2012-3-23 西华大学 宋文武 教授 1
第二章 叶片式流体机械概述
? 何谓叶片式流体机械
? 叶片式流体机械能量传递图
升力阻力
a
第一节 叶片式流体机械的工作过程
2012-3-23 西华大学 宋文武 教授 2
当倾斜平板在流体中运动时，由于平板
的作用，流体沿平板流动的同时，还获得了
与平板运动方向垂直的加速度，即从平板处
获得了能量。那么处于这种状态的平板在流
体力学中叫做机翼，在流体机械中被称作叶
片（ blade)。在实际使用中，一般将一定数
目的叶片布置在一个圆周或一个圆柱面上组
成所谓的转轮（ runner)或叶轮 ( impeller)，
并通过转轮（叶轮）转动来实现叶片与流体
间的能量转换。
2012-3-23 西华大学 宋文武 教授 3
一、叶片式流体机械的特征
? 具有一个带叶片的转轮（叶轮）；
? 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；
? 具有一个静止叶栅（大多数流体机械均有）。
2012-3-23 西华大学 宋文武 教授 4
当流体连续绕流转轮（叶轮）叶片时，
由于流体与叶片的相互作用力，即当流体的
惯性力作用于转动的叶片上，而对转轮轴心
线产生力矩，形成功率，这就是叶片式流体
机械中流体与流体机械进行能量转换的过程。
2012-3-23 西华大学 宋文武 教授 5
二、分类
流体具有的机械能
一般根据流体机械在能量转换过程中主要是
何种能量发生变化而将叶片式流体机械分成了两
大类,反击式和冲击式 。
1、反击式：流体的动能和势能发生变化；
2、冲击式：仅流体的动能发生变化；
? 水轮机（泵）
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
P
Z
2g
V
2
压能
位能
势能
动能
??
?
?? PaP2P1
P1P2P2P1
动能冲击式：仅利用水流的
）〉。（〉势能发生变化。反击式：水流的动能和
2012-3-23 西华大学 宋文武 教授 6
? 反击式水轮机在整个工作过程中, 转轮是浸
在有压的水流中, 且 P1>P2, 反击式水轮机获
得的机械能是通过水流的动能和压能转换得来的 。
比较起来, 通常水流进入转轮的流速较小, 即水
流中包含的动能成分很小, 可进一步说反击式水
轮机主要是以水流压能进行工作的 。
? 冲击式水轮机在工作过程中, 转轮只有部分
充水 （ 转轮处于大气中, 它是靠高速水流, 冲击,
转轮作功的, 即冲击式水轮机仅利用水流的动能,
在进入转轮进口之前, 具有压力的水流已全部转
换成了动能 （ 由喷咀 ） 。
2012-3-23 西华大学 宋文武 教授 7
? 按转轮区域中液流流动方向
反击式
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
轴流风机
轴流泵
轴流式水轮机
轴流式
混流泵、斜流泵
斜流式水轮机
混流式水轮机
混（斜）流式
离心风机
离心泵
高水头混流式水轮机
径流式
2012-3-23 西华大学 宋文武 教授 8
冲击式
三、关于水轮机（泵）在国民经济中的用途
? 在河道上 修建水电站，水流 —— 上游水库 ——
引水钢管 —— 水轮机 —— 尾水管 —— 排进下游
河道。
?
?
?
?
?
双击式水轮机
斜击式水轮机
）切击式水轮机（水斗式
2012-3-23 西华大学 宋文武 教授 9
当水流通过水轮机的中心部分时，转轮会转动
起来，并带动和水轮机同轴连接的发电机轴也旋转
起来。这正是由于水流和水轮机转轮叶片的相互作
用，使水流的能量转换成转轮的旋转机械能，再通
过主轴传给发电机，带动发电机转子也旋转起来，
在发电机定子中感应出电势，带上外载负荷后就可
以输出电流，最后通过输变电设备向电网送电。
从上述水电站的大致工作情况可看出，水轮机
是水电站的主要动力设备之一（作为发电机的原动
力部分）。一般把这种将水流能量转换为机械能的
机器定义为水力原动机。
2012-3-23 西华大学 宋文武 教授 10
? 水泵是把原动机（如电动机）传给的机械能转换成
抽送液体的能量的机器。所以水泵被称作为工作机
（流体输送机）。
? 既然水轮机是作为一种原动机，那么水电站就是把
水能这个一次性能源转换成二次能源。
它与主要以煤作为燃料的火电厂（热电厂）相
比，水力发电特点,
1、成本低、效率高不污染环境；
2、起动迅速，事故应变能力强；
3、具有同时性，动态平衡性。
2012-3-23 西华大学 宋文武 教授 11
如建相同容量的水、火电站，水电站投
资明显高于火电厂 —— 水工建筑。水电厂建
设周期长，但一旦投入运行，很短时间即可
把成本回收，而且管理简单，事故少，效率
高除开日常维护费用外，就可以获净利润。
一般水电价只占火电价的 1/4。另外水电站有
一个最大特点是机组起动迅速，当电网的负
荷变化很大时，可以起动水轮发电机组马上
投入运行。
2012-3-23 西华大学 宋文武 教授 12
? 通常，电力生产和电力消费水平，标志着一个国家和地
区技术经济发展水平。过去我们国家的电力生产布局一直是
以火电为主，但是从长远观点来看，常会出现能源短缺（煤、
油、气）等的危机。中国人口在增长，工农业生产要发展，
人们的物资生活也在向电气化方向发展，明显暴露出电力供
不应求的矛盾，所以中央早已作出了把开发水力资源，放在
优先位置，发展水电来解决电力紧张局面。
? 我们国家的水力资源丰富，居世界第一位，按 500KW以
上的可开发水电统计，对水力资源的可开发电力为 3.92亿万
千瓦，已开发量 <20%,对于发达国家比如美国已开发量达
60~90%。这说明我国对水力资源的利用率相当低。尤其是
从 1910年到解放前的四十年中，除了在被日本侵占过的东北
和台湾修了几座中型水电站及十几座小型水电站，总容量不
过 16万 KW左右。临近解放前夕，国民党军队在撤离大陆时
还破坏了一些小型水电站（包括炸毁的重庆长寿下硐电站）。
2012-3-23 西华大学 宋文武 教授 13
? 我国的水电事业可以说是解放后才得以发展。 90
年代统计：全国水电总装机容量已达 3435万 KW，居
世界第六位，同解放前相比增长 3200多倍。在长江、
黄河流域上建了许多水电站，其中葛洲坝电站 N总
=271.5万 KW（ n=21台）（两台机,D1=11.3m，
N=17.6万 KW（ ZZ）；二滩电站 N总 =330万 KW（ n=6）
2#机 N=55万 KW，由哈电制造（ HL机组为我国制造的
世界特大型机组）。正建设中的巨型电站 —— 三峡电
站,N总 =26台 * 70万 KW=1820万 KW。
? 我国的水力发电事业前景可观。流体
机械的应用更是前景广阔。
2012-3-23 西华大学 宋文武 教授 14
第二节 叶片式流体机械的主要性能参数
我们知道叶片式流体机械是由于工作介质与转
轮（叶轮）叶片的相互作用，使其能量发生变化或
转换成另一种形式的能（如泵与水轮机）。
流体进入机器直到流出，使其能量发生变化的
过程，称为流体机械的工作过程。
反映工作过程的一些参数，称为流体机械的 基
本参数 。
主要参数包括,流量、能头、功率、转速 等。
2012-3-23 西华大学 宋文武 教授 15
一、流量 q
单位时间内通过机器的流体的量（体积或
质量）。
? 单位
? 质量流量 主要用于热力涡轮机械。
? 体积流量 对于水力机械和低压通风机，
认为流体不可压缩，即密度,通常采
用体积流量，通风机中将 也称为风量。
?
?
?
).h/kgk g /m in ))s/kg(q
).h/mL /Ss/m(q
m
33
v
、（、（质量流量
）、（）、（体积流量
mq
vq
const??
vq
2012-3-23 西华大学 宋文武 教授 16
二、水头、扬程或压力 H
? 指机器进、出口断面单位数量介质的能量
差值。
? 水轮机和泵的工作介质是液体，用液柱高
度表示单位重力（ 1N）液体的能量既方便
又直观。所以用液柱高度表示进、出口断
面单位重力液体能量的差值 H，在水轮机
中称作水头，在叶片泵中称为扬程。
? (1-1)
)](
2
[
)(
12
2
1
2
212
12
ZZ
g
cc
g
pp
eeH
??
?
?
?
??
???
?
2012-3-23 西华大学 宋文武 教授 17
? e1,e2—— 分别为水轮机（泵）进出口断面单
位重量水流的能量差值（增值）。
? （ 1-1）中,+”号用于泵，,-”用于水轮机
? 水电站装置水头 Hst
? 取上游水库水面和尾水渠列伯诺里 方程
? 水库水面与下游河道流速很小（ ）
sp
spsp ZZ
g
CCPP
H ??
?
?
?
?
2
22
'
?
sp CC ?
2012-3-23 西华大学 宋文武 教授 18
? Hst=
? —— 高程，指长江入海处（上海吴淞口）
的多年平均水面为零记起的高程（也称海拔
高程）。
? H< Hst,
水轮机工作水头的近似计算公式
? H=Hst— H
? H —— 引水管路中的水力损失（确切值应是
水电站引水管道进口至水轮机蜗壳进口的水
力损失）。
下上 ???
?
?
?
2012-3-23 西华大学 宋文武 教授 19
? 泵装置净扬程 Hst,表示泵将单位重力液体
介质从下游容器抽送到上游容器所做的功。
?
开敞式装置系统
sp
sp
st ZZ
PPH ????
?
sdst ZZH ??
2012-3-23 西华大学 宋文武 教授 20
在通风机行业压升表示进出口断面单位体积（ 1 ）
气体能量的差值，通常简称为压力。
? （ 1— 6）
? 式中,P1,P2 — 进出口处的静压。
? 注（ 1— 6）式中无高度 Z是因为在风机中重力势能
可忽略不计。
? 通风机的静压 — 指全压与出口动能之差。
（ 1— 7）
sFP
2
2
1
12
CPPP
sF ????
3m
2
2
1
12
CPPP
sF ????
2012-3-23 西华大学 宋文武 教授 21
关于能量头
? 大家已经注意到对于通过流体机械进出
口断面单位数量介质的能量差值，在不同的
机器中，由于使用方便和习惯，采用的名称
和表示方式不相同，其实可采用统一的表达
式：即为能量头 (比能，比功）。
2012-3-23 西华大学 宋文武 教授 22
? 能量头：指机器进出口断面单位质量液体所
具有的能量差值。即用质量作为液体量的度
量，就得到一个与重力无关的能量指标，记
为 h
(1-5)
三、功率 P
gHZZgCCPPh ???????? )](2[ 12
2
1
2
212
?
?
?
?
?
?
）。上的功率，常称轴功率
到轴如泵与风机为原动机传工作机：指输入功率（
功率）。水轮机轴端向外输出的原动机：指输出功率（
)/( 22 sm
2012-3-23 西华大学 宋文武 教授 23
流体功率 Pf：指单位时间通过机器的介质
的能量变化总量。
? 公式
? 式中,（液体的重度）。
若水质
tFvvf PqHgqP ?? ?
?? ?g 3m/8 1 K N.9??
)KW(8 1 H q.9P vf ?
?
??
?
? 也称有效功率。泵与风机：
量）水轮机的水流具有的能功率（单位时间内流经水轮机：水功率或输入
ef PP
2012-3-23 西华大学 宋文武 教授 24
? 原动机
? 工作机
? 原动机 工作机
? 统一表达式
? 其中 包括了所有的损失，如机械损失、流
动损失（水力损失和容积损失等）。
无损耗的机器功率
输出功率??
输入功率
无损耗的机器消耗功率??
fT P
P??
PPfp ??
1f )P/P( ???
?
2012-3-23 西华大学 宋文武 教授 25
四、转速（ r/min)
指转轮（叶轮）的旋转速度。
当水轮机与三相同步发电机直接连接时，
其转速必须是同步转速 n=60f/P 。
2012-3-23 西华大学 宋文武 教授 26
第三节 叶片式流体机械的结构型式简介
? 我们已知道对叶片式流体机械根据其在能量转换
过程中，主意是何种能量变化分成了
? 由于这些不同型式的机器工作场合不同（水头、
流量、功率等 ),结构型式也各不相同。这一节准
备就水轮机和水泵的各类型式进行介绍，使大家
对主要结构型式及工作过程有所了解，为下面的
学习打下基础。
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
斜击式
双击式
切击式
冲击式
轴流式
混（斜）流式
径流式
反击式
2012-3-23 西华大学 宋文武 教授 27
? 一、水轮机的主要型式及使用范围
? 1、混流式（ HL） H=30~700m,N=几个 ~几十万 KW。
这是 1847年在美国工作的英国工程师法兰西斯研究
改良的，所以又称作法兰西斯式。
? 水流经转轮时是式，也叫做辐向轴流式。
? 注：对高辐向进入，然后大体沿着轴向流出 — 称作
混流 H的 HL水流几乎在转轮区域中是沿径向方向流
动，所以把这类水轮机叫做径流式（同于离心式水
泵）。
? 这种水轮机结构紧凑,较高，能适应较宽的
H范围，是目前世界各国广泛采用的机型。
? Hmax=734m奥地利豪依斯林电站；
? Hmax=372.5m鲁布革电站
? Nmax=71.6万 KW 美国大古里 电站
?
?
2012-3-23 西华大学 宋文武 教授 28
? Nmax=55万 KW，二滩水电站 2号机。
? 95年初，东电为李家峡电站制造 N=40万 KW的转
轮 2台，采用不锈钢叶片，单片毛坯
G=5.5T,Z1=13,G总 =71.5T。
2、轴流式 H=3~88m,N =几个 ~几十万
KW
? 水流经转轮时的近似轴向进，轴向出。对于这种
水轮机又根据转轮叶片是否转动分为轴流转桨式
（卡普兰式）（捷克人 1918年）和轴流定桨式。轴
流式水轮机也是目前世界各国广泛采用的机型之一，
同 HL相比，叶片数少（ Z1=3~8片），流道宽
（ ），但是由于轴流式，如同于高 H、机组的强
度问题难以解决，所以 ZL一般用于较低的水头。
??
?
ZD
ZZ
?Q
2012-3-23 西华大学 宋文武 教授 29
? Hmax=88m,意大利那姆比亚电站；
? Nmax=18万 KW瑞典利加 厂；
? 葛洲坝电站 Hp=18.6m,N=17.6万 KW
? D1=11.3m,
这是东方电厂为葛洲坝二江电站设计制造的 1,2#
机组，是目前世界上 D1最大的水轮机。
所以可以说我们国家的 ZL水轮机设计制造已达到了
世界先进水平（从单 N和 D1来看）。
3、斜流式（ XL） H=40~120m,N=几个 ~几十万 KW
水流沿着倾斜于轴线某一角度的方向流过转轮，同
时也根据转轮叶片是否转动分为转桨式和定桨式
两种，这是 1952年瑞士人捷思阿兹提出的（ Driaz)
?
2012-3-23 西华大学 宋文武 教授 30
? 前面我们提到的 ZZ具有双重调节的特点，即转
轮叶片随导水机构叶片转动也相应转过一个角度，
以不同的叶片按放角来对应导叶的来流。但是由于
Z1,使它的使用水头受到了限制，而 XL 既保留
了 双重调节的特点，又由于叶片斜向布置，这样就
可以在有限的空间中安装比较多的叶片（一般 8~ 12
片）。
? 它的使用水头是在轴流的基础上提高了。
? Hmax=113m 日本向川电厂（国外）；
? Hmax=77m 毛家村电站（国内） ；
? Nmax=21.5万 KW 前苏泽雅电站（国外）；
? Nmax=1.5万 KW 北京密云电站（国内） 。
?
2012-3-23 西华大学 宋文武 教授 31
? 4、贯流式（ GL） H=3~20m N=几个 ~几万 KW
? GL为卧轴布置，水轮机的过流部件：引水部件、转
轮，排水部件都排在同一条轴线上，水流几乎是一
贯平直通过。
? 贯流式又分为全贯流和半贯流式。
? GL是在 ZL的基础上发展起来的，是开发低水头的一
种新机型，到现在也只有五十多年历史。
? 全贯流式转轮外缘为发电机转子线圈，靠转轮外缘，
把水轮机功率直接传递给发电机，当然这是减少了
功率传递过程的损失。但是 由于水轮机外缘线速度
很大，给密封带来了很大困难，而且叶片强度也受
到限制。
? 所以由于密封结构等问题使这种水轮机没有得
到很好发展。
2012-3-23 西华大学 宋文武 教授 32
全贯流式水轮机
2012-3-23 西华大学 宋文武 教授 33
灯泡贯流式水轮机
2012-3-23 西华大学 宋文武 教授 34
? 灯泡贯流式：是目前发展较快的半贯流式机组，这
是以发电机安装在灯泡形状的砼室内而得名的。
（如图所示）。
? Nmax=6.5万 KW 日本只见电站
? Nmax=4.0万 KW 金银台电站
? 5、切击式（水斗式） H=300~1700m,
? N=几个 ~30多万 KW
? 从喷咀出来的射流冲击在叶片上做功。
? 因为水流从喷咀射出以后，射流中心线与转轮叶片
的节圆直径相切。所以称作切击式水轮机。又因为
转轮是由转盘和均匀分布在圆周周围的若干水斗组
成，所以又称作水斗式。
2012-3-23 西华大学 宋文武 教授 35
? 冲击式水轮机中适用于高 H电站，且用于大
中 型电站的只有水斗式。
? Hmax=1771m奥地利雷扎河电站；
? Hmax=1074m 天湖水电站；
? Nmax=31.5万 KW 挪威西西鸟电站
? Nmax=1.5万 KW 磨房沟二级电站。
6、斜击式（ XJ） H=20~300m
? 射流是以倾斜于转轮旋转平面某一角度冲击
到叶片上的，主要适应于小型电站。
7,双击式（ SJ） H=5~100m
2012-3-23 西华大学 宋文武 教授 36
? 由喷咀出来的射流先后两次冲击叶片,即水流经过
喷咀首先冲到转轮上部叶片，然后流经转轮中心部
分的自由空间再冲到下部叶片上去。
二、水轮机主要过流部件
? 过流部件,在流体机械中，工作介质 直接由其中流
过的部件称为过流部件。即当水流通过水轮机时，
之所以能够把水流的能量转换成旋转机械能，这是
因为水流受到了一系列水轮机部件的约束产生的作
用，那么就将 水流从进入水轮机一直到流出去经过
的部件称为水轮机的过流部件。当然这些部件对水
流能量的转换，获得的功率、效率是至关重要的。
下面主要介绍反击式水轮机的主要过流部件所处的
位置以及各自所起的作用。
主要有引水室、导水机构、转轮、尾水管。
2012-3-23 西华大学 宋文武 教授 37
? 引水室 — 将水流均匀引入导水机构（并在导叶进口
前形成一定的速度环量），括号中的作用为蜗壳引
水室。
? 引水室
? 型式
? 座环 — 将蜗壳来流均匀的引入导水机构，并且承载
（立式机）座环是用来连接蜗壳的部件，它由上环、
下环和中间的若干流线形成的支柱组成（支柱 — 一
般称作固定导叶），由蜗壳来流要通过固定 导叶才
能进入导水机构，另外座环还有一个重要作用是承
载，承受蜗壳上部砼的重量和机组转动部分的重量，
并且把这些重量传递到电站的基础上去。
?
?
?
?
?
?
?
?
水轮机。、、的和各种
罐式
蜗壳
闭式
的小型机。低开闭（明槽式）适用于
XLZLHLH
H
第二章 叶片式流体机械概述
? 何谓叶片式流体机械
? 叶片式流体机械能量传递图
升力阻力
a
第一节 叶片式流体机械的工作过程
2012-3-23 西华大学 宋文武 教授 2
当倾斜平板在流体中运动时，由于平板
的作用，流体沿平板流动的同时，还获得了
与平板运动方向垂直的加速度，即从平板处
获得了能量。那么处于这种状态的平板在流
体力学中叫做机翼，在流体机械中被称作叶
片（ blade)。在实际使用中，一般将一定数
目的叶片布置在一个圆周或一个圆柱面上组
成所谓的转轮（ runner)或叶轮 ( impeller)，
并通过转轮（叶轮）转动来实现叶片与流体
间的能量转换。
2012-3-23 西华大学 宋文武 教授 3
一、叶片式流体机械的特征
? 具有一个带叶片的转轮（叶轮）；
? 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；
? 具有一个静止叶栅（大多数流体机械均有）。
2012-3-23 西华大学 宋文武 教授 4
当流体连续绕流转轮（叶轮）叶片时，
由于流体与叶片的相互作用力，即当流体的
惯性力作用于转动的叶片上，而对转轮轴心
线产生力矩，形成功率，这就是叶片式流体
机械中流体与流体机械进行能量转换的过程。
2012-3-23 西华大学 宋文武 教授 5
二、分类
流体具有的机械能
一般根据流体机械在能量转换过程中主要是
何种能量发生变化而将叶片式流体机械分成了两
大类,反击式和冲击式 。
1、反击式：流体的动能和势能发生变化；
2、冲击式：仅流体的动能发生变化；
? 水轮机（泵）
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
P
Z
2g
V
2
压能
位能
势能
动能
??
?
?? PaP2P1
P1P2P2P1
动能冲击式：仅利用水流的
）〉。（〉势能发生变化。反击式：水流的动能和
2012-3-23 西华大学 宋文武 教授 6
? 反击式水轮机在整个工作过程中, 转轮是浸
在有压的水流中, 且 P1>P2, 反击式水轮机获
得的机械能是通过水流的动能和压能转换得来的 。
比较起来, 通常水流进入转轮的流速较小, 即水
流中包含的动能成分很小, 可进一步说反击式水
轮机主要是以水流压能进行工作的 。
? 冲击式水轮机在工作过程中, 转轮只有部分
充水 （ 转轮处于大气中, 它是靠高速水流, 冲击,
转轮作功的, 即冲击式水轮机仅利用水流的动能,
在进入转轮进口之前, 具有压力的水流已全部转
换成了动能 （ 由喷咀 ） 。
2012-3-23 西华大学 宋文武 教授 7
? 按转轮区域中液流流动方向
反击式
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
轴流风机
轴流泵
轴流式水轮机
轴流式
混流泵、斜流泵
斜流式水轮机
混流式水轮机
混（斜）流式
离心风机
离心泵
高水头混流式水轮机
径流式
2012-3-23 西华大学 宋文武 教授 8
冲击式
三、关于水轮机（泵）在国民经济中的用途
? 在河道上 修建水电站，水流 —— 上游水库 ——
引水钢管 —— 水轮机 —— 尾水管 —— 排进下游
河道。
?
?
?
?
?
双击式水轮机
斜击式水轮机
）切击式水轮机（水斗式
2012-3-23 西华大学 宋文武 教授 9
当水流通过水轮机的中心部分时，转轮会转动
起来，并带动和水轮机同轴连接的发电机轴也旋转
起来。这正是由于水流和水轮机转轮叶片的相互作
用，使水流的能量转换成转轮的旋转机械能，再通
过主轴传给发电机，带动发电机转子也旋转起来，
在发电机定子中感应出电势，带上外载负荷后就可
以输出电流，最后通过输变电设备向电网送电。
从上述水电站的大致工作情况可看出，水轮机
是水电站的主要动力设备之一（作为发电机的原动
力部分）。一般把这种将水流能量转换为机械能的
机器定义为水力原动机。
2012-3-23 西华大学 宋文武 教授 10
? 水泵是把原动机（如电动机）传给的机械能转换成
抽送液体的能量的机器。所以水泵被称作为工作机
（流体输送机）。
? 既然水轮机是作为一种原动机，那么水电站就是把
水能这个一次性能源转换成二次能源。
它与主要以煤作为燃料的火电厂（热电厂）相
比，水力发电特点,
1、成本低、效率高不污染环境；
2、起动迅速，事故应变能力强；
3、具有同时性，动态平衡性。
2012-3-23 西华大学 宋文武 教授 11
如建相同容量的水、火电站，水电站投
资明显高于火电厂 —— 水工建筑。水电厂建
设周期长，但一旦投入运行，很短时间即可
把成本回收，而且管理简单，事故少，效率
高除开日常维护费用外，就可以获净利润。
一般水电价只占火电价的 1/4。另外水电站有
一个最大特点是机组起动迅速，当电网的负
荷变化很大时，可以起动水轮发电机组马上
投入运行。
2012-3-23 西华大学 宋文武 教授 12
? 通常，电力生产和电力消费水平，标志着一个国家和地
区技术经济发展水平。过去我们国家的电力生产布局一直是
以火电为主，但是从长远观点来看，常会出现能源短缺（煤、
油、气）等的危机。中国人口在增长，工农业生产要发展，
人们的物资生活也在向电气化方向发展，明显暴露出电力供
不应求的矛盾，所以中央早已作出了把开发水力资源，放在
优先位置，发展水电来解决电力紧张局面。
? 我们国家的水力资源丰富，居世界第一位，按 500KW以
上的可开发水电统计，对水力资源的可开发电力为 3.92亿万
千瓦，已开发量 <20%,对于发达国家比如美国已开发量达
60~90%。这说明我国对水力资源的利用率相当低。尤其是
从 1910年到解放前的四十年中，除了在被日本侵占过的东北
和台湾修了几座中型水电站及十几座小型水电站，总容量不
过 16万 KW左右。临近解放前夕，国民党军队在撤离大陆时
还破坏了一些小型水电站（包括炸毁的重庆长寿下硐电站）。
2012-3-23 西华大学 宋文武 教授 13
? 我国的水电事业可以说是解放后才得以发展。 90
年代统计：全国水电总装机容量已达 3435万 KW，居
世界第六位，同解放前相比增长 3200多倍。在长江、
黄河流域上建了许多水电站，其中葛洲坝电站 N总
=271.5万 KW（ n=21台）（两台机,D1=11.3m，
N=17.6万 KW（ ZZ）；二滩电站 N总 =330万 KW（ n=6）
2#机 N=55万 KW，由哈电制造（ HL机组为我国制造的
世界特大型机组）。正建设中的巨型电站 —— 三峡电
站,N总 =26台 * 70万 KW=1820万 KW。
? 我国的水力发电事业前景可观。流体
机械的应用更是前景广阔。
2012-3-23 西华大学 宋文武 教授 14
第二节 叶片式流体机械的主要性能参数
我们知道叶片式流体机械是由于工作介质与转
轮（叶轮）叶片的相互作用，使其能量发生变化或
转换成另一种形式的能（如泵与水轮机）。
流体进入机器直到流出，使其能量发生变化的
过程，称为流体机械的工作过程。
反映工作过程的一些参数，称为流体机械的 基
本参数 。
主要参数包括,流量、能头、功率、转速 等。
2012-3-23 西华大学 宋文武 教授 15
一、流量 q
单位时间内通过机器的流体的量（体积或
质量）。
? 单位
? 质量流量 主要用于热力涡轮机械。
? 体积流量 对于水力机械和低压通风机，
认为流体不可压缩，即密度,通常采
用体积流量，通风机中将 也称为风量。
?
?
?
).h/kgk g /m in ))s/kg(q
).h/mL /Ss/m(q
m
33
v
、（、（质量流量
）、（）、（体积流量
mq
vq
const??
vq
2012-3-23 西华大学 宋文武 教授 16
二、水头、扬程或压力 H
? 指机器进、出口断面单位数量介质的能量
差值。
? 水轮机和泵的工作介质是液体，用液柱高
度表示单位重力（ 1N）液体的能量既方便
又直观。所以用液柱高度表示进、出口断
面单位重力液体能量的差值 H，在水轮机
中称作水头，在叶片泵中称为扬程。
? (1-1)
)](
2
[
)(
12
2
1
2
212
12
ZZ
g
cc
g
pp
eeH
??
?
?
?
??
???
?
2012-3-23 西华大学 宋文武 教授 17
? e1,e2—— 分别为水轮机（泵）进出口断面单
位重量水流的能量差值（增值）。
? （ 1-1）中,+”号用于泵，,-”用于水轮机
? 水电站装置水头 Hst
? 取上游水库水面和尾水渠列伯诺里 方程
? 水库水面与下游河道流速很小（ ）
sp
spsp ZZ
g
CCPP
H ??
?
?
?
?
2
22
'
?
sp CC ?
2012-3-23 西华大学 宋文武 教授 18
? Hst=
? —— 高程，指长江入海处（上海吴淞口）
的多年平均水面为零记起的高程（也称海拔
高程）。
? H< Hst,
水轮机工作水头的近似计算公式
? H=Hst— H
? H —— 引水管路中的水力损失（确切值应是
水电站引水管道进口至水轮机蜗壳进口的水
力损失）。
下上 ???
?
?
?
2012-3-23 西华大学 宋文武 教授 19
? 泵装置净扬程 Hst,表示泵将单位重力液体
介质从下游容器抽送到上游容器所做的功。
?
开敞式装置系统
sp
sp
st ZZ
PPH ????
?
sdst ZZH ??
2012-3-23 西华大学 宋文武 教授 20
在通风机行业压升表示进出口断面单位体积（ 1 ）
气体能量的差值，通常简称为压力。
? （ 1— 6）
? 式中,P1,P2 — 进出口处的静压。
? 注（ 1— 6）式中无高度 Z是因为在风机中重力势能
可忽略不计。
? 通风机的静压 — 指全压与出口动能之差。
（ 1— 7）
sFP
2
2
1
12
CPPP
sF ????
3m
2
2
1
12
CPPP
sF ????
2012-3-23 西华大学 宋文武 教授 21
关于能量头
? 大家已经注意到对于通过流体机械进出
口断面单位数量介质的能量差值，在不同的
机器中，由于使用方便和习惯，采用的名称
和表示方式不相同，其实可采用统一的表达
式：即为能量头 (比能，比功）。
2012-3-23 西华大学 宋文武 教授 22
? 能量头：指机器进出口断面单位质量液体所
具有的能量差值。即用质量作为液体量的度
量，就得到一个与重力无关的能量指标，记
为 h
(1-5)
三、功率 P
gHZZgCCPPh ???????? )](2[ 12
2
1
2
212
?
?
?
?
?
?
）。上的功率，常称轴功率
到轴如泵与风机为原动机传工作机：指输入功率（
功率）。水轮机轴端向外输出的原动机：指输出功率（
)/( 22 sm
2012-3-23 西华大学 宋文武 教授 23
流体功率 Pf：指单位时间通过机器的介质
的能量变化总量。
? 公式
? 式中,（液体的重度）。
若水质
tFvvf PqHgqP ?? ?
?? ?g 3m/8 1 K N.9??
)KW(8 1 H q.9P vf ?
?
??
?
? 也称有效功率。泵与风机：
量）水轮机的水流具有的能功率（单位时间内流经水轮机：水功率或输入
ef PP
2012-3-23 西华大学 宋文武 教授 24
? 原动机
? 工作机
? 原动机 工作机
? 统一表达式
? 其中 包括了所有的损失，如机械损失、流
动损失（水力损失和容积损失等）。
无损耗的机器功率
输出功率??
输入功率
无损耗的机器消耗功率??
fT P
P??
PPfp ??
1f )P/P( ???
?
2012-3-23 西华大学 宋文武 教授 25
四、转速（ r/min)
指转轮（叶轮）的旋转速度。
当水轮机与三相同步发电机直接连接时，
其转速必须是同步转速 n=60f/P 。
2012-3-23 西华大学 宋文武 教授 26
第三节 叶片式流体机械的结构型式简介
? 我们已知道对叶片式流体机械根据其在能量转换
过程中，主意是何种能量变化分成了
? 由于这些不同型式的机器工作场合不同（水头、
流量、功率等 ),结构型式也各不相同。这一节准
备就水轮机和水泵的各类型式进行介绍，使大家
对主要结构型式及工作过程有所了解，为下面的
学习打下基础。
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
斜击式
双击式
切击式
冲击式
轴流式
混（斜）流式
径流式
反击式
2012-3-23 西华大学 宋文武 教授 27
? 一、水轮机的主要型式及使用范围
? 1、混流式（ HL） H=30~700m,N=几个 ~几十万 KW。
这是 1847年在美国工作的英国工程师法兰西斯研究
改良的，所以又称作法兰西斯式。
? 水流经转轮时是式，也叫做辐向轴流式。
? 注：对高辐向进入，然后大体沿着轴向流出 — 称作
混流 H的 HL水流几乎在转轮区域中是沿径向方向流
动，所以把这类水轮机叫做径流式（同于离心式水
泵）。
? 这种水轮机结构紧凑,较高，能适应较宽的
H范围，是目前世界各国广泛采用的机型。
? Hmax=734m奥地利豪依斯林电站；
? Hmax=372.5m鲁布革电站
? Nmax=71.6万 KW 美国大古里 电站
?
?
2012-3-23 西华大学 宋文武 教授 28
? Nmax=55万 KW，二滩水电站 2号机。
? 95年初，东电为李家峡电站制造 N=40万 KW的转
轮 2台，采用不锈钢叶片，单片毛坯
G=5.5T,Z1=13,G总 =71.5T。
2、轴流式 H=3~88m,N =几个 ~几十万
KW
? 水流经转轮时的近似轴向进，轴向出。对于这种
水轮机又根据转轮叶片是否转动分为轴流转桨式
（卡普兰式）（捷克人 1918年）和轴流定桨式。轴
流式水轮机也是目前世界各国广泛采用的机型之一，
同 HL相比，叶片数少（ Z1=3~8片），流道宽
（ ），但是由于轴流式，如同于高 H、机组的强
度问题难以解决，所以 ZL一般用于较低的水头。
??
?
ZD
ZZ
?Q
2012-3-23 西华大学 宋文武 教授 29
? Hmax=88m,意大利那姆比亚电站；
? Nmax=18万 KW瑞典利加 厂；
? 葛洲坝电站 Hp=18.6m,N=17.6万 KW
? D1=11.3m,
这是东方电厂为葛洲坝二江电站设计制造的 1,2#
机组，是目前世界上 D1最大的水轮机。
所以可以说我们国家的 ZL水轮机设计制造已达到了
世界先进水平（从单 N和 D1来看）。
3、斜流式（ XL） H=40~120m,N=几个 ~几十万 KW
水流沿着倾斜于轴线某一角度的方向流过转轮，同
时也根据转轮叶片是否转动分为转桨式和定桨式
两种，这是 1952年瑞士人捷思阿兹提出的（ Driaz)
?
2012-3-23 西华大学 宋文武 教授 30
? 前面我们提到的 ZZ具有双重调节的特点，即转
轮叶片随导水机构叶片转动也相应转过一个角度，
以不同的叶片按放角来对应导叶的来流。但是由于
Z1,使它的使用水头受到了限制，而 XL 既保留
了 双重调节的特点，又由于叶片斜向布置，这样就
可以在有限的空间中安装比较多的叶片（一般 8~ 12
片）。
? 它的使用水头是在轴流的基础上提高了。
? Hmax=113m 日本向川电厂（国外）；
? Hmax=77m 毛家村电站（国内） ；
? Nmax=21.5万 KW 前苏泽雅电站（国外）；
? Nmax=1.5万 KW 北京密云电站（国内） 。
?
2012-3-23 西华大学 宋文武 教授 31
? 4、贯流式（ GL） H=3~20m N=几个 ~几万 KW
? GL为卧轴布置，水轮机的过流部件：引水部件、转
轮，排水部件都排在同一条轴线上，水流几乎是一
贯平直通过。
? 贯流式又分为全贯流和半贯流式。
? GL是在 ZL的基础上发展起来的，是开发低水头的一
种新机型，到现在也只有五十多年历史。
? 全贯流式转轮外缘为发电机转子线圈，靠转轮外缘，
把水轮机功率直接传递给发电机，当然这是减少了
功率传递过程的损失。但是 由于水轮机外缘线速度
很大，给密封带来了很大困难，而且叶片强度也受
到限制。
? 所以由于密封结构等问题使这种水轮机没有得
到很好发展。
2012-3-23 西华大学 宋文武 教授 32
全贯流式水轮机
2012-3-23 西华大学 宋文武 教授 33
灯泡贯流式水轮机
2012-3-23 西华大学 宋文武 教授 34
? 灯泡贯流式：是目前发展较快的半贯流式机组，这
是以发电机安装在灯泡形状的砼室内而得名的。
（如图所示）。
? Nmax=6.5万 KW 日本只见电站
? Nmax=4.0万 KW 金银台电站
? 5、切击式（水斗式） H=300~1700m,
? N=几个 ~30多万 KW
? 从喷咀出来的射流冲击在叶片上做功。
? 因为水流从喷咀射出以后，射流中心线与转轮叶片
的节圆直径相切。所以称作切击式水轮机。又因为
转轮是由转盘和均匀分布在圆周周围的若干水斗组
成，所以又称作水斗式。
2012-3-23 西华大学 宋文武 教授 35
? 冲击式水轮机中适用于高 H电站，且用于大
中 型电站的只有水斗式。
? Hmax=1771m奥地利雷扎河电站；
? Hmax=1074m 天湖水电站；
? Nmax=31.5万 KW 挪威西西鸟电站
? Nmax=1.5万 KW 磨房沟二级电站。
6、斜击式（ XJ） H=20~300m
? 射流是以倾斜于转轮旋转平面某一角度冲击
到叶片上的，主要适应于小型电站。
7,双击式（ SJ） H=5~100m
2012-3-23 西华大学 宋文武 教授 36
? 由喷咀出来的射流先后两次冲击叶片,即水流经过
喷咀首先冲到转轮上部叶片，然后流经转轮中心部
分的自由空间再冲到下部叶片上去。
二、水轮机主要过流部件
? 过流部件,在流体机械中，工作介质 直接由其中流
过的部件称为过流部件。即当水流通过水轮机时，
之所以能够把水流的能量转换成旋转机械能，这是
因为水流受到了一系列水轮机部件的约束产生的作
用，那么就将 水流从进入水轮机一直到流出去经过
的部件称为水轮机的过流部件。当然这些部件对水
流能量的转换，获得的功率、效率是至关重要的。
下面主要介绍反击式水轮机的主要过流部件所处的
位置以及各自所起的作用。
主要有引水室、导水机构、转轮、尾水管。
2012-3-23 西华大学 宋文武 教授 37
? 引水室 — 将水流均匀引入导水机构（并在导叶进口
前形成一定的速度环量），括号中的作用为蜗壳引
水室。
? 引水室
? 型式
? 座环 — 将蜗壳来流均匀的引入导水机构，并且承载
（立式机）座环是用来连接蜗壳的部件，它由上环、
下环和中间的若干流线形成的支柱组成（支柱 — 一
般称作固定导叶），由蜗壳来流要通过固定 导叶才
能进入导水机构，另外座环还有一个重要作用是承
载，承受蜗壳上部砼的重量和机组转动部分的重量，
并且把这些重量传递到电站的基础上去。
?
?
?
?
?
?
?
?
水轮机。、、的和各种
罐式
蜗壳
闭式
的小型机。低开闭（明槽式）适用于
XLZLHLH
H
