华中科技大学能源与动力学院水机教研室 HSJ
水力机械中的能量转换
第三节 过流部件的作用原理
过流部件 （ 通流部件 ） ＝固定元件
叶轮与环境 （ 机器或相邻级进, 出
口 ） 之间的连接, 影响叶轮的工作, 决
定了整机尺寸与重量 。
各部件的相互影响,
叶片式机械的可逆性, 流动方向与
性能的关系
华中科技大学能源与动力学院水机教研室 HSJ
水力机械中的能量转换
一、原动机过流部件的作用原理
1、水轮机的引水室
引水室的作用,
? 产生所需的 cu1
? 将水流均匀（轴对称）地（经过
导水机构）引入转轮 。
华中科技大学能源与动力学院水机教研室 HSJ
水力机械中的能量转换
分类,开式 与 闭式
华中科技大学能源与动力学院水机教研室 HSJ
水力机械中的能量转换
涡壳作用原理的要点,
1、速度矩不变,cu·r＝ K
2、水流均匀进入转轮
?
?
?
??
i
b
i
b
R
r
R
r u
iVr
Vi
dr
r
rbK
drrbcqq
)(
)(
360
?
3,K值由进口断面确定,
?
?
?
0
b
R
r
0Vr
drr )r(b
3 6 0
q
K
进口断面
由于半径 r减小，所以 cu1增加
华中科技大学能源与动力学院水机教研室 HSJ
水力机械中的能量转换
固定导叶
华中科技大学能源与动力学院水机教研室 HSJ
水力机械中的能量转换
固定导叶,
仅起支承作用，不应对水流产生作用（阻力
小，不改变环量）
在自由流动时
rKcu ?
rb2qc Vm ??
c o n s tcct a n
u
m ???
所以，骨线应为 等角螺线
2,水轮机的导水机构（活动导叶）
导叶开口与出流角
开口 a0 mm
出流角 ?0 度
作用：调节流量
活动导叶的
翼型形状,
负曲率,
对称,
正曲率
华中科技大学能源与动力学院水机教研室 HSJ
水力机械中的能量转换
流量调节方程
当导叶出口角一定时，出口速度为
00
V
0m br2
qc
??
0
00
V
00m0u c t gbr2
qc t gcc ?
????
转轮进出口速度矩,
0
0
V
00u11u c t gb2
qrcrc ?
???
22b
2
V2222b2m2222u rc t g
A
qrrc t gcrurc ??????
华中科技大学能源与动力学院水机教研室 HSJ
水力机械中的能量转换
代入欧拉方程式并解出 qV，可得
2b
2
2
0
0
th
2
2
V
c t g
A
rc t g
b2
1
gHrq
???
?
????
调节流量的手段,?0,b0, ?b2
混流式,?0
轴流式,?0, ?0＋ ?b2
实际的流量调节关系，由试验确定
华中科技大学能源与动力学院水机教研室 HSJ
水力机械中的能量转换
3、水轮机尾水管
作用,
? 收集水流
? 回收利用转轮出口水流剩
余的能量
转轮出口（ 2点）的能量,
2
2
22
2 zg2
c
g
pE ??
??
华中科技大学能源与动力学院水机教研室 HSJ
水力机械中的能量转换
无尾水管时,
p2＝ pa（大气压）
有尾水管时,
静力真空 与 动力真空
)Hg2 cc(zgpgp 52
2
5
2
2
2
a2
???
???
???
g2
c
Hg2cc
2
2
52
5
5
2
2
V
???
?
??
恢复系数
华中科技大学能源与动力学院水机教研室 HSJ
水力机械中的能量转换
转轮出口动能的比重
cu2的影响
过大,产生涡带。
略带,可以避免流动分
离，减小 ΔH2-5。
实际的最优出口条件,
略带正环量 （ cu2略大于
零 ）
华中科技大学能源与动力学院水机教研室 HSJ
水力机械中的能量转换
4、喷嘴和喷管
gH2c 0 ??
gH2d4q 20V ???
华中科技大学能源与动力学院水机教研室 HSJ
水力机械中的能量转换
p
c
w
w
p
c
水轮机过流部件速度、压力变化
引
水
管
路
喷
嘴
转
轮
引
水
管
路
涡
壳
、
导
叶
转
轮
尾
水
管
华中科技大学能源与动力学院水机教研室 HSJ
水力机械中的能量转换
二、工作机过流部件的作用原理
1,吸入室
华中科技大学能源与动力学院水机教研室 HSJ
水力机械中的能量转换
吸入室的作用,
向叶轮提供，速度大小合适、且分
布均匀的入流 。
半螺旋形吸入室的工作原理
吸入室由两部分组成,
? 涡壳形部分
? 非涡形部分
华中科技大学能源与动力学院水机教研室 HSJ
水力机械中的能量转换
在螺旋部分,V
R
r
0V
11u aq
dr
r
)r(b
3 6 0
q
rc
0
b
?
?
?
?
在非螺旋部分,cu1r1=0
平均,cu1r1=k ? qV
1
V
1m A
qc ?因为 所以
1
1
1
1
1 kA
r
c
ctg
u
m ???
a为比例系数，由吸水室的
几何形状决定
α1＝ const,
华中科技大学能源与动力学院水机教研室 HSJ
水力机械中的能量转换
不同吸入室对叶轮进口速度方向的影响
半螺旋吸入室,?1=const与流量无关
其他各种吸入室,?1=90?
cu1r1>0对叶轮 Hth 的影响
使 Hth降低
华中科技大学能源与动力学院水机教研室 HSJ
水力机械中的能量转换
华中科技大学能源与动力学院水机教研室 HSJ
水力机械中的能量转换
华中科技大学能源与动力学院水机教研室 HSJ
水力机械中的能量转换
2,压水室与扩压元件
华中科技大学能源与动力学院水机教研室 HSJ
水力机械中的能量转换
华中科技大学能源与动力学院水机教研室 HSJ
水力机械中的能量转换
a,蜗壳
???? Rr22uiVrVi 3 drr )r(brc360qq
蜗壳与叶轮之间，还可以有其他的扩压元件
华中科技大学能源与动力学院水机教研室 HSJ
水力机械中的能量转换
b,无叶扩压器
连续性方程,4444m3333m2222m brcbrcbrc ?????
工作原理要点
动量矩定理,
44u33u22u rcrcrc ??
所以,
34 ???
4
3
34 r
rcc ?
特点,
稳定，变工况性能
好，效率稍低
华中科技大学能源与动力学院水机教研室 HSJ
水力机械中的能量转换
c、径向 导叶
两种考查方式：叶片、流道
?4由叶片形状决定
444
333
3
4
s inr
s inr
c
c
??
???
特点,
尺寸小，设计点效
率高，变工况性能
较差
反导叶
径向导叶
华中科技大学能源与动力学院水机教研室 HSJ
水力机械中的能量转换
3、进口导流器（前导叶）
华中科技大学能源与动力学院水机教研室 HSJ
水力机械中的能量转换
导流器出口到叶轮进口,
00
0
V
00u11u c t grA
qrcrc ???
由欧拉方程
00
0
V
2u2thth c t grA
qcupgHh ????
???
当流量和转速不变时,u2cu2的值将保持不变（忽
略压力变化引起的出口体积流量的变化），此时转动
叶片，就可改变能量头（或扬程、压力）的值，从而
调节了工况。
华中科技大学能源与动力学院水机教研室 HSJ
水力机械中的能量转换
总结与对比
w p
吸
入
室
叶
轮
扩
压
器
出
口
管
路
c
尾
水
管
转
轮
引
水
室
压
力
管
路
流体机械的可逆性
扩压与收缩流动的不同
叶轮,扩压,收缩
扩压流,
扩压器 尾水管
收缩流,
吸入室 引水室
水力机械中的能量转换
第三节 过流部件的作用原理
过流部件 （ 通流部件 ） ＝固定元件
叶轮与环境 （ 机器或相邻级进, 出
口 ） 之间的连接, 影响叶轮的工作, 决
定了整机尺寸与重量 。
各部件的相互影响,
叶片式机械的可逆性, 流动方向与
性能的关系
华中科技大学能源与动力学院水机教研室 HSJ
水力机械中的能量转换
一、原动机过流部件的作用原理
1、水轮机的引水室
引水室的作用,
? 产生所需的 cu1
? 将水流均匀（轴对称）地（经过
导水机构）引入转轮 。
华中科技大学能源与动力学院水机教研室 HSJ
水力机械中的能量转换
分类,开式 与 闭式
华中科技大学能源与动力学院水机教研室 HSJ
水力机械中的能量转换
涡壳作用原理的要点,
1、速度矩不变,cu·r＝ K
2、水流均匀进入转轮
?
?
?
??
i
b
i
b
R
r
R
r u
iVr
Vi
dr
r
rbK
drrbcqq
)(
)(
360
?
3,K值由进口断面确定,
?
?
?
0
b
R
r
0Vr
drr )r(b
3 6 0
q
K
进口断面
由于半径 r减小，所以 cu1增加
华中科技大学能源与动力学院水机教研室 HSJ
水力机械中的能量转换
固定导叶
华中科技大学能源与动力学院水机教研室 HSJ
水力机械中的能量转换
固定导叶,
仅起支承作用，不应对水流产生作用（阻力
小，不改变环量）
在自由流动时
rKcu ?
rb2qc Vm ??
c o n s tcct a n
u
m ???
所以，骨线应为 等角螺线
2,水轮机的导水机构（活动导叶）
导叶开口与出流角
开口 a0 mm
出流角 ?0 度
作用：调节流量
活动导叶的
翼型形状,
负曲率,
对称,
正曲率
华中科技大学能源与动力学院水机教研室 HSJ
水力机械中的能量转换
流量调节方程
当导叶出口角一定时，出口速度为
00
V
0m br2
qc
??
0
00
V
00m0u c t gbr2
qc t gcc ?
????
转轮进出口速度矩,
0
0
V
00u11u c t gb2
qrcrc ?
???
22b
2
V2222b2m2222u rc t g
A
qrrc t gcrurc ??????
华中科技大学能源与动力学院水机教研室 HSJ
水力机械中的能量转换
代入欧拉方程式并解出 qV，可得
2b
2
2
0
0
th
2
2
V
c t g
A
rc t g
b2
1
gHrq
???
?
????
调节流量的手段,?0,b0, ?b2
混流式,?0
轴流式,?0, ?0＋ ?b2
实际的流量调节关系，由试验确定
华中科技大学能源与动力学院水机教研室 HSJ
水力机械中的能量转换
3、水轮机尾水管
作用,
? 收集水流
? 回收利用转轮出口水流剩
余的能量
转轮出口（ 2点）的能量,
2
2
22
2 zg2
c
g
pE ??
??
华中科技大学能源与动力学院水机教研室 HSJ
水力机械中的能量转换
无尾水管时,
p2＝ pa（大气压）
有尾水管时,
静力真空 与 动力真空
)Hg2 cc(zgpgp 52
2
5
2
2
2
a2
???
???
???
g2
c
Hg2cc
2
2
52
5
5
2
2
V
???
?
??
恢复系数
华中科技大学能源与动力学院水机教研室 HSJ
水力机械中的能量转换
转轮出口动能的比重
cu2的影响
过大,产生涡带。
略带,可以避免流动分
离，减小 ΔH2-5。
实际的最优出口条件,
略带正环量 （ cu2略大于
零 ）
华中科技大学能源与动力学院水机教研室 HSJ
水力机械中的能量转换
4、喷嘴和喷管
gH2c 0 ??
gH2d4q 20V ???
华中科技大学能源与动力学院水机教研室 HSJ
水力机械中的能量转换
p
c
w
w
p
c
水轮机过流部件速度、压力变化
引
水
管
路
喷
嘴
转
轮
引
水
管
路
涡
壳
、
导
叶
转
轮
尾
水
管
华中科技大学能源与动力学院水机教研室 HSJ
水力机械中的能量转换
二、工作机过流部件的作用原理
1,吸入室
华中科技大学能源与动力学院水机教研室 HSJ
水力机械中的能量转换
吸入室的作用,
向叶轮提供，速度大小合适、且分
布均匀的入流 。
半螺旋形吸入室的工作原理
吸入室由两部分组成,
? 涡壳形部分
? 非涡形部分
华中科技大学能源与动力学院水机教研室 HSJ
水力机械中的能量转换
在螺旋部分,V
R
r
0V
11u aq
dr
r
)r(b
3 6 0
q
rc
0
b
?
?
?
?
在非螺旋部分,cu1r1=0
平均,cu1r1=k ? qV
1
V
1m A
qc ?因为 所以
1
1
1
1
1 kA
r
c
ctg
u
m ???
a为比例系数，由吸水室的
几何形状决定
α1＝ const,
华中科技大学能源与动力学院水机教研室 HSJ
水力机械中的能量转换
不同吸入室对叶轮进口速度方向的影响
半螺旋吸入室,?1=const与流量无关
其他各种吸入室,?1=90?
cu1r1>0对叶轮 Hth 的影响
使 Hth降低
华中科技大学能源与动力学院水机教研室 HSJ
水力机械中的能量转换
华中科技大学能源与动力学院水机教研室 HSJ
水力机械中的能量转换
华中科技大学能源与动力学院水机教研室 HSJ
水力机械中的能量转换
2,压水室与扩压元件
华中科技大学能源与动力学院水机教研室 HSJ
水力机械中的能量转换
华中科技大学能源与动力学院水机教研室 HSJ
水力机械中的能量转换
a,蜗壳
???? Rr22uiVrVi 3 drr )r(brc360qq
蜗壳与叶轮之间，还可以有其他的扩压元件
华中科技大学能源与动力学院水机教研室 HSJ
水力机械中的能量转换
b,无叶扩压器
连续性方程,4444m3333m2222m brcbrcbrc ?????
工作原理要点
动量矩定理,
44u33u22u rcrcrc ??
所以,
34 ???
4
3
34 r
rcc ?
特点,
稳定，变工况性能
好，效率稍低
华中科技大学能源与动力学院水机教研室 HSJ
水力机械中的能量转换
c、径向 导叶
两种考查方式：叶片、流道
?4由叶片形状决定
444
333
3
4
s inr
s inr
c
c
??
???
特点,
尺寸小，设计点效
率高，变工况性能
较差
反导叶
径向导叶
华中科技大学能源与动力学院水机教研室 HSJ
水力机械中的能量转换
3、进口导流器（前导叶）
华中科技大学能源与动力学院水机教研室 HSJ
水力机械中的能量转换
导流器出口到叶轮进口,
00
0
V
00u11u c t grA
qrcrc ???
由欧拉方程
00
0
V
2u2thth c t grA
qcupgHh ????
???
当流量和转速不变时,u2cu2的值将保持不变（忽
略压力变化引起的出口体积流量的变化），此时转动
叶片，就可改变能量头（或扬程、压力）的值，从而
调节了工况。
华中科技大学能源与动力学院水机教研室 HSJ
水力机械中的能量转换
总结与对比
w p
吸
入
室
叶
轮
扩
压
器
出
口
管
路
c
尾
水
管
转
轮
引
水
室
压
力
管
路
流体机械的可逆性
扩压与收缩流动的不同
叶轮,扩压,收缩
扩压流,
扩压器 尾水管
收缩流,
吸入室 引水室
