第1章　水轮机的主要类型及其构造

1.1　水轮机概述

人类很早就懂得利用天然水能来进行磨面、舂米、鼓风和灌溉等，以减轻繁重的体力劳动。据文字记载，公元前2世纪希腊就出现了水磨。中国在东汉、魏晋时期就有水锥、水排、水磨等的记载。这些都是水力原动机的雏形。近代型式的水轮机主要是18世纪后随着近代工业生产的发展而发展起来的。1754年瑞士著名数学家、力学及物理学家L.欧拉奠定了水轮机的理论基础，即提出了水轮机的基本方程式，从而到19世纪中才相继出现混流式、水斗式等现代型式水轮机。经过近一个世纪的不断改进与完善，近代水轮机已发展成为性能日趋完善、效率极高的水力机械。大型水轮机的最高效率已达95%～96%以上，单机最大功率已达700～800MW以上。各种水头（从几米到千米以上）和各种流量，都可选择相应的水轮机加以开发利用。

水轮机是将水能转换成机械能的一种水力原动机。通过传动设备，它可以带动发电机，取得电能。水轮机和发电机都是水电站的主要设备，通常将它们合称为水轮发电机组，或简称机组。水电站对水流能量的有效利用程度，以及水电站建筑物的设计，都与所选用的机组类型，特别是与水轮机的性能、构造和尺寸密切相关。

图1－1为水电站主厂房沿机组中心线横剖面图。水流由水电站压力管道1经蜗壳2、导水机构3进入转轮4，由转轮将水能转换成机械能后，水流经弯肘形尾水管5泄入下游河道。大、中型水轮机的主轴直接和发电机6的主轴连接，当转轮在水力作用下旋转时，便带动发电机转子以同样的转速旋转，转子上的磁极在转动时将产生旋转磁场，定子线圈切割磁力线产生电流，从而将机械能转换为电能，随后经配电设备输入电网。大、中型水轮发电机组采用自动调速器控制转速，通过导水机构接力器，使各个导叶绕各自本身的轴转动，从而改变各导叶之间的过水面积，这样来控制进入转轮的流量，使流量大小与外界用电负荷相适应，以保证机组转速不变。

大、中型水轮发电机组主轴的布置型式，除低水头贯流式水轮机是卧轴或斜轴布置外，大多采用图1－1所示的立轴装置。之所以采用这种装置，其主要原因是，在卧轴装置的卧式机组中，巨大的蜗壳和转动部分将在结构上引起很大的附加力，这就使机组本身部分结构变得复杂和笨重，对支持部分、轴承部分的设计增加了困难，而且厂房平面尺寸和挖方也相应增大。此外，立轴装置的水轮机的装拆、检修方便，轴和轴承受力情况良好，发电机安装高程提高，不易受潮，管理维护方便等。因而目前广泛采用立式机组。

在现代水轮机中，能量的转换是在转轮中借助水流与叶片的相互作用而实现的，也就是利用水流本身所具有的能量对转轮叶片的反作用力来使转轮旋转。

为了方便起见，下面取单位能量（即单位重量水体通过水轮机所具有的能量）来研究。根据能量守恒定律，单位重量水体通过水轮机后，得到的单位能量E将等于水轮机蜗壳进口1—1断面的单位能量E1减去尾水管出口2—2断面的单位能量E2（图1－2），即

式中：E1、E2为水轮机进口和出口断面的单位能量，m；Z1、Z2为水轮机进口和出口断面相对于基准面的位能，m；为水轮机进口和出口断面的单位压力能，m；为水轮机进口和出口断面的单位动能，m。

水轮机所能利用的单位能量E一般称为水轮机的工作水头H，又称为净水头。同理可以写出水电站上游进口A—A断面和下游尾水B—B断面的单位能量差（即水电站水头）为

由于A—A断面和B—B断面大气压强几乎相等，单位动能差也较小，实际计算时通常可以忽略，则HA－B＝ZA－ZB。因此水电站水头可按上、下游水位差计算，并称为水电站毛水头，用Hg表示，即

常用的水电站水头如下：

（1）水电站最大水头Hgmax：水电站上下游水位在一定组合下出现的最大水位高程差。

（2）水电站最小水头Hgmin：水电站上下游水位在一定组合下出现的最小水位高程差。

水轮机的工作水头通常采用水电站水头减去从进水口到蜗壳进口前以及尾水管出口至下游的全部水头损失。

水电站全部机组额定功率（出力）的总和称为水电站装机容量，一台机组的额定功率（出力）称为机组的单机容量。机组的单机容量即为水轮发电机额定容量Pg，是指发电机在额定参数（电压、电流、频率、功率因数）运行时输出的电功率，也称为水轮发电机的额定功率（出力）。水轮机的额定功率（出力）P应等于机组的单机容量除以发电机的效率。则机组的单机容量为

式中：Q为通过水轮机的流量，m3/s；H为水轮机的工作水头，m；ηu为水轮发电机组的效率，等于水轮机的效率η与发电机的效率ηg的乘积。

大型机组的效率可以达到90%，中型机组的效率可以达到80%～85%，小型机组的效率约为65%～80%。