第一節水輪機的主要型別
自然界有多種能源，其中有很多式可以開發利用的，目前已被利用的能源中主要有熱能、水能、風能和核能。其中水能是一種最經濟的能源，水能的開發利用已受到越來越多的關注。我國有著豐富的水力資源，對水能的開發利用已受到社會的廣泛關注，對水能最重要的開發形式就是興建各種各樣的水電站。
水輪機作為將水能轉換成旋轉機械能的一種水力原動機，是水電站中最重要的組成部分。根據轉輪轉換水流能量方式的不同，水輪機分成兩大類：反擊式水輪機和衝擊式水輪機。
反擊式水輪機包括混流式、軸流式、斜流式和貫流式水輪機；衝擊式水輪機分為水斗式、斜擊式和雙擊式水輪機。
一、反擊式水輪機
反擊式水輪機轉輪區內的水流在通過轉輪葉片流道時，始終是連續充滿整個轉輪的有壓流動，並在轉輪空間曲面型葉片的約束下，連續不斷地改變流速的大小和方向，從而對轉輪葉片產生乙個反作用力，驅動轉輪旋轉。當水流通過水輪機後，其動能和勢能大部分被轉換成轉輪的旋轉機械能。
1.混流式水輪機
如圖1-1所示，水流從四周沿徑向進入轉輪，然後近似以軸向流出轉輪。混流式水輪機應用水頭範圍較廣，約為20～700m，結構簡單，執行穩定且效率高，是現代應用最廣泛的一種水輪機。
圖1-1 混流式水輪機
1—主軸；2—葉片；3—導葉
2．軸流式水輪機
如圖1-2所示，水流在導葉與轉輪之間由徑向流動轉變為軸向流動，而在轉輪區內水流保持軸向流動，軸流式水輪機的應用水頭約為3～80m。軸流式水輪機在中低水頭、大流量水電站中得到了廣泛應用。根據其轉輪葉片在執行中能否轉動，又可分為軸流定槳式和軸流轉槳式水輪機兩種。
軸流定槳式水輪機的轉輪葉片是固定不動的，因而結構簡單、造價較低，但它在偏離設計工況執行時效率會急劇下降，因此，這種水輪機一般用於水頭較低、出力較小以及水頭變化幅度較小的水電站。軸流轉槳式水輪機的轉輪葉片可以根據執行工況的改變而轉動，從而擴大了高效率區的範圍，提高了執行的穩定性。但是，這種水輪機需要有乙個操作葉片轉動的機構，因而結構較複雜，造價較高，一般用於水頭、出力均有較大變化幅度的大中型水電站。
圖1-2 軸流式水輪機
1—導葉；2—葉片；3—輪轂
3．斜流式水輪機
如圖1-3所示，水流在轉輪區內沿著與主軸成某一角度的方向流動。斜流式水輪機的轉輪葉片大多做成可轉動的形式，具有較寬的高效率區，適用水頭在軸流式與混流式水輪機之間，約為40～200m。它是在50年代初為了提高軸流式水輪機適用水頭而在軸流轉槳式水輪機基礎上改進提出的新機型，其結構形式及效能特徵與軸流轉槳式水輪機類似，但由於其傾斜槳葉操作機構的結構特別複雜，加工工藝要求和造價均較高，所以一般只在大中型水電站中使用，目前這種水輪機應用還不普遍。
圖1-3 斜流式水輪機
1—蝸殼；2—導葉；3—轉輪葉片；4—尾水管
4．貫流式水輪機
貫流式水輪機是一種流道近似為直筒狀的臥軸式水輪機，它不設引水蝸殼，葉片可做成固定的和可轉動的兩種。根據其發電機裝置形式的不同，分為全貫流式和半貫流式兩類。
全貫流式水輪機（如圖1-4）的發電機轉子直接安裝在轉輪葉片的外緣。它的優點是流道平直、過流量大、效率高。但由於轉輪葉片外緣的線速度大、週線長，因而旋轉密封困難。
目前這種機型已很少使用。
半貫流式水輪機有軸伸式、豎井式和燈泡式等裝置形式，如圖1-5、圖1-6、圖1-7所示，其中軸伸式和豎井式結構簡單、維護方便，但效率較低，一般只用於小型水電站。目前廣泛使用的是燈泡貫流式水輪機，其結構緊湊、穩定性好、效率較高，其發電機布置在被水繞流的鋼製燈泡體內，水輪機與發電機可直接聯接，也可通過增速裝置聯接。
圖1-4 全貫流式水輪機
1—轉輪葉片；2—轉輪輪緣；3—發電機轉子輪輞；4—發電機定子；5、6—支柱；7—軸頸；8—輪轂；9—錐形插入物；10—拉緊杆；11—導葉；12—推力軸承；13—導軸承
圖1-5 軸伸貫流式水輪機
1—轉輪；2—水輪機主軸；3—尾水管；4—齒輪轉動機構；5—發電機
圖1-6 燈泡貫流式水輪機
1—轉輪葉片；2—導葉；3—發電機定子；4—發電機轉子；5—燈泡體
圖1-7 豎井貫流式水輪機
貫流式水輪機的適用水頭為1～25m，適用於低水頭、大流量的水電站。由於其臥軸式布置及流道形式簡單，所以土建工程量少，施工簡便，因而在開發平原地區河道和沿海地區潮汐等水力資源中得到較為廣泛的應用。目前我國自行研製的最大的燈泡貫流式水輪機轉輪直徑為5.
5m，單機出力為15mw。
二、衝擊式水輪機
衝擊式水輪機的轉輪始終處於大氣中，來自壓力鋼管的高壓水流在進入水輪機之前已轉變成高速自由射流，該射流衝擊轉輪的部分輪葉，並在輪葉的約束下發生流速大小和方向的改變，從而將其動能大部分傳遞給輪葉，驅動轉輪旋轉。在射流衝擊輪葉的整個過程中，射流內的壓力基本不變，近似為大氣壓。
衝擊式水輪機按射流衝擊轉輪的方式不同可分為水斗式、斜擊式和雙擊式三種。
1．水斗式水輪機
水斗式水輪機，亦稱切擊式水輪機，如圖1-8所示。從噴嘴出來的高速自由射流沿轉輪圓周切線方向垂直衝擊輪葉。這種水輪機適用於高水頭、小流量的水電站，特別是當水頭超過400m時，由於結構強度和氣蝕等條件的限制，混流式水輪機已不太適用，則常採用水斗式水輪機。
大型水斗式水輪機的應用水頭約為300～1700m，小型水斗式水輪機的應用水頭約為40～250m。目前水斗式水輪機的最高水頭已用到1767m（奧地利萊塞克電站），我國天湖水電站的水斗式水輪機設計水頭為1022.4m。
圖1-8 水斗式水輪機
2．斜擊式水輪機
如圖1-9所示，從噴嘴出來的自由射流沿著與轉輪旋轉平面成一角度的方向，從轉輪的一側進入輪葉再從另一側流出輪葉。與水斗式相比，其過流量較大，但效率較低，因此這種水輪機一般多用於中小型水電站，適用水頭一般為20～300m。
圖1-9 斜擊式轉輪
轉輪；(b)斜擊式轉輪進水示意圖
管帽；2—針閥；3—輪葉；
3．雙擊式水輪機
如圖1-10所示，從噴嘴出來的射流先後兩次衝擊在轉輪葉片上。這種水輪機結構簡單、製作方便，但效率低、轉輪葉片強度差，僅適用於單機出力不超過1000kw的小型水電站，其適用水頭一般為5～100m。
圖1-10 帶有閘板閥門的雙擊式水輪機
1—工作輪；2—噴嘴；3—調節閘板；4—舵輪；5—引水管；6—尾水槽
各種型別水輪機及應用水頭範圍如表1-1所示。
表1-1 水輪機型別及應用水頭範圍
第二節水輪機的工作引數
水輪機的工作引數是表徵水流通過水輪機時水流能量轉換為轉輪機械能過程中的一些特性資料。水輪機的基本工作引數主要有水頭、流量、出力、效率、轉速。
一、水頭
水輪機的水頭（亦稱工作水頭）是指水輪機進口和出口截面處單位重量的水流能量差，單位為m。對反擊式水輪機進口斷面取在蝸殼進口處ⅰ-ⅰ斷面，出口取在尾水管出口ⅱ-ⅱ斷面。列出水輪機進、出口斷面的能量方程，如圖1-11所示，根據水輪機工作水頭的定義可寫出其基本表示式：
圖1-11 水電站和水輪機的水頭示意圖
1-1）
式中 ——單位重量水體的能量，m；
——相對某一基準的位置高度，m；
——相對壓力，n/m2或pa；
——斷面平均流速，m/s；
——斷面動能不均勻係數；
——水的重度，其值為9810n/m3；
——重力加速度，m/s2。
式（1-1）中，計算常取稱為某截面的水流單位動能，即比動能（m）；稱為某截面的水流單位壓力勢能，即比壓能（m）；稱為某截面的水流單位位置勢能，即比位能（m）。、與的三項之和為某水流截面水的總比能。
水輪機水頭又稱淨水頭，是水輪機做功的有效水頭。上游水庫的水流經過進水口攔汙柵、閘門和壓力水管進入水輪機，水流通過水輪機做功後，由尾水管排至下游。上、下游水位差值稱為水電站的毛水頭，其單位為m。
水輪機的工作水頭又可表示為
1-2）
式中 ——水電站毛水頭，m；
——水電站引水建築物中的水力損失，m。
從式（1-2）可知，水輪機的水頭隨著水電站的上下水位的變化而改變，常用取幾個特徵水頭表示水輪機水頭的範圍。特徵水頭包括最大水頭、最小水頭、加權平均水頭、設計水頭等，這些特徵水頭由水能計算給出。
1．最大水頭，是允許水輪機執行的最大淨水頭。它對水輪機結構的強度設計有決性的影響。
2．最小水頭，是保證水輪機安全、穩定執行的最小淨水頭。
3．加權平均水頭，是在一定期間內（視水庫調節效能而定），所有可能出現的水輪機水頭的加權平均值，是水輪機在其附近執行時間最長的淨水頭。
4.設計水頭，是水輪機發出額定出力時所需要的最小淨水頭。
水輪機的水頭，表明水輪機利用水流單位機械能的多少，是水輪機最重要的基本工作引數，其大小直接影響著水電站的開發方式、機組型別以及電站的經濟效益等技術經濟指標。
二、流量
水輪機的流量是單位時間內通過水輪機某一既定過流斷面的水流體積，常用符號表示，常用的單位為m3/s。在設計水頭下，水輪機以額定轉速、額定出力執行時所對應的水流量稱為設計流量，它是水輪機發出額定出力時所需要的最大流量。
三、轉速
水輪機的轉速是水輪機轉輪在單位時間內的旋轉的次數，常用符號表示，常用單位為r/min。
四、出力與效率
水輪機出力是水輪機軸端輸出的功率，常用符號表示，常用單位kw。
水輪機的輸入功率為單位時間內通過水輪機的水流的總能量，即水流的出力，常用符號表示，則
(kw1-3）
由於水流通過水輪機時存在一定的能量損耗，所以水輪機出力總是小於水流出力。水輪機的輸入和輸出功率之比稱為水輪機的效率，用符號表示。
1-4）
水輪機知識
二 水輪機變工況下轉輪進出口速度三角形分析 自學提示 結合課本p44的論述和圖進行分析 1.h const，導葉開度 時，設轉速n一定 1 對於高水頭低比轉速混流式水輪機，在水頭h和轉速n不變的條件下，當 時，轉輪進出口速度三角形變化分析如下 根據轉速不變得不變 設葉片出口無脫流，則有不變。q 繪製...
水輪機常識
早在西元前100年前後，中國就出現了水輪機的雛形 水輪，用於提灌和驅動糧食加工器械。現代水輪機則大多數安裝在水電站內，用來驅動發電機發電。在水電站中，上游水庫中的水經引水管引向水輪機，推動水輪機轉輪旋轉，帶動發電機發電。作完功的水則通過尾水管道排向下游。水頭越高 流量越大，水輪機的輸出功率也就越大。...
水輪機試題
窗體頂端 1.比轉速高的水輪機適用於 a 高水頭，大流量 b 高水頭，小流量 c 低水頭，小流量 d 低水頭，大流量 2.高比轉速水輪機導水機構中相對水力損失比低比轉速水輪機導水機構中相對水力損失大 a 對 b 錯 3.水輪機的應用水頭約為 3 80m 在中低水頭 大流量水電站中得到廣泛應用。a 混...