建筑物和设备
水轮机
发电机
天然水能
可利用水能
旋转机械能
电能
四川农业大学水建系
水能
四川农业大学水建系
河段水流的出力
E 1 N rwH12 rQH12 t t
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。
四川农业大学水建系
水轮发电机组
水轮机是将水能转变
第一章 水轮机的类型、构造及工作原理
第一节 水轮机主要类型
第二节 水轮机工作参数 第三节 水轮机的基本构造
第四节 水轮机型号
第五节 水流在反击式水轮机转轮中的运动
第六节 水轮机的基本方程式
第七节 水轮机效率及最优工况
四川农业大学水建系
本节课教学内容及教学要求
1
水轮发电机组的基本概念
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。
四川农业大学水建系
反击式水轮机的主要构造
四川农业大学水建系
水流流动方向
上游水库 压力水管 水机构（导叶） 转轮 蜗壳 尾水管 座环 下游。 导
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、 轴流式、斜流式和贯流式。
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)
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。
四川农业大学水建系
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） (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。
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。
四川农业大学水建系
水头 40—80m
60—130m
120—200m
四川农业大学水建系
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）；
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。
四川农业大学水建系
座环（Stay ring）
四川农业大学水建系
利用水流的动能进行工作； 斜击式 四川农业大学水建系 转轮露在空气中。
小结
四川农业大学水建系
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。
四川农业大学水建系
工作水头(working head)
天然水流—坝—水库—取水口—有压隧洞—压力钢管—水轮 机—发电机—输变电装置—用户。
四川农业大学水建系
有压引水式水电站示意图
1 —水库；2—闸门室；3—进水口；4—坝；5—泄水道； 6—调压室；7—有压隧道；8—压力管道；9—厂房；10—尾水渠
四川农业大学水建系
第三节 水轮机的基本构造
水轮机主要由引水机构、导水机构、转轮和泄水机构组成。 (1) 引水机构（引水室(蜗壳) 、座环）： ①引导水流均匀、 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
四川农业大学水建系
水流在反击式水轮机转轮中的运动
四川农业大学水建系
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
四川农业大学水建系
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）
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。
四川农业大学水建系
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。
2）转桨式：叶片能随工况的变化而转动，进行双重调节（导叶开度、叶片角度） 适用范围：水头、流量变化大，特别是出力变化较大的大中型电站。 水头为3-80米
四川农业大学水建系
斜流式水轮机
转轮区水流斜向流入，斜向流出。视频3
四川农业大学水建系
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
三峡右岸电站12根直径12.8米的特大型压力引 水钢管，和大坝下方的发电厂房12台水轮发电 机组。
四川农业大学水建系
三峡电站的一台机组蜗壳，由高强度钢板卷制焊 接而成，与大坝引水管相连，蜗壳中间是座环及 固定导叶。
四川农业大学水建系
焊接后的蜗壳用混凝土浇筑在发电厂房地下。
四川农业大学水建系
座环（Stay ring）
四川农业大学水建系
四川农业大学水建系
四川农业大学水建系
四川农业大学水建系
冲击式水轮机
定义：利用水流的动能来做功的水轮机。
工作原理：利用特殊的导水装置，将高压水流变为
高速射流，通过射流与转轮的相互作用 将水流的动能传递给转轮。
四川农业大学水建系
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
四川农业大学水建系
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) N w QH 9.81QH 水流传给水轮机的能量 3、水轮机输出功率（水轮机出力） N=Nw×ηt
4、机组出力(单机容量)
N g 9.81QH
机组的最大出力
t g
5、水电站装机容量
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。
四川农业大学水建系
总结：水轮机的分类
利用水流的势能和动能进行工作； 混流式 转轮完全淹没在密闭的水体中。
轴流定浆式 轴流转浆式
轴流式 反击式 斜流式 全贯流式 贯流式 水轮机 水斗式 冲击式 双击式 半贯流式 轴伸式 竖井式 灯泡式
水 轮 发 电 机 组
为旋转机械能，从而带 动发电机发出电能的一
种机械。
水轮机与发电机联接
成的整体称为水轮发电
机组。
四川农业大学水建系
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。
四川农业大学水建系
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。
四川农业大学水建系
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: 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。
掌握水轮发电机组的基本概念。
2
主 要 内 容
3
水轮机的主要类型
掌握各水轮机的基本类型、特点及适用范围；
理解反击式、冲击式水轮机的划分原则。
水轮机的工作参数
理解水轮机五个主要工作参数：水头、流量、 转速、出力与效率的定义、表达式及其意义。
四川农业大学水建系
水力发电的基本原理
发电机发电，这种发电方式就称为水力发电。
四川农业大学水建系
四川农业大学水建系
蜗 壳 (Volute)
三门峡水电站水轮机蜗壳
四川农业大学水建系
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。
四川农业大学水建系
蜗 壳 (Volute)
(二) 型式
金属蜗壳和混凝土蜗壳。
四川农业大学水建系
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)