第七章 贯流式水轮机与冲击式水轮机
本章教学要求：
1. 掌握贯流式水轮机的特点和类型；
2. 熟悉灯泡贯流式水轮机基本结构；
3. 掌握冲击式水轮机的特点与类型；
4. 熟悉切击式水轮机的基本结构。
第一节 贯流式水轮机的特点与分类
一、贯流式水轮机的特点
贯流式水轮机是开发低水头水力资源的一种新型机组，适用于25m 以下的水头。这种
机型流道呈直线状，是一种卧轴水轮机，转轮形状与轴流式相似，也有定桨和转桨之分，由
于水流在流道内基本上沿轴向运动不拐弯，因此较大的提高了机组的过水能力和水力效率。
此外，与其它机型相比，它还有其它一些显著特点：
（1）从进水到出水方向轴向贯通形状简单，过流通道的水力损失减小，施工方便，另
外它效率较高，其尾水管恢复功能可占总水头的40%以上。
（2）贯流式机组有较高的过滤能力和比转速，所以在水头与功率相同的条件下，贯流
式的要比转桨式的直径小10%左右。
（3）贯流式水轮机适合作了逆式水泵水轮机运行，由于进出水流道没有急转弯，使水
泵工况和水轮机工况均能获得较好的水力性能。如应用于潮汐电站上可具有双向发电，双向
抽水和双向泄水等六种功能，很适合综合开发利用低水头水力资源，另外在一般平原地区的
排灌站上可作为可逆式水泵水轮机运行，应用范围比较广泛。
（4）贯流式水电站一般比立轴的轴流式水电站建设周期短、投资小、收效快、淹没移
民少，电站靠近城镇，有利于发挥地区兴建电站的积极性。
二、贯流式水轮机的分类
根据贯流式水轮机机组布置形式的不同可将其划分为以下几种形式：
1．轴伸贯流式
这种贯流式水轮发电机组基本上采用卧式布置，水流基本上沿轴向流经叶片的进出口，
出叶片后，经弯形（或称S 形）尾水管流出，水轮机卧式轴穿出尾水管与发电机大轴连接，
发电机水平布置在厂房内。
轴伸贯流式机组按主轴布置方式可分成前轴伸、后轴伸和斜轴伸等几种，如图7-1所示。
这种贯流式机组与轴流式相比没有蜗壳、肘形尾水管，土建工程量小，发电机敞开布置，易
于检修、运行和维护。但这种机组由于采用直弯尾水管，尾水能量回收效率较低，机组容量
大时不仅效率差，而且轴线较长，轴封困难，厂房噪音大都将给运行检修带来不方便。所以
一般只用于小型机组。
2．竖井贯流式
这种机组主要特点是将发电机布置在水轮机上游侧的一个混凝土竖井中，发电机与水轮
机的连接通过齿轮或皮带等增速装置连在一起如图7-2所示。
图7-1 轴伸贯流式水轮机组剖面图
(a ) 、前伸轴；(b ) 、后伸轴；(c ) 、斜伸轴
该机组除具有一般贯流式水轮机的优点外，因发电机和增速装置布置在开敞的竖井内，
通风、防潮条件良好，运行和维护方便，机组结构简单，造价低廉。例如福建省幸福洋潮汐
电站建于80年代末，采用竖井式机组，单位千瓦投 资为2107元。如果采用灯泡式机组，
单位千瓦投资将达到4760元，是竖井式的2. 26倍。由于竖井式具有以上优点，所以广泛应
用于小型电站机组上。这种机组的缺点为因竖井的存在把进水流道分成两侧进水，增加了引
水流道的水力损失，一般竖井式机组的水力效率比灯泡式的要降低3%左右，如果要作为反
向发电，其效率下降更多。单机容量较大时, 一般不采用此种机组，以采用灯泡贯流式机组
为宜。
图7-2 竖井贯流式机组剖面图
3．灯泡贯流式
这种机组的发电机密封安装在水轮机上游侧一个灯泡型的金属壳体中，发电机主轴与水
轮机转轮水平连接。水流基本上轴向通过流道，轴对称流过转轮叶片，然后流出直锥形尾水
管，参见图1-11所示。机组的轴系支承结构、导轴承、推力轴承都布置在灯泡体内。由于
贯流式机组水流畅直，水力效率比较高，有较大的单位流量和较高的单位转速，在同一水头，
同一出力下，发电机与水轮机尺寸都较小，从而缩小了厂房尺寸，减少土建工程量。但是发
电机装在水下密闭的灯泡体内，给电机的通风冷却、密封、轴承的布置和运行检修带来困难，
对电机的设计制造提出了特殊要求，增加了造价。即使如此它与立式轴流式机组相比仍具有
明显的优点。灯泡式机组虽然是一种新型机组，但近20年来也积累了许多成功的经验，并
逐渐向较高水头和较大容量发展，在国内外得到了广泛应用。
4．全贯流式
这种机组采用卧式布置，发电机的转子磁极与水轮机的转轮叶片合为一体，发电机磁极
直接安装在水轮机叶片的边缘上，密封隔离磁极与流道内的水流，防止渗漏，参见图1-8。
该机型主要特点为：取消了水轮机与发电机的传动轴，缩短了轴线尺寸，结构紧凑，厂
房尺寸减小，使整个工程造价降低，而且增大了机组的转动惯量，有利于机组的稳定运行。
但叶片与发电机转子连接结构比较特殊，制造工艺要求很高，转子轮缘密封复杂且不可靠。
虽然在上世纪五十年代就出现了这样的机组，但至今未得推广。当前某些外国公司，在密封
结构型式和材料等方面的研制工作已取得进展，并已将这种机型应用在某些大型潮汐水电站
上。目前，我国对全贯流式水轮机尚处于试验研究阶段。
5．其它形式
贯流式水轮机除了以上几种型式外，还有明槽式和虹吸式等。其特点类似于轴伸式水轮
机：容量不大，应用水头较低，机组结构简单，发电机布置在水面以上，运行、安装、检修
较为方便。同轴伸贯流式机组一样，通常只用于小型水电站上。
我国对贯流式水轮机的研究起步较晚，且进展缓慢。除灯泡贯流式机组已有大型机组外，
其他各类贯流式机组的单机规模基本上还限于小型，同时各类贯流式水轮机的转轮品种很
少。因此贯流式水轮机的型谱尚未正式编制出来。现参考国外有关资料列出各类贯流式水轮
机的适用范围于表7-1，供使用中参考。表7-1仅是根据一般情况分类，实际应用时各类水
轮机根据不同的叶片数尚可具体划分水头应用范围。国内一般认为灯泡贯流机组的应用尚受
到灯泡直径的限制，即认为当水轮机转轮直径D ≤2.5m 时灯泡空间进人比较困难，应考虑
选用其他形式的贯流式机组或改用整装灯泡贯流式机组。
表7-1 贯流式水轮机适用范围
第二节 灯泡贯流式水轮机的基本结构
灯泡贯流式水轮机适用水头范围广，效率高，较其它类型贯流式机组有突出的优点，因
而在国内外得到广泛应用，当前国内已有大型机组出现。
灯泡贯流式机组的结构比较复杂，其总体布置大致有两种布置方式：一是以管形壳为主
要支撑的布置方式；二是以水轮机固定导叶（座环）为主要支撑的布置方式。两种方式各有
特点，现分别予以叙述。
一、以管形壳为主要支撑的布置方式
如图7-3所示，以管形壳为主要支撑方式的布置，整台机组的受力主要通过管形壳传递
至厂房基础。发电机灯泡头下的球面支承主要是用来平衡灯泡头定子部分所引起的浮力。发
电机定子两侧的支座是为了防止机组在运行中引起振动。整台机组以两支点为主要方式，即
水轮机端通过水导轴承，发电机端通过组合轴承将机组转动部分的受力传递至管形壳，再传
至厂房基础。发电机灯泡头下的球面支承允许发电机灯泡头和定子有微小的位移，一般为
1mm 。这样，整台机组结构比较轻巧，受力也简单明了，易于计算。
由图7-3可知，灯泡体内的水轮机端，可由管形壳内爬梯进人。灯泡体内的发电机端可
由发电机进人孔进入。由于灯泡头允许有微小的移动，故发电机进人孔与发电机盖板之间的
结构也是允许进人孔的竖井可以有微小的移动。
发电机下盖板为多孔结构，主要是增加在水流通过时的阻力。也就是当机组关机所形成
的水锤，通过多孔结构的减压，使发电电机盖板的结构可以轻巧一些。
机组安装时，灯泡头和发电机定子转子等可以从发电机盖板孔中吊入。
机组主轴（包括组合轴承和导轴承）、转轮等均可从转轮室打开后吊入。
图7-3灯泡式水轮机组总图
1-内管形壳；2-外管形壳；3-前锥体；4-人孔管；5-框架；6-盖板；7-导水板；8-导流板；9-排水阀；10-转轮室；11-吸出管；12-外配水环；13-内配水环；14-导水锥；15-导叶外轴承；16-导叶内轴承；17-拐臂；18、19-连杆；20-控制环；21-关闭重锤；22-转轮体；23-叶片；24-泄水锥；25-轴承支持环；26-组合轴承；27-转轮侧导轴承；28-叶片回复装置；29-受油器；30-发电机定子；31-转子；32-冷却套；33-灯泡头；34-中间台板；35-人孔；36-梯子；37-膨胀水箱；38-基础支撑；39-出人通道；40-导风洞；41-扇形隔板；42-油箱；
43-排水管
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机组检修时，上游流道内的水可通过打开排水阀经排水管排至集水廊道。下游尾水管内的积
水也可通过排水管排至集水廊道。
二、以固定导叶（座环）为主要支撑的布置方式
由图7-4所示，灯泡机组主要通过固定导叶（座环）将转动部分、定子等的受力传至厂
房基础。发电机灯泡头（机壳体）的受力由发电机进入孔（上支柱）和下支柱来承受。其组
合轴承双向推力轴承和发电机导轴承所承受的力，可由拉杆直接传至厂房基础。其受油器位
于发电机转子与转轮之间，因而需设发电机轴和水轮机轴。
图7-4 以固定导叶（座环）为主要支撑的灯泡贯流机组
1-机壳可拆前盖；2-机壳体；3-下支柱；4-发电机转子；5-座环；6-水轮机主轴；7-圆锥式导水机构；
8-接力器；9-转轮；10-锥管；11-尾水管；12-基础环；13-转轮室；14-水轮机主轴；15-受油器；16-发电机
定子；17-拉杆；18-中环；19-上支柱；20-双向推立轴承；21-发电机轴承；22-发电机轴
由于灯泡头与发电机进人孔都是预埋的，故安装时的发电机定子和转子均从其上方的发
电机盖板吊入。水轮机转轮可从转轮室打开后吊入。
对于大型灯泡贯流机组，应选用三轴承结构。如图7-5所示。
图7-5 三轴承布置的灯泡机组
1-受油器；2-定子冷却水进口；3-发电机轴；4-灯泡头；5、19-发电机轴承；6-发电机定子；7-发电机转子；8-推力轴承；9-水轮机内座环；10-水轮机座环；11-锥形导水机构；
12-水轮机轴；13-水导轴承；14-操作油管；15-转轮室；16-转轮；17-转轮接力器；18-集油槽
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发电机转子两端设导轴承。推力轴承位于下游。水轮机导轴承仍位于水轮机端。其主要支撑由水轮机座环来承受。发电机进人孔为斜向布置。在发电机上方设发电机盖板，以利吊入发电机定、转子等。水轮机上方设有可卸的转轮室，以利安装。
以固定导叶（座环）为主要支撑的布置方式，其受力方式较为复杂，而且结构比较笨重。目前的灯泡式机组的布置，均推荐采用管形壳为主要支撑方式。
灯泡贯流式机组的主要部件可大致分为以下几个部分：
一、埋设部件
包括尾水管里衬、管形壳（内壳体，外壳体）发电机进人框架、盖板、墩子盖板，接力器基础以及下部支承，侧向支承基础板等。
1．尾水管里衬
大型灯泡机组的尾水管里衬，一般分成3~7节，运到现场后再拼焊成整体。如管形壳与尾水管里衬一起安装，则对尾水管的基础环法兰面要求可低一些。因为机组的高程、中心，水平均以管形壳的法兰面为基准。如管形壳晚安装，先装尾水管里衬，以便厂房先盖起留下机坑，则对尾水管基础环的要求高些。大型灯泡机组尾水管基础环是分节运至工地后再拼焊成整体。故在现场拼焊时应用仪器监视变形，以免波浪度超差。
2．管形壳
管形壳分为外壳体及内壳体。外壳体由上、下部分，四块侧向块和前锥体组成。内壳体由上、下两半组成。外壳体上游面与发电机进人孔的框架，墩子盖板连接。下游面与外导水环连接。内壳体的上游面与定子机座连接，下游面与内导水环连接。
管形壳的结构应满足受力要求。先根据机组的外部荷载，确定管形壳的受力情况，然后参考已有相近机组的结构尺寸定出机组管形壳的结构，再按受力分析对各部位进行校核，使其刚、强度均能满足规范要求。
3．发电机进人孔的框架、盖板
发电机进人孔的框架、盖板，是为了安装检修时吊入发电机定、转子，主轴和灯泡头等部件，并可固定发电机进人孔竖井。大型灯泡机组的发电机盖板还分为盖板和下盖板。下盖板为多孔板，目的是减少甩负荷升压时对盖板的升压值。对于能正、反向运行的灯泡机组，框架基础应考虑在反向运行紧急停机时的反水锤压力。框架基础板宜与管形壳的内壳体焊为整体。
4．球面支承与侧向支承
灯泡头下的球面支承是承受灯泡头、定子等部件的重量，在充水后承受浮力。并允许灯泡体有微小的位移（小于1mm ），这可减轻灯泡体的结构。设立侧向支承的目的是可以承受灯泡体的侧向力，并可防止灯泡体在运行时产生振动。
5．围板
在发电机下部支墩与定子外壳之间设立围板，其目的是为了导向水流，并可减少运行中水的阻力。围板下部用螺栓与支墩相连。上部随定子外壳切割而成。
二、导水机构
灯泡机组的导水机构与立式机组不同，为锥形导水机构。其部件由控制环、连杆、拐臂锥形导叶和内、外导水环等组成，各部分结构请参考图7-6。
为防止机组飞逸，在控制环的右侧设有关闭重锤。当调速器失去油压时，可依靠重锤所形成的关闭力矩，加上导叶水力矩有自关趋势，能可靠的关闭导叶。
但在有油压而调速器的主配压阀卡住时，难以实现快速关闭。因此应设置事故配压阀。当主配压阀卡住时，高压油可直接通过事故配压阀进入接力器，从而关闭导叶。
内外导水环均为球面结构，导叶两端面亦为球面，这样能保证导叶在转动时能有效的封水。
图7-6 锥形导水机构
1-内导水环；2-轴销；；3-控制环；4-剪断销；5-连杆；
6-拐臂；7-活动导叶；8-外导水环；9-轴套；10-转轮室
由于导叶担负着在转轮前，导叶后的水流形成转轮所需要的环量，故导叶形状为空间扭曲面。为保证导叶间在关闭时能有效的封水，除要求两端面的间隙较小外（一般为0. 6~1. 2mm ），还要求导叶的立面间隙较小，一般为0. 2mm 。需要将空间扭曲的导叶按锥形要求加设立面密封。
三、转轮与转轮室
灯泡式水轮机转轮，按叶片操作方式，可采用活塞套筒式，操作架式和缸动方式等结构。图7-7为缸动方式的结构，也就是活塞不动，活塞缸带动连杆、转臂，操作叶片转角度。这种结构简单，安装方便。
转轮叶片一般采用不锈钢制造。常用材质为ZG0Cr 13Ni 4MO ，ZGOCr 13Ni 6MO 和ZGOG r16Ni 15等。
图7-7 转轮结构（缸动结构）
1-转轮体；2-联杆；3-转臂；4-叶片；5-活塞缸；6-活塞；
7-泄水锥；8-泄水锥头；9-操作油管；10-水封
为防止叶片与转轮室间的间隙空蚀，设有抗空蚀边。
为防止水进入转轮体腔内，一般设有重力油箱，其高程使进人转轮体腔内的油压略高于外部水压力。
转轮的叶片与转轮体间设有密封，常用的有 形和 形密封。轮轮叶片的操作油压常用为40MPa 。转轮在正式吊入机坑前，组装好的转轮应做耐压试验，要求每小时转动叶片2~3次，检查叶片密封处有无漏油现象，一般允许有滴状渗油现象。
转轮室分上下两瓣。上部设有观察孔，下部设有进人孔，以利检修。为防止汽蚀，一般在上半部1/4圆周上堆焊不锈钢或用不锈钢整铸。
四、水导轴承
水轮机导轴承位于水轮机转轮侧。由于水轮机转轮为悬臂形式，故要求水导轴承除承受径向力外，还应适应悬臂引起的挠度（转角）变化。目前适应以上要求的导轴承结构有两种：一是图7-8所示结构，二是如图7-9所示的结构。
图7-8 水轮机侧导轴承
由图7-8可知，水导轴承分两瓣。上部两边各留一段巴氏合金以封住油。径向力通过轴承的凸缘和扇形支承板传至管形壳。安装时，先根据厂家设计计算提供的尺寸和管形壳安装的实际位置来调整轴线。轴线调整好后再加工扇形支承与连接法兰凸缘之间的配合片。为适应轴的倾斜位移，法兰凸缘与扇形支承连接时的套管应比凸缘长0.2mm ，套管外径应比凸缘螺孔直径小2mm 。这样，在运行时主轴产生较小的挠度变形，可由法兰凸缘和轴承套管来承受。较大的变形则应由扇形支承板来承担。
图7-9所示为水导轴承，其为球面轴承。通过球面支承可以直接承受轴挠度引起的大小位移。
图7-9 球面导轴承
1- 球面座；2-球面支撑；3-绝缘层；4-轴瓦；5-轴承盖；6-油封圈；7-温度计8-O 形密封圈
五、组合轴承
如图7-5所示，对于双支点结构的灯泡机组，以电机侧的导轴承与正反方向推力轴承组合在一起成为承受径向力又受力轴向力的组合轴承，图7-10为组合轴承结构图。
发电机导轴承是承受发电机转子和偏心磁拉力等所引起的径向力。由于发电机转子为悬臂结构，为适应轴线倾斜，在导轴承与轴承支承环的组合面上设有配合片，根据轴线计算的挠值来选择配合片的楔形厚度。
推力轴承设有正反向推力瓦。正反向推力瓦可以互换，每块瓦通过抗重螺丝支承在分两瓣的轴承壳上。正反向推力瓦面与镜板之间的总间隙为0.3~0.5mm。间隙的调整可以在轴承壳体外通过修刮调整垫片来实现。
图7-10 组合轴承结构
1-顶轴千斤顶；2-发电机导轴瓦；3-轴承支持环；4-配合垫片；5-发电机导轴承壳体；6-反推力瓦；
7-护板；8-推力环；9-正推力瓦；10-推立轴承壳体；11-抗重螺钉；12-主轴
为便于轴线调整，组合轴承内设有千斤顶也可用在安装时支承主轴。
由于主轴挠度计算以及轴承支承环安装精度难以保证，配合片的配置比较困难。因此，组合轴承中的导轴承采用球面支承结构，用球面支承来适应主轴挠度的变化。
另外，为解决正反向推力瓦受力调整和适应主轴挠度引起的推力瓦对中偏移，受力分配不均等问题，可采用支柱螺丝加托盘的结构方式。
第三节 冲击式水轮机的特点与分类
一、冲击式水轮机的特点
冲击式水轮是借助于特殊的导水机构（喷管）引出仅具有动能的自由射流，冲向转轮水斗，使转轮旋转做功，从而完成将水能转换成机械能的一种水力原动机。与反击式水轮机不同，在冲击型水轮机工作过程中，水流的压力（通常为大气压力）并不发生变化，而仅是速
度改变了。也就是说冲击式水轮机仅利用水流的动能。对于高水头电站，特别是在500m 以上的水电站，因受气蚀和磨蚀等条件的限制，一般很少采用混流式，而多数采用冲击式。
图7-11为装设这类水力装置变化图。上游的水在水轮机喷嘴前的水管内产生很大的压V 力，靠喷嘴将此压力转变为自由射流的动能0。射流在转轮前和机壳内的压力通常均为2g
大气压力。水流能量的改变全在于动能的减小。
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图7-11冲击型水轮机水力装置图
从图中还可看出，喷嘴轴线到下游水面之间的那段水头未被利用而损失了。因此，冲击型水轮机的工作水头是由上游水面到喷嘴轴线之间扣除了管道损失的水头。
下面我们通过与反击式水轮机进行对比来进一步说明冲击式水轮机的特点。
实际上，不管是反击式水轮机还是冲击式水轮机，当工作水流进入水轮机转轮后，均是利用水流和转轮叶片之间的作用力与反作用力原理，将水流能量传给转轮，使转轮连同水轮机轴一起旋转做功释放机械能。因此，两类水轮机只是习惯上延用的名词不同，而它们的工作原理是完全相同的。对于水轮机基本方程，既适用于反击式水轮机，也适用于冲击式水轮机。然而，冲击式水轮机和反击式水轮机仍存在着一些本质的区别和各自的特点。除了前面已述的在水能利用方式上的差异外，还有以下不同特点。
1．冲击式水轮机中，喷管（相当于反击式水轮机的导水机构）的作用是：引导水流，调节流量，并将液体机械能转变为射流动能。而反击式水转机的导水机构，除引导水流调节流量外，在转轮前形成一定的旋转水流，以满足不同比转速水转机对转轮前环量的要求。
2．在冲击式水轮机中，水流自喷嘴出口直至离开转轮的整个工作过程，始终在空气中进行。则位于各部位的水流压力保持不变（均等于大气压力）。它不像反击式水轮机那样，在导水机构，工作轮以及转轮后的流道中，水流压力是变化的。故冲击式水轮机又称无压式水轮机，而反击式水轮机，称之为有压式水轮机。
3．在反击式水轮机中，由于各处水流压力不等，并且不等于大气压力。故在导水机构，转轮及转轮后的区域内均须有密闭的流道。而在冲击式水轮机中，就不需要设置密封的流道。
4．反击式水轮机必须设置尾水管，以恢复压力，减小转轮出口动能损失和进一步利用转轮至下游水面之间的水流能量。而对冲击式水轮机，水流离开转轮时流速已很小，又能常处在大气压力下，因此不需要尾水管。从另一方面讲，由于没有尾水管，使冲击式水轮机比反击式少利用了转轮至下游水面之间的这部分水能。
5．反击式水轮机的工作轮淹没在水中工作，而冲击式水轮机的工作轮是暴露在大气中工作，仅部分水斗与射流接触，进行能量交换。并且，为了保证水轮机稳定运行和具有较高的效率，工作轮水斗必须距下游水面有足够的距离（即足够的排水高度和通气高度）。
6．在冲击式水轮机中，因工作轮内的水压力不变，故有可能将工作轮流道适当加宽，使水流紧贴转轮叶片正面，并由空气层把水流与叶片的背面隔开。这样，可使水流不沿工作轮的整个圆周进入其内，而仅在一个或几个局部的地方，通过一个或几个喷嘴进入工作轮。由于工作叶片流道仅对着某个喷嘴时被水流充满，而当它转到下一个喷嘴之前，该叶片流道中的水已倾尽，故水流沿叶片流动不会发生混乱。
7．冲击式水轮机的工作轮仅部分水斗工作，故水轮机过流量较小，因而在一定的水头和工作轮直径条件下，冲击式水轮机的出力比较小。另外，冲击式水轮机的转速相对比较低（这是由于转轮进口绝对速度大，圆周速度小），出力小，导致了较低的比转速，故冲击式水轮机适用于高水头小流量场合。
另外，冲击式水轮机依靠喷嘴和针阀控制射流大小，调节水轮机流量，并由针阀和分流器（又称截流器，偏流器）或折向器进行协联操作，实现双重调节，可改善长引水管中的水锤作用，使机组运行平稳，安全可靠。对于装有两个以上喷嘴的冲击式水轮机，在运行过程中，根据系统负荷的大小，可随时切换投入工作的喷嘴数目，使机组运行灵活，操作方便。冲击式适用于高水头小流量的水力条件，是19世纪后期，随着水工技术的不断发展，人们已能建造高的水坝和采用高压钢管来集中和输送水能后才发展起来的。
二、冲击式水轮机的分类
在冲击式水轮机中，以工作射流与转轮相对位置及射流做功次数的不同，可分为切击式水轮机、斜击式水轮机和双击式水轮机。
图7-12 切机式水轮机结构示意图
1-喷嘴；2-针阀；3-喷针移动机构；4-转轮；5-外调节机构；6-机壳
切击式水轮机，如图7-12所示，其工作射流中心线与转轮节圆相切，故名切击式水轮机；其转轮叶片均由一系列呈双碗状的水头组成，故又称水斗式水轮机。
切击式水轮机是目前冲击式水轮机中应用最广泛的一种机型。其应用水头一般为300~2000m，目前最高应用水头已达1771.3m （澳大利亚的列塞克——克罗依采克水力蓄能电站，水轮机出力N =22.8MW）。水斗式水轮机的装置方式分为立轴和卧轴两种。立轴水斗式水轮机一般每根轴上只装一个转轮，每个转轮可配置两个、三个或四个喷嘴，如图
7-13
图7-13 立轴水斗式水轮机
(a ) 两个喷嘴；(b ) 三个喷嘴；(c ) 四个喷嘴；(d ) 六个喷嘴
所示。卧轴水斗式水轮机一根轴上可装一个或两个转轮，每个转轮可配置1~2个喷嘴，如图 7-14所示。
斜击式水轮机，其主要工作部件与切击式水轮机基本相同，只是工作射流与转轮进口平
图7-14 卧轴水斗式水轮机
(a ) 单轮单喷嘴；(b ) 双轮双喷嘴
面是某一角度a ，射流斜着射向转轮，如图7-15所示。斜击式水轮机适用于水头在35~350m，轴功率10~500KW，比转速n s 18~45的中小型水电站，我国从1968年开始研究斜击式水轮机，近年来取得了一定的成绩，有一些中小型制造厂已开始生产并投入使用。
图7-15 斜击式水轮机射流、转轮工作示意图
双击式水轮机，水流先从转轮外周进入部分叶片流道，付出大约70%~80%的动能，然后离开叶道，穿过转轮中心部分的空间，又二次地入转轮另一部分叶道又付出余下的大约20%~30%的动能。这种水轮机效率低，一般只用于H
图7-16双击式水轮机结构示意图
第四节 切击式水轮机的基本结构
切击式水轮机的结构，如图7-17所示，主要由进水管、喷管、转轮，外调节机构，副喷嘴，机壳和排水坑渠道组成。其工作过程是：水由引水管引入喷管，从喷管射出作用在转轮上，水经排水坑渠流向下游。转轮将水能转变为机械能，再通过发电机转变为电能。当外
负荷变化时，如负荷降低，调速器动作，一方面操作外调节机构（折向器或分流器）截断一部分水流，另一方面调节喷嘴开度减小流量，使其与外负荷的变化相适应，在水轮机停机过程中，当转速下降到一定程度时，由射流制动器将水流喷射至水头背面，迫使水轮机停止转动。
下面分别介绍一下切击式水轮机的几个重要组成部分。
1．进水管
图7-18为现代水斗式水轮机进水管的几种主要型式。由图可知，水斗式水轮机的进水管均由直线段，肘管、分叉管、环形收缩流道和导流体组成。多喷嘴水头式水轮机的进水管
图7-17 卧式双喷嘴水斗式水轮机结构图
1-进水管；2-喷管；3-转轮；4-外调节机构；5-副喷嘴；6-机壳
是一个具有极度弯曲和分叉的变断面输水管，并在装有喷射机构的区域内设有导流体。
进水管的作用是引导水流，并将过机流量均匀分配给各喷管。为此，要求进水管主干管部分和叉管处的水流速度相等。并以此来确定进水管的断面尺寸，故进水管的断面尺寸自进口至出口逐渐减小呈收缩状。进水管的断面形状有圆形和椭圆形两种，椭圆形断面的进水管具有较好的水力特性，但加工困难，强度性能又不如圆形断面。
图7-18 切击式水轮机进水管方案
(a ) 、(b ) 为卧式双喷嘴；(c ) ～(e ) 为立轴6喷嘴
2．喷管
喷管结构如图7-19所示，主要由喷嘴，喷针（又称针阀）和喷针移动机构组成。
图7-19外控式喷嘴机构
1-缸体；2-填料压盖；3-喷嘴座；4-填料盒；5-填料；6-针杆；7-喷嘴口环；8-折向器；
9-销杆；10-喷针；11-喷针座；12-喷嘴；13-喷管；14-杆体；15-喷管弯段
其作用：（1）将水流的压力势能转换为射流动能，则当水由进水管流进喷管时，在其出口便形成一股冲向转轮的圆柱形自由射流；（2）起着导水机构的作用。当喷针移动时，即可以渐渐改变喷嘴出口与喷针头之间的环形过水断面面积，因而可平稳地改变喷管的过流量及水轮机的流量和功率。为了较好的完成这些功能，要求喷射机构的喷针轴线与喷射机构轴线重合。喷针沿此轴线移动，且喷嘴头内壁应具有收敛形的圆形断面。在关闭位置，喷针能封闭住喷嘴的出口孔，喷嘴头断面尺寸的确定必须满足：使流量按喷针行程而平稳的改变；使喷针在任何位置时，水流速度均沿着流线方向平稳的增加，并在出口处达到最大值。与此同时，从结构观点出发，希望喷针的最大行程尽可能地小。实际上，喷嘴头的断面尺寸是按喷
嘴头入口，出口孔径结构，喷针传动机构的传动方式和已有喷嘴的资料来确定。喷针移动机构，就像一个简单的接力器，喷针的移动靠喷针移动机构来实现。
目前，常见的喷管型式主要有外控式喷管（图7-19）和内控式喷管（图7-20）两种。 前者结构简单，检修维护方便，但喷针操作杆长，操作杆在喷管内影响水流流动，增加管内的水力损失；后者结构紧凑，喷管内水力条件好，水力损失小，效率高。根据试验其效率比外控式高0.2%~0.3%。
图7-20 内控式喷射机构
3．转轮
转轮是水轮机实现能量转换的最基本工作部件。其结构如图7-21所示。
它由轮辐及由若干呈双碗形状的水斗组成。转轮每个斗叶的外缘均有一个缺口（图7-22），缺口的作用则使其后的斗叶不进入先前射流作用的区域，并且不妨碍先前的水流。
图7-21转轮结构图
承受绕流射流作用的凹面称为斗叶的工作面。斗叶凸起的外侧表面称为斗叶的侧面。位于斗叶背部夹在两水头之间的表面称为斗叶的背面。两水斗间的工作面的结合处称为斗叶的进水边（又称分水刃）。进水边在斗叶的横剖面上为一锐角。缺口处工作面与背面结合处称为斗
图7-22 水斗式水轮机的转轮叶片
（B -宽度；L -长度；h -深度）
1- 工作面；2-切水刃；3-侧面；4-尾部；5-出水边
6-进水边；7-横向筋板；8-纵向筋板9-背面
叶的切水刃。水斗工作面与侧面间的端面称为斗叶的出水边。
转轮材料则随着水轮机应用水头的提高而提高材料等级。一般当：
H
H =200~500m时，采用碳素铸钢或低合金铸钢；
H =500~1000m时，采用低合金铸钢或不锈钢；
H >1000m时，采用不锈钢。
4．外调节机构
当机组突然甩掉负荷时，为了不使机组处于飞逸状态，需要在很短时间内减少水轮机的流量，对高水头的水斗式水轮机来讲，迅速关闭针阀会在引水管内产生很大的水锤。为了解决上述矛盾，一般在水轮机喷嘴头部的机壳上均装有外调节机构（如折向器或分流器），如图7-23所示。
其作用控制已离开叶嘴后的射流大小和方向。当机组负荷骤减或甩负荷时，具有双重调节的水轮机调速器，一方面操作喷针接力器，使喷针慢慢向关闭方向移动，同时又操作外调节机构接力器，使外调节机构快速投入，迅速减小或全部截断因针阀不能立即关闭而继续冲向转轮水斗的射流，解决了因针阀不能及时关闭而使机组转速上升过高的问题。当然，针阀
图7-23 外调节机构作用示意图
(a ) 折向器；(b ) 分流器
与折向器或分流器的行程要保持协联关系，使针阀在任何开度下，外调节机构的截流板都位于射流水柱边缘，以达到快速偏流或截流的作用。
常用的外调节机构有折向器和分流器（图7-23）。在此需指出：折向器和分流器的结构与作用均略有不同。折向器在需要时，可以把整个射流折出转轮外；而分流器一般不是将整个射流而是将其大部分或小部分偏离转轮水斗。与分流器相比，折向器在引开整个射流时仅需较小位移，其承受的振动也较小，在高水头时不会很快损坏。若要求分流器将全部射流从转轮上引开，分流器所需转动的角度较折向器大2~2.5倍。故分流器的快速作用能力低于折向器。但是，采用折向器将导致增加自喷嘴口至射流进入转轮斗叶处之间的距离，这会在某种程度上降低水轮机的能量指标，而分流器无此问题。分流器角行程的增加及截流时间的增加，这就允许控制杆件系统及协联关系的精度要求低些。具体选用时，可根据试验中所测定的力特性和能量特性及电站具体情况综合分析比较确定。也有既采用折向器又采用分流器的情况。
实际上，水斗式水轮机中对折向器的采用是相当普遍的。常用的折向器有三种型式，如图7-24所示。其中折向器(a ) 型是自下向上折水的结构，其特点是可以使喷嘴安装在与水头
图7-24 折向器
号距离最近的位置，从而减小射流风损，提高水力效率。其缺点是必须走到最高点，才能折
去全部射流，调整时间长。(b ) 型是自上向下折水的结构，其特点是只要切入一部分，就能使射流不冲到水斗上，便于达到调节要求，结构也简单，是近代水斗式水轮机上采用比较广泛的一种。(c ) 型折向器切入射流后，使射流分为两段，其一段冲向水斗背面，起制动作用， 对降低速率上升有利，但因结构比(b ) 型较为复杂，调整也较麻烦，使用不广泛。
折向器动作时间为2~3秒，迅速地使射流折向或切断，此时喷针慢慢关闭（时间约
20~40
图7-25防飞逸反射器简图
(a ) 单喷嘴水轮机；(b ) 喷嘴按120°布置的水轮机
1-外调机构；2-喷嘴；3-反射器
秒关闭全行程），或根据负荷情况，将流量减少到相应的数值，达到新的平衡状态。由于射流直径改变，折向器也停留在新的位置上。为了不使效率降低，折向器应不碰到射流，一般保持2~4mm的距离，以便负荷较大幅度减小时，折向器能很快地动作。
5．副喷嘴（反向制动喷嘴）和防飞逸反射器
副喷嘴的作用有两个：（1）在机组正常停机过程中，一般不允许机组低速长时间运转。当机组转速降低到一定程度时（通常为额定转速的30%~40%），为使机组能很快停下来，即打开副喷嘴，从副喷嘴引出的射流直接冲向转轮水斗背面，形成作用于转轮的一个与旋转方向相反的制动力矩。机组在该力矩作用下迅速停止运转；（2）当机组突然甩负荷调节系统又失灵的情况下，副喷嘴即投入工作。从副喷嘴引出一股射流直接冲向水斗背面，形成制动力矩，这样可避免机组转速急剧上升以至机组发生飞逸。制动喷嘴可以自动或手动开启。为防止转轮反转，装设有专门的联锁装置。
此外，有时还采用防飞逸反射器来抑制机组甩负荷时的转速上升。防飞逸反射器（图7-25）一般安装在：当水轮机转速提高后，未能进入斗叶的射流将会射入的地方。防飞逸反射器使射流转向与转轮旋转方向相反的方向，并射向水斗时的背面，从而阻止机组转速的上升。
6．机壳
机壳是水斗式水轮机的一个重要部件，它除了把水斗排出的水引至排水坑渠外，还是一个受力部件，这是因为在其上装有喷管和轴承（立轴机组）等部件，如图7-26所示，卧轴式机组的轴承支座也和机壳连在一起，所以要求机壳有良好的强度，刚度和耐震性。对于大
图7-26机壳
容量的水斗式水轮机，机壳往往和压力水管焊接在一起，而喷管的水压力直接由混凝土来承受，此时，机壳就可以用薄钢板焊接而成。另外，机壳的形状和尺寸对水斗式水轮机的效率也有一定影响。设计时应确保将转轮中排出的不再做功的水排至下游而不溅落在转轮和射流上。机壳必须保证有足够的空间，若机壳宽度过小，从水斗排出的水流撞到机壳壁上，再反射到转轮周围形成雾状水滴会增加转轮旋转时的阻力损失。若宽度过大，则又增加了水轮机的外形尺寸。机壳内的压力要求与大气相当，为此，往往在转轮中心附近的机壳上开设有补气孔，以消除局部真空。机壳的形状应有利于转轮出水流畅，不与射流相干扰。
机壳上一般开有进人门孔，机壳下部应装设有静水栅，以消除排水能量，避免对尾水渠道的冲刷，静水栅要求一定的强度，可作为机组停机观察和检修时的工作平台，静水栅一般可安装在距离转轮最低点的1.5~2.0m处。
复习题
1． 贯流式水轮机的特点是什么？
2． 贯流式水轮机的类型有哪些？
3． 灯泡贯流式水轮机有哪些优点？
4． 简述灯泡贯流式水轮机基本组成部分。
5． 灯泡贯流式机组的布置形式有几种，各自的适用条件是什么？
6． 灯泡贯流式机组与立式机组有何区别，相比较其优点是什么？
7． 冲击式水轮机的特点是什么？
8． 冲击式水轮机的类型有哪些？
9． 试说明冲击式水轮机适合高水头的原因？
10．喷管的作用是什么，其型式有几种？
11．折向器和分流器的作用是什么，二者有何区别？
第七章 贯流式水轮机与冲击式水轮机
本章教学要求：
1. 掌握贯流式水轮机的特点和类型；
2. 熟悉灯泡贯流式水轮机基本结构；
3. 掌握冲击式水轮机的特点与类型；
4. 熟悉切击式水轮机的基本结构。
第一节 贯流式水轮机的特点与分类
一、贯流式水轮机的特点
贯流式水轮机是开发低水头水力资源的一种新型机组，适用于25m 以下的水头。这种
机型流道呈直线状，是一种卧轴水轮机，转轮形状与轴流式相似，也有定桨和转桨之分，由
于水流在流道内基本上沿轴向运动不拐弯，因此较大的提高了机组的过水能力和水力效率。
此外，与其它机型相比，它还有其它一些显著特点：
（1）从进水到出水方向轴向贯通形状简单，过流通道的水力损失减小，施工方便，另
外它效率较高，其尾水管恢复功能可占总水头的40%以上。
（2）贯流式机组有较高的过滤能力和比转速，所以在水头与功率相同的条件下，贯流
式的要比转桨式的直径小10%左右。
（3）贯流式水轮机适合作了逆式水泵水轮机运行，由于进出水流道没有急转弯，使水
泵工况和水轮机工况均能获得较好的水力性能。如应用于潮汐电站上可具有双向发电，双向
抽水和双向泄水等六种功能，很适合综合开发利用低水头水力资源，另外在一般平原地区的
排灌站上可作为可逆式水泵水轮机运行，应用范围比较广泛。
（4）贯流式水电站一般比立轴的轴流式水电站建设周期短、投资小、收效快、淹没移
民少，电站靠近城镇，有利于发挥地区兴建电站的积极性。
二、贯流式水轮机的分类
根据贯流式水轮机机组布置形式的不同可将其划分为以下几种形式：
1．轴伸贯流式
这种贯流式水轮发电机组基本上采用卧式布置，水流基本上沿轴向流经叶片的进出口，
出叶片后，经弯形（或称S 形）尾水管流出，水轮机卧式轴穿出尾水管与发电机大轴连接，
发电机水平布置在厂房内。
轴伸贯流式机组按主轴布置方式可分成前轴伸、后轴伸和斜轴伸等几种，如图7-1所示。
这种贯流式机组与轴流式相比没有蜗壳、肘形尾水管，土建工程量小，发电机敞开布置，易
于检修、运行和维护。但这种机组由于采用直弯尾水管，尾水能量回收效率较低，机组容量
大时不仅效率差，而且轴线较长，轴封困难，厂房噪音大都将给运行检修带来不方便。所以
一般只用于小型机组。
2．竖井贯流式
这种机组主要特点是将发电机布置在水轮机上游侧的一个混凝土竖井中，发电机与水轮
机的连接通过齿轮或皮带等增速装置连在一起如图7-2所示。
图7-1 轴伸贯流式水轮机组剖面图
(a ) 、前伸轴；(b ) 、后伸轴；(c ) 、斜伸轴
该机组除具有一般贯流式水轮机的优点外，因发电机和增速装置布置在开敞的竖井内，
通风、防潮条件良好，运行和维护方便，机组结构简单，造价低廉。例如福建省幸福洋潮汐
电站建于80年代末，采用竖井式机组，单位千瓦投 资为2107元。如果采用灯泡式机组，
单位千瓦投资将达到4760元，是竖井式的2. 26倍。由于竖井式具有以上优点，所以广泛应
用于小型电站机组上。这种机组的缺点为因竖井的存在把进水流道分成两侧进水，增加了引
水流道的水力损失，一般竖井式机组的水力效率比灯泡式的要降低3%左右，如果要作为反
向发电，其效率下降更多。单机容量较大时, 一般不采用此种机组，以采用灯泡贯流式机组
为宜。
图7-2 竖井贯流式机组剖面图
3．灯泡贯流式
这种机组的发电机密封安装在水轮机上游侧一个灯泡型的金属壳体中，发电机主轴与水
轮机转轮水平连接。水流基本上轴向通过流道，轴对称流过转轮叶片，然后流出直锥形尾水
管，参见图1-11所示。机组的轴系支承结构、导轴承、推力轴承都布置在灯泡体内。由于
贯流式机组水流畅直，水力效率比较高，有较大的单位流量和较高的单位转速，在同一水头，
同一出力下，发电机与水轮机尺寸都较小，从而缩小了厂房尺寸，减少土建工程量。但是发
电机装在水下密闭的灯泡体内，给电机的通风冷却、密封、轴承的布置和运行检修带来困难，
对电机的设计制造提出了特殊要求，增加了造价。即使如此它与立式轴流式机组相比仍具有
明显的优点。灯泡式机组虽然是一种新型机组，但近20年来也积累了许多成功的经验，并
逐渐向较高水头和较大容量发展，在国内外得到了广泛应用。
4．全贯流式
这种机组采用卧式布置，发电机的转子磁极与水轮机的转轮叶片合为一体，发电机磁极
直接安装在水轮机叶片的边缘上，密封隔离磁极与流道内的水流，防止渗漏，参见图1-8。
该机型主要特点为：取消了水轮机与发电机的传动轴，缩短了轴线尺寸，结构紧凑，厂
房尺寸减小，使整个工程造价降低，而且增大了机组的转动惯量，有利于机组的稳定运行。
但叶片与发电机转子连接结构比较特殊，制造工艺要求很高，转子轮缘密封复杂且不可靠。
虽然在上世纪五十年代就出现了这样的机组，但至今未得推广。当前某些外国公司，在密封
结构型式和材料等方面的研制工作已取得进展，并已将这种机型应用在某些大型潮汐水电站
上。目前，我国对全贯流式水轮机尚处于试验研究阶段。
5．其它形式
贯流式水轮机除了以上几种型式外，还有明槽式和虹吸式等。其特点类似于轴伸式水轮
机：容量不大，应用水头较低，机组结构简单，发电机布置在水面以上，运行、安装、检修
较为方便。同轴伸贯流式机组一样，通常只用于小型水电站上。
我国对贯流式水轮机的研究起步较晚，且进展缓慢。除灯泡贯流式机组已有大型机组外，
其他各类贯流式机组的单机规模基本上还限于小型，同时各类贯流式水轮机的转轮品种很
少。因此贯流式水轮机的型谱尚未正式编制出来。现参考国外有关资料列出各类贯流式水轮
机的适用范围于表7-1，供使用中参考。表7-1仅是根据一般情况分类，实际应用时各类水
轮机根据不同的叶片数尚可具体划分水头应用范围。国内一般认为灯泡贯流机组的应用尚受
到灯泡直径的限制，即认为当水轮机转轮直径D ≤2.5m 时灯泡空间进人比较困难，应考虑
选用其他形式的贯流式机组或改用整装灯泡贯流式机组。
表7-1 贯流式水轮机适用范围
第二节 灯泡贯流式水轮机的基本结构
灯泡贯流式水轮机适用水头范围广，效率高，较其它类型贯流式机组有突出的优点，因
而在国内外得到广泛应用，当前国内已有大型机组出现。
灯泡贯流式机组的结构比较复杂，其总体布置大致有两种布置方式：一是以管形壳为主
要支撑的布置方式；二是以水轮机固定导叶（座环）为主要支撑的布置方式。两种方式各有
特点，现分别予以叙述。
一、以管形壳为主要支撑的布置方式
如图7-3所示，以管形壳为主要支撑方式的布置，整台机组的受力主要通过管形壳传递
至厂房基础。发电机灯泡头下的球面支承主要是用来平衡灯泡头定子部分所引起的浮力。发
电机定子两侧的支座是为了防止机组在运行中引起振动。整台机组以两支点为主要方式，即
水轮机端通过水导轴承，发电机端通过组合轴承将机组转动部分的受力传递至管形壳，再传
至厂房基础。发电机灯泡头下的球面支承允许发电机灯泡头和定子有微小的位移，一般为
1mm 。这样，整台机组结构比较轻巧，受力也简单明了，易于计算。
由图7-3可知，灯泡体内的水轮机端，可由管形壳内爬梯进人。灯泡体内的发电机端可
由发电机进人孔进入。由于灯泡头允许有微小的移动，故发电机进人孔与发电机盖板之间的
结构也是允许进人孔的竖井可以有微小的移动。
发电机下盖板为多孔结构，主要是增加在水流通过时的阻力。也就是当机组关机所形成
的水锤，通过多孔结构的减压，使发电电机盖板的结构可以轻巧一些。
机组安装时，灯泡头和发电机定子转子等可以从发电机盖板孔中吊入。
机组主轴（包括组合轴承和导轴承）、转轮等均可从转轮室打开后吊入。
图7-3灯泡式水轮机组总图
1-内管形壳；2-外管形壳；3-前锥体；4-人孔管；5-框架；6-盖板；7-导水板；8-导流板；9-排水阀；10-转轮室；11-吸出管；12-外配水环；13-内配水环；14-导水锥；15-导叶外轴承；16-导叶内轴承；17-拐臂；18、19-连杆；20-控制环；21-关闭重锤；22-转轮体；23-叶片；24-泄水锥；25-轴承支持环；26-组合轴承；27-转轮侧导轴承；28-叶片回复装置；29-受油器；30-发电机定子；31-转子；32-冷却套；33-灯泡头；34-中间台板；35-人孔；36-梯子；37-膨胀水箱；38-基础支撑；39-出人通道；40-导风洞；41-扇形隔板；42-油箱；
43-排水管
5
机组检修时，上游流道内的水可通过打开排水阀经排水管排至集水廊道。下游尾水管内的积
水也可通过排水管排至集水廊道。
二、以固定导叶（座环）为主要支撑的布置方式
由图7-4所示，灯泡机组主要通过固定导叶（座环）将转动部分、定子等的受力传至厂
房基础。发电机灯泡头（机壳体）的受力由发电机进入孔（上支柱）和下支柱来承受。其组
合轴承双向推力轴承和发电机导轴承所承受的力，可由拉杆直接传至厂房基础。其受油器位
于发电机转子与转轮之间，因而需设发电机轴和水轮机轴。
图7-4 以固定导叶（座环）为主要支撑的灯泡贯流机组
1-机壳可拆前盖；2-机壳体；3-下支柱；4-发电机转子；5-座环；6-水轮机主轴；7-圆锥式导水机构；
8-接力器；9-转轮；10-锥管；11-尾水管；12-基础环；13-转轮室；14-水轮机主轴；15-受油器；16-发电机
定子；17-拉杆；18-中环；19-上支柱；20-双向推立轴承；21-发电机轴承；22-发电机轴
由于灯泡头与发电机进人孔都是预埋的，故安装时的发电机定子和转子均从其上方的发
电机盖板吊入。水轮机转轮可从转轮室打开后吊入。
对于大型灯泡贯流机组，应选用三轴承结构。如图7-5所示。
图7-5 三轴承布置的灯泡机组
1-受油器；2-定子冷却水进口；3-发电机轴；4-灯泡头；5、19-发电机轴承；6-发电机定子；7-发电机转子；8-推力轴承；9-水轮机内座环；10-水轮机座环；11-锥形导水机构；
12-水轮机轴；13-水导轴承；14-操作油管；15-转轮室；16-转轮；17-转轮接力器；18-集油槽
7
发电机转子两端设导轴承。推力轴承位于下游。水轮机导轴承仍位于水轮机端。其主要支撑由水轮机座环来承受。发电机进人孔为斜向布置。在发电机上方设发电机盖板，以利吊入发电机定、转子等。水轮机上方设有可卸的转轮室，以利安装。
以固定导叶（座环）为主要支撑的布置方式，其受力方式较为复杂，而且结构比较笨重。目前的灯泡式机组的布置，均推荐采用管形壳为主要支撑方式。
灯泡贯流式机组的主要部件可大致分为以下几个部分：
一、埋设部件
包括尾水管里衬、管形壳（内壳体，外壳体）发电机进人框架、盖板、墩子盖板，接力器基础以及下部支承，侧向支承基础板等。
1．尾水管里衬
大型灯泡机组的尾水管里衬，一般分成3~7节，运到现场后再拼焊成整体。如管形壳与尾水管里衬一起安装，则对尾水管的基础环法兰面要求可低一些。因为机组的高程、中心，水平均以管形壳的法兰面为基准。如管形壳晚安装，先装尾水管里衬，以便厂房先盖起留下机坑，则对尾水管基础环的要求高些。大型灯泡机组尾水管基础环是分节运至工地后再拼焊成整体。故在现场拼焊时应用仪器监视变形，以免波浪度超差。
2．管形壳
管形壳分为外壳体及内壳体。外壳体由上、下部分，四块侧向块和前锥体组成。内壳体由上、下两半组成。外壳体上游面与发电机进人孔的框架，墩子盖板连接。下游面与外导水环连接。内壳体的上游面与定子机座连接，下游面与内导水环连接。
管形壳的结构应满足受力要求。先根据机组的外部荷载，确定管形壳的受力情况，然后参考已有相近机组的结构尺寸定出机组管形壳的结构，再按受力分析对各部位进行校核，使其刚、强度均能满足规范要求。
3．发电机进人孔的框架、盖板
发电机进人孔的框架、盖板，是为了安装检修时吊入发电机定、转子，主轴和灯泡头等部件，并可固定发电机进人孔竖井。大型灯泡机组的发电机盖板还分为盖板和下盖板。下盖板为多孔板，目的是减少甩负荷升压时对盖板的升压值。对于能正、反向运行的灯泡机组，框架基础应考虑在反向运行紧急停机时的反水锤压力。框架基础板宜与管形壳的内壳体焊为整体。
4．球面支承与侧向支承
灯泡头下的球面支承是承受灯泡头、定子等部件的重量，在充水后承受浮力。并允许灯泡体有微小的位移（小于1mm ），这可减轻灯泡体的结构。设立侧向支承的目的是可以承受灯泡体的侧向力，并可防止灯泡体在运行时产生振动。
5．围板
在发电机下部支墩与定子外壳之间设立围板，其目的是为了导向水流，并可减少运行中水的阻力。围板下部用螺栓与支墩相连。上部随定子外壳切割而成。
二、导水机构
灯泡机组的导水机构与立式机组不同，为锥形导水机构。其部件由控制环、连杆、拐臂锥形导叶和内、外导水环等组成，各部分结构请参考图7-6。
为防止机组飞逸，在控制环的右侧设有关闭重锤。当调速器失去油压时，可依靠重锤所形成的关闭力矩，加上导叶水力矩有自关趋势，能可靠的关闭导叶。
但在有油压而调速器的主配压阀卡住时，难以实现快速关闭。因此应设置事故配压阀。当主配压阀卡住时，高压油可直接通过事故配压阀进入接力器，从而关闭导叶。
内外导水环均为球面结构，导叶两端面亦为球面，这样能保证导叶在转动时能有效的封水。
图7-6 锥形导水机构
1-内导水环；2-轴销；；3-控制环；4-剪断销；5-连杆；
6-拐臂；7-活动导叶；8-外导水环；9-轴套；10-转轮室
由于导叶担负着在转轮前，导叶后的水流形成转轮所需要的环量，故导叶形状为空间扭曲面。为保证导叶间在关闭时能有效的封水，除要求两端面的间隙较小外（一般为0. 6~1. 2mm ），还要求导叶的立面间隙较小，一般为0. 2mm 。需要将空间扭曲的导叶按锥形要求加设立面密封。
三、转轮与转轮室
灯泡式水轮机转轮，按叶片操作方式，可采用活塞套筒式，操作架式和缸动方式等结构。图7-7为缸动方式的结构，也就是活塞不动，活塞缸带动连杆、转臂，操作叶片转角度。这种结构简单，安装方便。
转轮叶片一般采用不锈钢制造。常用材质为ZG0Cr 13Ni 4MO ，ZGOCr 13Ni 6MO 和ZGOG r16Ni 15等。
图7-7 转轮结构（缸动结构）
1-转轮体；2-联杆；3-转臂；4-叶片；5-活塞缸；6-活塞；
7-泄水锥；8-泄水锥头；9-操作油管；10-水封
为防止叶片与转轮室间的间隙空蚀，设有抗空蚀边。
为防止水进入转轮体腔内，一般设有重力油箱，其高程使进人转轮体腔内的油压略高于外部水压力。
转轮的叶片与转轮体间设有密封，常用的有 形和 形密封。轮轮叶片的操作油压常用为40MPa 。转轮在正式吊入机坑前，组装好的转轮应做耐压试验，要求每小时转动叶片2~3次，检查叶片密封处有无漏油现象，一般允许有滴状渗油现象。
转轮室分上下两瓣。上部设有观察孔，下部设有进人孔，以利检修。为防止汽蚀，一般在上半部1/4圆周上堆焊不锈钢或用不锈钢整铸。
四、水导轴承
水轮机导轴承位于水轮机转轮侧。由于水轮机转轮为悬臂形式，故要求水导轴承除承受径向力外，还应适应悬臂引起的挠度（转角）变化。目前适应以上要求的导轴承结构有两种：一是图7-8所示结构，二是如图7-9所示的结构。
图7-8 水轮机侧导轴承
由图7-8可知，水导轴承分两瓣。上部两边各留一段巴氏合金以封住油。径向力通过轴承的凸缘和扇形支承板传至管形壳。安装时，先根据厂家设计计算提供的尺寸和管形壳安装的实际位置来调整轴线。轴线调整好后再加工扇形支承与连接法兰凸缘之间的配合片。为适应轴的倾斜位移，法兰凸缘与扇形支承连接时的套管应比凸缘长0.2mm ，套管外径应比凸缘螺孔直径小2mm 。这样，在运行时主轴产生较小的挠度变形，可由法兰凸缘和轴承套管来承受。较大的变形则应由扇形支承板来承担。
图7-9所示为水导轴承，其为球面轴承。通过球面支承可以直接承受轴挠度引起的大小位移。
图7-9 球面导轴承
1- 球面座；2-球面支撑；3-绝缘层；4-轴瓦；5-轴承盖；6-油封圈；7-温度计8-O 形密封圈
五、组合轴承
如图7-5所示，对于双支点结构的灯泡机组，以电机侧的导轴承与正反方向推力轴承组合在一起成为承受径向力又受力轴向力的组合轴承，图7-10为组合轴承结构图。
发电机导轴承是承受发电机转子和偏心磁拉力等所引起的径向力。由于发电机转子为悬臂结构，为适应轴线倾斜，在导轴承与轴承支承环的组合面上设有配合片，根据轴线计算的挠值来选择配合片的楔形厚度。
推力轴承设有正反向推力瓦。正反向推力瓦可以互换，每块瓦通过抗重螺丝支承在分两瓣的轴承壳上。正反向推力瓦面与镜板之间的总间隙为0.3~0.5mm。间隙的调整可以在轴承壳体外通过修刮调整垫片来实现。
图7-10 组合轴承结构
1-顶轴千斤顶；2-发电机导轴瓦；3-轴承支持环；4-配合垫片；5-发电机导轴承壳体；6-反推力瓦；
7-护板；8-推力环；9-正推力瓦；10-推立轴承壳体；11-抗重螺钉；12-主轴
为便于轴线调整，组合轴承内设有千斤顶也可用在安装时支承主轴。
由于主轴挠度计算以及轴承支承环安装精度难以保证，配合片的配置比较困难。因此，组合轴承中的导轴承采用球面支承结构，用球面支承来适应主轴挠度的变化。
另外，为解决正反向推力瓦受力调整和适应主轴挠度引起的推力瓦对中偏移，受力分配不均等问题，可采用支柱螺丝加托盘的结构方式。
第三节 冲击式水轮机的特点与分类
一、冲击式水轮机的特点
冲击式水轮是借助于特殊的导水机构（喷管）引出仅具有动能的自由射流，冲向转轮水斗，使转轮旋转做功，从而完成将水能转换成机械能的一种水力原动机。与反击式水轮机不同，在冲击型水轮机工作过程中，水流的压力（通常为大气压力）并不发生变化，而仅是速
度改变了。也就是说冲击式水轮机仅利用水流的动能。对于高水头电站，特别是在500m 以上的水电站，因受气蚀和磨蚀等条件的限制，一般很少采用混流式，而多数采用冲击式。
图7-11为装设这类水力装置变化图。上游的水在水轮机喷嘴前的水管内产生很大的压V 力，靠喷嘴将此压力转变为自由射流的动能0。射流在转轮前和机壳内的压力通常均为2g
大气压力。水流能量的改变全在于动能的减小。
2
图7-11冲击型水轮机水力装置图
从图中还可看出，喷嘴轴线到下游水面之间的那段水头未被利用而损失了。因此，冲击型水轮机的工作水头是由上游水面到喷嘴轴线之间扣除了管道损失的水头。
下面我们通过与反击式水轮机进行对比来进一步说明冲击式水轮机的特点。
实际上，不管是反击式水轮机还是冲击式水轮机，当工作水流进入水轮机转轮后，均是利用水流和转轮叶片之间的作用力与反作用力原理，将水流能量传给转轮，使转轮连同水轮机轴一起旋转做功释放机械能。因此，两类水轮机只是习惯上延用的名词不同，而它们的工作原理是完全相同的。对于水轮机基本方程，既适用于反击式水轮机，也适用于冲击式水轮机。然而，冲击式水轮机和反击式水轮机仍存在着一些本质的区别和各自的特点。除了前面已述的在水能利用方式上的差异外，还有以下不同特点。
1．冲击式水轮机中，喷管（相当于反击式水轮机的导水机构）的作用是：引导水流，调节流量，并将液体机械能转变为射流动能。而反击式水转机的导水机构，除引导水流调节流量外，在转轮前形成一定的旋转水流，以满足不同比转速水转机对转轮前环量的要求。
2．在冲击式水轮机中，水流自喷嘴出口直至离开转轮的整个工作过程，始终在空气中进行。则位于各部位的水流压力保持不变（均等于大气压力）。它不像反击式水轮机那样，在导水机构，工作轮以及转轮后的流道中，水流压力是变化的。故冲击式水轮机又称无压式水轮机，而反击式水轮机，称之为有压式水轮机。
3．在反击式水轮机中，由于各处水流压力不等，并且不等于大气压力。故在导水机构，转轮及转轮后的区域内均须有密闭的流道。而在冲击式水轮机中，就不需要设置密封的流道。
4．反击式水轮机必须设置尾水管，以恢复压力，减小转轮出口动能损失和进一步利用转轮至下游水面之间的水流能量。而对冲击式水轮机，水流离开转轮时流速已很小，又能常处在大气压力下，因此不需要尾水管。从另一方面讲，由于没有尾水管，使冲击式水轮机比反击式少利用了转轮至下游水面之间的这部分水能。
5．反击式水轮机的工作轮淹没在水中工作，而冲击式水轮机的工作轮是暴露在大气中工作，仅部分水斗与射流接触，进行能量交换。并且，为了保证水轮机稳定运行和具有较高的效率，工作轮水斗必须距下游水面有足够的距离（即足够的排水高度和通气高度）。
6．在冲击式水轮机中，因工作轮内的水压力不变，故有可能将工作轮流道适当加宽，使水流紧贴转轮叶片正面，并由空气层把水流与叶片的背面隔开。这样，可使水流不沿工作轮的整个圆周进入其内，而仅在一个或几个局部的地方，通过一个或几个喷嘴进入工作轮。由于工作叶片流道仅对着某个喷嘴时被水流充满，而当它转到下一个喷嘴之前，该叶片流道中的水已倾尽，故水流沿叶片流动不会发生混乱。
7．冲击式水轮机的工作轮仅部分水斗工作，故水轮机过流量较小，因而在一定的水头和工作轮直径条件下，冲击式水轮机的出力比较小。另外，冲击式水轮机的转速相对比较低（这是由于转轮进口绝对速度大，圆周速度小），出力小，导致了较低的比转速，故冲击式水轮机适用于高水头小流量场合。
另外，冲击式水轮机依靠喷嘴和针阀控制射流大小，调节水轮机流量，并由针阀和分流器（又称截流器，偏流器）或折向器进行协联操作，实现双重调节，可改善长引水管中的水锤作用，使机组运行平稳，安全可靠。对于装有两个以上喷嘴的冲击式水轮机，在运行过程中，根据系统负荷的大小，可随时切换投入工作的喷嘴数目，使机组运行灵活，操作方便。冲击式适用于高水头小流量的水力条件，是19世纪后期，随着水工技术的不断发展，人们已能建造高的水坝和采用高压钢管来集中和输送水能后才发展起来的。
二、冲击式水轮机的分类
在冲击式水轮机中，以工作射流与转轮相对位置及射流做功次数的不同，可分为切击式水轮机、斜击式水轮机和双击式水轮机。
图7-12 切机式水轮机结构示意图
1-喷嘴；2-针阀；3-喷针移动机构；4-转轮；5-外调节机构；6-机壳
切击式水轮机，如图7-12所示，其工作射流中心线与转轮节圆相切，故名切击式水轮机；其转轮叶片均由一系列呈双碗状的水头组成，故又称水斗式水轮机。
切击式水轮机是目前冲击式水轮机中应用最广泛的一种机型。其应用水头一般为300~2000m，目前最高应用水头已达1771.3m （澳大利亚的列塞克——克罗依采克水力蓄能电站，水轮机出力N =22.8MW）。水斗式水轮机的装置方式分为立轴和卧轴两种。立轴水斗式水轮机一般每根轴上只装一个转轮，每个转轮可配置两个、三个或四个喷嘴，如图
7-13
图7-13 立轴水斗式水轮机
(a ) 两个喷嘴；(b ) 三个喷嘴；(c ) 四个喷嘴；(d ) 六个喷嘴
所示。卧轴水斗式水轮机一根轴上可装一个或两个转轮，每个转轮可配置1~2个喷嘴，如图 7-14所示。
斜击式水轮机，其主要工作部件与切击式水轮机基本相同，只是工作射流与转轮进口平
图7-14 卧轴水斗式水轮机
(a ) 单轮单喷嘴；(b ) 双轮双喷嘴
面是某一角度a ，射流斜着射向转轮，如图7-15所示。斜击式水轮机适用于水头在35~350m，轴功率10~500KW，比转速n s 18~45的中小型水电站，我国从1968年开始研究斜击式水轮机，近年来取得了一定的成绩，有一些中小型制造厂已开始生产并投入使用。
图7-15 斜击式水轮机射流、转轮工作示意图
双击式水轮机，水流先从转轮外周进入部分叶片流道，付出大约70%~80%的动能，然后离开叶道，穿过转轮中心部分的空间，又二次地入转轮另一部分叶道又付出余下的大约20%~30%的动能。这种水轮机效率低，一般只用于H
图7-16双击式水轮机结构示意图
第四节 切击式水轮机的基本结构
切击式水轮机的结构，如图7-17所示，主要由进水管、喷管、转轮，外调节机构，副喷嘴，机壳和排水坑渠道组成。其工作过程是：水由引水管引入喷管，从喷管射出作用在转轮上，水经排水坑渠流向下游。转轮将水能转变为机械能，再通过发电机转变为电能。当外
负荷变化时，如负荷降低，调速器动作，一方面操作外调节机构（折向器或分流器）截断一部分水流，另一方面调节喷嘴开度减小流量，使其与外负荷的变化相适应，在水轮机停机过程中，当转速下降到一定程度时，由射流制动器将水流喷射至水头背面，迫使水轮机停止转动。
下面分别介绍一下切击式水轮机的几个重要组成部分。
1．进水管
图7-18为现代水斗式水轮机进水管的几种主要型式。由图可知，水斗式水轮机的进水管均由直线段，肘管、分叉管、环形收缩流道和导流体组成。多喷嘴水头式水轮机的进水管
图7-17 卧式双喷嘴水斗式水轮机结构图
1-进水管；2-喷管；3-转轮；4-外调节机构；5-副喷嘴；6-机壳
是一个具有极度弯曲和分叉的变断面输水管，并在装有喷射机构的区域内设有导流体。
进水管的作用是引导水流，并将过机流量均匀分配给各喷管。为此，要求进水管主干管部分和叉管处的水流速度相等。并以此来确定进水管的断面尺寸，故进水管的断面尺寸自进口至出口逐渐减小呈收缩状。进水管的断面形状有圆形和椭圆形两种，椭圆形断面的进水管具有较好的水力特性，但加工困难，强度性能又不如圆形断面。
图7-18 切击式水轮机进水管方案
(a ) 、(b ) 为卧式双喷嘴；(c ) ～(e ) 为立轴6喷嘴
2．喷管
喷管结构如图7-19所示，主要由喷嘴，喷针（又称针阀）和喷针移动机构组成。
图7-19外控式喷嘴机构
1-缸体；2-填料压盖；3-喷嘴座；4-填料盒；5-填料；6-针杆；7-喷嘴口环；8-折向器；
9-销杆；10-喷针；11-喷针座；12-喷嘴；13-喷管；14-杆体；15-喷管弯段
其作用：（1）将水流的压力势能转换为射流动能，则当水由进水管流进喷管时，在其出口便形成一股冲向转轮的圆柱形自由射流；（2）起着导水机构的作用。当喷针移动时，即可以渐渐改变喷嘴出口与喷针头之间的环形过水断面面积，因而可平稳地改变喷管的过流量及水轮机的流量和功率。为了较好的完成这些功能，要求喷射机构的喷针轴线与喷射机构轴线重合。喷针沿此轴线移动，且喷嘴头内壁应具有收敛形的圆形断面。在关闭位置，喷针能封闭住喷嘴的出口孔，喷嘴头断面尺寸的确定必须满足：使流量按喷针行程而平稳的改变；使喷针在任何位置时，水流速度均沿着流线方向平稳的增加，并在出口处达到最大值。与此同时，从结构观点出发，希望喷针的最大行程尽可能地小。实际上，喷嘴头的断面尺寸是按喷
嘴头入口，出口孔径结构，喷针传动机构的传动方式和已有喷嘴的资料来确定。喷针移动机构，就像一个简单的接力器，喷针的移动靠喷针移动机构来实现。
目前，常见的喷管型式主要有外控式喷管（图7-19）和内控式喷管（图7-20）两种。 前者结构简单，检修维护方便，但喷针操作杆长，操作杆在喷管内影响水流流动，增加管内的水力损失；后者结构紧凑，喷管内水力条件好，水力损失小，效率高。根据试验其效率比外控式高0.2%~0.3%。
图7-20 内控式喷射机构
3．转轮
转轮是水轮机实现能量转换的最基本工作部件。其结构如图7-21所示。
它由轮辐及由若干呈双碗形状的水斗组成。转轮每个斗叶的外缘均有一个缺口（图7-22），缺口的作用则使其后的斗叶不进入先前射流作用的区域，并且不妨碍先前的水流。
图7-21转轮结构图
承受绕流射流作用的凹面称为斗叶的工作面。斗叶凸起的外侧表面称为斗叶的侧面。位于斗叶背部夹在两水头之间的表面称为斗叶的背面。两水斗间的工作面的结合处称为斗叶的进水边（又称分水刃）。进水边在斗叶的横剖面上为一锐角。缺口处工作面与背面结合处称为斗
图7-22 水斗式水轮机的转轮叶片
（B -宽度；L -长度；h -深度）
1- 工作面；2-切水刃；3-侧面；4-尾部；5-出水边
6-进水边；7-横向筋板；8-纵向筋板9-背面
叶的切水刃。水斗工作面与侧面间的端面称为斗叶的出水边。
转轮材料则随着水轮机应用水头的提高而提高材料等级。一般当：
H
H =200~500m时，采用碳素铸钢或低合金铸钢；
H =500~1000m时，采用低合金铸钢或不锈钢；
H >1000m时，采用不锈钢。
4．外调节机构
当机组突然甩掉负荷时，为了不使机组处于飞逸状态，需要在很短时间内减少水轮机的流量，对高水头的水斗式水轮机来讲，迅速关闭针阀会在引水管内产生很大的水锤。为了解决上述矛盾，一般在水轮机喷嘴头部的机壳上均装有外调节机构（如折向器或分流器），如图7-23所示。
其作用控制已离开叶嘴后的射流大小和方向。当机组负荷骤减或甩负荷时，具有双重调节的水轮机调速器，一方面操作喷针接力器，使喷针慢慢向关闭方向移动，同时又操作外调节机构接力器，使外调节机构快速投入，迅速减小或全部截断因针阀不能立即关闭而继续冲向转轮水斗的射流，解决了因针阀不能及时关闭而使机组转速上升过高的问题。当然，针阀
图7-23 外调节机构作用示意图
(a ) 折向器；(b ) 分流器
与折向器或分流器的行程要保持协联关系，使针阀在任何开度下，外调节机构的截流板都位于射流水柱边缘，以达到快速偏流或截流的作用。
常用的外调节机构有折向器和分流器（图7-23）。在此需指出：折向器和分流器的结构与作用均略有不同。折向器在需要时，可以把整个射流折出转轮外；而分流器一般不是将整个射流而是将其大部分或小部分偏离转轮水斗。与分流器相比，折向器在引开整个射流时仅需较小位移，其承受的振动也较小，在高水头时不会很快损坏。若要求分流器将全部射流从转轮上引开，分流器所需转动的角度较折向器大2~2.5倍。故分流器的快速作用能力低于折向器。但是，采用折向器将导致增加自喷嘴口至射流进入转轮斗叶处之间的距离，这会在某种程度上降低水轮机的能量指标，而分流器无此问题。分流器角行程的增加及截流时间的增加，这就允许控制杆件系统及协联关系的精度要求低些。具体选用时，可根据试验中所测定的力特性和能量特性及电站具体情况综合分析比较确定。也有既采用折向器又采用分流器的情况。
实际上，水斗式水轮机中对折向器的采用是相当普遍的。常用的折向器有三种型式，如图7-24所示。其中折向器(a ) 型是自下向上折水的结构，其特点是可以使喷嘴安装在与水头
图7-24 折向器
号距离最近的位置，从而减小射流风损，提高水力效率。其缺点是必须走到最高点，才能折
去全部射流，调整时间长。(b ) 型是自上向下折水的结构，其特点是只要切入一部分，就能使射流不冲到水斗上，便于达到调节要求，结构也简单，是近代水斗式水轮机上采用比较广泛的一种。(c ) 型折向器切入射流后，使射流分为两段，其一段冲向水斗背面，起制动作用， 对降低速率上升有利，但因结构比(b ) 型较为复杂，调整也较麻烦，使用不广泛。
折向器动作时间为2~3秒，迅速地使射流折向或切断，此时喷针慢慢关闭（时间约
20~40
图7-25防飞逸反射器简图
(a ) 单喷嘴水轮机；(b ) 喷嘴按120°布置的水轮机
1-外调机构；2-喷嘴；3-反射器
秒关闭全行程），或根据负荷情况，将流量减少到相应的数值，达到新的平衡状态。由于射流直径改变，折向器也停留在新的位置上。为了不使效率降低，折向器应不碰到射流，一般保持2~4mm的距离，以便负荷较大幅度减小时，折向器能很快地动作。
5．副喷嘴（反向制动喷嘴）和防飞逸反射器
副喷嘴的作用有两个：（1）在机组正常停机过程中，一般不允许机组低速长时间运转。当机组转速降低到一定程度时（通常为额定转速的30%~40%），为使机组能很快停下来，即打开副喷嘴，从副喷嘴引出的射流直接冲向转轮水斗背面，形成作用于转轮的一个与旋转方向相反的制动力矩。机组在该力矩作用下迅速停止运转；（2）当机组突然甩负荷调节系统又失灵的情况下，副喷嘴即投入工作。从副喷嘴引出一股射流直接冲向水斗背面，形成制动力矩，这样可避免机组转速急剧上升以至机组发生飞逸。制动喷嘴可以自动或手动开启。为防止转轮反转，装设有专门的联锁装置。
此外，有时还采用防飞逸反射器来抑制机组甩负荷时的转速上升。防飞逸反射器（图7-25）一般安装在：当水轮机转速提高后，未能进入斗叶的射流将会射入的地方。防飞逸反射器使射流转向与转轮旋转方向相反的方向，并射向水斗时的背面，从而阻止机组转速的上升。
6．机壳
机壳是水斗式水轮机的一个重要部件，它除了把水斗排出的水引至排水坑渠外，还是一个受力部件，这是因为在其上装有喷管和轴承（立轴机组）等部件，如图7-26所示，卧轴式机组的轴承支座也和机壳连在一起，所以要求机壳有良好的强度，刚度和耐震性。对于大
图7-26机壳
容量的水斗式水轮机，机壳往往和压力水管焊接在一起，而喷管的水压力直接由混凝土来承受，此时，机壳就可以用薄钢板焊接而成。另外，机壳的形状和尺寸对水斗式水轮机的效率也有一定影响。设计时应确保将转轮中排出的不再做功的水排至下游而不溅落在转轮和射流上。机壳必须保证有足够的空间，若机壳宽度过小，从水斗排出的水流撞到机壳壁上，再反射到转轮周围形成雾状水滴会增加转轮旋转时的阻力损失。若宽度过大，则又增加了水轮机的外形尺寸。机壳内的压力要求与大气相当，为此，往往在转轮中心附近的机壳上开设有补气孔，以消除局部真空。机壳的形状应有利于转轮出水流畅，不与射流相干扰。
机壳上一般开有进人门孔，机壳下部应装设有静水栅，以消除排水能量，避免对尾水渠道的冲刷，静水栅要求一定的强度，可作为机组停机观察和检修时的工作平台，静水栅一般可安装在距离转轮最低点的1.5~2.0m处。
复习题
1． 贯流式水轮机的特点是什么？
2． 贯流式水轮机的类型有哪些？
3． 灯泡贯流式水轮机有哪些优点？
4． 简述灯泡贯流式水轮机基本组成部分。
5． 灯泡贯流式机组的布置形式有几种，各自的适用条件是什么？
6． 灯泡贯流式机组与立式机组有何区别，相比较其优点是什么？
7． 冲击式水轮机的特点是什么？
8． 冲击式水轮机的类型有哪些？
9． 试说明冲击式水轮机适合高水头的原因？
10．喷管的作用是什么，其型式有几种？
11．折向器和分流器的作用是什么，二者有何区别？