第一章绪论

电力是现代化工业生产和生活不可或缺的动力能量，水力发电是电力工业的一个门类。水力发电经过一个多世纪的发展，其工程建设技术、水轮发电机组制造技术和输电技术于完善，单机容量也不断增大。并且水力发电成本低廉，运行的可靠性高，故其发展极为迅速。中国经济已进入新的发展时期，在国民经济持续快速增长、工业现代化进程加快的同时，资源和环境制约趋紧，能源供应出现紧张局面，生态环境压力持续增大。据此加快水力资源开发，解决国民经济发展中的能源短缺问题、改善生态环境、促进区域经济的协调和可持续发展，实现“碳达峰、碳中和”无疑具有非常重要的意义。

●1.1水电站概述

水电站是借助水工建筑物和机电设备将水能转换为电能的企业，为了利用水流发电，就要将天然落差集中起来，并对天然的流量加以控制和调节（如建水库），形成发电所需要的水头和流量。

●1.2水轮机概述

水轮机是将河流中蕴藏的水能转换为旋转机械能的原动机，能量的转换是借助转轮叶片与水流相互作用来实现的，水流流过水轮机时，通过主轴带动发电机将旋转机械能转换成电能。根据转轮内水流运动的特征和转轮转换水流能量形式的不同，水轮机分为反击式水轮机和冲击式水轮机。

●1.3水轮机的装置形式

水轮机的装置形式是指水轮机轴的装置方向和机组的连接方式，它取决于使用水头、单机容量和上下游水位等的变化情况。在水电站中，水轮机轴的装置形式分为立式和卧式两种形式。

●1.4水轮机的牌号

根据我国JBB84-74“水轮机型号编制规则”规定，水轮机的牌号由三部分组成：第一部分有汉语拼音字母和阿拉伯数字组成，字母表示水轮机的形式，阿拉伯数字表示转轮型号；第二部分有两个汉语拼音字母组成，前者表示水轮机的装置形式，后者表示引水室的特征；第三部分用阿拉伯数字表示水轮机转轮的标称直径。

第二章水轮机的工作原理

反击式水轮机依靠流道的约束，不断改变水流的速度大小和方向，将水流能量以作用力的形式不断地传递给转轮，使得转轮不断旋转做功。水能转换为转轮的转旋转机械能时遵循能量守恒定律。水轮机的效率最高时的工况为水轮机的最优工况，此时水轮机的水力损失最小，能量转换能力最高。

●2.1水轮机的基本方程式

。在能量转换过程中，水轮机的有效水头与转轮进出口水流流动参数之间满足一定的关系式，即水轮机基本方程式。水轮机基本方程式表明了水轮机中水能转换为转轮旋转机械能的基本平衡关系。

●2.2水轮机的最优工况

当水轮机在某一工况下，水流在转轮进口无撞击的流入转轮（无撞击进口），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（法向出流），此时水轮机的效率最高，该工况称为水轮机的最优工况。

●2.3水轮机的损失与效率

水轮机将水流的输入功率转标为旋转轴的输出机械功率的过程中存在各种损失，包括水力损失、容积损失和摩擦机械损失。因而使得水轮机的输出功率总是小于水流的输入功率，水轮机的输出功率与水流输入功率之比称为水轮机效率。

●2.4水轮机内的空蚀破坏

在水轮机内，水流在某一处的速度增高，会引起该处局部压力降低。当压力下降到汽化压力以下时，水开始发生汽化现象，产生空蚀，并对金属材料表面产生侵蚀破坏作用。根据空化和空蚀发生的条件和部位的不同，一般分为翼型空化和空蚀、间隙空化和空蚀、局部空化和空蚀、空腔空化和空蚀。

●2.5水轮机内的抗空蚀措施1

随着空化的发生，不可避免的在水轮机过流部件上形成空蚀。当水轮机中空蚀发展到一定阶段时，会引起金属材料的破坏、效率降低、振动剧烈。因此需要从水轮机的水力、结构、材料等方面着手改善水轮机的空蚀性能。

●2.6水轮机内的抗空蚀措施1

水轮机中空蚀引起金属材料的破坏、效率降低、振动剧烈。因此需要从水轮机的水力、结构、材料等方面着手改善水轮机的空蚀性能。

第三章水轮机的引水部件

水轮机的引水室是水流进入水轮机的第一个部件，是反击式水轮机的重要组成部分，有开敞式引水室、罐式引水室和蜗壳式引水室三种类型，其中蜗壳式引水室（简称蜗壳）是最常用的引水室形式。蜗壳的作用是以最小的水力损失、最经济的断面尺寸将引水管道引来的水引至导水机构，使水流称轴对称分布，并形成一定环量，以提高水轮机内的有效水能及运行稳定性。

●3.1蜗壳中的水流运动

蜗壳内的水流运动形式一般可简化为等速度规律和等速度矩两种规律。实践证明，按“等速度矩规律”设计的水轮机蜗壳性能较好。

第四章导水机构

水轮机的导水机构为转轮提供所需要的水流，它具有调节流量、形成和改变环量以及切断水流的作用。

●4.1反击式水轮机的流量调节方程

从导叶出口到转轮进口，水流可以看成势流运动，圆周方向速度变化遵循动量守恒定律。在水轮机转速与水头不变的情况下，可以通过改变导叶高度、导叶出口水流角以及叶片出口安放角三个量来实现水轮机流量的调节。

第五章混流式水轮机转轮

混流式水轮机转轮位于流道从径向变为轴向的拐弯处，水流运行复杂，转轮中的流面是喇叭形的空间曲面。混流式转轮的水力设计有一元理论、二元理论和三元理论三种方法。

●5.1混流式转轮的二维设计方法1

在水流为理想流体以及叶片无穷多假设条件下，转轮内的水流为轴对称流动，水流轴面速度沿过水断面不是均匀分布，轴面水流为有势的二元流动，因此水流流线与叶片骨线重合。

●5.2混流式转轮的二维设计方法2

在混流式水轮机的二维设计方法中，通过建立水流质点运动时的微分方程，积分求解得到质点运动空间轨迹，即得到了叶片的骨线。

●5.3水轮机的轴向水推力

水轮机的轴向水推力是水流流经转轮时所引起的一种轴向力，它是设计水力机组时推力轴承负荷计算、水轮机主轴应力计算等不可缺少的参数。轴向水推力与水轮机的型式、结构等有关。

第六章轴流式水轮机转轮

轴流式水利农机用于开发较低水头、较大流量的水力资源，属于高比转速水轮机，根据转轮叶片是否可调分为轴流定桨式和轴流转桨式两种型式。

●6.1轴流式转轮中的流动特性

在轴流式转轮中，根据圆柱层无关性假设，可认为水流在沿着与主轴同心的圆柱面上流动，水流绝对速度在半径方向的分量Vr=0，即在各圆柱层之间水流质点没有相互作用。。

●6.2轴流式转轮叶片的升力法设计原理

为了使转轮能够满足对能量转换的要求，在一定的工作条件下，翼型和叶栅几何参数，动力特性与液流的运动参数之间必须遵循一定的关系。采用升力法设计轴流式转轮叶片时的基本方程式表征了使流过水轮机的液流所付出的有效能量与转轮叶栅所承受的能量相平衡时，叶栅与液流参数之间满足的关系。

●6.3转桨式水轮机的协联工况特性

轴流转桨式水轮机采用双重调节使水轮机的导叶开度和转轮叶片转角随着电力系统外负荷的增减同时变化，并使导叶开度和叶片转角之间形成最优协联关系，使得水轮机内水力损失最小。这种保持导叶开度和叶片转角之间最优协联关系的工况为协联工况。

第七章反击式水轮机的尾水管

水流流经转轮完成能量转换后，从转轮出口流出转轮，由尾水管引向下游，尾水管出力将水流引向下游外，还可以回收部分的水流能量，使转轮多发一些电能。

●7.1尾水管的作用

尾水管可以利用下游水平面至转轮出口处的高程差，在转轮出口处形成静力真空，充分利用了转轮的吸出高度部分的水流势能。同时回收利用转轮出口的水流动能，将其转换为转轮出口处的动力真空，利用了转轮出口的动能。相对于低比转速水轮机，尾水管对高比转速水轮机更为重要。

第八章冲击式水轮机

冲击式水轮机是借助特殊导水机构（喷管）引出仅具有动能的自由射流，冲向转轮水斗，使转轮旋转做功，从而完成将水能转换成机械能的一种水力原动机。冲击式水轮机适用于高水头小流量水力条件。

●8.1水斗式水轮机的基本方程式

水斗式水轮机中，射流水体从进入水斗到离开水斗，其速度的大小和方向均发生了变化，由牛顿定理可知，射流水体必然受到水斗对其产生的作用力。转轮所具有的轴功率应该等于射流水体绕流斗叶前后本身水能的变化。

第九章水轮机的特性曲线

水轮机特性曲线用于表达水轮机在不同的工况下对于水流能量的转换及空化等方面的水力特性，这些特性是水轮机内部流动规律的外在表现，被称为水轮机的外特性。

●9.1水轮机的飞逸特性

水轮机突然丢弃全部负荷，发电机输出功率为零，且恰逢调速机构失灵或者某种原因导水机构不能关闭时，则水轮机转速将迅速升高。当水轮机转轮所产生的的功率与转速升高相应的机械损失功率相平衡时，转速将达到某一稳定最大值，此时的转速为飞逸转速。水轮机的飞逸特性与水轮机的类型、比转速以及运行工况有关，发生飞逸过程中水轮机仍保持能量平衡的准则。

●9.2水轮机的特性曲线1

水轮机的特性曲线用于表达水轮机不同工况下，对水流能量的转换性能、空化性能、运行稳定性等水力特性以及力特性，这些特性是水轮机内部流动规律的外部表现，称为水轮机的外特性。水轮机的线性特性曲线主要有工作特性曲线、转速特性曲线以及水头特性曲线三种不同的表达形式。

●9.3水轮机的特性曲线2

水轮机各种参数之间的相互关系比较复杂，为了明确某些参数之间的关系，需要用一些曲线来表示。当需要综合考察水轮机各参数之间的相互关系，把表示水轮机各种特性的曲线绘制在统一图上，这种曲线成为水轮机的综合特性曲线。用n11、Q11为纵横坐标轴，表示出同系列水轮机在不同工况下效率、开度以及空化系数等的特性曲线称为模型综合特性曲线。

●9.4水轮机的运转综合特性曲线

水轮机是在固定的额定转速下运行的，当功率P和水头H变化时，流量Q、效率η和空化系数σ也随着发生变化，这种用P、H为纵、横坐标轴表示水轮机各主要工作参数之间的关系的特性曲线称为运转综合特性曲线。

●9.5反击式水轮机模型曲线的绘制方法1

通过水轮机的模型试验获得水轮机的各种参数，根据试验数据可以绘制出水轮机的模型综合特性曲线。混流式水轮机和定桨式水轮机模型特性曲线的绘制主要包括等开度线的绘制、等效率线的绘制、出力限制线的绘制、等空化系数线的绘制

●9.6反击式水轮机模型曲线的绘制方法2

转桨式水轮机模型综合特性曲线描述了水轮机以协联方式工作时的特性。轴流转桨式水轮机模型特性曲线的绘制主要包括等开度线的绘制、等叶片转角线的绘制、等效率线的绘制、等空化系数线的绘制。

●9.7反击式水轮机运转曲线的绘制方法1

水轮机的运转综合特性曲线通常根据相似定律对模型综合特性曲线换算而来。混流式水轮机运转特性曲线的绘制包括等效率线的绘制、出力限制线的绘制、等吸出高度线的绘制、等开度线的绘制。

●9.8反击式水轮机运转曲线的绘制方法2

轴流转桨式水轮机运转特性曲线的绘制包括等效率线的绘制、出力限制线的绘制、等吸出高度线的绘制、等开度线的绘制、等叶片转角线的绘制。其中出力限制线区别于混流式水轮机，通常将额定工况点的等开度线，作为水轮机的出力限制线。

第十章水轮机的振动与稳定性

由于制造原因或者工况改变、水头变化等因素，水轮机在运行时会产生不同频率的振动，对机组的安全稳定运行造成威胁。

●10.1尾水管涡带

当水轮机偏离最优工况运行时，转轮出口水流将形成环流，工况偏离越大，则水流的旋转强度越大，在尾水管中将出现涡带。混流式水轮机在不同负荷区时，尾水管内的涡带呈现不同的形式。

●10.2尾水管涡带的消减措施

尾水管涡带会造成水轮机功率摆动，引起机组噪声和振动，影响电网输出，同时对尾水管壁的撞击造成尾水管破坏。如果涡带引起的振动频率与机组及基础固有频率接近时将引起共振将使得机组无法正常工作。为了减轻尾水管涡带对水轮机的破坏作用，通常通过改变水流的流动和旋转状况、向尾水管补气等措施来消减尾水管涡带。

●10.3水力机组振动的诱发因素

机组振动是水电站运行中的常见异常现象，引起机组振动的因素大体上分为水力因素、机械因素和电磁因素，其中水力因素主要由水轮机引起，且大多为自激振动现象。

●10.4水轮机内的压力脉动

混流式水轮机中可能出现的压力脉动有多种，它们通常由不通过的原因所引起，具有不同的频率、幅值特性和工况特性，对机组运行的影响也不一样，改善和处理方法也有一定的差异。