华中科技大学能源与动力学院水机教研室 HSJ
水力机械原理与设计
主讲教师：孙建平
张双全
华中科技大学能源与动力学院水机教研室 HSJ
第一章
水力机械概述
水力机械概述
华中科技大学能源与动力学院水机教研室 HSJ
水力机械概述
第一节 水力机械的定义
流体机械是指以流体为工作介
质的机械设备。
流体机械的工作过程，是流体
的能量与机械的机械能相互转换过
程或是不同能量的流体之间能量传
递的过程。
华中科技大学能源与动力学院水机教研室 HSJ
水力机械概述
原动机和工作机,
能量传递的方向不同
华中科技大学能源与动力学院水机教研室 HSJ
水力机械概述
原动机将流体的能量转换为机
械能用于驱动其他的机械设备。
水轮机、汽轮机、燃气轮机、
风力机、各种液压马达和各种气动
工具等 。
华中科技大学能源与动力学院水机教研室 HSJ
水力机械概述
工作机则将机械能转换为流体
的能量，以便将
? 流体输送到高处
? 有更高压力的空间
? 克服管路阻力将流体输送到远处
例如各种泵、风机和压缩机等。
华中科技大学能源与动力学院水机教研室 HSJ
水力机械概述
流体机械可分成 容积式 和 叶片式,
取决于流体与机械相互作用
的方式。
华中科技大学能源与动力学院水机教研室 HSJ
水力机械概述
容积式流体机械,
工作介质处于一个或多个封闭的
工作腔中，工作腔的容积是变化的，
机械与流体之间的相互作用力主要是
静压力。
华中科技大学能源与动力学院水机教研室 HSJ
水力机械概述
例如往复活塞式流体机械,
活塞与缸体形成一个封闭工作
腔，介质与机械间的相互作用力为
活塞表面的压力。
当介质推动活塞运动时，是原动机。
当活塞推动介质流动时，是工作机。
华中科技大学能源与动力学院水机教研室 HSJ
水力机械概述
叶片式流体机械的特点,
具有一个带有叶片（动叶）的转子
（叶轮 impeller或转轮 runer）；
工作时介质对叶片连续绕流；
介质作用于叶片的力是惯性力；
流体由壳体与静止叶栅的引入。
华中科技大学能源与动力学院水机教研室 HSJ
水力机械概述
涡
壳
、
固
定
导
叶
、
活
动
导
叶
、
转
轮
华中科技大学能源与动力学院水机教研室 HSJ
水力机械概述
泵体
、
叶
轮
、
导
叶
华中科技大学能源与动力学院水机教研室 HSJ
水力机械概述
叶片式机器中流体圆周分速度的变
化及其意义,
原动机,
cu=0 — （涡壳） 导叶 — cu — 叶轮 — cu=0
工作机,
cu=0 — 叶轮 — cu — 导叶（涡壳） — cu=0
华中科技大学能源与动力学院水机教研室 HSJ
水力机械概述
结论,
叶轮进、出口 cu的变化与叶轮所转换
的能量成正比；
机器进口处通常没有 cu
机器出口处，通常不希望有 cu
通过动叶与静叶以及涡壳的配合，
可以满足以上要求。
华中科技大学能源与动力学院水机教研室 HSJ
水力机械概述
叶片式流体机械可分成反击式
和冲击式,
取决于流体在叶轮内的压力与
速度的变化情况
华中科技大学能源与动力学院水机教研室 HSJ
水力机械概述
反击式叶轮,
流体的 压力 和 速度 都发生
变化，流体与叶片交换的能量
中既有压力能（势能）也有速
度能（动能）；
华中科技大学能源与动力学院水机教研室 HSJ
水力机械概述
反击式机器包括,
（ 轴流式, 径流式和混
流式 （ 斜流式 ））
华中科技大学能源与动力学院水机教研室 HSJ
水力机械概述
轴
流
式
机
组
华中科技大学能源与动力学院水机教研室 HSJ
水力机械概述
在反击式机器中,
原动机
静叶,c↑, p↓,但 p>0；
叶轮（转轮）中,c↓, p↓
工作机
叶轮（转轮）中,c↑, p↑,
静叶中,c↓, p↑
华中科技大学能源与动力学院水机教研室 HSJ
水力机械概述
冲击式叶轮,
流体的压力是不变的，流体与叶片
交换的能量中只有 速度能 （动能）。
原动机
静叶,c↑, p↓ 至 p=0；叶轮（转轮）
中,c↓, p不变
工作机无冲击式！！！
华中科技大学能源与动力学院水机教研室 HSJ
水力机械概述
冲
击
式
水
轮
机
华中科技大学能源与动力学院水机教研室 HSJ
水力机械概述
冲
击
式
水
轮
机
转
轮
（
水
斗
）
华中科技大学能源与动力学院水机教研室 HSJ
水力机械概述
华中科技大学能源与动力学院水机教研室 HSJ
水力机械概述
水力机械,
以液体为工作介质叶片式
华中科技大学能源与动力学院水机教研室 HSJ
水力机械概述
水力机械的主要类型有,
切击式水轮机, 双击式水轮机,
混流式水轮机, 斜流式水轮机,
轴流式水轮机, 离心泵, 混流泵,
斜流泵, 轴流泵
华中科技大学能源与动力学院水机教研室 HSJ
水力机械概述
第二节 水力机械在国民经济中的应用
电力工业 水利工程
化学工业 石油工业
采矿工业 航天技术
环保部门
华中科技大学能源与动力学院水机教研室 HSJ
水力机械概述
第三节 水力机械的主要性能参数
流量、水头（扬程）、转速、
效率、空蚀、水压脉动参数，称
为水力机械的性能参数。
华中科技大学能源与动力学院水机教研室 HSJ
水力机械概述
一、流量 Q
单位时间内通过机器的介质的
量（体积或质量）称为流量。
体积流量,单位为 m3／ s,l／ s或 m3／ h
质量流量：单位为 kg／ s,kg／ min或 kg／ h
华中科技大学能源与动力学院水机教研室 HSJ
水力机械概述
二、水头、扬程
以液柱高度表示的 机器进、
出口断面单位数量液体能量的差
值 H
水轮机中：称为 水头
叶片泵中：称为 扬程
单位,m（ N·m／ N＝ m）
华中科技大学能源与动力学院水机教研室 HSJ
水力机械概述 计算公式,
H p pg c cg z z? ? ? ? ? ? ?[ ( )]2 1 2
2
2
2
2 12?
± 号 是分别用于泵与水轮机，液体通过泵时吸收能
量，而通过水轮机时释放能量。
华中科技大学能源与动力学院水机教研室 HSJ
水力机械概述
电站水头与电站静水头的关系,
H p pg c cg z z Hp s p s p s st' ? ? ? ? ? ? ??
2 2
2
水轮机水头与电站水头的关系,
H H Hst? ? ?
ΔH 为引水管路的水力损失
华中科技大学能源与动力学院水机教研室 HSJ
水力机械概述
泵装置扬程,
H p pg c cg z z HG p s p s p s? ? ? ? ? ? ??
2 2
2 ?
?H—— 全部管路损失的总和
装置扬程,泵将单位重力液体介质
从下游容器抽送到上游容器所做的功。
在系统处于稳定状态时,装置扬程
必等于泵的扬程 。
华中科技大学能源与动力学院水机教研室 HSJ
水力机械概述
装置静扬程
H p pg z zst p s d s? ? ? ??
扬程之间的关系
H H H HG st? ? ? ?
华中科技大学能源与动力学院水机教研室 HSJ
水力机械概述
三、转速 n
转速 n是叶轮（转轮）旋
转的速度。
单位：转每分（ r／ min）
华中科技大学能源与动力学院水机教研室 HSJ
水力机械概述
四、功率 P与效率 ?
工作机（泵）,
功率 P为机器的 输入功率
原动机（水轮机）,
功率 P为机器的 输出功率
单位,kW
华中科技大学能源与动力学院水机教研室 HSJ
水力机械概述
单位时间内通过机器的介质的能量变化
总量（流体功率）可表示为
HgqP vf ??
损失的存在，机器功率与流体功率之
间有一差值 ?P。用效率 ?来衡量损失的
大小，则有
? T
f
P P? ?
P
fP P?
或 1?? )( PP
f?
华中科技大学能源与动力学院水机教研室 HSJ
水力机械概述
五、叶片式流体机械的特性曲线
水力机械的各个性能参数并不是固
定的，在机器运行过程中，将随着环境
和调节过程而变化。但各参数的变化并
不是独立的，而是相互关联的。一般说
来，可将水头（扬程） H、功率 P和效率
?视为转速 n和流量 q的函数。
华中科技大学能源与动力学院水机教研室 HSJ
水力机械概述
泵性能曲线,
注意工况的概念 最优工况 设计工况
华中科技大学能源与动力学院水机教研室 HSJ
水力机械概述
第四节 水力机械的结构形式
一、叶轮的配置方式
多
级
配
置
华中科技大学能源与动力学院水机教研室 HSJ
水力机械概述
多流配置
华中科技大学能源与动力学院水机教研室 HSJ
水力机械概述
二、水轮机的结构
华中科技大学能源与动力学院水机教研室 HSJ
水力机械概述
轴
流
式
水
轮
机
华中科技大学能源与动力学院水机教研室 HSJ
水力机械概述
导
水
机
构
活
动
导
叶
固
定
导
叶
转轮
蜗
壳
尾水管
华中科技大学能源与动力学院水机教研室 HSJ
水力机械概述
贯
流
式
水
轮
机
华中科技大学能源与动力学院水机教研室 HSJ
水力机械概述
活动导叶
发电机转子
转
轮
叶
片
尾水管
全贯流式,
华中科技大学能源与动力学院水机教研室 HSJ
水力机械概述
灯泡贯流式水轮机
华中科技大学能源与动力学院水机教研室 HSJ
水力机械概述
发电机
转
轮
尾水管
转轮
活动导叶
华中科技大学能源与动力学院水机教研室 HSJ
水力机械概述
华中科技大学能源与动力学院水机教研室 HSJ
水力机械概述
混
流
式
水
轮
机
华中科技大学能源与动力学院水机教研室 HSJ
水力机械概述
蜗壳
尾水管
转轮
活
动
导
叶
固
定
导
叶
导水机构
华中科技大学能源与动力学院水机教研室 HSJ
水力机械概述
斜流式水轮机
华中科技大学能源与动力学院水机教研室 HSJ
水力机械概述
切击式水轮机
转轮 喷嘴
喷针
调节机
构
华中科技大学能源与动力学院水机教研室 HSJ
水力机械概述
三、叶片泵的结构
用途广泛，结构种类繁多
华中科技大学能源与动力学院水机教研室 HSJ
水力机械概述 单级单吸悬臂式离心泵
叶轮
泵体（蜗壳）
泵盖 悬架（轴承支架）
轴
华中科技大学能源与动力学院水机教研室 HSJ
水力机械概述
华中科技大学能源与动力学院水机教研室 HSJ
水力机械概述
单
级
双
吸
水
平
中
开
式
离
心
泵
华中科技大学能源与动力学院水机教研室 HSJ
水力机械概述
叶轮
泵体
轴
华中科技大学能源与动力学院水机教研室 HSJ
水力机械概述
华中科技大学能源与动力学院水机教研室 HSJ
水力机械概述
压
水
室
为
双
涡
壳
华中科技大学能源与动力学院水机教研室 HSJ
水力机械概述
华中科技大学能源与动力学院水机教研室 HSJ
水力机械概述
潜水电
机
叶
轮
蜗壳
潜
污
泵
华中科技大学能源与动力学院水机教研室 HSJ
水力机械概述 节段式多级泵
中段 进水段 出水段
平衡盘 导叶 叶轮
华中科技大学能源与动力学院水机教研室 HSJ
水力机械概述
华中科技大学能源与动力学院水机教研室 HSJ
水力机械概述 双壳泵
华中科技大学能源与动力学院水机教研室 HSJ
水力机械概述
双
壳
体
泵
外
壳
体
内
壳
体
（
中
段
）
华中科技大学能源与动力学院水机教研室 HSJ
水力机械概述
蜗壳式多级泵（水平中开式多级泵 ）
华中科技大学能源与动力学院水机教研室 HSJ
水力机械概述
华中科技大学能源与动力学院水机教研室 HSJ
水力机械概述
立
式
轴
流
泵
华中科技大学能源与动力学院水机教研室 HSJ
水力机械概述
华中科技大学能源与动力学院水机教研室 HSJ
水力机械概述
四、立式水轮机结构特点
不同参数机组的结构和尺寸
差别很大，按照轴和轴承的数量
和位置并从振动试验角度将立式
机组的主要结构类型分为以下几
种,
华中科技大学能源与动力学院水机教研室 HSJ
水力机械概述
特点,
推力轴承位于
发电机的上方，三
个导轴承。
运行可靠，厂
房高度高，机组结
构不够紧凑。
适用于转速
<200转 /分的中小
型机组。
悬垂式
华中科技大学能源与动力学院水机教研室 HSJ
水力机械概述 伞式（推力轴承在下机架上）
特点,
推力轴承位于发
电机的下面，有二个
导轴承，上机架为非
承重机架。
机组结构紧凑，
可以降低厂房地高度。
适用于转速较低
的大型机组。
华中科技大学能源与动力学院水机教研室 HSJ
水力机械概述
伞
式
（
推
力
轴
承
在
顶
盖
上
）
华中科技大学能源与动力学院水机教研室 HSJ
水力机械概述 半伞式（推力轴承在下机架上）
特点,
推力轴承位于
发电机的下面，有
三个导轴承，上机
架为非承重机架。
适用于大型机
组。
华中科技大学能源与动力学院水机教研室 HSJ
水力机械概述
半伞式（推力轴承在顶盖上）
华中科技大学能源与动力学院水机教研室 HSJ
水力机械概述
第五节
水力机械理论与设计方法
的现状与发展
华中科技大学能源与动力学院水机教研室 HSJ
水力机械概述
一、水力机械内部流动分析
准三维解,
将三维流动简化为两个相关二维流面，即 s1、
s2流面，在 s1和 s2流面上迭代求解。
三维 Euler解,
将三维 N-S方程中的粘性项略去，得到三维
Euler方程，在求解域中解 Euler方程。
三维粘性解,
从平均 NS方程出发，辅以一定的湍流模式，
求解平均 NS方程。
华中科技大学能源与动力学院水机教研室 HSJ
水力机械概述
二、水力机械设计方法
一元理论,
假定转轮轴面速度沿过水断面均匀分布。
二元理论,
假定转轮轴面流为轴对称有势流动。
,一元半, 理论,
认为转轮轴面流动既不是均匀流动也不
是有势流动，根据工程经验直接给定轴面速
度的分布规律。
华中科技大学能源与动力学院水机教研室 HSJ
水力机械概述
传统的设计方法
避免计算的困难，不得不引入一些简化条
件，以求用简单的方法对流动进行分析计算，
并在此基础上确定通流部件的几何尺寸。由于
这些简化而产生的误差，则通过经验进行修正
或通过试验进行改进。
一般的步骤为,
简化 —— 经验 —— 数表 —— 修正 ——
模型试验
华中科技大学能源与动力学院水机教研室 HSJ
水力机械概述
现代设计方法
现代设计方法在传统的经验设计的基础
之上，引入内部流动分析（ CFD）、性能预
估计算、优化设计理论、工质物性计算以及
强度计算和 CAD,CAM等先进技术，发展为
现代水力机械的设计体系。
直接用三元流动分析方法求解反问题在
技术上尚有困难，所以实际的设计过程是一
个反复依次求解正、反问题的过程。
华中科技大学能源与动力学院水机教研室 HSJ
水力机械概述
水轮机设计开发流程水轮机设计开发流程
具体电站具体电站 现有数据库现有数据库
设计参数设计参数 水力设计水力设计 数学模拟数学模拟 流动分析流动分析
模型试验模型试验
模型制造模型制造 机械分析机械分析
真机制造真机制造
NoNo
NoNo
NoNo
Y e sY e s
Y e sY e s
Y e sY e s
华中科技大学能源与动力学院水机教研室 HSJ
水力机械概述
软件名称 功能和用途 适用部件
SDRC-IDEAS 实体造型 几何分析 水轮机所有 部件
刚, 强度分析
TASCflow CFD求解 前 后 处理器 水轮机所有 部件
性能预测
ICEMCFD 通流部件网格划分 水轮机 所有 部件
bbX 转轮设计 转轮
Turbogrid 转轮网格划分 转轮
SWIN Excel 通流部件 设计 蜗壳, 固定导叶、活 动导叶, 尾水管
华中科技大学能源与动力学院水机教研室 HSJ
水力机械概述
水力机械原理与设计
主讲教师：孙建平
张双全
华中科技大学能源与动力学院水机教研室 HSJ
第一章
水力机械概述
水力机械概述
华中科技大学能源与动力学院水机教研室 HSJ
水力机械概述
第一节 水力机械的定义
流体机械是指以流体为工作介
质的机械设备。
流体机械的工作过程，是流体
的能量与机械的机械能相互转换过
程或是不同能量的流体之间能量传
递的过程。
华中科技大学能源与动力学院水机教研室 HSJ
水力机械概述
原动机和工作机,
能量传递的方向不同
华中科技大学能源与动力学院水机教研室 HSJ
水力机械概述
原动机将流体的能量转换为机
械能用于驱动其他的机械设备。
水轮机、汽轮机、燃气轮机、
风力机、各种液压马达和各种气动
工具等 。
华中科技大学能源与动力学院水机教研室 HSJ
水力机械概述
工作机则将机械能转换为流体
的能量，以便将
? 流体输送到高处
? 有更高压力的空间
? 克服管路阻力将流体输送到远处
例如各种泵、风机和压缩机等。
华中科技大学能源与动力学院水机教研室 HSJ
水力机械概述
流体机械可分成 容积式 和 叶片式,
取决于流体与机械相互作用
的方式。
华中科技大学能源与动力学院水机教研室 HSJ
水力机械概述
容积式流体机械,
工作介质处于一个或多个封闭的
工作腔中，工作腔的容积是变化的，
机械与流体之间的相互作用力主要是
静压力。
华中科技大学能源与动力学院水机教研室 HSJ
水力机械概述
例如往复活塞式流体机械,
活塞与缸体形成一个封闭工作
腔，介质与机械间的相互作用力为
活塞表面的压力。
当介质推动活塞运动时，是原动机。
当活塞推动介质流动时，是工作机。
华中科技大学能源与动力学院水机教研室 HSJ
水力机械概述
叶片式流体机械的特点,
具有一个带有叶片（动叶）的转子
（叶轮 impeller或转轮 runer）；
工作时介质对叶片连续绕流；
介质作用于叶片的力是惯性力；
流体由壳体与静止叶栅的引入。
华中科技大学能源与动力学院水机教研室 HSJ
水力机械概述
涡
壳
、
固
定
导
叶
、
活
动
导
叶
、
转
轮
华中科技大学能源与动力学院水机教研室 HSJ
水力机械概述
泵体
、
叶
轮
、
导
叶
华中科技大学能源与动力学院水机教研室 HSJ
水力机械概述
叶片式机器中流体圆周分速度的变
化及其意义,
原动机,
cu=0 — （涡壳） 导叶 — cu — 叶轮 — cu=0
工作机,
cu=0 — 叶轮 — cu — 导叶（涡壳） — cu=0
华中科技大学能源与动力学院水机教研室 HSJ
水力机械概述
结论,
叶轮进、出口 cu的变化与叶轮所转换
的能量成正比；
机器进口处通常没有 cu
机器出口处，通常不希望有 cu
通过动叶与静叶以及涡壳的配合，
可以满足以上要求。
华中科技大学能源与动力学院水机教研室 HSJ
水力机械概述
叶片式流体机械可分成反击式
和冲击式,
取决于流体在叶轮内的压力与
速度的变化情况
华中科技大学能源与动力学院水机教研室 HSJ
水力机械概述
反击式叶轮,
流体的 压力 和 速度 都发生
变化，流体与叶片交换的能量
中既有压力能（势能）也有速
度能（动能）；
华中科技大学能源与动力学院水机教研室 HSJ
水力机械概述
反击式机器包括,
（ 轴流式, 径流式和混
流式 （ 斜流式 ））
华中科技大学能源与动力学院水机教研室 HSJ
水力机械概述
轴
流
式
机
组
华中科技大学能源与动力学院水机教研室 HSJ
水力机械概述
在反击式机器中,
原动机
静叶,c↑, p↓,但 p>0；
叶轮（转轮）中,c↓, p↓
工作机
叶轮（转轮）中,c↑, p↑,
静叶中,c↓, p↑
华中科技大学能源与动力学院水机教研室 HSJ
水力机械概述
冲击式叶轮,
流体的压力是不变的，流体与叶片
交换的能量中只有 速度能 （动能）。
原动机
静叶,c↑, p↓ 至 p=0；叶轮（转轮）
中,c↓, p不变
工作机无冲击式！！！
华中科技大学能源与动力学院水机教研室 HSJ
水力机械概述
冲
击
式
水
轮
机
华中科技大学能源与动力学院水机教研室 HSJ
水力机械概述
冲
击
式
水
轮
机
转
轮
（
水
斗
）
华中科技大学能源与动力学院水机教研室 HSJ
水力机械概述
华中科技大学能源与动力学院水机教研室 HSJ
水力机械概述
水力机械,
以液体为工作介质叶片式
华中科技大学能源与动力学院水机教研室 HSJ
水力机械概述
水力机械的主要类型有,
切击式水轮机, 双击式水轮机,
混流式水轮机, 斜流式水轮机,
轴流式水轮机, 离心泵, 混流泵,
斜流泵, 轴流泵
华中科技大学能源与动力学院水机教研室 HSJ
水力机械概述
第二节 水力机械在国民经济中的应用
电力工业 水利工程
化学工业 石油工业
采矿工业 航天技术
环保部门
华中科技大学能源与动力学院水机教研室 HSJ
水力机械概述
第三节 水力机械的主要性能参数
流量、水头（扬程）、转速、
效率、空蚀、水压脉动参数，称
为水力机械的性能参数。
华中科技大学能源与动力学院水机教研室 HSJ
水力机械概述
一、流量 Q
单位时间内通过机器的介质的
量（体积或质量）称为流量。
体积流量,单位为 m3／ s,l／ s或 m3／ h
质量流量：单位为 kg／ s,kg／ min或 kg／ h
华中科技大学能源与动力学院水机教研室 HSJ
水力机械概述
二、水头、扬程
以液柱高度表示的 机器进、
出口断面单位数量液体能量的差
值 H
水轮机中：称为 水头
叶片泵中：称为 扬程
单位,m（ N·m／ N＝ m）
华中科技大学能源与动力学院水机教研室 HSJ
水力机械概述 计算公式,
H p pg c cg z z? ? ? ? ? ? ?[ ( )]2 1 2
2
2
2
2 12?
± 号 是分别用于泵与水轮机，液体通过泵时吸收能
量，而通过水轮机时释放能量。
华中科技大学能源与动力学院水机教研室 HSJ
水力机械概述
电站水头与电站静水头的关系,
H p pg c cg z z Hp s p s p s st' ? ? ? ? ? ? ??
2 2
2
水轮机水头与电站水头的关系,
H H Hst? ? ?
ΔH 为引水管路的水力损失
华中科技大学能源与动力学院水机教研室 HSJ
水力机械概述
泵装置扬程,
H p pg c cg z z HG p s p s p s? ? ? ? ? ? ??
2 2
2 ?
?H—— 全部管路损失的总和
装置扬程,泵将单位重力液体介质
从下游容器抽送到上游容器所做的功。
在系统处于稳定状态时,装置扬程
必等于泵的扬程 。
华中科技大学能源与动力学院水机教研室 HSJ
水力机械概述
装置静扬程
H p pg z zst p s d s? ? ? ??
扬程之间的关系
H H H HG st? ? ? ?
华中科技大学能源与动力学院水机教研室 HSJ
水力机械概述
三、转速 n
转速 n是叶轮（转轮）旋
转的速度。
单位：转每分（ r／ min）
华中科技大学能源与动力学院水机教研室 HSJ
水力机械概述
四、功率 P与效率 ?
工作机（泵）,
功率 P为机器的 输入功率
原动机（水轮机）,
功率 P为机器的 输出功率
单位,kW
华中科技大学能源与动力学院水机教研室 HSJ
水力机械概述
单位时间内通过机器的介质的能量变化
总量（流体功率）可表示为
HgqP vf ??
损失的存在，机器功率与流体功率之
间有一差值 ?P。用效率 ?来衡量损失的
大小，则有
? T
f
P P? ?
P
fP P?
或 1?? )( PP
f?
华中科技大学能源与动力学院水机教研室 HSJ
水力机械概述
五、叶片式流体机械的特性曲线
水力机械的各个性能参数并不是固
定的，在机器运行过程中，将随着环境
和调节过程而变化。但各参数的变化并
不是独立的，而是相互关联的。一般说
来，可将水头（扬程） H、功率 P和效率
?视为转速 n和流量 q的函数。
华中科技大学能源与动力学院水机教研室 HSJ
水力机械概述
泵性能曲线,
注意工况的概念 最优工况 设计工况
华中科技大学能源与动力学院水机教研室 HSJ
水力机械概述
第四节 水力机械的结构形式
一、叶轮的配置方式
多
级
配
置
华中科技大学能源与动力学院水机教研室 HSJ
水力机械概述
多流配置
华中科技大学能源与动力学院水机教研室 HSJ
水力机械概述
二、水轮机的结构
华中科技大学能源与动力学院水机教研室 HSJ
水力机械概述
轴
流
式
水
轮
机
华中科技大学能源与动力学院水机教研室 HSJ
水力机械概述
导
水
机
构
活
动
导
叶
固
定
导
叶
转轮
蜗
壳
尾水管
华中科技大学能源与动力学院水机教研室 HSJ
水力机械概述
贯
流
式
水
轮
机
华中科技大学能源与动力学院水机教研室 HSJ
水力机械概述
活动导叶
发电机转子
转
轮
叶
片
尾水管
全贯流式,
华中科技大学能源与动力学院水机教研室 HSJ
水力机械概述
灯泡贯流式水轮机
华中科技大学能源与动力学院水机教研室 HSJ
水力机械概述
发电机
转
轮
尾水管
转轮
活动导叶
华中科技大学能源与动力学院水机教研室 HSJ
水力机械概述
华中科技大学能源与动力学院水机教研室 HSJ
水力机械概述
混
流
式
水
轮
机
华中科技大学能源与动力学院水机教研室 HSJ
水力机械概述
蜗壳
尾水管
转轮
活
动
导
叶
固
定
导
叶
导水机构
华中科技大学能源与动力学院水机教研室 HSJ
水力机械概述
斜流式水轮机
华中科技大学能源与动力学院水机教研室 HSJ
水力机械概述
切击式水轮机
转轮 喷嘴
喷针
调节机
构
华中科技大学能源与动力学院水机教研室 HSJ
水力机械概述
三、叶片泵的结构
用途广泛，结构种类繁多
华中科技大学能源与动力学院水机教研室 HSJ
水力机械概述 单级单吸悬臂式离心泵
叶轮
泵体（蜗壳）
泵盖 悬架（轴承支架）
轴
华中科技大学能源与动力学院水机教研室 HSJ
水力机械概述
华中科技大学能源与动力学院水机教研室 HSJ
水力机械概述
单
级
双
吸
水
平
中
开
式
离
心
泵
华中科技大学能源与动力学院水机教研室 HSJ
水力机械概述
叶轮
泵体
轴
华中科技大学能源与动力学院水机教研室 HSJ
水力机械概述
华中科技大学能源与动力学院水机教研室 HSJ
水力机械概述
压
水
室
为
双
涡
壳
华中科技大学能源与动力学院水机教研室 HSJ
水力机械概述
华中科技大学能源与动力学院水机教研室 HSJ
水力机械概述
潜水电
机
叶
轮
蜗壳
潜
污
泵
华中科技大学能源与动力学院水机教研室 HSJ
水力机械概述 节段式多级泵
中段 进水段 出水段
平衡盘 导叶 叶轮
华中科技大学能源与动力学院水机教研室 HSJ
水力机械概述
华中科技大学能源与动力学院水机教研室 HSJ
水力机械概述 双壳泵
华中科技大学能源与动力学院水机教研室 HSJ
水力机械概述
双
壳
体
泵
外
壳
体
内
壳
体
（
中
段
）
华中科技大学能源与动力学院水机教研室 HSJ
水力机械概述
蜗壳式多级泵（水平中开式多级泵 ）
华中科技大学能源与动力学院水机教研室 HSJ
水力机械概述
华中科技大学能源与动力学院水机教研室 HSJ
水力机械概述
立
式
轴
流
泵
华中科技大学能源与动力学院水机教研室 HSJ
水力机械概述
华中科技大学能源与动力学院水机教研室 HSJ
水力机械概述
四、立式水轮机结构特点
不同参数机组的结构和尺寸
差别很大，按照轴和轴承的数量
和位置并从振动试验角度将立式
机组的主要结构类型分为以下几
种,
华中科技大学能源与动力学院水机教研室 HSJ
水力机械概述
特点,
推力轴承位于
发电机的上方，三
个导轴承。
运行可靠，厂
房高度高，机组结
构不够紧凑。
适用于转速
<200转 /分的中小
型机组。
悬垂式
华中科技大学能源与动力学院水机教研室 HSJ
水力机械概述 伞式（推力轴承在下机架上）
特点,
推力轴承位于发
电机的下面，有二个
导轴承，上机架为非
承重机架。
机组结构紧凑，
可以降低厂房地高度。
适用于转速较低
的大型机组。
华中科技大学能源与动力学院水机教研室 HSJ
水力机械概述
伞
式
（
推
力
轴
承
在
顶
盖
上
）
华中科技大学能源与动力学院水机教研室 HSJ
水力机械概述 半伞式（推力轴承在下机架上）
特点,
推力轴承位于
发电机的下面，有
三个导轴承，上机
架为非承重机架。
适用于大型机
组。
华中科技大学能源与动力学院水机教研室 HSJ
水力机械概述
半伞式（推力轴承在顶盖上）
华中科技大学能源与动力学院水机教研室 HSJ
水力机械概述
第五节
水力机械理论与设计方法
的现状与发展
华中科技大学能源与动力学院水机教研室 HSJ
水力机械概述
一、水力机械内部流动分析
准三维解,
将三维流动简化为两个相关二维流面，即 s1、
s2流面，在 s1和 s2流面上迭代求解。
三维 Euler解,
将三维 N-S方程中的粘性项略去，得到三维
Euler方程，在求解域中解 Euler方程。
三维粘性解,
从平均 NS方程出发，辅以一定的湍流模式，
求解平均 NS方程。
华中科技大学能源与动力学院水机教研室 HSJ
水力机械概述
二、水力机械设计方法
一元理论,
假定转轮轴面速度沿过水断面均匀分布。
二元理论,
假定转轮轴面流为轴对称有势流动。
,一元半, 理论,
认为转轮轴面流动既不是均匀流动也不
是有势流动，根据工程经验直接给定轴面速
度的分布规律。
华中科技大学能源与动力学院水机教研室 HSJ
水力机械概述
传统的设计方法
避免计算的困难，不得不引入一些简化条
件，以求用简单的方法对流动进行分析计算，
并在此基础上确定通流部件的几何尺寸。由于
这些简化而产生的误差，则通过经验进行修正
或通过试验进行改进。
一般的步骤为,
简化 —— 经验 —— 数表 —— 修正 ——
模型试验
华中科技大学能源与动力学院水机教研室 HSJ
水力机械概述
现代设计方法
现代设计方法在传统的经验设计的基础
之上，引入内部流动分析（ CFD）、性能预
估计算、优化设计理论、工质物性计算以及
强度计算和 CAD,CAM等先进技术，发展为
现代水力机械的设计体系。
直接用三元流动分析方法求解反问题在
技术上尚有困难，所以实际的设计过程是一
个反复依次求解正、反问题的过程。
华中科技大学能源与动力学院水机教研室 HSJ
水力机械概述
水轮机设计开发流程水轮机设计开发流程
具体电站具体电站 现有数据库现有数据库
设计参数设计参数 水力设计水力设计 数学模拟数学模拟 流动分析流动分析
模型试验模型试验
模型制造模型制造 机械分析机械分析
真机制造真机制造
NoNo
NoNo
NoNo
Y e sY e s
Y e sY e s
Y e sY e s
华中科技大学能源与动力学院水机教研室 HSJ
水力机械概述
软件名称 功能和用途 适用部件
SDRC-IDEAS 实体造型 几何分析 水轮机所有 部件
刚, 强度分析
TASCflow CFD求解 前 后 处理器 水轮机所有 部件
性能预测
ICEMCFD 通流部件网格划分 水轮机 所有 部件
bbX 转轮设计 转轮
Turbogrid 转轮网格划分 转轮
SWIN Excel 通流部件 设计 蜗壳, 固定导叶、活 动导叶, 尾水管
华中科技大学能源与动力学院水机教研室 HSJ
水力机械概述
