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。
&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。
P
10、水流的出力：P n= QH=9.81QH（KW）水轮机的效率：t二一由于水轮机在总做中存在能量耗损
P n
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 t=9.81OH t（KW）或者是P=M，也2卫其中「是水轮机的旋转速度，
60
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
③GD60—W—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 X 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V -0°的起始面，任意二角的r 轴和z 轴构成的平面称为经面或径面，常以 m 表示。
轴面：v -0°和二=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 J 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。
H s= -( Mi r i -V u2r 2)
H V ^V ^ U 1 W ，速度矩的变化是转轮作
g 2g 2g
2g 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
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：
H h 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
s 二一 - H 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 ，v = —q
Q
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
P - A p . P e =9.81( Q-v q).(H 八h )二9.81QH s v 机械效率j =—
-水轮机的输出功率
^P > - P^P e .水轮机的总效率为 =s v j 故P = 9.81QH 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 的方向角'-1与转轮叶
片的进口角y 相同，即］I =E ，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V 2的方向角-=90°，即V 2
垂直于U 2时，V u2 =0，】2 =0，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。