第一章概述1．基本概念（1）什么叫水轮机？答：将水能转变为旋转机械能的水力原动机叫做水轮机。

（2）冲击式水轮机与反击式水轮机的区别。

答：工作原理方面：利用水流的势能与动能做功的水轮机为反击式水轮机；利用水流的动能做功的水轮机为冲击式水轮机。

流动特征方面：反击式水轮机转轮流道有压、封闭、全周进水；冲击式水轮机转轮流道无压、开放、部分进水。

结构特征方面也显著不同。

如转轮的差别，有无喷嘴、尾水管。

（3）反击式水轮机的过流部件及其作用引水室：作用是引水流进入导水机构。

导水机构：作用是调节水轮机过流量，并使水流能按一定方向进入转轮。

转轮：将水流能量转换为固体旋转机械能量的部件。

尾水管：作用是将水流排下下游，并回收转轮出口的剩余动能。

（4）冲击式水轮机的主要部件喷嘴：水轮机自由射流的形成装置。

喷针：与喷嘴共同完成流量控制（以行程变化喷嘴控制喷嘴出口过流面积）。

转轮：由轮盘和轮盘外周均匀排列的水斗构成的组件，转换水流能量为固体旋转机械能。

折向器：自由射流流程内部件，可遮断射流，以防止转轮飞逸。

（5）我国关于水轮机标准直径的定义混流式：转轮叶片进水边上最大直径。

浆叶式（轴流式、斜流式、贯流式）：浆叶转动轴线与转轮室相交处直径。

冲击式：射流中心线与转轮相切处节圆直径。

（6）水轮机工作参数工作水头H ：水轮机的进口和出口处单位重量水流的能量差值。

流量Q ：单位时间内通过水轮机的水流体积。

转速n ：水轮机转轮单位时间内旋转的次数。

出力P ：水轮机轴端输出的功率。

效率η：水轮机的输入与输出功率之比。

2．基本计算（1）水电站的毛水头g H ：du g Z Z H －=其中：u Z ，d Z 分别为电站上、下游水位高度。

（2）水电站的工作水头H ：理论表达式：)2()2(2211g v p Z g v p Z H ∏∏∏∏I I ++-++=αγαγ式中参量见装置示意图。

测量与计算：因为如示意图所示，I -I 断面为距出口断面一定距离的下游断面γαγap Z g v p Z +≈++I ∏∏∏∏22，工作水头测量计算可如下进行。

∏I Z Z , —— 高程测量)(98102O H m p p ⋅=IIγ，I p 为进口断面压力表读数（a p ）)/(42s m d Qv ⋅=I π，Q 为过流量，d 为进口断面内径。

另，当已知引水系统损失h ∆的情形下，水轮机工作水头可用下式计算hH H g ∆-=例：上游水库水位m Z u 2.88=，尾水位m Z d 2.44=，m h 0.2=∆，则)(4222.442.88m H =--=第二章 水轮机的工作原理1.基本概念（1） 水轮机中水流运动的分解水轮机流道内水流空间运动，可用若干个简单运动表示的方法就是其水流运动的分解。

例如转轮中水流运动u w v +=其中，v 为水流质点绝对运动（或绝对速度），w为水流质点沿叶片的相对运动（或相对速度），u为水流质点随转轮所用的周向牵连运动（或牵连速度）。

其相应的矢量关系图即为速度三角形：常用的水流运动的分解方法还有： u m v v v += u r z v v v v ++=zy x v v v v ++=（2）水轮机工况的概念水轮机的运行状态或运行条件称为水轮机的工况。

水轮机的不同工况相应一组不同的工作参数。

（3）无撞击进口与法向出口无撞击进口指转轮进口水流相对速度方向与转轮进口叶片骨线切线方向一致的工况条件。

法向出口指转轮出口水流绝对速度的方向是法向的，即出口水流绝对速度的圆周分量02=u v 。

无撞击进口相应转轮进口水力损失最小，法向出口最有利尾水管动能回收效率，所以无撞击进口、法向出口是水轮机最优工况的理论条件。

2．基本理论uw v（1）水轮机基本方程式导出的基本理论依据是水流动量矩方程。

通过分析转轮的水流动量矩变化，也即水流所长对同一轴的力矩，确定水流作用于转轮的总力矩，再列出该总力矩对转轮的有效功率（MW ）与水流传递给转轮的有效功率(h QH ηγ)得到水轮机基本方程式。

基本方程式的几种常用形式：)(12211u v u v g H u u h -=η )cos cos (1222111ααηv u v u g H h -= )(221C C g H h -=πωη基本方程式的基本意义：基本方程式本质上是水能与其所转变的固体能量间的能量平衡式，左边是转轮从单位重量水流所获得的机械能，右边是相应的水流运动条件；基本方程式指出水能转变成固体旋转机械能的必要条件是转轮进、出口必须存在水流速度矩（或环量）的差；基本方程式表明，要提供上述转换的必要条件,以至保证能量转换的成效，转轮叶片流道的形状（迫使水流速度矩变化）是决定性的因素。

（2）变工况时水轮机效率下降的原因无撞击进口和法向出口水流条件是水轮机最优工况的理论条件，而变工况时，如工作水头变化或导水叶开度变化，即偏离最优工况条件，将在转轮进口形成水流撞击损失（1w 方向与叶片进口骨线切线方向不一致），以及在转轮出口形成出口环流，而相应尾水管动能损失增大。

（3）转浆式水轮机效率宽广的原因转浆式水轮机的转轮叶片可随工况变化自动改变角度，如此，其可当工 况变化时，变化转轮叶片角度，最大限度的接近无撞击进口和法向出口条件，故可在较大工况范围内取得较高效率。

3．基本计算（1）转轮进、出口水流速度三角形进口速度三角形应用三个参量：601Dnu π=11F Q v m =01αα≈（中、高比转速水轮机用01cot απD b Qv u =）式中，D ——计算点所在圆周直径，n ——水轮机转速，Q ——水轮机过流量，1F ——关于1m v的过水断面面积，0α——导水叶出口角，0b ——导水叶高度。

出口边速度三角形应用三个参量：602Dnu π=22F Q v m =22b ββ≈式中，D 、n 、Q 同上，2F ——关于2m v 的进水断面面积，2b β——叶片出口边安放角。

（2）基本方程式的应用例题：已知某混流式水轮机转轮进口处s m u /4.521=，s m v u /7.471=转轮出口处s mu /7.362=，s m v u /36.12=，若水轮机的工作水头m H 270=，试求水轮机的水力效率h η？解：根据水轮机基本方程式)(12211u v u v g H u u h -=η得到)(12211u v u v gH u u h -=η)36.17.364.527.47(27081.91⨯-⨯⨯=%5.92=答：此时水轮机的水力效率%5.92=h η。

1． 水轮机空化的一般现象（外部特征）水轮机空化，是指发生于水轮机流道内的一种特殊的水动力学现象。

（1）发生水轮机空化时，水轮机外部性能恶化，可伴有：1）流道噪音2）机组振动 3）能量指标下降（2）由于水轮机空化的发生，水轮机过流部件可导致材料损伤。

2． 水轮机空化的类型按照水轮机内水体低压条件的不同形成原因，水轮机空化类型分为四种： （1） 翼型空化（2）间隙空化（3）局部空化（4）空腔空化3．水轮机空化与空蚀的机理空化：常温状态下，液体压力低于汽化压力而发生的汽化现象。

空蚀：空化发生时，液体对于固体边壁所形成的损伤破坏。

（1）空化机理单独存在的微小气泡或微小气团附着在不浸润固体颗粒上的微气泡固体边壁表面微裂隙中的微气泡形成指向边壁的高速射流（射流速度达100 m/s ）形成指向边壁的冲击波（冲击波压力达2500大气压）4． 水轮机空化系数根据文字教材有关分析，叶片表面压力最低点k 的压力与汽化压力的差：σσ2gH w w 2gH v ηH H γp γp γH p p P 222k 22w s va v k -=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-+---=-其中=σ2gH w w 2gH v η222k 22w -+为水轮机空化系数 =P σ H H γp γp s va -- 为水电站空化系数要点：水轮机空化系数σ、σP 的物理意义, 以及σ <σP 不发生空化条件的原理。

5． 水轮机吸出高度HS()Δσσ900E10H M S 允+--=要点：水轮机吸出高度H S 、S允H 的定义，以及H S <S允H 不发生空化条件的原理。

水轮机、水泵及辅助设备教学辅导1、水轮机流动的相似条件（1）相似概念 物理现象相似：两现象的发展过程中，任意空间点的任一物理量对应成比例。

水轮机内流动相似：流体力学现象，两水轮机流道内对应水流质点的动力学参量对应成比例。

（2）水轮机内流动的相似条件水轮机流动相似应具备的三个相似条件及其关系： 几何相似 — 流道形状相同运动相似 — 流场形状相同，如水流速度三角形形状相同 动力相似 — 力场形状相同，如水流受力分解多边形形状相同 几何相似是运动相似的必要条件， 运动相似是动力相似的必要条件。

（3）水轮机流动相似意义的实际限定：忽略部分动力相似条件（如水流粘性力相似），即水轮机流动相似（又称工况相似）对应水流运动相似。

2、水轮机的相似率与单位参数若两台水轮机工况相似，分别以M 、P 角标表示，则由运动相似条件以及水流速度与有效水头平方根成正比关系知P h M h mP mMP M P M P M )(Hη)(Hηv v w w u u v v ====也即两水轮机流道内水流速度三角形形状相同，如右下图所示。

于是，能得到描述水轮机流动相似的相似率和单位参数。

转速相似率：P h 1M h 1HηnD HηnD ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=⎪⎪⎭⎫⎝⎛流量相似率：U PU MV MW MV mMP h 21M h 21HηD Q HηD Q ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=⎪⎪⎭⎫⎝⎛出力相似率：P 3/2h 21M 3/2h 21)(HηD P )(HηD P ⎪⎪⎭⎫⎝⎛=⎪⎪⎭⎫⎝⎛相应的单位参数：h 111HηnD n =，h 2111HηD Q Q =，3/2h 2111)(HηD PP =单位参数的一次近似式： H nD n 111=，H D Q Q 2111=，3/22111H D P P =单位参数的基本意义：a ． 单位参数是关于水轮机相似流动的相似准则数；b ． 水轮机相似流动问题中有两个单位参数互为独立；c ． 水轮机工况相似时，单位参数对应相等，反之对几何相似的水轮机亦成立。

3、水轮机比转速（1）表达式5/4s H Pn n =，=ηQ 3.13n 1111（m ·kW ）（2）物理意义关于水轮机相似流动的综合性的相似准则数。

（3）特征比转速水轮机特定工况点的比转速。

（4）特征比转速的应用意义相似工况条件下，同轮系水轮机的同一“特定工况点”就是相似工况点，即同轮系水轮机的特征比转速相等，因此，不同的特征比转速意味着不同的水轮机轮系。