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1、第一章第一章绪论绪论 第二章第二章水轮机的工作原理水轮机的工作原理第三章第三章水轮机的相似理论与模型试验水轮机的相似理论与模型试验第四章第四章水轮机的空化与空蚀水轮机的空化与空蚀第五章第五章反击式水轮机的结构反击式水轮机的结构 第六章第六章冲击式与贯流式水轮机冲击式与贯流式水轮机第七章第七章水轮机的特性曲线与选型设计水轮机的特性曲线与选型设计第八章第八章水轮机的运行与检修水轮机的运行与检修第一节第一节切击式水轮机结构切击式水轮机结构第二节第二节贯流式水轮机结构贯流式水轮机结构第六章第六章冲击式与贯流式水轮机冲击式与贯流式水轮机第一节第一节切击式水轮机结构切击式水轮机结构贵州天生桥水电站贵州天生
2、桥水电站一、冲击式水轮机主要类型及其工作特点一、冲击式水轮机主要类型及其工作特点二、冲击式水轮机和反击式水轮的异同点二、冲击式水轮机和反击式水轮的异同点三、切击式水轮机结构及主要工作部件三、切击式水轮机结构及主要工作部件一、冲击式水轮机主要类型及其工作特点一、冲击式水轮机主要类型及其工作特点冲冲击击式式水水轮轮机机是是借借助助于于特特殊殊导导水水机机构构（喷喷管管）引引出出具具有有动动能能的的自自由由射射流流，冲冲向向转转轮轮水水斗斗，使使转转轮轮旋旋转转做做功功，从从而而完完成成将将水水能能转转换换成成机机械械能能的的一种水力原动机。一种水力原动机。在在冲冲击击式式水水轮轮机机中中，以以工工
3、作作射射流流与与转转轮轮相相对对位位置置和做功次数的不同，可分为：和做功次数的不同，可分为：切击式水轮机（水斗式，应用最广）切击式水轮机（水斗式，应用最广）斜击式水轮机斜击式水轮机双击式水轮机双击式水轮机图图6-1 6-1 切切击击式水式水轮轮机的机的结结构示意构示意图图1-1-喷喷嘴；嘴；2-2-针阀针阀；3-3-喷针喷针移移动动机构；机构；4-4-转轮转轮；5-5-外外调节调节机构；机构；6-6-机壳机壳图图6-2 6-2 斜斜击击式水式水轮轮机的射流、机的射流、转轮转轮工作示意工作示意图图图图6-3双击式水轮机结构示意图双击式水轮机结构示意图二、冲击式水轮机和反击式水轮的异同点二、冲击式
4、水轮机和反击式水轮的异同点1、相同点、相同点冲击式水轮机的工作原理与反击式水轮机均是利冲击式水轮机的工作原理与反击式水轮机均是利用水流与转轮叶片的作用力和反作用力原理将用水流与转轮叶片的作用力和反作用力原理将水流能量传给转轮，使转轮旋转释放出机械能。水流能量传给转轮，使转轮旋转释放出机械能。二、冲击式水轮机和反击式水轮机的异同点二、冲击式水轮机和反击式水轮机的异同点2、不同点、不同点（1）导水机构的不同）导水机构的不同在冲击式水轮机中，喷管相当于反击式水轮机的导水机在冲击式水轮机中，喷管相当于反击式水轮机的导水机构，其作用是：引导水流，调节流量，并将液体机械能构，其作用是：引导水流，调节流量，
5、并将液体机械能转变为射流动能。转变为射流动能。反击式水轮机的导水机构，除引导水流，调节流量外，反击式水轮机的导水机构，除引导水流，调节流量外，在转轮前形成一定的旋转水流，以满足不同比转速水轮在转轮前形成一定的旋转水流，以满足不同比转速水轮机对转轮前环量的要求。机对转轮前环量的要求。二、冲击式水轮机和反击式水轮机的异同点二、冲击式水轮机和反击式水轮机的异同点2、不同点、不同点（2）水流压力变化规律不同）水流压力变化规律不同冲击式水轮机中，水流自喷嘴出口直至离开转轮的整个冲击式水轮机中，水流自喷嘴出口直至离开转轮的整个过程，始终在空气中进行，则位于各部分的水流压力保过程，始终在空气中进行，则位于各
6、部分的水流压力保持不变（均等于大气压力）。持不变（均等于大气压力）。反击式水轮机那样，在导水机构、工作轮以及转轮后的反击式水轮机那样，在导水机构、工作轮以及转轮后的流道中，水流压力是变化的。故冲击式水轮机又称为无流道中，水流压力是变化的。故冲击式水轮机又称为无压水轮机，而反击式水轮机，称之为有压水轮机。压水轮机，而反击式水轮机，称之为有压水轮机。二、冲击式水轮机和反击式水轮机的异同点二、冲击式水轮机和反击式水轮机的异同点2、不同点、不同点（2）流道密闭要求不同）流道密闭要求不同在反击式水轮机中，由于各处水流压力不等，并且不等在反击式水轮机中，由于各处水流压力不等，并且不等于大气压力。故在导水机
7、构、转轮及转轮后的区域内，于大气压力。故在导水机构、转轮及转轮后的区域内，均需有密闭的流道。均需有密闭的流道。在冲击式水轮机中，就不需要设置密闭的流道。在冲击式水轮机中，就不需要设置密闭的流道。二、冲击式水轮机和反击式水轮机的异同点二、冲击式水轮机和反击式水轮机的异同点2、不同点、不同点（4）尾水能量回收效果不同尾水能量回收效果不同反击式水轮机必须设置尾水管，以恢复压力，减小转轮反击式水轮机必须设置尾水管，以恢复压力，减小转轮出口动能损失和进一步利用转轮至下游水面之间的水流出口动能损失和进一步利用转轮至下游水面之间的水流能量。能量。冲击式水轮机，水流离开转轮时已流速很小，又通常处冲击式水轮机，
8、水流离开转轮时已流速很小，又通常处在大气压力下，因此它不需要尾水管。同时，由于没有在大气压力下，因此它不需要尾水管。同时，由于没有尾水管，使冲击式水轮机比反击式水轮机少利用了转轮尾水管，使冲击式水轮机比反击式水轮机少利用了转轮至下游水面之间的这部分水流能量。至下游水面之间的这部分水流能量。二、冲击式水轮机和反击式水轮的异同点二、冲击式水轮机和反击式水轮的异同点2、不同点、不同点（5）转轮工作条件不同转轮工作条件不同反击式水轮机的工作转轮淹没在水中工作；反击式水轮机的工作转轮淹没在水中工作；冲击式水轮机的工作轮是暴露在大气中工作，仅部分水冲击式水轮机的工作轮是暴露在大气中工作，仅部分水斗与射流接
9、触，进行能量交换。并且，为保证水轮机稳斗与射流接触，进行能量交换。并且，为保证水轮机稳定运行和具有较高效率，工作轮水斗必须距下游水面有定运行和具有较高效率，工作轮水斗必须距下游水面有足够的距离（即足够的排水高度和通气高度）。足够的距离（即足够的排水高度和通气高度）。二、冲击式水轮机和反击式水轮机的异同点二、冲击式水轮机和反击式水轮机的异同点2、不同点、不同点（6）水流进入转轮的方式不同）水流进入转轮的方式不同反击式水轮机中，需要水流轴对称均匀冲击转轮；反击式水轮机中，需要水流轴对称均匀冲击转轮；冲击式水轮机中，可使水流不沿工作轮的整个圆周进入冲击式水轮机中，可使水流不沿工作轮的整个圆周进入其内
10、，而仅在一个或几个局部的地方，通过一个或几个其内，而仅在一个或几个局部的地方，通过一个或几个喷嘴进入工作轮。由于工作叶片流道仅对着某个喷嘴时喷嘴进入工作轮。由于工作叶片流道仅对着某个喷嘴时被水充满，而当它转到下一个喷嘴之前，该叶片流道中被水充满，而当它转到下一个喷嘴之前，该叶片流道中的水已倾尽，故水流沿叶片流动不会发生紊乱。的水已倾尽，故水流沿叶片流动不会发生紊乱。二、冲击式水轮机和反击式水轮机的异同点二、冲击式水轮机和反击式水轮机的异同点2、不同点、不同点（7）流量、出力、水头、比转速大小不同流量、出力、水头、比转速大小不同冲击式水轮机的工作轮仅部分过水，部分水斗工作，故冲击式水轮机的工作轮
11、仅部分过水，部分水斗工作，故水轮机过流量较小，因而在一定水头和工作轮直径条件水轮机过流量较小，因而在一定水头和工作轮直径条件下，冲击式水轮机的出力比较小。另外，充实水轮机的下，冲击式水轮机的出力比较小。另外，充实水轮机的转速相对比较低、出力小，导致了较低的比转速，故冲转速相对比较低、出力小，导致了较低的比转速，故冲击式水轮机适用于高水头小流量的场合。击式水轮机适用于高水头小流量的场合。三、切击式水轮机结构及主要工作部件三、切击式水轮机结构及主要工作部件切击式水轮机是冲击式水轮机应用水头最高、容量最大切击式水轮机是冲击式水轮机应用水头最高、容量最大的一种机型。的一种机型。主要结构部件有：主要结构
12、部件有：进水管进水管喷管喷管转轮转轮外调节机构外调节机构副喷嘴副喷嘴机壳机壳排水坑渠排水坑渠图图6-4 6-4 卧式双卧式双喷喷嘴水嘴水轮轮机机结结构示意构示意图图1-1-进进水管；水管；2-2-喷喷管；管；3-3-转轮转轮；4-4-外外调节调节机构；机构；5-5-副副喷喷嘴；嘴；6-6-机壳机壳三、切击式水轮机结构及主要工作部件三、切击式水轮机结构及主要工作部件（一）进水管（一）进水管作用：作用：引导水流，并将过机流量均匀分配给各喷管。引导水流，并将过机流量均匀分配给各喷管。组成：组成：水斗式水轮机的进水管均由直线段、肘管、分叉水斗式水轮机的进水管均由直线段、肘管、分叉管、环行收缩流道和导流
13、体组成。多喷嘴水斗式水轮机管、环行收缩流道和导流体组成。多喷嘴水斗式水轮机的进水管是一个具有极度弯曲和分叉的变断面输水管，的进水管是一个具有极度弯曲和分叉的变断面输水管，并在装有喷射机构的区域内设有导流体。并在装有喷射机构的区域内设有导流体。形状：形状：根据进水管主干管部分和叉管处的水流速度相等根据进水管主干管部分和叉管处的水流速度相等的要求可知，进水管的断面尺寸自进口至出口逐渐减小的要求可知，进水管的断面尺寸自进口至出口逐渐减小呈收缩状。进水管的断面形状有圆形和椭圆形两种。呈收缩状。进水管的断面形状有圆形和椭圆形两种。卧式双卧式双喷喷嘴切嘴切击击式水式水轮轮机机进进水管方案水管方案立式立式6
14、 6喷喷嘴切嘴切击击式水式水轮轮机机进进水管方案水管方案三、切击式水轮机结构及主要工作部件三、切击式水轮机结构及主要工作部件（二）喷射机构（简称喷管）（二）喷射机构（简称喷管）作用：作用：将水流的压力势能转换为射流动能。将水流的压力势能转换为射流动能。起着导水机构的作用。起着导水机构的作用。当喷针移动时，即可以渐渐改变喷嘴出口与喷针头之间当喷针移动时，即可以渐渐改变喷嘴出口与喷针头之间的环形过水断面面积，因而可平稳地改变喷管的过流量的环形过水断面面积，因而可平稳地改变喷管的过流量及水轮机的流量和功率。及水轮机的流量和功率。结构：结构：由喷嘴、喷针（又称针阀）和喷针移动机构组成。由喷嘴、喷针（又
15、称针阀）和喷针移动机构组成。类型：类型：外控式（弯喷管）和内控式（直喷管）。外控式（弯喷管）和内控式（直喷管）。外控式弯喷管：外控式弯喷管：结构简单、检修维护方便，但喷针操作杆结构简单、检修维护方便，但喷针操作杆长，操作杆在喷管内影响水流流动，增加管内的水力损失长，操作杆在喷管内影响水流流动，增加管内的水力损失图图6-6 6-6 外控式喷射机构外控式喷射机构1-1-喷针接力器；喷针接力器；2-2-填料压盖；填料压盖；3-3-喷嘴座；喷嘴座；4-4-填料盒；填料盒；5-5-填料；填料；6-6-平平衡活塞；衡活塞；7-7-喷嘴口环；喷嘴口环；8-8-折向器；折向器；9-9-销杆；销杆；10-10-
16、喷针；喷针；11-11-喷针座；喷针座；12-12-喷嘴；喷嘴；13-13-导叶栅；导叶栅；14-14-杆体；杆体；15-15-喷管弯段喷管弯段导水叶栅：导水叶栅：用来引导压力水流使之沿喷针杆轴线方向移动，用来引导压力水流使之沿喷针杆轴线方向移动，消除水流在引水管道中因转弯引起的旋转所造成的水往分消除水流在引水管道中因转弯引起的旋转所造成的水往分散而降低水力效率。导水叶栅还可作为喷针杆的支柱。散而降低水力效率。导水叶栅还可作为喷针杆的支柱。平衡活塞：平衡活塞：用来平衡作用在喷针头部上、作用于喷针关闭用来平衡作用在喷针头部上、作用于喷针关闭方向的水推力。因为作用在平衡活塞上的水推力与喷针上方向的
17、水推力。因为作用在平衡活塞上的水推力与喷针上的水推力相反。的水推力相反。喷嘴：喷嘴：喷嘴是出喷嘴口、喷嘴头和喷针头组成。其作用是喷嘴是出喷嘴口、喷嘴头和喷针头组成。其作用是将水流能量转变为动能，并启闭机组和调节流量。将水流能量转变为动能，并启闭机组和调节流量。喷嘴口喷嘴口是一个惭缩断面的结构，由于流速迅速增高，在喷是一个惭缩断面的结构，由于流速迅速增高，在喷嘴出口处会产生严重的气蚀，因此喷嘴口和哨嘴头采用螺嘴出口处会产生严重的气蚀，因此喷嘴口和哨嘴头采用螺栓把合的组合结构，允许在不拆喷嘴头的情况下更换易损栓把合的组合结构，允许在不拆喷嘴头的情况下更换易损的喷嘴门。喷嘴口的材料采用抗蚀的不锈钢。
18、的喷嘴门。喷嘴口的材料采用抗蚀的不锈钢。喷针头喷针头亦为可拆卸结构。亦为可拆卸结构。内控式直喷管：内控式直喷管：结构紧凑，喷管内水力条件好，水力损失结构紧凑，喷管内水力条件好，水力损失小，效率高。根据试验，其效率比外控式高，一般用在大小，效率高。根据试验，其效率比外控式高，一般用在大型立式冲击式水轮机上。弹簧用来平衡喷针上向开启方向型立式冲击式水轮机上。弹簧用来平衡喷针上向开启方向的水推力。进油时关闭喷针，排油时开启喷针。的水推力。进油时关闭喷针，排油时开启喷针。三、切击式水轮机结构及主要工作部件三、切击式水轮机结构及主要工作部件（三）转轮（三）转轮作用：作用：将水流将水流动动能能转换为转换为
19、旋旋转转机械能。机械能。组组成：成：它由它由轮辐轮辐及由若干呈双碗状的水斗及由若干呈双碗状的水斗组组成。成。转转轮轮每每个个斗斗叶叶的的外外缘缘均均有有一一个个缺缺口口，缺缺口口的的作作用用则则使使其其后后的的斗斗叶叶不不进进入入先先前前射射流流作作用用的的区区域域,并并且且不不防防碍碍先先前前的的水流。水流。结结构构类类型：型：装配装配组组合式合式转轮转轮、整、整铸转轮铸转轮和和铸焊转轮铸焊转轮。射流作用于斗叶射流作用于斗叶图图6-8 6-8 转轮结转轮结构构图图图图6-9 6-9 水斗水水斗水轮轮机的机的转轮转轮斗叶斗叶（B-B-宽宽度；度；L-L-长长度；度；h-h-深度）深度）1-1-
20、工作面；工作面；2-2-切水刃；切水刃；3-3-侧侧面；面；4-4-尾部；尾部；5-5-出水出水边边；6-6-进进水水边边；7-7-横向筋板；横向筋板；8-8-纵纵向筋板；向筋板；9-9-背面背面三、切击式水轮机结构及主要工作部件三、切击式水轮机结构及主要工作部件（四）外调节机构（折向器或分流器）（四）外调节机构（折向器或分流器）作用：作用：控制已离开控制已离开喷喷嘴后的射流大小和方向。嘴后的射流大小和方向。双双重重调调节节：当当机机组组负负荷荷骤骤减减或或甩甩负负荷荷时时，水水轮轮机机调调速速器器，一一方方面面操操作作喷喷针针接接力力器器，使使喷喷针针慢慢慢慢向向关关闭闭方方向向移移动动，同
21、同时时又又操操作作外外调调解解机机构构接接力力器器，使使外外调调节节机机构构（折折向向器器或或分分流流器器）快快速速投投入入，迅迅速速减减小小或或全全部部截截断断因因针针阀阀不不能能立即关立即关闭闭而而继续继续冲向冲向转轮转轮水斗的射流。水斗的射流。这样这样：A A、即即解解决决了了因因针针阀阀快快速速关关闭闭而而引引水水压压力力钢钢管管中中将将产产生生的的较较大水大水锤压锤压力；力；B B、又解决了因、又解决了因针阀针阀不能及不能及时时关关闭闭而使机而使机组转组转速上升速上升过过高。高。三、切击式水轮机结构及主要工作部件三、切击式水轮机结构及主要工作部件（四）外调节机构（折向器或分流器）（四
22、）外调节机构（折向器或分流器）通通常常，针针阀阀与与折折向向器器或或分分流流器器的的行行程程要要保保持持协协联联关关系系，使使针针阀阀在在任任何何开开度度下下，外外调调节节机机构构的的截截流流板板都都位位于于射射流流水柱水柱边缘边缘，以达到其快速偏流或截流的作用。，以达到其快速偏流或截流的作用。类类型：型：折向器和分流器。折向器和分流器。折向器折向器分流器分流器三、切击式水轮机结构及主要工作部件三、切击式水轮机结构及主要工作部件（五）副喷嘴（反向制动喷嘴）与防飞逸反射器（五）副喷嘴（反向制动喷嘴）与防飞逸反射器1、副喷嘴的作用、副喷嘴的作用：制动。制动。当机组转速度降低到一定程度时（通常为额定
23、当机组转速度降低到一定程度时（通常为额定转速的转速的30%40%），为使机组能很快停下来，即打开），为使机组能很快停下来，即打开副喷嘴，从副喷嘴引出的射流直接冲向转轮水斗背面，副喷嘴，从副喷嘴引出的射流直接冲向转轮水斗背面，形成作用与转轮的一个与转轮旋转方向相反的制动力矩，形成作用与转轮的一个与转轮旋转方向相反的制动力矩，机组在该力矩作用下迅速停止运转；机组在该力矩作用下迅速停止运转；防飞车。防飞车。当机组突然甩负荷调节系统又失灵时，副喷当机组突然甩负荷调节系统又失灵时，副喷嘴即投入工作。从副喷嘴引出一股射流直接冲向水斗背嘴即投入工作。从副喷嘴引出一股射流直接冲向水斗背面，形成制动力矩，这样可
24、避免机组转速急剧上升以至面，形成制动力矩，这样可避免机组转速急剧上升以至机组发生飞逸。机组发生飞逸。制动喷嘴可以自动或手动开启。为防止转轮反转，装设制动喷嘴可以自动或手动开启。为防止转轮反转，装设有专门的联锁装置。有专门的联锁装置。三、切击式水轮机结构及主要工作部件三、切击式水轮机结构及主要工作部件（五）副喷嘴（反向制动喷嘴）与防飞逸反射器（五）副喷嘴（反向制动喷嘴）与防飞逸反射器2、防飞逸反射器：、防飞逸反射器：图图6-11 6-11 防防飞飞逸反射器逸反射器简图简图（a a）单喷单喷嘴水嘴水轮轮机；（机；（b b）喷喷嘴按嘴按1201200 0布置的水布置的水轮轮机机1-1-外外调节调节机
25、构；机构；2-2-喷喷嘴；嘴；3-3-反射器反射器三、切击式水轮机结构及主要工作部件三、切击式水轮机结构及主要工作部件（六）机壳（六）机壳作用：作用：把从水斗排出的水引至尾水渠，另外机壳还是一把从水斗排出的水引至尾水渠，另外机壳还是一个承重部件，喷管、轴承等部件固定于机壳上。个承重部件，喷管、轴承等部件固定于机壳上。水力性能要求：水力性能要求：要求立轴机组的机壳型线应使从水斗流要求立轴机组的机壳型线应使从水斗流出的水流不会从机壳反射回去，以免影响射流和转轮的出的水流不会从机壳反射回去，以免影响射流和转轮的工作。工作。对卧式机组，在机组转速上升时，有部分水流来对卧式机组，在机组转速上升时，有部分
26、水流来不及与水斗作用而直接冲击到机壳上，为此在机壳中设不及与水斗作用而直接冲击到机壳上，为此在机壳中设置引流板。置引流板。补气：补气：机壳内的压力要求与大气相当。为此，往往在转机壳内的压力要求与大气相当。为此，往往在转轮中心附近的机壳上开设有补气孔轮中心附近的机壳上开设有补气孔,以消除局部真空。以消除局部真空。进人孔：进人孔：机壳上一般开有进人门孔。机壳上一般开有进人门孔。净水栅（平水栅）：净水栅（平水栅）：机壳下部应装有静水栅，以消除排机壳下部应装有静水栅，以消除排水能量。并作为机组停机观察和检修时的工作平台。水能量。并作为机组停机观察和检修时的工作平台。本节小结本节小结1、由模型水轮机求原
27、型水轮机效率分为两个步骤：、由模型水轮机求原型水轮机效率分为两个步骤：（1）由模型最优效率求效率修正量）由模型最优效率求效率修正量（2）模型水轮机效率）模型水轮机效率加上效率修正量得到原型加上效率修正量得到原型水轮机对应相似工况的效率水轮机对应相似工况的效率。2、模型水轮机求原型水轮机单位分为两个步骤：、模型水轮机求原型水轮机单位分为两个步骤：（1）求单位参数修正量）求单位参数修正量（2）由模型水轮机单位参数加上单位参数修正）由模型水轮机单位参数加上单位参数修正量得到原型水轮机对应相似工况的单位参数，量得到原型水轮机对应相似工况的单位参数，即即应用注意事项：应用注意事项：1、在设计中一般规定，当、在设计中一般规定，当时可不时可不作修正作修正，即忽略，即忽略。2、在一般情况下，单位流量修正值、在一般情况下，单位流量修正值较小，较小，可不作修正。可不作修正。思 考 题1 1相似水轮机的单位参数和效率是如何换算相似水轮机的单位参数和效率是如何换算的？（课件为准）的？（课件为准）