形曲面軸面:通過軸線的平面軸面:轉(zhuǎn)輪的旋轉(zhuǎn)中心線與經(jīng)過考察點(diǎn)的徑向線所構(gòu)成的平面。流面:某一流線線饒主軸旋轉(zhuǎn)而成的回旋曲面。整個(gè)流道中有無數(shù)個(gè)這樣的流面。水流質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng):沿著喇叭形空間曲面(流面)而作螺旋型曲線運(yùn)動(dòng),其軌跡是流面上的螺旋線。2022/

19、10/1158水流質(zhì)點(diǎn)速度可分解,絕對(duì)速度為相對(duì)速度和牽連速度之和（速度三角形）水流質(zhì)點(diǎn)的速度分解為相對(duì)速度W、牽連速度U和絕對(duì)速度V，構(gòu)成速度三角形。速度三角形的形狀、大小可以由它的兩個(gè)邊和夾角唯一確定。絕對(duì)速度是牽連速度和相對(duì)速度的矢量和沿流面展開圖2022/10/1159進(jìn)口速度三角形的形狀、大小和參數(shù)1為V1與U1的夾角，稱為V1的方向角。1為W1與U1的夾角，稱為W1的方向角。牽連速度U1絕對(duì)速度V1大?。悍较颍呵杏趫A周大小：方向：沿導(dǎo)葉端部切線方向2022/10/1160速度三角形形狀和大小取決于直徑、轉(zhuǎn)速、水頭和開度從上面的討論可以知道：進(jìn)口速度三角形的形狀、大小取決于4個(gè)參數(shù)的

20、變化。即同理可以導(dǎo)出：出口速度三角形的形狀、大小也取決于這4個(gè)參數(shù)的變化。即對(duì)于某一水輪機(jī)，在某一工況下運(yùn)行時(shí)，有一定的進(jìn)口速度三角形及與之對(duì)應(yīng)一定的出口速度三角形。U2W2V22022/10/1161速度三角形的合成與分解絕對(duì)速度由相對(duì)速度和牽連速度合成，為了研究問題的方便，可以將這些速度向不同平面(軸面、流面切面、圓周切面)和坐標(biāo)軸(軸向、徑向、切向)分解。速度分解的目的是為了討論水輪機(jī)基本方程時(shí)應(yīng)用動(dòng)量矩定律。Z流面軸面圓周面ruz2022/10/1162速度三角形在流面的切面上的分解流面上的任一點(diǎn)的速度三角形均在流面的該點(diǎn)切面上，可分解為Z流面軸面圓周面ruzVm：為流面上絕對(duì)速度的軸

21、面分量Wm：為流面上相對(duì)速度的軸面分量流面的切面上的速度分解2022/10/1163速度三角形空間分解:只有Vu對(duì)主軸有速度矩沿轉(zhuǎn)輪圓周切線方向的速度通過軸心，即徑向速度與水輪機(jī)主軸平行的速度對(duì)水輪機(jī)主軸產(chǎn)生速度矩對(duì)水輪機(jī)主軸均不產(chǎn)生速度矩圓周分速度軸面分速度圓周分速度徑向分速度軸向分速度Z流面軸面圓周面ruz軸面速度分量VUW2022/10/11641.6 水輪機(jī)的基本方程水輪機(jī)的基本方程（Basic Equation）是描述水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪內(nèi)能量轉(zhuǎn)換的數(shù)學(xué)方程式，它是水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪設(shè)計(jì)和運(yùn)行的理論依據(jù)。利用動(dòng)量矩定律可以導(dǎo)出水輪機(jī)的基本方程。動(dòng)量矩定律：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)輪流道內(nèi)全部水流的質(zhì)量對(duì)水輪機(jī)主軸

22、的動(dòng)量矩變化等于作用在該質(zhì)量上所有外力對(duì)同一軸的力矩總和。用公式表示為：2022/10/1165水輪機(jī)基本方程可由動(dòng)量矩定理推導(dǎo)出來轉(zhuǎn)輪流道內(nèi)所有水流質(zhì)量的動(dòng)量矩總和，其中m、Vu、r分別表示任一水流質(zhì)點(diǎn)的質(zhì)量、圓周速度和所處位置的半徑。作用在轉(zhuǎn)輪流道內(nèi)全部水流質(zhì)點(diǎn)上的外力矩總和。公式左邊為單位時(shí)間內(nèi)水流質(zhì)量對(duì)水輪機(jī)主軸的動(dòng)量矩變化。實(shí)際為水流質(zhì)量在轉(zhuǎn)輪出口與進(jìn)口間的動(dòng)量矩的差值。2022/10/1166微小流束的動(dòng)量矩變化率在水輪機(jī)流道內(nèi)取一微小流束t時(shí)刻：微小流束在1-2的位置；t+dt時(shí)刻：微小流束流到1-2的位置。112211222022/10/1167整個(gè)流道的動(dòng)量矩變化對(duì)微小流束在

23、整個(gè)流道求和，得整個(gè)流道內(nèi)水體的動(dòng)量矩變化通過水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的有效流量水輪機(jī)出口斷面圓周分速度水輪機(jī)進(jìn)口斷面圓周分速度水輪機(jī)出口斷面矩速度水輪機(jī)進(jìn)口斷面矩速度2022/10/1168外力對(duì)軸的力矩總和公式右邊為作用在該質(zhì)量上全部外力對(duì)同一軸的力矩總和外力矩有：轉(zhuǎn)輪葉片對(duì)水流的作用力矩重力矩：重力的合力與主軸重合，對(duì)主軸不產(chǎn)生矩壓力矩：上冠下環(huán)對(duì)水流的壓力，對(duì)主軸而言是對(duì)稱的，合力與主軸平行，故也不產(chǎn)生矩摩擦力矩：數(shù)值很小可忽略，摩擦力所產(chǎn)生的水頭損失將在水輪機(jī)水力效率中體現(xiàn)。2022/10/1169外力對(duì)主軸的力矩總和等于葉片對(duì)水流的作用力矩又根據(jù)作用力與反作用力定律，水流對(duì)轉(zhuǎn)輪的作用力矩M與轉(zhuǎn)輪

24、對(duì)水流的作用力矩 在數(shù)值上相等而方向相反。即故基本方程為 則所以又重力矩壓力矩摩擦力矩葉片作用力矩2022/10/1170水流在轉(zhuǎn)輪中進(jìn)行能量交換是由轉(zhuǎn)輪進(jìn)出口速度矩的改變來實(shí)現(xiàn)的 該式給出了水流對(duì)轉(zhuǎn)輪的作用力矩與水流本身的動(dòng)量矩變化之間的關(guān)系水流能量轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)機(jī)械能的平衡關(guān)系式。它說明水流在轉(zhuǎn)輪中進(jìn)行能量交換是由轉(zhuǎn)輪進(jìn)出口速度矩的改變來實(shí)現(xiàn)的。又，水輪機(jī)的有效功率可表示為：2022/10/1171在上述方程中，消去 得到水輪機(jī)基本方程：Vu1速度環(huán)量2022/10/1172 水流能量的交換是通過環(huán)量的變化來實(shí)現(xiàn)，要使該轉(zhuǎn)換的效率 高，則需要 大， 小。進(jìn)口要求 ，但由速度三角形可以看出，這種情況實(shí)際上不可能，水流無法進(jìn)入轉(zhuǎn)輪，失去意義。所以只能要求進(jìn)口無撞擊， 即由基本方程推導(dǎo)最優(yōu)工況進(jìn)口三角形無撞擊條件2022/10/1173由基本方程推導(dǎo)最優(yōu)工況進(jìn)口三角