第二章 水輪機(jī)及其選擇

《水電站》第一篇水力機(jī)械水輪機(jī)+發(fā)電機(jī)： 水輪發(fā)電機(jī)組功能： 發(fā)電水泵+電動(dòng)機(jī)： 水泵抽水機(jī)組功能： 輸水水泵+水輪機(jī)： 抽水蓄能機(jī)組。功能： 抽水蓄能水輪發(fā)電機(jī)組

水輪機(jī)是將水能轉(zhuǎn)變?yōu)樾D(zhuǎn)機(jī)械能，從而帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)出電能的一種機(jī)械，是水電站動(dòng)力設(shè)備之一。2.1水輪機(jī)的類型及其構(gòu)造一、主要類型(一)、反擊式水輪機(jī)(reactioPwaterturbiPe)

定義：利用水流的壓力能和動(dòng)能做功的水輪機(jī)特征：轉(zhuǎn)輪的葉片為空

間扭曲面，流過轉(zhuǎn)輪的

水流是連續(xù)的，而且在

同一時(shí)間內(nèi)，所有轉(zhuǎn)輪

葉片之間的流道都有水

流通過，水流充滿轉(zhuǎn)輪

室。反擊式水輪機(jī)原理水流通過轉(zhuǎn)輪葉片時(shí)，水流流速的大小、方向均發(fā)生變化，因此動(dòng)量也發(fā)生了改變，水流產(chǎn)生反作用力，作用與

每個(gè)轉(zhuǎn)輪葉片，使轉(zhuǎn)

輪產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力矩，從

而做功。(二)、沖擊式水輪機(jī)(IPpulsewatertubiPe)定義：利用水流的動(dòng)能來做功的水輪機(jī)特征：由噴管和轉(zhuǎn)輪組成。水流以自由水流的形式(P=Pa)沖擊轉(zhuǎn)輪，利用水流動(dòng)能(V方向、大小改變)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力矩使轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)動(dòng)。在同一時(shí)刻內(nèi)，水流只沖擊著轉(zhuǎn)輪的一部分，而不是全部。不適宜調(diào)峰運(yùn)行。適用：水頭高，流量小，多用于400m以上，最高接近2000m。(一)、反擊式水輪機(jī)(reactioPwaterturbiPe)1.混流式：水流徑向流入轉(zhuǎn)輪，軸向流出。適用范圍：H=30-450m,最高水頭已接近700米，單機(jī)容量：幾萬kW-幾十萬kW特點(diǎn)：適用水頭范圍廣，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行穩(wěn)定，效率高，適用中高水頭電站。三峽水電站即采用了這種水輪機(jī)，單機(jī)容量70萬kW。是世界上單機(jī)容量最大的機(jī)組?；炝魇剿啓C(jī)(一)、反擊式水輪機(jī)(reactioPwaterturbiPe)2.軸流式：特點(diǎn)：水流沿轉(zhuǎn)輪軸向流入，軸向流出，水流方向始終平行于主軸。適用于大流量、低水頭。一般水頭在50m以下。軸流定漿式：葉片不能隨工況的變化而轉(zhuǎn)動(dòng)。高效率區(qū)較小，適用于水頭變化不大的小型電站。軸流轉(zhuǎn)漿式：葉片能隨工況的變化而轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)行雙重調(diào)節(jié)（導(dǎo)葉開度、葉片角度)。適用于大型水電站。軸流調(diào)漿式：葉片能隨工況的變化而轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)行單重調(diào)節(jié)（葉片角度)。軸流式水輪機(jī)軸流轉(zhuǎn)漿式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪

(一)、反擊式水輪機(jī)(reactioPwaterturbiPe)3.斜流式：水流經(jīng)過轉(zhuǎn)輪時(shí)是斜向的。轉(zhuǎn)輪葉片隨工況變化而轉(zhuǎn)動(dòng)，高效率區(qū)廣。

(一)、反擊式水輪機(jī)(reactioPwaterturbiPe)4.貫流式：水輪機(jī)的主軸裝置成水平或傾斜。不設(shè)蝸殼，水流直貫轉(zhuǎn)輪。水流由管道進(jìn)口到尾水管出口都是軸向的。H<20m，小型河床電站。貫流式機(jī)組分類全貫流式：發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子安裝在水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪外緣，其密封困難，現(xiàn)在較少使用。半貫流式：燈泡貫流式：發(fā)電機(jī)組安裝在密閉的燈泡體內(nèi)，使用較廣泛，機(jī)組結(jié)構(gòu)緊湊，流道形狀平直，水力效率高。軸伸式貫流機(jī)組：發(fā)電機(jī)安裝在外面，水輪機(jī)軸伸出到尾水管外面。豎井式貫流機(jī)組：發(fā)電機(jī)安裝在豎井內(nèi)。燈泡式水輪機(jī)組軸伸式貫流機(jī)組豎井貫流式水輪機(jī)(二)、沖擊式水輪機(jī)(IPpulsewatertubiPe)定義：利用水流的動(dòng)能來做功的水輪機(jī)特征：由噴管和轉(zhuǎn)輪組成。水流以自由水流的形式(P=Pa)沖擊轉(zhuǎn)輪，利用水流動(dòng)能(V方向、大小改變)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力矩使轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)動(dòng)。在同一時(shí)刻內(nèi)，水流只沖擊著轉(zhuǎn)輪的一部分，而不是全部。不適宜調(diào)峰運(yùn)行。適用：水頭高，流量小，多用于400m以上，最高接近2000m。沖擊式水輪機(jī)運(yùn)行中單噴嘴運(yùn)行中水斗:

特點(diǎn)是由噴嘴出來的射流沿圓周切線方向沖擊轉(zhuǎn)輪上的水斗作功。目前，水斗式水輪機(jī)是沖擊式水輪機(jī)中應(yīng)用最廣泛的一種機(jī)型。斜擊式：

由噴嘴出來的射流沿圓周斜向沖擊轉(zhuǎn)輪上的水斗。雙擊式：水流兩次沖擊轉(zhuǎn)輪。

斜擊、雙擊水輪機(jī)構(gòu)造簡(jiǎn)單，效率低，用于小型電站。水斗式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪輪葉輪盤斜擊式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪雙擊式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪1．水輪機(jī)的工作參數(shù)（1）工作水頭H特征水頭：最大水頭Hmax最小水頭HmiP加權(quán)平均水頭Hw設(shè)計(jì)水頭Hd(η,h凈)額定水頭Hr(Pr，Wr，miP)

（2）流量Q。設(shè)計(jì)流量Qd(wr，hd)額定流量Qr(hr，Pr，wr)空載流量Q0(hr，Pr，w=0)（3）轉(zhuǎn)速P。額定轉(zhuǎn)速Pr（4）功率P與效率η。水輪機(jī)功率：水輪機(jī)的輸入功率PiP：

PiP=9.81QH（kW）水輪機(jī)的效率η：最優(yōu)效率：2.1.2水輪機(jī)的工作參數(shù)、型號(hào)及公稱直徑習(xí)題已知某水電站在設(shè)計(jì)工況下，上游水位63m，下游水位44.4m通過水輪機(jī)流量為825m3/s，發(fā)電機(jī)效率為0.96，水輪機(jī)效率為0.86，忽略水力損失，試求水輪機(jī)輸出功率和機(jī)組效率。2．水輪機(jī)的型號(hào)及公稱直徑水輪機(jī)型號(hào)排列順序如下：

反擊式水輪機(jī)型式+轉(zhuǎn)輪型號(hào)（比轉(zhuǎn)數(shù)）+主軸布置型式+水輪機(jī)室特征+轉(zhuǎn)輪標(biāo)稱直徑（cm）沖擊式同軸安裝的轉(zhuǎn)輪數(shù)+水輪機(jī)型號(hào)+轉(zhuǎn)輪型號(hào)（比轉(zhuǎn)數(shù)）+主軸布置型式+轉(zhuǎn)輪標(biāo)稱直徑（cm）+每個(gè)轉(zhuǎn)輪上噴嘴數(shù)+設(shè)計(jì)射流直徑（cm）HL220-LJ-140水輪機(jī)型式的代號(hào)水輪機(jī)型式代號(hào)水輪機(jī)型式代號(hào)混流式HL貫流調(diào)槳式GT斜流式XL貫流定槳式GD軸流轉(zhuǎn)槳式ZZ水斗（沖擊）式CJ軸流調(diào)槳式ZT斜擊式XJ軸流定槳式ZD雙擊式SJ貫流轉(zhuǎn)槳式GZ主軸布置形式和結(jié)構(gòu)特征的代號(hào)名稱代號(hào)名稱代號(hào)立軸L罐式G臥軸W全貫流式Q金屬蝸殼J燈泡式P混凝土蝸殼H豎井式S明槽式M虹吸式X有壓明槽式My軸伸式Z特例

HL220/A153-WJ_84表示為新入譜轉(zhuǎn)輪型號(hào)轉(zhuǎn)輪代號(hào)為220，轉(zhuǎn)輪研制單位的轉(zhuǎn)輪編號(hào)為A153臥軸，金屬蝸殼的混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪直徑為84cmHLA153—LJ—84重慶水輪機(jī)廠比轉(zhuǎn)速219.2HLA194—LJ_100哈爾濱電機(jī)廠比轉(zhuǎn)速182練習(xí)：（1）HL220-WJ-71

（2）XLP200-LJ-300

（3）GD600-WP-250

（4）CJ22-W-70/1×7答案：1混流式水輪機(jī)，轉(zhuǎn)輪型號(hào)是220，臥軸，金屬蝸殼，轉(zhuǎn)輪直徑為71cm2斜流可逆式水輪機(jī)，轉(zhuǎn)輪型號(hào)200，立軸，金屬蝸殼，轉(zhuǎn)輪直徑為300cm3慣流定槳式水輪機(jī)，轉(zhuǎn)輪型號(hào)為600，臥軸，燈泡式水輪機(jī)室，轉(zhuǎn)輪標(biāo)稱直徑250cm4水斗式水輪機(jī)，一個(gè)轉(zhuǎn)輪，轉(zhuǎn)輪型號(hào)22，臥軸，轉(zhuǎn)輪標(biāo)稱直徑70cm，一個(gè)噴嘴，射流直徑為7cm。1、反擊式水輪機(jī)的主要組成部件：

(1)引水部件（蝸殼）：使水流均勻、旋轉(zhuǎn)，以最小水頭損失送入轉(zhuǎn)輪室。

(2)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)（導(dǎo)葉及控制設(shè)備)：控制工況。

(3)轉(zhuǎn)輪（工作核心)：能量轉(zhuǎn)換，決定水輪機(jī)的尺寸、性能、結(jié)構(gòu)。

(4)泄水部件（尾水管）：回收能量、排水至下游。2、沖擊式水輪機(jī)的主要組成部件：噴管，轉(zhuǎn)輪，折流器，機(jī)殼，射流制動(dòng)器等組成。

2.1.3水輪機(jī)的主要過流部件(一)、混流式水輪機(jī)基本構(gòu)造水流—蝸殼—座環(huán)—導(dǎo)葉—轉(zhuǎn)輪—尾水管—下游引水部件：開敞式引水室壓力槽式罐式金屬蝸殼

蝸殼與座環(huán)的相對(duì)位置

蝸殼：其作用是使水流產(chǎn)生圓周運(yùn)動(dòng)，并引導(dǎo)水流均勻地、軸對(duì)稱地進(jìn)入水輪機(jī)。三門峽水電站水輪機(jī)蝸殼蝸殼組裝導(dǎo)水部件---座環(huán)位于導(dǎo)葉的外圍。由上、下環(huán)和立柱組成。作用：是水輪機(jī)的骨架，承受機(jī)墩及傳來的荷載，并傳到下部基礎(chǔ)；支承活動(dòng)導(dǎo)葉；故必須有足夠的強(qiáng)度和剛度。座環(huán)也是水輪機(jī)的過流部件和水輪機(jī)的安裝基準(zhǔn)件。水輪機(jī)座環(huán)1－上環(huán)；2－下環(huán)；3－固定導(dǎo)葉水輪機(jī)座環(huán)導(dǎo)葉導(dǎo)葉

導(dǎo)葉：導(dǎo)水機(jī)構(gòu)的主體，上下端分別固定在底環(huán)和頂蓋上，斷面設(shè)計(jì)成翼型。也稱為活動(dòng)導(dǎo)葉。導(dǎo)葉的上下端面，導(dǎo)葉間均設(shè)有橡膠和不銹鋼的密封裝置.

作用：改變導(dǎo)葉開度以改變流量。導(dǎo)葉轉(zhuǎn)動(dòng)是通過調(diào)速成器和接力器來實(shí)現(xiàn)的。接力器接力器用于操作控制環(huán)的轉(zhuǎn)動(dòng)接力器示意圖轉(zhuǎn)輪水能旋轉(zhuǎn)機(jī)械能組成：軸、上冠、葉片、下環(huán)、止漏環(huán)、泄水錐混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)輪的組成在法蘭盤四周開有幾個(gè)減壓孔，以便將經(jīng)過上冠外緣滲入冠體上側(cè)的積水排入尾水管。大型機(jī)組在與上冠連接的主軸端常裝有補(bǔ)氣裝置，以便向泄水錐下側(cè)的水流低壓區(qū)補(bǔ)氣。泄水錐的作用是引導(dǎo)徑向水流平順地過渡成軸向流動(dòng)，以消除徑向水流的撞擊及漩渦。轉(zhuǎn)輪的組成轉(zhuǎn)輪葉片是扭曲面體，其進(jìn)水邊扭曲度較小，而出水邊扭曲度較大，其斷面形狀為翼形。葉片的數(shù)目通常在12-20片之間。止漏環(huán)也稱為迷宮環(huán)。在轉(zhuǎn)輪上冠和下環(huán)的外緣處均安裝著止漏環(huán)的轉(zhuǎn)動(dòng)部分，它與相對(duì)應(yīng)的固定部分之間形成一系列忽大忽小的空間或迷宮狀的直角轉(zhuǎn)彎，以增長(zhǎng)滲徑，加大阻力，從而減小滲漏損失。混流式轉(zhuǎn)輪剖面圖（a）適用于低水頭；（b）適用于中水頭；（c）適用于高水頭(二)、軸流式水輪機(jī)的構(gòu)造2.轉(zhuǎn)輪構(gòu)造軸流式水輪機(jī)除轉(zhuǎn)輪外，其它部件與混流式相似組成：葉片、輪轂、主軸、泄水錐、轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)葉片：表面為曲面，斷面為翼形，根部厚，邊緣薄，以承受水流作用的摶矩。葉片數(shù)目：與H大小有關(guān)，一般為3~8片；葉片轉(zhuǎn)角Φ：最優(yōu)工況時(shí)Φ=0°，Φ>0，葉片開始啟動(dòng)，Φ<0向關(guān)閉方向轉(zhuǎn)動(dòng)。

-15°->Φ<+20°輪轂：外部連接葉片，內(nèi)部安裝轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)：安裝在輪轂內(nèi)，由調(diào)速器控制，調(diào)整導(dǎo)葉角度。2.轉(zhuǎn)輪構(gòu)造葉片轉(zhuǎn)動(dòng)操作機(jī)構(gòu)(三)、斜流式水輪機(jī)構(gòu)造斜流式水輪機(jī)構(gòu)造主要部件：座環(huán)、轉(zhuǎn)輪及其葉片、導(dǎo)水機(jī)構(gòu)、尾水管、主軸、導(dǎo)軸承等。與軸流轉(zhuǎn)漿式水輪機(jī)不同之處：葉片轉(zhuǎn)動(dòng)軸線與主軸成45°~60°的夾角。毛家村電站的運(yùn)行證明，斜流式水輪機(jī)可以在比較寬闊的負(fù)荷范圍內(nèi)保持較高的平均效率，但其缺點(diǎn)也很突出，如結(jié)構(gòu)復(fù)雜，可靠性較低，容易漏油，造成污染，在吸出高度Hs=-8m條件下運(yùn)行，其空化現(xiàn)象仍比較嚴(yán)重。由于斜流水輪機(jī)無顯著特點(diǎn)，在設(shè)計(jì)中很少采用。(四)、燈泡貫流式水輪機(jī)實(shí)際上是臥軸安裝的軸流式水輪機(jī)，發(fā)電機(jī)安裝在燈泡體內(nèi)。燈泡貫流式水輪機(jī)我國(guó)開發(fā)采用燈泡貫流式水輪機(jī)的時(shí)間相對(duì)較晚，近年來燈泡貫流式水輪機(jī)的導(dǎo)葉都采用了重錘式關(guān)閉機(jī)構(gòu)來防飛逸，從而可節(jié)約引水系統(tǒng)的快速閘門。目前采用的燈泡貫流式水輪機(jī)使用水頭高達(dá)27.3m，轉(zhuǎn)輪直徑7.5m，單機(jī)容量達(dá)48MW。廣東飛來峽(4×35MW)、寧夏沙坡頭(4×30MW)、甘肅炳靈(5×48MW)等電站，均為燈泡貫流機(jī)組。泄水部件-尾水管作用：引導(dǎo)水流進(jìn)入下游河道，并回收部分動(dòng)能和勢(shì)能。

龍灘水電站尾水管施工尾水管型式：直錐形尾水管

形式特點(diǎn)適用彎管直錐形形式特點(diǎn)適用彎曲形尾水管形式特點(diǎn)適用泄水部件(五)、水斗式水輪機(jī)構(gòu)造水斗式水輪機(jī)的組成：噴管、折流板、轉(zhuǎn)輪、機(jī)殼、尾水槽(1).轉(zhuǎn)輪組成：輪盤、斗葉（沿輪盤均勻分布）。連接方式：螺拴、整體鑄造、焊接。水斗的形狀(2).噴管組成：噴嘴、噴管體、針閥、噴桿、操作機(jī)構(gòu)針閥：調(diào)節(jié)水輪機(jī)的流量，以行程表示。廣泛應(yīng)用的噴嘴(3).折向器

使針閥緩慢關(guān)閉，降低水錘壓力，使水流偏離水斗，避免機(jī)組轉(zhuǎn)速升高。(4).機(jī)殼把水斗中排出的水引導(dǎo)入尾水槽內(nèi)。一般為鑄鋼件。(5).引水板防止水流隨轉(zhuǎn)輪飛濺到上方，造成附加損失水斗水輪機(jī)的裝置方式為了提高機(jī)組轉(zhuǎn)速及過流量，常在一個(gè)轉(zhuǎn)輪上裝設(shè)兩個(gè)或更多個(gè)噴嘴。有時(shí)又在一根軸上裝設(shè)兩個(gè)(或多個(gè))轉(zhuǎn)輪，以提高機(jī)組的單機(jī)出力。大中型水斗式水輪機(jī)多采用立式布置，這樣不僅可使廠房面積縮小，也便于裝設(shè)多噴嘴。中小型水斗式水輪機(jī)通常采用臥式布置，這樣可簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)、降低造價(jià)，并便于安裝和維護(hù)。多噴嘴安裝2.1.4蝸殼和尾水管斷面尺寸的擬定蝸殼（1）主要參數(shù)包括：A斷面形狀：B蝸殼的包角C蝸殼進(jìn)口斷面的平均流速Vc

蝸殼的斷面形狀（a）圓形斷面；（b）梯形斷面金屬蝸殼的包角一般采用345°混凝土蝸殼的包角一般采用180°11.9010.43金屬蝸殼進(jìn)口斷面的平均流速流速系數(shù)

混凝土蝸殼進(jìn)口斷面的平均流速Vc可由下圖查取

（2）金屬蝸殼的水力計(jì)算實(shí)質(zhì)：繪制蝸殼的單線圖1）對(duì)于進(jìn)口斷面斷面的面積斷面的半徑從軸中心線到蝸殼邊緣的半徑

2）對(duì)于中間任一斷面工作部件水輪機(jī)選擇習(xí)題課尾水管的作用

轉(zhuǎn)輪所獲得能量等于轉(zhuǎn)輪進(jìn)出口之間的能量差：1.無尾水管時(shí)：

轉(zhuǎn)輪獲得能量：2.設(shè)尾水管時(shí)：根據(jù)2-2至5-5斷面能量方程：可得：設(shè)尾水管后，轉(zhuǎn)輪所獲得能量：水輪機(jī)多獲得的能量：

設(shè)置尾水管以后，在轉(zhuǎn)輪出口形成了壓力降低，出現(xiàn)了真空現(xiàn)象，真空由兩部分組成：靜力真空：H2(落差)，也稱為吸出高度Hs；動(dòng)力真空(轉(zhuǎn)輪出口的部分動(dòng)能)

3.尾水管的作用

(1)匯集轉(zhuǎn)輪出口水流，排往下游。

(2)當(dāng)Hs>0時(shí)，利用靜力真空。

(3)利用動(dòng)力真空Hd。尾水管斷面尺寸的擬定（1）直錐形尾水管的斷面尺寸尾水管進(jìn)口直徑D3D3=D2+(0.5～1）cm圓錐角

=12～14尾水管長(zhǎng)度

尾水管出口流速V5尾水管出口直徑D5尾水室的尺寸221

（2）彎肘形尾水管的斷面尺寸彎肘形尾水管（a）轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)彎曲形尾水管；（b）混流式水輪機(jī)彎曲形尾水管標(biāo)準(zhǔn)系列彎肘形尾水管主要尺寸尺寸類型h/D1D1hLB5D4h4h5h6L1應(yīng)用范圍Z1Z3Z5Z5Z6Z6Z81.9152.3002.3002.5002.5002.7002.3001.0001.0001.0001.0001.0001.0001.0001.9152.3002.3002.5002.5002.7002.3003.5004.5004.5004.5004.5004.5003.5002.2002.3802.5002.5002.7402.7402.1701.1001.1701.2301.2301.3521.3521.0401.1001.1701.2301.2301.3521.3521.0401.0001.2001.2701.2501.3101.3100.9370.5500.5840.6170.6170.6700.6750.5101.4171.5001.5901.5901.7501.7501.410低比轉(zhuǎn)速軸流式ZZ440、ZZ360中比轉(zhuǎn)速軸流式ZZ440、ZZ560中比轉(zhuǎn)速混流式HL180、HL160中高比速軸流式ZZ560、ZZ600中高比速混流式HL230、HL310、HL240、HL220高比轉(zhuǎn)速軸流式ZZ600、ZZ560低比轉(zhuǎn)速混流式HL100、HL110

水斗式水輪機(jī)結(jié)構(gòu)圖

2.2水輪機(jī)的工作原理2.2.1水輪機(jī)的基本方程式1．水流在轉(zhuǎn)輪中的運(yùn)動(dòng)A相對(duì)運(yùn)動(dòng)：用表示B圓周運(yùn)動(dòng)：用表示

C絕對(duì)運(yùn)動(dòng):用表示2.2水輪機(jī)的工作原理對(duì)于混流式水輪機(jī)，可以認(rèn)為任一水流質(zhì)點(diǎn)在轉(zhuǎn)輪中的運(yùn)動(dòng)是沿著某一喇叭形的空間曲面(稱之為流面)而作的螺旋形曲線運(yùn)動(dòng)。流面即由某一流線繞主軸旋轉(zhuǎn)而成的回旋曲面。在整個(gè)轉(zhuǎn)輪流道內(nèi)有無數(shù)個(gè)這樣的流面。流面上每一個(gè)進(jìn)口點(diǎn)的速度

三角形是相同的；每一個(gè)出

口點(diǎn)的速度三角形也是相同

的。2．水輪機(jī)的基本方程式方程的實(shí)質(zhì)：由水流能量轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)機(jī)械能的平衡方程，方程左邊為轉(zhuǎn)換成的機(jī)械能。水流與葉片相互作用，使得水輪機(jī)做功。水流通過水輪機(jī)時(shí)，葉片迫使水流動(dòng)量矩發(fā)生變化，而水流以反作用力作用在葉片上，從而使轉(zhuǎn)輪獲得力矩。水能轉(zhuǎn)變?yōu)樾D(zhuǎn)機(jī)械能的必要條件：水流在轉(zhuǎn)輪出口的能量小于進(jìn)口處的能量，即轉(zhuǎn)輪的進(jìn)口和出口必須存在速度矩的差值。

水輪機(jī)效率：1．水力損失和水力效率2．容積損失和容積效率3．機(jī)械損失和機(jī)械效率水輪機(jī)的輸出軸功率蝸殼、導(dǎo)葉、轉(zhuǎn)輪、尾水管——沿程損失旋渦、脫流、撞擊——局部損失2.2.2水輪機(jī)的能量損失及效率一、水輪機(jī)的效率(efficiePcy)

水輪機(jī)的能量損失導(dǎo)致P<Ps，效率<1效率是由水力效率、流量效率、機(jī)械效率組成

1.水力損失(headloss)及水力效率蝸殼、導(dǎo)葉、轉(zhuǎn)輪、尾水管——沿程損失旋渦、脫流、撞擊——局部損失水輪機(jī)的水力效率為:2.流量損失及流量效率（容積效率）水流通過轉(zhuǎn)動(dòng)部分與非轉(zhuǎn)動(dòng)部分間隙直流入尾水管的流量為q，此部分流量不經(jīng)過轉(zhuǎn)輪作功，稱漏損。容積效率：3.機(jī)械損失和機(jī)械效率水輪機(jī)的輸入功率：Pe；輸出功率:P=Pe-ΔPm機(jī)械效率：ηm=P/Pe

水輪機(jī)的總效率

η=ηHηCηm提高效率的有效方法是減小水頭損失、流量損失、機(jī)械摩擦。η根據(jù)模型試驗(yàn)得到。二、水輪機(jī)的最優(yōu)工況水輪機(jī)的最優(yōu)工況是指η最高的工況。一般情況下，對(duì)η起主要作用的是水力損失，流量損失和機(jī)械損失相對(duì)較小，且基本不變，在水力損失中撞擊和渦流損失最大。水輪機(jī)的最優(yōu)工況

無撞擊進(jìn)口:當(dāng)進(jìn)口水流相對(duì)速度方向與轉(zhuǎn)輪葉片骨線方向一致最優(yōu)出流方向：水流出口方向離開轉(zhuǎn)輪后無旋轉(zhuǎn)并沿尾水管軸向流出時(shí)最優(yōu)工況：滿足上述兩條件工況下，水流轉(zhuǎn)輪進(jìn)口無撞擊損失，出口無渦流損失，此時(shí)效率最高。2.2.3水輪機(jī)的空化、吸出高度與安裝高程1.水輪機(jī)的空化1.空化及空化壓力的概念水沸騰為汽化，汽化是由氣壓和水溫決定的。水在一定壓力下加溫引起的汽化為沸騰；環(huán)境溫度不變壓力降低引起的汽化叫空化。在給定溫度下，液體開始汽化的臨界壓力為該溫度下的空化壓力(Pb)(1)

空化破壞的機(jī)理由可知，當(dāng)V↑→P↓,當(dāng)P=Pb時(shí)，水開始汽化→汽泡(水蒸氣+空氣)→水中溶解的氣體向氣泡析出→氣泡體積迅速增大→進(jìn)入高壓區(qū)→蒸氣變成水，汽泡體積減小，出現(xiàn)真空，汽泡外面的水流質(zhì)點(diǎn)在內(nèi)外壓差的作用下急速向汽泡中心壓縮、沖擊，在汽泡內(nèi)形成很大的微觀水錘壓力(可達(dá)幾百大氣壓)；1.水輪機(jī)的空化汽泡產(chǎn)生反作用力向外膨脹，壓力升高，水流質(zhì)點(diǎn)向外沖擊。大量汽泡連續(xù)不斷地產(chǎn)生與潰滅，水流質(zhì)點(diǎn)反復(fù)沖擊，使過流通道的金屬表面遭到嚴(yán)重破壞→機(jī)械破壞，稱為疲勞剝蝕。汽泡被壓縮，由于體積縮小，汽化破壞時(shí)水流質(zhì)點(diǎn)相互撞擊，引起局部溫度升高(可達(dá)到300℃)，汽泡的氧原子與金屬發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，造成腐蝕；同時(shí)由于溫度升高，產(chǎn)生電解作用→化學(xué)腐蝕。(2)水輪機(jī)空蝕定義

汽泡在潰滅過程中，由于汽泡中心壓力發(fā)生周期性變化，使周圍的水流質(zhì)點(diǎn)發(fā)生巨大的反復(fù)沖擊，對(duì)水輪機(jī)過流金屬表面產(chǎn)生機(jī)械剝蝕和化學(xué)腐蝕破壞的現(xiàn)象，稱水輪機(jī)的空蝕。

隔河巖1號(hào)水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪空化使過流部件機(jī)械強(qiáng)度降低，嚴(yán)重時(shí)整個(gè)部件受到破壞。增加過流部件的糙率，水頭損失加大，效率降低，流量減小，出力下降。機(jī)組產(chǎn)生振動(dòng)，嚴(yán)重時(shí)造成廠房振動(dòng)破壞?？s短了機(jī)組檢修的周期，增加了檢修的復(fù)雜性。消耗鋼材、延長(zhǎng)工期。3.空蝕造成的危害二、水輪機(jī)空化類型翼形(葉片)空化：轉(zhuǎn)輪葉片背面出口處產(chǎn)生的空化，與葉片形狀、工況有關(guān)。是反擊式水輪機(jī)的主要空化形式。間隙空化：當(dāng)水流通過間隙和較小的通道時(shí)，局部流速增大，壓力降低而產(chǎn)生的空化?？涨豢栈涸诜亲顑?yōu)工況時(shí)，水流在尾水管中發(fā)生旋轉(zhuǎn)形成一種對(duì)稱真空渦帶，引起尾水管中水流速度和壓力的脈動(dòng)，在尾水管進(jìn)口處產(chǎn)生空化破壞，還可能造成尾水管振動(dòng)。局部空化：在過流部件凹凸不平因脫流而產(chǎn)生的空化。水輪機(jī)空化的類型根據(jù)空化產(chǎn)生的部位不同，一般把水輪機(jī)的空化分為：

A翼型空化：B間隙空化：

C空腔空化：D局部空化：尾水管內(nèi)的真空渦帶尾水管內(nèi)的真空渦帶三、防止空化的措施

流速和壓力是產(chǎn)生空化最重要的兩個(gè)原因，因此要控制流速和壓力的急劇變化。

1.設(shè)計(jì)制造方面：合理選型，葉型流線設(shè)計(jì)，表面光滑，抗空化鋼襯(不銹鋼)。

2.工程措施：合理選擇安裝高程，采取防沙、排沙措施，防止有害泥沙進(jìn)入水輪機(jī)。

3.運(yùn)行方面：避開低負(fù)荷、低水頭運(yùn)行，合理調(diào)度，必要時(shí)向尾水管補(bǔ)氣。2．水輪機(jī)的空化系數(shù)與吸出高度(1)、水輪機(jī)的空化系數(shù)反擊式水輪機(jī)發(fā)生空化破壞的根本原因是過流通道中出現(xiàn)了p<pb的情況，因此防止空化的措施是限制p的降低，使p≥pb。影響水輪機(jī)效率的主要原因是翼型空化，所以衡量水輪機(jī)空化性能好壞一般是針對(duì)翼型空化而言，其標(biāo)志為空化系數(shù)?？栈禂?shù)б是水輪機(jī)空化特征的一個(gè)標(biāo)志，б越大，越容易破壞。通過研究葉片上的壓力分布情況，得到葉片上壓力最低點(diǎn)(一般為葉片背面靠近轉(zhuǎn)輪葉片出口處)K點(diǎn)的壓力為(列K點(diǎn)和2點(diǎn)、2點(diǎn)和下游水面的能量方程)：K點(diǎn)的真空值Hk.v：為尾水管動(dòng)能恢復(fù)系數(shù)。靜力真空Hs是吸出高度，取決于水輪機(jī)的安裝高程，與水輪機(jī)的性能無關(guān)；動(dòng)力真空hk與轉(zhuǎn)輪葉型、水輪機(jī)工況、尾水管性能有關(guān)，因此表明水輪機(jī)空化性能的只是動(dòng)力真空：

б稱水輪機(jī)的空化系數(shù)，是動(dòng)力真空的相對(duì)值。б與葉型、工況有關(guān)б與尾水管的性能有關(guān)，ηw↑→б↑，汽蝕性能差。幾何形狀相似的水輪機(jī)，工況相似，б相同；對(duì)任一水輪機(jī)在既定工況下，б也是定值。б值影響因素復(fù)雜，理論難以確定，廣泛使用的方法是進(jìn)行水輪機(jī)模型試驗(yàn)得出бm,并認(rèn)為б=бm。二、水輪機(jī)的吸出高度

為了防止空化，必須限制k點(diǎn)的壓力，使pk≥pB

保證水輪機(jī)內(nèi)不發(fā)生汽蝕的條件：

pk≥pB

Pa/γ=10.33

PB/γ=0.09~0.24水輪機(jī)吸出高度Hs是轉(zhuǎn)輪葉片壓力最低點(diǎn)到下游水面的垂直高度Zk，與水輪機(jī)形式有關(guān)，規(guī)定如下：

(1)立軸混流式水輪機(jī)：導(dǎo)葉下部底環(huán)平面到下游尾水面垂直高度。

(2)立軸軸流式水輪機(jī)：轉(zhuǎn)輪葉片中心線到下游尾水面垂直高度。

(3)臥軸貫流式水輪機(jī)：

葉片出口最高點(diǎn)到下游尾水面垂直高度。

(4)設(shè)計(jì)尾水位高于上述高程Hs為負(fù)，反之為正。

(5)為保證水輪機(jī)在運(yùn)行中不發(fā)生空化，對(duì)各種工況下Hs進(jìn)行試驗(yàn)，取其中較小值。三、水輪機(jī)的安裝高程

1.立軸HL：導(dǎo)葉中心平面高程

Za=Zw+Hs+b0/22.立軸ZL：導(dǎo)葉中心平面高程

Za=Zw+Hs+kD1

(k=0.38~0.48)

3.臥軸HL和GL：軸中心高程

Za=Zw+Hs-D1/2

注：Zw

：水電站設(shè)計(jì)尾水位,選用水電站最低尾水

位（1~2臺(tái)機(jī)組時(shí)取一臺(tái)機(jī)組50%額定流量，3~4臺(tái)機(jī)組時(shí)取一臺(tái)機(jī)組額定流量）

b0

：水輪機(jī)導(dǎo)葉高度；D1

：轉(zhuǎn)輪直徑2．水輪機(jī)的空化系數(shù)與吸出高度（1）水輪機(jī)的空化系數(shù)K點(diǎn)和下游尾水渠d點(diǎn)流線的能量方程

空化系數(shù)：（2）水輪機(jī)的裝置空化系數(shù)產(chǎn)生空化的臨界條件：pK=pVa時(shí)，σZ=σ不產(chǎn)生翼型空化：pK＞pVa時(shí)，σZ＞σ產(chǎn)生翼型空化：pK＜pVa時(shí)，σZ＜σ（3）水輪機(jī)吸出高度吸出高度是指在水輪機(jī)中所規(guī)定的空化基準(zhǔn)面與尾水位的高差，常用Hs表示

不產(chǎn)生空化的吸出高度為:σ越大，則越小，條件式越容易滿足，空化越不容易發(fā)生，Hs越小氣蝕越小σ越小，則越大，條件式越難滿足，空化越容易發(fā)生，Hs越大氣蝕越大Δσ――空化系數(shù)修正值，由下圖查得吸出高度有正、負(fù)之分不同類型壓力最低點(diǎn)確定1）立軸軸流式水輪機(jī)：2）立軸混流式水輪機(jī)：3）立軸斜流式水輪機(jī)：4）臥軸混流式、貫流式水輪機(jī)：3．水輪機(jī)的安裝高程

水輪機(jī)的標(biāo)高所在的海拔高程

（1）立軸混流式水輪機(jī)

（2）立軸軸流式和斜流式水輪機(jī)（3）臥軸反擊式水輪機(jī)（4）立軸水斗式水輪機(jī)（5）臥軸水斗式水輪機(jī)設(shè)計(jì)尾水位：確定水輪機(jī)安裝高程的尾水位，應(yīng)選擇水電站的最低尾水位。可按下表選用。

電站裝機(jī)臺(tái)數(shù)1臺(tái)或2臺(tái)3臺(tái)或4臺(tái)5臺(tái)以上水輪機(jī)過流量1臺(tái)機(jī)50％的額定流量1臺(tái)機(jī)的額定流量1.5～2臺(tái)機(jī)的額定流量例題某電站下游水位-流量關(guān)系如下表Z（m）278.5279279.5280280.5281282Q（m3/s）0.50.570.610.660.70.730.76安裝2臺(tái)HL240-lJ-60型水輪機(jī)，單機(jī)Hr=32m，Qr=1.22m3/s，σM=0.2下游平均水位280m，試求該水輪機(jī)的吸出高度和安裝高程。1、反擊式水輪機(jī)的主要組成部件：

(1)進(jìn)水(引水)部件（蝸殼）：使水流均勻、旋轉(zhuǎn)，以最小水頭損失送入轉(zhuǎn)輪室。

(2)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)（導(dǎo)葉及控制設(shè)備)：控制工況。

(3)轉(zhuǎn)輪（工作核心)：能量轉(zhuǎn)換，決定水輪機(jī)的尺寸、性能、結(jié)構(gòu)。

(4)泄水部件（尾水管）：回收能量、排水至下游。2、沖擊式水輪機(jī)的主要組成部件：噴管，轉(zhuǎn)輪，折流器，機(jī)殼，射流制動(dòng)器等組成。

二、水輪機(jī)的基本構(gòu)造(一)、混流式水輪機(jī)基本構(gòu)造水流—蝸殼—座環(huán)—導(dǎo)葉—轉(zhuǎn)輪—尾水管—下游蝸殼：其作用是使水流產(chǎn)生圓周運(yùn)動(dòng)，并引導(dǎo)水流均勻地、軸對(duì)稱地進(jìn)入水輪機(jī)。三門峽水電站水輪機(jī)蝸殼蝸殼組裝座環(huán)位于導(dǎo)水葉的外圍。由上、下環(huán)和立柱組成。作用：是水輪機(jī)的骨架，承受機(jī)墩及傳來的荷載，并傳到下部基礎(chǔ)；支承活動(dòng)導(dǎo)葉；故必須有足夠的強(qiáng)度和剛度。斷面設(shè)計(jì)：流線形，保證強(qiáng)度、剛度。數(shù)目為活動(dòng)導(dǎo)葉的一半。導(dǎo)水機(jī)構(gòu)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖作用：根據(jù)機(jī)組負(fù)荷變化，調(diào)節(jié)水輪機(jī)流量，改變出力引導(dǎo)水流按切向進(jìn)入轉(zhuǎn)輪，形成速度矩；組成：導(dǎo)水葉及其軸、接力器。

導(dǎo)水葉：導(dǎo)水機(jī)構(gòu)的主體，上下端分別固定在底環(huán)和頂蓋上，為流線形。也稱為活動(dòng)導(dǎo)葉。

作用：改變導(dǎo)葉開度以改變流量。導(dǎo)葉轉(zhuǎn)動(dòng)是通過調(diào)速成器和接力器來實(shí)現(xiàn)的。

導(dǎo)葉參數(shù)：導(dǎo)葉數(shù)、高度、開度。導(dǎo)水機(jī)構(gòu)接力器接力器用于操作控制環(huán)的轉(zhuǎn)動(dòng)接力器示意圖導(dǎo)葉的主要幾何參數(shù)(1)導(dǎo)葉數(shù)Z0：與D1有關(guān)。D1

=1.0~2.25m時(shí)，Z0=16；D1

=2.5~8.5m時(shí)，Z0

=24。(2)導(dǎo)葉相對(duì)高度b0/D1：HL：0.1~0.39;ZL：0.35~0.45(3)導(dǎo)葉轉(zhuǎn)動(dòng)軸分布圓直徑D0，應(yīng)滿足導(dǎo)葉在最大可能開度時(shí)不碰到固定導(dǎo)葉和轉(zhuǎn)輪。一般取D0=1.13~1.16D1(4)導(dǎo)葉開度a0：兩導(dǎo)葉之間的垂直距離，最大開度為amax。導(dǎo)葉的開度轉(zhuǎn)輪水能旋轉(zhuǎn)機(jī)械能組成：軸、上冠、葉片、下環(huán)、止漏環(huán)、泄水錐混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)輪的組成在法蘭盤四周開有幾個(gè)減壓孔，以便將經(jīng)過上冠外緣滲入冠體上側(cè)的積水排入尾水管。大型機(jī)組在與上冠連接的主軸端常裝有補(bǔ)氣裝置，以便向泄水錐下側(cè)的水流低壓區(qū)補(bǔ)氣。泄水錐的作用是引導(dǎo)徑向水流平順地過渡成軸向流動(dòng)，以消除徑向水流的撞擊及漩渦。轉(zhuǎn)輪的組成轉(zhuǎn)輪葉片是扭曲面體，其進(jìn)水邊扭曲度較小，而出水邊扭曲度較大，其斷面形狀為翼形。葉片的數(shù)目通常在12-21片之間。止漏環(huán)也稱為迷宮環(huán)。在轉(zhuǎn)輪上冠和下環(huán)的外緣處均安裝著止漏環(huán)的轉(zhuǎn)動(dòng)部分，它與相對(duì)應(yīng)的固定部分之間形成一系列忽大忽小的空間或迷宮狀的直角轉(zhuǎn)彎，以增長(zhǎng)滲徑，加大阻力，從而減小滲漏損失。尾水管作用：引導(dǎo)水流進(jìn)入下游河道，并回收部分動(dòng)能和勢(shì)能。

龍灘水電站尾水管施工(二)、軸流式水輪機(jī)的構(gòu)造(1)轉(zhuǎn)速高，當(dāng)H，P相同時(shí)，轉(zhuǎn)速是混流式水輪機(jī)的2倍，尺寸較小。(2)軸流轉(zhuǎn)漿式多用于低水頭大流量的大型電站，其轉(zhuǎn)輪葉片可以轉(zhuǎn)動(dòng)（雙調(diào)節(jié)），H、P變化時(shí)，水輪機(jī)具有較高的效率。1.軸流式水輪機(jī)特點(diǎn)2.轉(zhuǎn)輪構(gòu)造軸流式水輪機(jī)除轉(zhuǎn)輪外，其它部件與混流式相似組成：葉片、輪轂、主軸、泄水錐、轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)葉片：表面為曲面，斷面為翼形，根部厚，邊緣薄，以承受水流作用的摶矩。葉片數(shù)目：與H大小有關(guān)，一般為4~8片；葉片轉(zhuǎn)角Φ：最優(yōu)工況時(shí)Φ=0°，Φ>0，葉片開始啟動(dòng)，Φ<0向關(guān)閉方向轉(zhuǎn)動(dòng)。

-15°->Φ<+20°輪轂：外部連接葉片，內(nèi)部安裝轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)：安裝在輪轂內(nèi)，由調(diào)速器控制，調(diào)整導(dǎo)葉角度。2.轉(zhuǎn)輪構(gòu)造葉片轉(zhuǎn)動(dòng)操作機(jī)構(gòu)(三)、斜流式水輪機(jī)構(gòu)造斜流式水輪機(jī)構(gòu)造主要部件：座環(huán)、轉(zhuǎn)輪及其葉片、導(dǎo)水機(jī)構(gòu)、尾水管、主軸、導(dǎo)軸承等。與軸流轉(zhuǎn)漿式水輪機(jī)不同之處：葉片轉(zhuǎn)動(dòng)軸線與主軸成45°~60°的夾角。毛家村電站的運(yùn)行證明，斜流式水輪機(jī)可以在比較寬闊的負(fù)荷范圍內(nèi)保持較高的平均效率，但其缺點(diǎn)也很突出，如結(jié)構(gòu)復(fù)雜，可靠性較低，容易漏油，造成污染，在吸出高度Hs=-8m條件下運(yùn)行，其空化現(xiàn)象仍比較嚴(yán)重。由于斜流水輪機(jī)無顯著特點(diǎn)，在設(shè)計(jì)中很少采用。(四)、燈泡貫流式水輪機(jī)實(shí)際上是臥軸安裝的軸流式水輪機(jī)，發(fā)電機(jī)安裝在燈泡體內(nèi)。燈泡貫流式水輪機(jī)我國(guó)開發(fā)采用燈泡貫流式水輪機(jī)的時(shí)間相對(duì)較晚，近年來燈泡貫流式水輪機(jī)的導(dǎo)葉都采用了重錘式關(guān)閉機(jī)構(gòu)來防飛逸，從而可節(jié)約引水系統(tǒng)的快速閘門。目前采用的燈泡貫流式水輪機(jī)使用水頭高達(dá)27.3m，轉(zhuǎn)輪直徑7.5m，單機(jī)容量達(dá)48MW。廣東飛來峽(4×35MW)、寧夏沙坡頭(4×30MW)、甘肅炳靈(5×48MW)等電站，均為燈泡貫流機(jī)組。當(dāng)水頭較低而機(jī)組容量又較大時(shí)，若水輪機(jī)與發(fā)電機(jī)的主軸直接聯(lián)接，則發(fā)電