2012-3-23 西华大学 宋文武 教授 1
第三章、叶片式流体机械中的能量转换
1、流体在转轮（叶轮）中的运动分析
2、叶片式流体机械的基本方程
3、主要过流部件的工作原理
4、流体机械内的能量损失及效率
5、变工况时能量转换的影响
6、有限叶片数的影响
7、反作用度
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一、流体在转轮（叶轮）中的运动分析
1、流体速度及速度三角形
2、转轮流道的轴面投影图
1）、轴面 (子午面 )
2）、轴面投影
3）、轴面流线
4）、轴面截线
5）、叶片包角 θ
6）、流面
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流体速度及速度三角形
转轮中的流动速度,
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流速三角形的定义与用途
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速度三角形中的角度定义
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绝对速度的分解
问题：为何将分解 C成 Cu和 Cm？
1,Cm,计算流量
2,Cu,计算水流的速度环量（或速度矩）
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流体力学中环量的定义
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流体通过叶片的速度环量是如何形成的？
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转轮进、出口速度三角形
基本假设,
1.转轮叶片数无穷多，叶片无限薄 —— 转轮
内流动视为轴对称的。
2.相对流动是定常的 —— 流动不随时间变化。
3.沿过流断面轴面速度均匀分布。
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原动机的进、出口速度三角形
1.反击式水轮机（以混流式为例）
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2.轴流式
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3.冲击式水轮机
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工作机的进、出口速度三角形
(以离心式叶轮为例 )
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转轮流道的轴面投影图
轴面（子午面）,通过转轮轴线的平面。
轴面投影,空间曲面或曲线上每一点绕轴线
旋转一定角度投影到同一轴面上。
轴面流线,空间相对流线的轴面投影。
轴面截线,叶片与轴面的交线。
叶片包角,指叶片进出口边所在轴面的辐角之
差（假设出口边在同一轴面内时）。
流面,以空间流线为母线绕轴线旋转一周形成
的迴转面。
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流面成因及类型
流体流经叶片的表面可视为流面，那么
流体流过相邻叶片间可视为流经多个流面。
由于各种转轮叶片的流线形状不同，从而形
成了不同形状的流面。
径流式 —— 流面近似于平面。
混流式 —— 流面为喇叭形空间曲面，属于空
间环列叶栅。
轴流式 —— 流面近似于圆柱面。
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二、叶片式流体机械的基本方程
1、流体机械的基本方程
2、推导基本方程的假设
3、方程的推导过程
4、基本方程的物理意义
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1、流体机械的基本方程
流体机械的基本方程 --欧拉方程
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２、叶片式流体机械欧拉方程
假设,
1、流体为理想流体 —— 流动损失为零
2、叶片数无限多，厚度无限薄 —— 流动是轴对
称的
3、相对流动是定常的
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３、方程的推导过程
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４、基本方程的物理意义
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三、主要过流部件的工作原理
（一）、原动机过流部件的工作原理
（二）、工作机过流部件的工作原理
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（一）、原动机过流部件的工作原理
原动机以水轮机为例
? 水轮机过流部件,
? 反击式：引水室，导水机构，转轮，尾水管
? 冲击式：喷管，喷嘴，转轮
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（ 1） 引水室
作用：将水流均匀引入导水机构，并形成一定速度环量
（闭式引水室）
类型,a．开式（明槽）适于Ｈ＜ 10m,D1＜ 2m小型机
b．闭式：⑴罐式 Ｈ =6~25m,D1≤2m卧式机
⑵贯流式
⑶蜗壳 适合各种Ｈ的水轮机
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1）、明槽：特点：结构简单便于浇注砼但受Ｖ限制（ ∵ 槽形引
水室的内壁造成水流的非均匀流动 —— Ｄ、导致进入导水机
构的水流方向不一致。若Ｈ ↑，Ｃ ↑，为减少 Δh→平面尺寸 ↑↑；
另外Ｈ ↑主轴长，发电机必须布置在水平面以上，致结构布置
复杂化，土建费用增加,∴ 适于低Ｈ的小型机。
2）、罐式：１））水流进入导水机构入口急剧转弯 →致流速沿
导 叶高度分布不均匀；
２））尾水管，对水流产生干扰 —— Δh↑,η↓,
较少采用。
蜗壳：水流一方面绕导水机构作圆周运动，另一方面作径
向运动引导水流均匀，对称地进入导水机构 —— 具有较好的
引水作用,η↑。
就这三种形式引水室（同开式，罐式）相比，蜗壳结构
紧骤,ηh↑,可减小厂房尺寸及土建投资，而且大部分部件布
置在水外（导水机构传动系统等），便于维修,∴ 它广泛用
于各种水头的反击式水轮机，而明槽 →水内调节的导水机构，
我们后面主要学习蜗壳引水室。
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3）、蜗壳形式,
１．砼蜗壳（多边形断面）Ｈ＜４０ m
２．金属蜗壳（圆断面）Ｈ＞４０ m
多边形断面的砼蜗壳结构简单，易于施工（便于工
作模板浇注砼）但Ｈ较高时仍采用砼蜗壳：为满足强度
条件 →须在砼中铺设大量钢筋和金属里衬板，反而投资
高于金属蜗壳，失去了优越性。圆断面的金属蜗壳受力
条件好，用于Ｈ＞４０ m水轮机。
蜗壳包角 θ０ —— 从蜗壳鼻端（尾部）至进口断面间的角
度。
尾部 —— 考虑蜗壳尾部同座环连接而采用的特殊固定导叶，
∴ 以该导叶出水边作为蜗壳的尾端。
θ０ 反映了蜗壳包围导水机构的程度，我们国家统一采用
垂直于引水管轴线的 +x方向断面作为蜗壳的计算进口断
面。
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4）、涡壳中的流动特点,
? 常用Ｃ uｒ =Const—— 蜗壳中水流按等速度
矩规律运动。
? ∵ 蜗壳中没有任何产生旋涡的固体，即水流
不对外作功 →∴ 认为蜗壳中的水流满足轴对
称有势流动，其速度矩Ｃ ur=Const。
? 统一圆周 Cu=Const；沿圆周方向 δ＝ Const,
蜗壳内廓线为等角螺旋线。
? 特点：均匀，轴对称引导水流（蜗壳中任一
点Ｃ ur=Const,∴ Ｃ r是轴对称的）
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5）、固定导叶的流动特点,
? 通常不改变蜗壳形成的环量 —— 导叶骨线
为蜗壳等角螺旋线的延伸。
? 座环为蜗壳的一部分，作用：将水流均匀
引入导水机构并且承载作为绕流部件的固
定导叶，通常设计成不改变蜗壳形成的环
量，即沿固导进出口的水流服从
Ｃ r=const，其骨线为蜗壳中等角螺旋线的
延伸。
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(2) 导水机构
1、作用：按负荷变化调节流量，形成和改变进入转轮
的速度环量，停机和防飞逸（甩负荷时）
2、流量调节方程式（以径向式导水机构为例）
导水机构重要参数,
1））导水出流角 α０,指导叶出口处骨线与圆周方向的夹角
（注：导叶出口角＝）导水出流角
∵ 导叶数较多（Ｚ ０ ＝１６～３２），且沿圆周
均布 →稠密环列叶栅
∴ 可视叶片无穷多，无限薄 —— 导叶出口角＝导
水出流角（水流绕流导叶时没有偏流作用）
2））导叶开度 α０ —— 指从一个导叶出口边至相邻叶片表面
的最短距离表征流量调节中导叶安放位置的参变量。
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水轮机的流量调节方程,
? 假设：（１）导叶出口至转轮进口间Ｃ ur＝ Const
Cu0r0＝ Cu1r1
水流流经导叶出口 —— 转轮进口这一段“无叶片区”
时没有受到外力作用（忽略摩擦损失影响）水流服
从等速度矩规律。
? （２）Ｃ r0,Cm2均布
Ｃ r0—— 导叶出口径向速度；
Cm2—— 转轮出口边轴面速度。
Ｃ r0＝ qv/(2πr0b0) r0—— 导叶出口边半径
Cm2＝ qv/Ａ ２ Ａ ２ —— 转轮出口出的过流面积
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由水轮机基本方程 ηhgH=ω（ Cu1r1－ Cu2r2） ②
由① Cu1＝ Cu0r0／ r1＝Ｃ r0r0ctgα０ / r1=qv ctgα０ /(2πr1
b0) ③
Cu2＝ u2－ Cm2ctgβ２ ＝ u2－ qv ctgβ２ /Ａ ２ ④
考虑负荷变化时非法向出口代③，④入②整理,
2
2
2
0
0
2
2
1
??
?
?
?
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c t g
A
r
c t g
b
gh
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q
h
v
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?
?
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(3) 尾水 管
作用,
1,汇集转轮出口处水流，引向下游；
2,利用了转轮出口至下游水面的位能 Z2;
3,回收转轮出口部分动能 （（ C22- C52） /2 g）
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（ 4）喷嘴和喷针
? 喷嘴和喷针是切击式水轮机的重要部件。
? 喷嘴和喷针：组成水斗式水轮机的导水机构。
? 喷嘴是喷针的调节机构，调节进入斗叶的流量。
? 工作原理：喷嘴和喷针头间构成了一个逐渐收缩的
断面，使水流通过喷嘴时逐渐加速，到喷嘴口以最
高速度喷射出去（形成一股密实的水柱）,∴ 喷嘴
是一个把水流的势能转换成动能的部件。
? 喷针：水斗式水轮机的流量调节是靠改变喷针的位
置来实现的。
? 动作：当喷针向外移动时 喷嘴口 S↓，射流直径 d0↓,
qv↓移到极限位置 →qv=0，向内移动 →qv↑
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（二）,工作机过流部件的工作原理
工作机以水泵为例
（ 1）吸入室
（ 2）压水室
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（ 1）吸入室
? 1 作用：向叶轮提供大小合适，均匀分布的速度入
水流。
? 2 类型,
直锥管形：水力性能好（向叶轮提供均匀轴向
入流速度）
弯形：其在叶轮有一段直锥式收缩管，也具有
直锥管吸入室的特点。
环形：其各轴面内断面性状均相同一轴向对较
小，但存在冲击和囝涡，液流速度分布不均匀。
半旋涡形：广泛用于双吸或蜗壳式多节泵中
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（ 2）压水室
? 1．作用,
①将叶轮流出的液体收集起来并送往下一级叶
轮入口或压出管道
②将液体的大部分动能转化为压能
③消除液体流出叶轮后的速度环量
? 2,类型,
蜗壳（螺旋形压水室）
环形压水室
叶片式扩压器（叶片式压水室）
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叶片式压出室（叶片式扩压器）,
①、径向式导叶
②、流道式导叶
③、叶片式导叶（空间导叶）
其中①②常用于节段式多级泵，③常用
于深井泵，潜水泵，混流泵等。
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四、流体机械内的能量损失及效率
（一）容积损失（泄漏损失）△ qv
（二）流动损失（水力损失）△ H或△ h
（三）机械损失
2012-3-23 西华大学 宋文武 教授 46
（一）容积损失
△ qv— 指转动件与固定件之间的间隙的泄漏引起的流量损失。
? 水轮机,
HL：△ qv1：转轮下环与导水机构底环间的间隙造成
△ qv2：转轮上冠同顶盖之间的间隙造成（有由泄水
孔排走）。
ZL：△ qv,转轮叶片与转轮室的间隙
CJ：△ qv, 射流的一部分没有进入斗叶内，射向机壳
（非设计工况）
∴ 水轮机转轮作功的流量（有效流量）,
qVTH=qV -△ qv
对容积损失的大小，用容积效率 ηV表示
ηV = qVTH/ qV=（ qV-△ qv） / qV=1-△ qv/qV
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? 水泵,
△ qv1,叶片入口处的密封间隙造成（前盖板；
下环密封部位）；
△ qv2,轴端密封泄漏
令：叶轮输送的理论流量为 qVTH
泵叶轮作功的流量（即泵流量）为 qV 〈 qVTH
理论流量 qVTH=qV +△ qv
泵的容积效率 ηV = qV/△ qv
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（ 二）流动损失
△ H（△ h） -指由于介质决有粘性而在流
动过程中引起的水头损失（能头损失）。
? 1,摩擦损失 （水力学中的沿程损失） — 发
生于边界层中；
? 2,冲击损失； β≠βb △ β(冲角绕流 )引起叶
片表面流动分离；
? 3、分离层损失；发生在沿流动方向压力升高
(逆压梯度 )情况 如 T— 尾水管,泵 — 压谁室中；
? 4、二次回流损失。
2012-3-23 西华大学 宋文武 教授 49
（三）机械损失
轴承、轴封等处的默察损失（固体）
指密封材料与转动部分产生的摩擦损失（水泵中的填料函；水
轮机中的主轴密封）而引起的功率损耗。
圆盘摩擦损失（流体与转轮外表面的向的摩擦损失）
指水力机械的转轮外表面与周围液体和空气摩擦而产生的损失
（一般将其成为内部机械损失，包括在机械损失项中）。
mP?
rP?
rm PPP ?????
2012-3-23 西华大学 宋文武 教授 50
机械效率
水轮机,
水泵,
thth
th
th
m P
P
P
PP
P
P ??????? 1?
PP
P
P
P
th
thth
m ?????
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五、变工况时能量转换的影响
（一）、最优工况（设计工况）
（二）、变工况
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（一）最优工况
最优工况的条件,
⑴．无撞击进口
⑵．法向出口
或略具正环量出口
11 b?? ?
)0( 2 ?uC
)0( 2 ?uC
2012-3-23 西华大学 宋文武 教授 53
无撞击进口
指转轮进口的相对速度 W1与叶片骨线相
切（水位角 =安放角），当,无撞击
的入流条件，水流平顺绕流叶片,11 b?? ?
?h?
2012-3-23 西华大学 宋文武 教授 54
法向出口
⑴ —— 减少尾水管中的摩擦损失；
⑵出口动能 具有最小值 → 减少水力损失
⑶改善尾水管对转轮出口动能的回收
前提,
出口处,相对流速与叶片骨线相切（ ）
出口动能,
02 ?uC
g
C
2
2
2
22 b?? ?
g
C
g
C
g
C mu
222
2
2
2
2
2
2 ??
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2012-3-23 西华大学 宋文武 教授 56
（二）变工况
由于用户对负荷的要求是变化的，电网
负荷也在不停地变化，其变化规律如下图,
水电
火电
p
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定浆式水轮机（ βb=const）
1,qv变化（ H,n=const）
转轮进口（以高水头的混流式（ HL）机组为
例）。 α0=α1
令最优工况下的流量为 qv0
满足关系,qv变化 → a0变化 → α0变化，高水
头的混流式机组,α0=α1（导叶出口至转轮进
口边） a0变化 → α0变化 → α1变化。
2012-3-23 西华大学 宋文武 教授 58
10 qv〉 qv0（流量增加）
a0增加 → α0增加 → α1/>α1(α1→α 1/)
qv增加 → cm1增加 → β1减小,β1/〈 βb1 -i(负冲角 )
水流撞击叶片进口的背面，在叶片的正面产生脱流漩涡
（造成撞击、脱流和漩涡损失）当外界 N增加，通过调速器
控制 a0增加 → α0=α1增加 → cm 增加
20 qv< qv0(流量减小 )
a0减小 → α0减小 → α1减小（ α1→α 1//）
qv减小 → cm1减小 → β1增加（ β1→β 1//） β1//〉 βb1 +i（正冲
角）
假定 H=const ∣ C1∣ =const,C1的矢端曲线为抛物线。
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转桨式水轮机（ ZZ,XZ）
同 HL和 ZD水轮机相比，转桨式水轮机具有双
重调节特点，随工况变化，导水机构的动作、导叶
开度变化的同时，转轮叶片也相应的转动一角度
（ Φ），即叶片安放角度（通过调速口控制导水机
构和叶片操作机构协联动作，使转轮进口较接近无
撞击进口，出口较接近最优出流的法向出口或略具
正环量出口。所以，转桨式水轮机能在相当宽广的
H和 范围内获得比较高的,同时可使机组稳定
运行。
b?
vq
特点,co n s tco n s t
b ?? 2,??
?
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2012-3-23 西华大学 宋文武 教授 61
2 H变化（ ; ）
转轮进口
前提条件,
（ ）
C1方向不变，仅是数值发生变化，速度三角形
如图，转轮速度三角形情况同于流量变化情况。
定桨式机组经常不允许在低 H下运行。
0a c o n stn ?
c o n s ta ?0
co n s t?? 10 ??
2012-3-23 西华大学 宋文武 教授 62
不同工况下泵内的流动
（一）、最优工况
（二）、变工况
2012-3-23 西华大学 宋文武 教授 63
2012-3-23 西华大学 宋文武 教授 64
变工况
1,qv变化,
2,n变化（ qv =const）
2012-3-23 西华大学 宋文武 教授 65
2012-3-23 西华大学 宋文武 教授 66
六、有限叶片数的影响
（一）、有限叶片数对能量转换的影响；
（二）、滑移系数。
2012-3-23 西华大学 宋文武 教授 67
（一）、对能量的影响
有限数造成 n′偏转不足 β2≠βb2—— 出现滑移现象（功
率缩减）。因为在有限叶片组成的转轮流道中，叶片对液流
的导向能力减弱，所以液流的惯性作用，致出口的液流角 ≠
安放角。如下图所示，轴流转轮的直列叶栅进出口速度三角
形。
其中,S点,P点
代表无穷叶片数
情况；
S′点,P′点代
表有限叶片数情
况。
2012-3-23 西华大学 宋文武 教授 68
? 工作机,S点为进口,P点为出口；
? 原动机,S点为出口,P点为进口。
? 观察在有限叶片数情况时两机叶片出口的速度三角形,
? 工作机,β2＜ βb2
? 出口速度矢量差 PP′=△ Cu2=△ Wu2=Wp-Wp′ △ Cu2
沿圆周指向 u 方向
? 原动机,β2＞ βb2
? 出口速度矢量差 SS′=△ Cu2=△ Wu2=Ws-Ws′ △ Cu2指
向 u 方向
? 对能量转换的影响
? 由欧拉方程式（考虑有限叶片数时）
? 工作机,Hth=gHth=Pth／ ρ=upCup′-usCus
? 原动机,Hth=gHth=Pth／ ρ=upCup-usCus′
? ∵ 在工作机中,Cup′＜ Cup，原动机中,Cus′＜ Cus
? ∴ 两种情况均存在 Hth＜ Hth∞（即由叶片有限影响，造
成液流不充分）
2012-3-23 西华大学 宋文武 教授 69
（二）、滑移现象
滑移系数定义,
10、利用△ Cu2=Cu2∞- Cu2的值定义。
σ=1－△ C2u／ u2
20,利用 hth(Hth)与 hth∞(Hth∞)定义滑移系数。
可以利用滑移系数计算有限叶片数的理论扬程
Hth,Hth=μHth∞ ； Hth= Hth∞－△ H；流动损失,
△ H=u2(Cu2∞ － Cu2)／ g=u2（１－ σ）
2012-3-23 西华大学 宋文武 教授 70
七、反作用度
（一）、反作用度的意义
（二）、流体机械接反作用度的分类
2012-3-23 西华大学 宋文武 教授 71
反作用度的意义
? 由第二欧拉方程,gHth=(Cp2-Cs2)/2+(Up2-
Us2)/2+(Ws2+Wp2)/2
注：式中可分为两项,
Ⅰ 项：为转轮进、出口处介质具有的动能差
Ⅱ 项：为忽略流动损失后转轮进、出口介质
具有的势能差。
也可视为将总能量分为两部分,Ⅰ 部分为
动能 hd(动水头动扬程 Hd) ； Ⅱ 部分为净压能
hp(势水头或势扬程 Hp)
2012-3-23 西华大学 宋文武 教授 72
流体机械反作用度的分类
1、冲击式水轮机,Ω=0,hp=gHp=0
转轮进出口处压力相等（ p1=p2）
水轮机反利用水流的动能作功 C1=(2gHth)1/2
注：作为工作机的泵，风机与压缩机不适于做成冲击式。
原因：原动机叶轮前（高压侧的的流道是收缩的，流动是加
速的。此时边界层不易分离，流动损失较小,∴ 流速高一些
没有关系。而工作机的叶轮后（高压侧）流道是扩散的，边
界层易分离,∴ 流动损失大。若采用较小的反作用度，将使
叶轮的出口速度较高，压力降低，在扩压元件中造成较大的
损失，也减小了流体实际从叶轮中所获得的能量,∴ 工作机
必须有较高的反作用度，而不能采用冲击式。
2012-3-23 西华大学 宋文武 教授 73
? 2、反击式,Ω＞ ∪
? 3,反击式,Ω＞ 0,gHp＞ 0
P1≠P2 总能量中有一部分压力能，动能减
少；转轮内既有动能的变化，也有压能的变化。
由于流动是有压的，所以反击式流体机械既不
可能是不满流的，也不可能是局部进流的。关
于反作用度与叶片形状的关系，各种形状叶片
的使用范围内容。
第三章、叶片式流体机械中的能量转换
1、流体在转轮（叶轮）中的运动分析
2、叶片式流体机械的基本方程
3、主要过流部件的工作原理
4、流体机械内的能量损失及效率
5、变工况时能量转换的影响
6、有限叶片数的影响
7、反作用度
2012-3-23 西华大学 宋文武 教授 2
一、流体在转轮（叶轮）中的运动分析
1、流体速度及速度三角形
2、转轮流道的轴面投影图
1）、轴面 (子午面 )
2）、轴面投影
3）、轴面流线
4）、轴面截线
5）、叶片包角 θ
6）、流面
2012-3-23 西华大学 宋文武 教授 3
流体速度及速度三角形
转轮中的流动速度,
2012-3-23 西华大学 宋文武 教授 4
2012-3-23 西华大学 宋文武 教授 5
流速三角形的定义与用途
2012-3-23 西华大学 宋文武 教授 6
速度三角形中的角度定义
2012-3-23 西华大学 宋文武 教授 7
绝对速度的分解
问题：为何将分解 C成 Cu和 Cm？
1,Cm,计算流量
2,Cu,计算水流的速度环量（或速度矩）
2012-3-23 西华大学 宋文武 教授 8
流体力学中环量的定义
2012-3-23 西华大学 宋文武 教授 9
流体通过叶片的速度环量是如何形成的？
2012-3-23 西华大学 宋文武 教授 10
转轮进、出口速度三角形
基本假设,
1.转轮叶片数无穷多，叶片无限薄 —— 转轮
内流动视为轴对称的。
2.相对流动是定常的 —— 流动不随时间变化。
3.沿过流断面轴面速度均匀分布。
2012-3-23 西华大学 宋文武 教授 11
原动机的进、出口速度三角形
1.反击式水轮机（以混流式为例）
2012-3-23 西华大学 宋文武 教授 12
2012-3-23 西华大学 宋文武 教授 13
2.轴流式
2012-3-23 西华大学 宋文武 教授 14
3.冲击式水轮机
2012-3-23 西华大学 宋文武 教授 15
工作机的进、出口速度三角形
(以离心式叶轮为例 )
2012-3-23 西华大学 宋文武 教授 16
转轮流道的轴面投影图
轴面（子午面）,通过转轮轴线的平面。
轴面投影,空间曲面或曲线上每一点绕轴线
旋转一定角度投影到同一轴面上。
轴面流线,空间相对流线的轴面投影。
轴面截线,叶片与轴面的交线。
叶片包角,指叶片进出口边所在轴面的辐角之
差（假设出口边在同一轴面内时）。
流面,以空间流线为母线绕轴线旋转一周形成
的迴转面。
2012-3-23 西华大学 宋文武 教授 17
流面成因及类型
流体流经叶片的表面可视为流面，那么
流体流过相邻叶片间可视为流经多个流面。
由于各种转轮叶片的流线形状不同，从而形
成了不同形状的流面。
径流式 —— 流面近似于平面。
混流式 —— 流面为喇叭形空间曲面，属于空
间环列叶栅。
轴流式 —— 流面近似于圆柱面。
2012-3-23 西华大学 宋文武 教授 18
2012-3-23 西华大学 宋文武 教授 19
二、叶片式流体机械的基本方程
1、流体机械的基本方程
2、推导基本方程的假设
3、方程的推导过程
4、基本方程的物理意义
2012-3-23 西华大学 宋文武 教授 20
1、流体机械的基本方程
流体机械的基本方程 --欧拉方程
2012-3-23 西华大学 宋文武 教授 21
２、叶片式流体机械欧拉方程
假设,
1、流体为理想流体 —— 流动损失为零
2、叶片数无限多，厚度无限薄 —— 流动是轴对
称的
3、相对流动是定常的
2012-3-23 西华大学 宋文武 教授 22
３、方程的推导过程
2012-3-23 西华大学 宋文武 教授 23
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2012-3-23 西华大学 宋文武 教授 27
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４、基本方程的物理意义
2012-3-23 西华大学 宋文武 教授 29
三、主要过流部件的工作原理
（一）、原动机过流部件的工作原理
（二）、工作机过流部件的工作原理
2012-3-23 西华大学 宋文武 教授 30
（一）、原动机过流部件的工作原理
原动机以水轮机为例
? 水轮机过流部件,
? 反击式：引水室，导水机构，转轮，尾水管
? 冲击式：喷管，喷嘴，转轮
2012-3-23 西华大学 宋文武 教授 31
（ 1） 引水室
作用：将水流均匀引入导水机构，并形成一定速度环量
（闭式引水室）
类型,a．开式（明槽）适于Ｈ＜ 10m,D1＜ 2m小型机
b．闭式：⑴罐式 Ｈ =6~25m,D1≤2m卧式机
⑵贯流式
⑶蜗壳 适合各种Ｈ的水轮机
2012-3-23 西华大学 宋文武 教授 32
1）、明槽：特点：结构简单便于浇注砼但受Ｖ限制（ ∵ 槽形引
水室的内壁造成水流的非均匀流动 —— Ｄ、导致进入导水机
构的水流方向不一致。若Ｈ ↑，Ｃ ↑，为减少 Δh→平面尺寸 ↑↑；
另外Ｈ ↑主轴长，发电机必须布置在水平面以上，致结构布置
复杂化，土建费用增加,∴ 适于低Ｈ的小型机。
2）、罐式：１））水流进入导水机构入口急剧转弯 →致流速沿
导 叶高度分布不均匀；
２））尾水管，对水流产生干扰 —— Δh↑,η↓,
较少采用。
蜗壳：水流一方面绕导水机构作圆周运动，另一方面作径
向运动引导水流均匀，对称地进入导水机构 —— 具有较好的
引水作用,η↑。
就这三种形式引水室（同开式，罐式）相比，蜗壳结构
紧骤,ηh↑,可减小厂房尺寸及土建投资，而且大部分部件布
置在水外（导水机构传动系统等），便于维修,∴ 它广泛用
于各种水头的反击式水轮机，而明槽 →水内调节的导水机构，
我们后面主要学习蜗壳引水室。
2012-3-23 西华大学 宋文武 教授 33
3）、蜗壳形式,
１．砼蜗壳（多边形断面）Ｈ＜４０ m
２．金属蜗壳（圆断面）Ｈ＞４０ m
多边形断面的砼蜗壳结构简单，易于施工（便于工
作模板浇注砼）但Ｈ较高时仍采用砼蜗壳：为满足强度
条件 →须在砼中铺设大量钢筋和金属里衬板，反而投资
高于金属蜗壳，失去了优越性。圆断面的金属蜗壳受力
条件好，用于Ｈ＞４０ m水轮机。
蜗壳包角 θ０ —— 从蜗壳鼻端（尾部）至进口断面间的角
度。
尾部 —— 考虑蜗壳尾部同座环连接而采用的特殊固定导叶，
∴ 以该导叶出水边作为蜗壳的尾端。
θ０ 反映了蜗壳包围导水机构的程度，我们国家统一采用
垂直于引水管轴线的 +x方向断面作为蜗壳的计算进口断
面。
2012-3-23 西华大学 宋文武 教授 34
4）、涡壳中的流动特点,
? 常用Ｃ uｒ =Const—— 蜗壳中水流按等速度
矩规律运动。
? ∵ 蜗壳中没有任何产生旋涡的固体，即水流
不对外作功 →∴ 认为蜗壳中的水流满足轴对
称有势流动，其速度矩Ｃ ur=Const。
? 统一圆周 Cu=Const；沿圆周方向 δ＝ Const,
蜗壳内廓线为等角螺旋线。
? 特点：均匀，轴对称引导水流（蜗壳中任一
点Ｃ ur=Const,∴ Ｃ r是轴对称的）
2012-3-23 西华大学 宋文武 教授 35
5）、固定导叶的流动特点,
? 通常不改变蜗壳形成的环量 —— 导叶骨线
为蜗壳等角螺旋线的延伸。
? 座环为蜗壳的一部分，作用：将水流均匀
引入导水机构并且承载作为绕流部件的固
定导叶，通常设计成不改变蜗壳形成的环
量，即沿固导进出口的水流服从
Ｃ r=const，其骨线为蜗壳中等角螺旋线的
延伸。
2012-3-23 西华大学 宋文武 教授 36
(2) 导水机构
1、作用：按负荷变化调节流量，形成和改变进入转轮
的速度环量，停机和防飞逸（甩负荷时）
2、流量调节方程式（以径向式导水机构为例）
导水机构重要参数,
1））导水出流角 α０,指导叶出口处骨线与圆周方向的夹角
（注：导叶出口角＝）导水出流角
∵ 导叶数较多（Ｚ ０ ＝１６～３２），且沿圆周
均布 →稠密环列叶栅
∴ 可视叶片无穷多，无限薄 —— 导叶出口角＝导
水出流角（水流绕流导叶时没有偏流作用）
2））导叶开度 α０ —— 指从一个导叶出口边至相邻叶片表面
的最短距离表征流量调节中导叶安放位置的参变量。
2012-3-23 西华大学 宋文武 教授 37
水轮机的流量调节方程,
? 假设：（１）导叶出口至转轮进口间Ｃ ur＝ Const
Cu0r0＝ Cu1r1
水流流经导叶出口 —— 转轮进口这一段“无叶片区”
时没有受到外力作用（忽略摩擦损失影响）水流服
从等速度矩规律。
? （２）Ｃ r0,Cm2均布
Ｃ r0—— 导叶出口径向速度；
Cm2—— 转轮出口边轴面速度。
Ｃ r0＝ qv/(2πr0b0) r0—— 导叶出口边半径
Cm2＝ qv/Ａ ２ Ａ ２ —— 转轮出口出的过流面积
2012-3-23 西华大学 宋文武 教授 38
由水轮机基本方程 ηhgH=ω（ Cu1r1－ Cu2r2） ②
由① Cu1＝ Cu0r0／ r1＝Ｃ r0r0ctgα０ / r1=qv ctgα０ /(2πr1
b0) ③
Cu2＝ u2－ Cm2ctgβ２ ＝ u2－ qv ctgβ２ /Ａ ２ ④
考虑负荷变化时非法向出口代③，④入②整理,
2
2
2
0
0
2
2
1
??
?
?
?
?
c t g
A
r
c t g
b
gh
r
q
h
v
?
?
?
2012-3-23 西华大学 宋文武 教授 39
(3) 尾水 管
作用,
1,汇集转轮出口处水流，引向下游；
2,利用了转轮出口至下游水面的位能 Z2;
3,回收转轮出口部分动能 （（ C22- C52） /2 g）
2012-3-23 西华大学 宋文武 教授 40
（ 4）喷嘴和喷针
? 喷嘴和喷针是切击式水轮机的重要部件。
? 喷嘴和喷针：组成水斗式水轮机的导水机构。
? 喷嘴是喷针的调节机构，调节进入斗叶的流量。
? 工作原理：喷嘴和喷针头间构成了一个逐渐收缩的
断面，使水流通过喷嘴时逐渐加速，到喷嘴口以最
高速度喷射出去（形成一股密实的水柱）,∴ 喷嘴
是一个把水流的势能转换成动能的部件。
? 喷针：水斗式水轮机的流量调节是靠改变喷针的位
置来实现的。
? 动作：当喷针向外移动时 喷嘴口 S↓，射流直径 d0↓,
qv↓移到极限位置 →qv=0，向内移动 →qv↑
2012-3-23 西华大学 宋文武 教授 41
（二）,工作机过流部件的工作原理
工作机以水泵为例
（ 1）吸入室
（ 2）压水室
2012-3-23 西华大学 宋文武 教授 42
（ 1）吸入室
? 1 作用：向叶轮提供大小合适，均匀分布的速度入
水流。
? 2 类型,
直锥管形：水力性能好（向叶轮提供均匀轴向
入流速度）
弯形：其在叶轮有一段直锥式收缩管，也具有
直锥管吸入室的特点。
环形：其各轴面内断面性状均相同一轴向对较
小，但存在冲击和囝涡，液流速度分布不均匀。
半旋涡形：广泛用于双吸或蜗壳式多节泵中
2012-3-23 西华大学 宋文武 教授 43
（ 2）压水室
? 1．作用,
①将叶轮流出的液体收集起来并送往下一级叶
轮入口或压出管道
②将液体的大部分动能转化为压能
③消除液体流出叶轮后的速度环量
? 2,类型,
蜗壳（螺旋形压水室）
环形压水室
叶片式扩压器（叶片式压水室）
2012-3-23 西华大学 宋文武 教授 44
叶片式压出室（叶片式扩压器）,
①、径向式导叶
②、流道式导叶
③、叶片式导叶（空间导叶）
其中①②常用于节段式多级泵，③常用
于深井泵，潜水泵，混流泵等。
2012-3-23 西华大学 宋文武 教授 45
四、流体机械内的能量损失及效率
（一）容积损失（泄漏损失）△ qv
（二）流动损失（水力损失）△ H或△ h
（三）机械损失
2012-3-23 西华大学 宋文武 教授 46
（一）容积损失
△ qv— 指转动件与固定件之间的间隙的泄漏引起的流量损失。
? 水轮机,
HL：△ qv1：转轮下环与导水机构底环间的间隙造成
△ qv2：转轮上冠同顶盖之间的间隙造成（有由泄水
孔排走）。
ZL：△ qv,转轮叶片与转轮室的间隙
CJ：△ qv, 射流的一部分没有进入斗叶内，射向机壳
（非设计工况）
∴ 水轮机转轮作功的流量（有效流量）,
qVTH=qV -△ qv
对容积损失的大小，用容积效率 ηV表示
ηV = qVTH/ qV=（ qV-△ qv） / qV=1-△ qv/qV
2012-3-23 西华大学 宋文武 教授 47
? 水泵,
△ qv1,叶片入口处的密封间隙造成（前盖板；
下环密封部位）；
△ qv2,轴端密封泄漏
令：叶轮输送的理论流量为 qVTH
泵叶轮作功的流量（即泵流量）为 qV 〈 qVTH
理论流量 qVTH=qV +△ qv
泵的容积效率 ηV = qV/△ qv
2012-3-23 西华大学 宋文武 教授 48
（ 二）流动损失
△ H（△ h） -指由于介质决有粘性而在流
动过程中引起的水头损失（能头损失）。
? 1,摩擦损失 （水力学中的沿程损失） — 发
生于边界层中；
? 2,冲击损失； β≠βb △ β(冲角绕流 )引起叶
片表面流动分离；
? 3、分离层损失；发生在沿流动方向压力升高
(逆压梯度 )情况 如 T— 尾水管,泵 — 压谁室中；
? 4、二次回流损失。
2012-3-23 西华大学 宋文武 教授 49
（三）机械损失
轴承、轴封等处的默察损失（固体）
指密封材料与转动部分产生的摩擦损失（水泵中的填料函；水
轮机中的主轴密封）而引起的功率损耗。
圆盘摩擦损失（流体与转轮外表面的向的摩擦损失）
指水力机械的转轮外表面与周围液体和空气摩擦而产生的损失
（一般将其成为内部机械损失，包括在机械损失项中）。
mP?
rP?
rm PPP ?????
2012-3-23 西华大学 宋文武 教授 50
机械效率
水轮机,
水泵,
thth
th
th
m P
P
P
PP
P
P ??????? 1?
PP
P
P
P
th
thth
m ?????
2012-3-23 西华大学 宋文武 教授 51
五、变工况时能量转换的影响
（一）、最优工况（设计工况）
（二）、变工况
2012-3-23 西华大学 宋文武 教授 52
（一）最优工况
最优工况的条件,
⑴．无撞击进口
⑵．法向出口
或略具正环量出口
11 b?? ?
)0( 2 ?uC
)0( 2 ?uC
2012-3-23 西华大学 宋文武 教授 53
无撞击进口
指转轮进口的相对速度 W1与叶片骨线相
切（水位角 =安放角），当,无撞击
的入流条件，水流平顺绕流叶片,11 b?? ?
?h?
2012-3-23 西华大学 宋文武 教授 54
法向出口
⑴ —— 减少尾水管中的摩擦损失；
⑵出口动能 具有最小值 → 减少水力损失
⑶改善尾水管对转轮出口动能的回收
前提,
出口处,相对流速与叶片骨线相切（ ）
出口动能,
02 ?uC
g
C
2
2
2
22 b?? ?
g
C
g
C
g
C mu
222
2
2
2
2
2
2 ??
2012-3-23 西华大学 宋文武 教授 55
2012-3-23 西华大学 宋文武 教授 56
（二）变工况
由于用户对负荷的要求是变化的，电网
负荷也在不停地变化，其变化规律如下图,
水电
火电
p
2012-3-23 西华大学 宋文武 教授 57
定浆式水轮机（ βb=const）
1,qv变化（ H,n=const）
转轮进口（以高水头的混流式（ HL）机组为
例）。 α0=α1
令最优工况下的流量为 qv0
满足关系,qv变化 → a0变化 → α0变化，高水
头的混流式机组,α0=α1（导叶出口至转轮进
口边） a0变化 → α0变化 → α1变化。
2012-3-23 西华大学 宋文武 教授 58
10 qv〉 qv0（流量增加）
a0增加 → α0增加 → α1/>α1(α1→α 1/)
qv增加 → cm1增加 → β1减小,β1/〈 βb1 -i(负冲角 )
水流撞击叶片进口的背面，在叶片的正面产生脱流漩涡
（造成撞击、脱流和漩涡损失）当外界 N增加，通过调速器
控制 a0增加 → α0=α1增加 → cm 增加
20 qv< qv0(流量减小 )
a0减小 → α0减小 → α1减小（ α1→α 1//）
qv减小 → cm1减小 → β1增加（ β1→β 1//） β1//〉 βb1 +i（正冲
角）
假定 H=const ∣ C1∣ =const,C1的矢端曲线为抛物线。
2012-3-23 西华大学 宋文武 教授 59
转桨式水轮机（ ZZ,XZ）
同 HL和 ZD水轮机相比，转桨式水轮机具有双
重调节特点，随工况变化，导水机构的动作、导叶
开度变化的同时，转轮叶片也相应的转动一角度
（ Φ），即叶片安放角度（通过调速口控制导水机
构和叶片操作机构协联动作，使转轮进口较接近无
撞击进口，出口较接近最优出流的法向出口或略具
正环量出口。所以，转桨式水轮机能在相当宽广的
H和 范围内获得比较高的,同时可使机组稳定
运行。
b?
vq
特点,co n s tco n s t
b ?? 2,??
?
2012-3-23 西华大学 宋文武 教授 60
2012-3-23 西华大学 宋文武 教授 61
2 H变化（ ; ）
转轮进口
前提条件,
（ ）
C1方向不变，仅是数值发生变化，速度三角形
如图，转轮速度三角形情况同于流量变化情况。
定桨式机组经常不允许在低 H下运行。
0a c o n stn ?
c o n s ta ?0
co n s t?? 10 ??
2012-3-23 西华大学 宋文武 教授 62
不同工况下泵内的流动
（一）、最优工况
（二）、变工况
2012-3-23 西华大学 宋文武 教授 63
2012-3-23 西华大学 宋文武 教授 64
变工况
1,qv变化,
2,n变化（ qv =const）
2012-3-23 西华大学 宋文武 教授 65
2012-3-23 西华大学 宋文武 教授 66
六、有限叶片数的影响
（一）、有限叶片数对能量转换的影响；
（二）、滑移系数。
2012-3-23 西华大学 宋文武 教授 67
（一）、对能量的影响
有限数造成 n′偏转不足 β2≠βb2—— 出现滑移现象（功
率缩减）。因为在有限叶片组成的转轮流道中，叶片对液流
的导向能力减弱，所以液流的惯性作用，致出口的液流角 ≠
安放角。如下图所示，轴流转轮的直列叶栅进出口速度三角
形。
其中,S点,P点
代表无穷叶片数
情况；
S′点,P′点代
表有限叶片数情
况。
2012-3-23 西华大学 宋文武 教授 68
? 工作机,S点为进口,P点为出口；
? 原动机,S点为出口,P点为进口。
? 观察在有限叶片数情况时两机叶片出口的速度三角形,
? 工作机,β2＜ βb2
? 出口速度矢量差 PP′=△ Cu2=△ Wu2=Wp-Wp′ △ Cu2
沿圆周指向 u 方向
? 原动机,β2＞ βb2
? 出口速度矢量差 SS′=△ Cu2=△ Wu2=Ws-Ws′ △ Cu2指
向 u 方向
? 对能量转换的影响
? 由欧拉方程式（考虑有限叶片数时）
? 工作机,Hth=gHth=Pth／ ρ=upCup′-usCus
? 原动机,Hth=gHth=Pth／ ρ=upCup-usCus′
? ∵ 在工作机中,Cup′＜ Cup，原动机中,Cus′＜ Cus
? ∴ 两种情况均存在 Hth＜ Hth∞（即由叶片有限影响，造
成液流不充分）
2012-3-23 西华大学 宋文武 教授 69
（二）、滑移现象
滑移系数定义,
10、利用△ Cu2=Cu2∞- Cu2的值定义。
σ=1－△ C2u／ u2
20,利用 hth(Hth)与 hth∞(Hth∞)定义滑移系数。
可以利用滑移系数计算有限叶片数的理论扬程
Hth,Hth=μHth∞ ； Hth= Hth∞－△ H；流动损失,
△ H=u2(Cu2∞ － Cu2)／ g=u2（１－ σ）
2012-3-23 西华大学 宋文武 教授 70
七、反作用度
（一）、反作用度的意义
（二）、流体机械接反作用度的分类
2012-3-23 西华大学 宋文武 教授 71
反作用度的意义
? 由第二欧拉方程,gHth=(Cp2-Cs2)/2+(Up2-
Us2)/2+(Ws2+Wp2)/2
注：式中可分为两项,
Ⅰ 项：为转轮进、出口处介质具有的动能差
Ⅱ 项：为忽略流动损失后转轮进、出口介质
具有的势能差。
也可视为将总能量分为两部分,Ⅰ 部分为
动能 hd(动水头动扬程 Hd) ； Ⅱ 部分为净压能
hp(势水头或势扬程 Hp)
2012-3-23 西华大学 宋文武 教授 72
流体机械反作用度的分类
1、冲击式水轮机,Ω=0,hp=gHp=0
转轮进出口处压力相等（ p1=p2）
水轮机反利用水流的动能作功 C1=(2gHth)1/2
注：作为工作机的泵，风机与压缩机不适于做成冲击式。
原因：原动机叶轮前（高压侧的的流道是收缩的，流动是加
速的。此时边界层不易分离，流动损失较小,∴ 流速高一些
没有关系。而工作机的叶轮后（高压侧）流道是扩散的，边
界层易分离,∴ 流动损失大。若采用较小的反作用度，将使
叶轮的出口速度较高，压力降低，在扩压元件中造成较大的
损失，也减小了流体实际从叶轮中所获得的能量,∴ 工作机
必须有较高的反作用度，而不能采用冲击式。
2012-3-23 西华大学 宋文武 教授 73
? 2、反击式,Ω＞ ∪
? 3,反击式,Ω＞ 0,gHp＞ 0
P1≠P2 总能量中有一部分压力能，动能减
少；转轮内既有动能的变化，也有压能的变化。
由于流动是有压的，所以反击式流体机械既不
可能是不满流的，也不可能是局部进流的。关
于反作用度与叶片形状的关系，各种形状叶片
的使用范围内容。
