第二 章水轮机的作原工理第一节 水
流在击式反水机转轮中的运轮动
讨 : 在论定稳工下,况轮水的工作机头水
、量和转流都速持不保。变
认为可流水在蜗壳导、机水构、水管尾的中
动流及以在轮中转相于转对动片叶运动,的均属恒
定流动 即。水运动参数流随时间的变化而变化不:
f 0 t
面径:意θ任角r轴和z轴构的的成面。
轴面平θ=0:°θ=180°的径平面。
轴和面投:将空间扭曲面影投到影轴上。
面
圆柱坐标
系
混式转流轮片叶轴投面
影水流流经水轮转机,轮是杂复三的维间流空动 对,不类同型轮机,水于转轮由形不同状,水流动运 形态应不同。但也都是:应 一
面:方沿片叶流道间流;
动
另一方:面着随转轮的转动旋而转。
对相动:水流质运点叶沿片的运动(相对度W速) 牵;连动:水运流质随转轮点旋的运动转牵连(速度 圆或周速U); 绝对度动:水流质运点对地的运大(动绝速对V)。度
混
流式轮水机:转轮叶片数 目较、多片叶度很厚,小相对运
动轨的迹与片叶表面合重方,与叶片向切相。 连运动牵周速圆度方向与圆周切相。认为 转中轮流运动均匀水、轴称。
对假定
轮由无转多、无限薄的限叶组成片即理,想转轮片叶。
混
流转轮式流面
圆
锥面线母
流
近似展面开
图V
UW
V
u VVz V rVu V
m面速度轴
rV
uV
Vm VrV zVz
V mV r zV
VuV mV
V
U
轴W速度
面U uUU z Ur
U U
u
V U WW
Wu z WWr u W Wm
UU
u
W r Wu Wm
W
V
U WV
u V Vz rV u V V
m UU Uu zUr
W W uW z W r W u m
W
m VW , Vr m Wr, zV W Vu z Wu U
V
u V Vrz uU W u Wr zW
m W V, r W r, z V W z WU uU V uV u V mu W um
W速度三形正角分交
解V
mW ,m rV rW, Vz W
轴
式水流轮机:轴沿流进向流、转轮出。
定水流沿以假主轴心线中为轴的圆线柱面流。
动略水流粘忽>>>性柱圆流面各动间层不互扰 干即轴截面在内有轴只向度速zV,有径没速向度:
rV
0轴式流水轮机轮中 任一转的速度点 沿:向轴 沿周向圆轴流式水
机轮
将水
运动流的柱面与圆叶相片割的流面展开, 得平可面叶栅绕流的图,叶在上栅绘转轮制、进口出速 三角形。度
VV uzV ,W W u Wz m V zV W mW z
轴流式转
轮进出口速度角形三
二节第水轮机 的本基程式
方对击式反轮机,压水力水以一流定的度流进速转
轮
受,间扭空叶片所形曲流成道对水流的约束,
使水流不断地变其改动速度的运大和方向小因,而 流给水叶以片反用作,迫使转力轮转作功旋
。 动量矩定 律>>>从 理上论说转明中轮水能量转 流变旋为机转能械
。动
量定律:矩单时位间内流质量对水轮水主机轴
动量矩的变化等应作用在于质该量全部外上对力同一轴 的力矩总。和
、A入进轮转的中水是流对称的轴可,以取个整转轮来进行分析
。B 、水流质量的动矩量水与的速度流正比。 成其:Vr通过中心,而V轴又与主z轴行,平以所者都
两转轮
中流水绝速度V对的三个交分正Vu,量z和VV,r
不对轴主产生度速矩
。有:故
d mVu r M t
md Qe dt
Q
g
edt
水
机轮在稳工定况>>转轮>水流中运动定恒流动 根据,流连水定理续流,进轮和流转转出轮的流不 量变均,为有效流量Qe因,
单位此间时内进流转外轮缘动量的:
矩出转轮内流的动缘量:矩
eQ
g
V1r1
uQeg
Vu
r22
单位时间内水流
质量m 量矩的增量,应等于动此质量 转在轮出口进口与的动量矩之间:
差d muVr Qe u V2r2 u1Vr 1 d g
t
用在水流作质上的外力量形及成的矩力
1、:转叶片作用轮力迫使水流:变改动的运向与速度方 的小大对水流产生,作力矩用
;2、
转外水流在转轮轮、出进口处的压水:力压力此对转轮 轴对是的称压,力通过轴心,产生不用力作矩
;3
、上、冠下内环表对水面流的力压内表面均:为转旋面, 此故压也是与力轴相交线的,产生不用作矩力
;、重4:力轴线重合、与平行不产生,矩力 5:、擦力磨反:映水轮在机的效中,率此暂不处虑考。
仅有转
轮片对水流叶作用力的产生的矩力
。
根
作用力与反据用力作的律定,流水转轮的对 用作矩力 M 与转轮水对的作用流力 矩M 数值上相等而方0
向相,则反有:
M
e
Qg
V1r1u V 2ur2
流水用作于转轮功的率
:
NM
Qe
gQe V1U1u Vu2U 2 Ng
V1ur1 V u 2 2 r
N
eQH s
水
轮机的本方基式
程Hs
g H1s Vu1U 1 Vu2U 2 g
V
1u1r V 2u 2r
水轮
的角机速ω度保持定时一,单位量水流重 有效出力是的转和进、出口轮度速矩改的相平变的衡 所,以转作功的轮质:实
速
度矩变的化
用环表示:量
V21ru1 2Vu2 r 2 1 2 Hs g 22g
用度表速示的轮水机本基程方式:
H s V21 2V 22g 2
U 1 2 2U
2
g
W1 2W 2 22
g第一为水项流作在转用上轮的动能水头 第;、三项为势能二水头它,要用于主克服流因 旋转产生的水离心和力加转速中水轮流相的运对动。 对流轴式轮机: U1=水U 2,有效头水取于绝对决 度和速对速相,度们不它能过增分,否大会则加水力 增失损这,限制了就流式轴水机的水轮应头用围范
。 水机基轮方程式给出有效本出力与轮进出转口 水运动流参之间数的关系。质:水能实转为换轮旋转转 机能的基械本平关衡系
H。E..可茹斯夫基定
理 P V
反
式击水轮机转轮片叶作用上力的成形绕与翼型
流上的
作用力似。类用作力的向指方向旋转方向,依靠
叶工作面片与背面的力差压形而的成
。
转正轮在压力差是作用下的被“”着旋推转。
第三 水轮节的效机率及优工最况一
水轮、机效的率
水轮将机水的输流功入率变转为转轴的输出机旋
械
功率,能量换转过程存在中各有损种:
失水沿力损失程局、部损失漏 水容损积、摩擦机械失失等
水轮损机出输功与率流水输功入之率称为比水机轮效率。
水
机轮总效:
率水效率力容积效、率、械效机率
、水1损力及失水力率效
s
H
hH
Q Qq
2容、损积及容失效积率
v
3机械、失损机械效及率
j
N
e N Nej
有
效功
率
eN 9. 18 Q q H h .819Qsv
H功率
轴
N 9.8Q1H s v j
总效
率 svj
大中 型水轮的最机效高达率0 90~.0.5
9
二水、机轮最优工的况1
反、击式轮水机各种的损失中主要:水力是损。失2、
高水轮机提效率主的要提应其高水效率。力3、在水 损失中力,部局撞损失和涡流损失所占击比的值 大较,特在水别轮机满荷负或较负荷小工时作。 机组负在荷化时,变叶导的度发生相开应改的变,
流在水轮进、出口的绝转对速的度小大及方其向、角
随也发生着改,变轮水的进机出口速度三角形亦有、
所不同
。
无撞击进口
法向
口工出况
当水轮
β1机βe= 1 ,2=α009工况时 水,流转在轮
口进无撞损失,出口无涡击流失,损水轮的机率效最
高
,为称轮水的机最优工况
。
实
证践,α2明稍小90于水0流在出口略带正向即 与(转轮旋方转相同)圆周向量分 u2 时V可,使水流 贴尾水紧管管而避免壁产生脱现象,反而会流使水 机轮率略有效提高
。
流转浆轴和斜式流水式轮机在不同,工下况,
调器在调速节叶开度的同时导能亦调节轮转叶的转片 角,能达到仍或接于近撞无进击和口法出向的最口 工优况,故有宽较广高的效工作区。率
四节第 斗水式水机的轮作工原理
斗式水水机喷轮嘴:压力管引来钢高的水流的
压能压>>>高射速的流能动。
仅对转
上的轮几某个叶冲击片作。功
击作冲功的个整程在过气压大下力进行。
点特:
1适合于在高水、小流量头条件的工作;下2、可 以免避控因汽蚀要制而带来求过的大基础开; 当水挖头过 超40~5000 时m,混流与水式机轮相比,
水
斗水轮式机很大的有优越性
。3、率效
略低于混式水流机。轮
一、
斗水式水轮机本方程基式
射速流度 喷嘴:流量:
d0 0.54
V05 k v 2g
H QV 0
Z 0 H
kv
0.97 0~9.8
4
d k
2 0
v
2gH Z 0
射直流径:d 0
0 .55 Q 4Z0 H
1射流、击与斗冲叶分 水相刃直,垂水 流在片叶处的进
口速 度V1等 射于
流度V0; 速、2叶运动近似
斗
1为
平行射于的直流线运
动,大小于等 圆速周U1度 3 、;流在斗水叶进处口的对速度 相1W 方向与射流的方的向一致, 因叶此进口处片的度速角形为一三直条:线W 1=V0U-=W10
24
射、流斗对叶
流运动绕近看成 似面运动平;着沿斗叶工 面作相 向反的方分向,流1
出 相口对 速度 W2 ,
与2U反 向方之 间夹角β2的 为叶 斗的水出角;5 、斗进口叶出口距和转中轮心半的径近认似为相:同 U=U21=U2
水斗
水式机轮转轮同样也的改是变水了对流主
轴 的动矩量反,击式轮水基机方程式本同适样:用H s Vu1 r1 V 2ur2 g 1H s Vu1U 1V 2u U 2g
V u V cs
o1H S ( UV11co s1 UV2 2cs 2 )o g
0
H
S
1
(U V0 ocs 1 UV2 os c )2 g
忽水略在水斗流 面表摩的损擦失,认水为 斗表各点面的处对速相度 大小不。
变W
1 2 WV 0
W1U W 2V0 U1
2 cVos UW cos U V Uco s 2 22 0 2 0V
2c os2 U W2 cos 2 U V 0Uc os 21 H
s UV 0U U[ ( V 0 U ) co s 2 ]
gα2
水斗水式机轮本基程式方
H1 sU 0V U1 osc 2 g
力效水率最的大件: 1 、条1+ osβc 为2最,则β2=大0 o即,水叶斗的转角面为1 8o 2 0、β若2为 某一定固角 ,(VU-U0 )为大最, 则V-2U0=0 即, U=05V0 .水斗片叶出水β2角=o0,射 流斗叶在、出口转向 进18o0 ;转轮周速圆度 等U于射速流 V0度 一半的,水力 率或出效力最大
。1、为使了斗排水出的水不冲击流一下水斗的个
面背,叶的出水片角β2 不并于等,零般一用
采β2
7=~1o3;o2、射流在斗
叶面上曲的动运是散的扩各点的,圆周速 U并不度均匀是的,由且摩于擦损失的响影 ,W 2也并 不 等 W于1 因 此 。 最 出 大力 不并 发 在 生=0.5U0V,根时据实,验斗水式水机轮有最利 U的V/约为0.0420~49。
.
二水斗、水式机轮的中能量损
失要包括主
:1)(喷嘴水流压能将变为动转过能程的损中失
;
(2) 轮中转流射动转变能主为轴旋转械机过能程
中损的失;(3 水)流转轮出在的能口损量失。
、1喷嘴损失
管喷中的沿程失和损部局弯转断、面化(变 喷与的针程行化变有关)和分等流失,包损括流射 收和缩空气阻力的失,损喷效嘴可达率0.5~9.08。9
2、
斗叶失 损()1进撞口损失击水:流
方向在进口发生处的剧急变 化 ;2()擦摩损失水:流斗叶在的扩散;上( 3出)口失损:轮出口的动转能和射从流中到下 游水面之间心水头的
3。、容损积失水 斗在轮上转不连,续小一部水分未流能进入 水斗作功形成了容积而损失 4、机。损失 除械主在轴轴中的承机械摩擦损失尚应外括转 轮在包动转时的风损失阻
。水式斗水机轮总率效
: s vj
正常条件总效下率般一 85%在~90%略低,混于
流水轮式。机水但式水轮斗机在工作范围其
内
率效变化比平较缓在,低荷和负负满荷运行时其效
反率而混比式水流机轮高。为
第二 章水轮机的作原工理第一节 水
流在击式反水机转轮中的运轮动
讨 : 在论定稳工下,况轮水的工作机头水
、量和转流都速持不保。变
认为可流水在蜗壳导、机水构、水管尾的中
动流及以在轮中转相于转对动片叶运动,的均属恒
定流动 即。水运动参数流随时间的变化而变化不:
f 0 t
面径:意θ任角r轴和z轴构的的成面。
轴面平θ=0:°θ=180°的径平面。
轴和面投:将空间扭曲面影投到影轴上。
面
圆柱坐标
系
混式转流轮片叶轴投面
影水流流经水轮转机,轮是杂复三的维间流空动 对,不类同型轮机,水于转轮由形不同状,水流动运 形态应不同。但也都是:应 一
面:方沿片叶流道间流;
动
另一方:面着随转轮的转动旋而转。
对相动:水流质运点叶沿片的运动(相对度W速) 牵;连动:水运流质随转轮点旋的运动转牵连(速度 圆或周速U); 绝对度动:水流质运点对地的运大(动绝速对V)。度
混
流式轮水机:转轮叶片数 目较、多片叶度很厚,小相对运
动轨的迹与片叶表面合重方,与叶片向切相。 连运动牵周速圆度方向与圆周切相。认为 转中轮流运动均匀水、轴称。
对假定
轮由无转多、无限薄的限叶组成片即理,想转轮片叶。
混
流转轮式流面
圆
锥面线母
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近似展面开
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W速度三形正角分交
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轴
式水流轮机:轴沿流进向流、转轮出。
定水流沿以假主轴心线中为轴的圆线柱面流。
动略水流粘忽>>>性柱圆流面各动间层不互扰 干即轴截面在内有轴只向度速zV,有径没速向度:
rV
0轴式流水轮机轮中 任一转的速度点 沿:向轴 沿周向圆轴流式水
机轮
将水
运动流的柱面与圆叶相片割的流面展开, 得平可面叶栅绕流的图,叶在上栅绘转轮制、进口出速 三角形。度
VV uzV ,W W u Wz m V zV W mW z
轴流式转
轮进出口速度角形三
二节第水轮机 的本基程式
方对击式反轮机,压水力水以一流定的度流进速转
轮
受,间扭空叶片所形曲流成道对水流的约束,
使水流不断地变其改动速度的运大和方向小因,而 流给水叶以片反用作,迫使转力轮转作功旋
。 动量矩定 律>>>从 理上论说转明中轮水能量转 流变旋为机转能械
。动
量定律:矩单时位间内流质量对水轮水主机轴
动量矩的变化等应作用在于质该量全部外上对力同一轴 的力矩总。和
、A入进轮转的中水是流对称的轴可,以取个整转轮来进行分析
。B 、水流质量的动矩量水与的速度流正比。 成其:Vr通过中心,而V轴又与主z轴行,平以所者都
两转轮
中流水绝速度V对的三个交分正Vu,量z和VV,r
不对轴主产生度速矩
。有:故
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水
机轮在稳工定况>>转轮>水流中运动定恒流动 根据,流连水定理续流,进轮和流转转出轮的流不 量变均,为有效流量Qe因,
单位此间时内进流转外轮缘动量的:
矩出转轮内流的动缘量:矩
eQ
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V1r1
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r22
单位时间内水流
质量m 量矩的增量,应等于动此质量 转在轮出口进口与的动量矩之间:
差d muVr Qe u V2r2 u1Vr 1 d g
t
用在水流作质上的外力量形及成的矩力
1、:转叶片作用轮力迫使水流:变改动的运向与速度方 的小大对水流产生,作力矩用
;2、
转外水流在转轮轮、出进口处的压水:力压力此对转轮 轴对是的称压,力通过轴心,产生不用力作矩
;3
、上、冠下内环表对水面流的力压内表面均:为转旋面, 此故压也是与力轴相交线的,产生不用作矩力
;、重4:力轴线重合、与平行不产生,矩力 5:、擦力磨反:映水轮在机的效中,率此暂不处虑考。
仅有转
轮片对水流叶作用力的产生的矩力
。
根
作用力与反据用力作的律定,流水转轮的对 用作矩力 M 与转轮水对的作用流力 矩M 数值上相等而方0
向相,则反有:
M
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水
轮机的本方基式
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水轮
的角机速ω度保持定时一,单位量水流重 有效出力是的转和进、出口轮度速矩改的相平变的衡 所,以转作功的轮质:实
速
度矩变的化
用环表示:量
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用度表速示的轮水机本基程方式:
H s V21 2V 22g 2
U 1 2 2U
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g第一为水项流作在转用上轮的动能水头 第;、三项为势能二水头它,要用于主克服流因 旋转产生的水离心和力加转速中水轮流相的运对动。 对流轴式轮机: U1=水U 2,有效头水取于绝对决 度和速对速相,度们不它能过增分,否大会则加水力 增失损这,限制了就流式轴水机的水轮应头用围范
。 水机基轮方程式给出有效本出力与轮进出转口 水运动流参之间数的关系。质:水能实转为换轮旋转转 机能的基械本平关衡系
H。E..可茹斯夫基定
理 P V
反
式击水轮机转轮片叶作用上力的成形绕与翼型
流上的
作用力似。类用作力的向指方向旋转方向,依靠
叶工作面片与背面的力差压形而的成
。
转正轮在压力差是作用下的被“”着旋推转。
第三 水轮节的效机率及优工最况一
水轮、机效的率
水轮将机水的输流功入率变转为转轴的输出机旋
械
功率,能量换转过程存在中各有损种:
失水沿力损失程局、部损失漏 水容损积、摩擦机械失失等
水轮损机出输功与率流水输功入之率称为比水机轮效率。
水
机轮总效:
率水效率力容积效、率、械效机率
、水1损力及失水力率效
s
H
hH
Q Qq
2容、损积及容失效积率
v
3机械、失损机械效及率
j
N
e N Nej
有
效功
率
eN 9. 18 Q q H h .819Qsv
H功率
轴
N 9.8Q1H s v j
总效
率 svj
大中 型水轮的最机效高达率0 90~.0.5
9
二水、机轮最优工的况1
反、击式轮水机各种的损失中主要:水力是损。失2、
高水轮机提效率主的要提应其高水效率。力3、在水 损失中力,部局撞损失和涡流损失所占击比的值 大较,特在水别轮机满荷负或较负荷小工时作。 机组负在荷化时,变叶导的度发生相开应改的变,
流在水轮进、出口的绝转对速的度小大及方其向、角
随也发生着改,变轮水的进机出口速度三角形亦有、
所不同
。
无撞击进口
法向
口工出况
当水轮
β1机βe= 1 ,2=α009工况时 水,流转在轮
口进无撞损失,出口无涡击流失,损水轮的机率效最
高
,为称轮水的机最优工况
。
实
证践,α2明稍小90于水0流在出口略带正向即 与(转轮旋方转相同)圆周向量分 u2 时V可,使水流 贴尾水紧管管而避免壁产生脱现象,反而会流使水 机轮率略有效提高
。
流转浆轴和斜式流水式轮机在不同,工下况,
调器在调速节叶开度的同时导能亦调节轮转叶的转片 角,能达到仍或接于近撞无进击和口法出向的最口 工优况,故有宽较广高的效工作区。率
四节第 斗水式水机的轮作工原理
斗式水水机喷轮嘴:压力管引来钢高的水流的
压能压>>>高射速的流能动。
仅对转
上的轮几某个叶冲击片作。功
击作冲功的个整程在过气压大下力进行。
点特:
1适合于在高水、小流量头条件的工作;下2、可 以免避控因汽蚀要制而带来求过的大基础开; 当水挖头过 超40~5000 时m,混流与水式机轮相比,
水
斗水轮式机很大的有优越性
。3、率效
略低于混式水流机。轮
一、
斗水式水轮机本方程基式
射速流度 喷嘴:流量:
d0 0.54
V05 k v 2g
H QV 0
Z 0 H
kv
0.97 0~9.8
4
d k
2 0
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2gH Z 0
射直流径:d 0
0 .55 Q 4Z0 H
1射流、击与斗冲叶分 水相刃直,垂水 流在片叶处的进
口速 度V1等 射于
流度V0; 速、2叶运动近似
斗
1为
平行射于的直流线运
动,大小于等 圆速周U1度 3 、;流在斗水叶进处口的对速度 相1W 方向与射流的方的向一致, 因叶此进口处片的度速角形为一三直条:线W 1=V0U-=W10
24
射、流斗对叶
流运动绕近看成 似面运动平;着沿斗叶工 面作相 向反的方分向,流1
出 相口对 速度 W2 ,
与2U反 向方之 间夹角β2的 为叶 斗的水出角;5 、斗进口叶出口距和转中轮心半的径近认似为相:同 U=U21=U2
水斗
水式机轮转轮同样也的改是变水了对流主
轴 的动矩量反,击式轮水基机方程式本同适样:用H s Vu1 r1 V 2ur2 g 1H s Vu1U 1V 2u U 2g
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变W
1 2 WV 0
W1U W 2V0 U1
2 cVos UW cos U V Uco s 2 22 0 2 0V
2c os2 U W2 cos 2 U V 0Uc os 21 H
s UV 0U U[ ( V 0 U ) co s 2 ]
gα2
水斗水式机轮本基程式方
H1 sU 0V U1 osc 2 g
力效水率最的大件: 1 、条1+ osβc 为2最,则β2=大0 o即,水叶斗的转角面为1 8o 2 0、β若2为 某一定固角 ,(VU-U0 )为大最, 则V-2U0=0 即, U=05V0 .水斗片叶出水β2角=o0,射 流斗叶在、出口转向 进18o0 ;转轮周速圆度 等U于射速流 V0度 一半的,水力 率或出效力最大
。1、为使了斗排水出的水不冲击流一下水斗的个
面背,叶的出水片角β2 不并于等,零般一用
采β2
7=~1o3;o2、射流在斗
叶面上曲的动运是散的扩各点的,圆周速 U并不度均匀是的,由且摩于擦损失的响影 ,W 2也并 不 等 W于1 因 此 。 最 出 大力 不并 发 在 生=0.5U0V,根时据实,验斗水式水机轮有最利 U的V/约为0.0420~49。
.
二水斗、水式机轮的中能量损
失要包括主
:1)(喷嘴水流压能将变为动转过能程的损中失
;
(2) 轮中转流射动转变能主为轴旋转械机过能程
中损的失;(3 水)流转轮出在的能口损量失。
、1喷嘴损失
管喷中的沿程失和损部局弯转断、面化(变 喷与的针程行化变有关)和分等流失,包损括流射 收和缩空气阻力的失,损喷效嘴可达率0.5~9.08。9
2、
斗叶失 损()1进撞口损失击水:流
方向在进口发生处的剧急变 化 ;2()擦摩损失水:流斗叶在的扩散;上( 3出)口失损:轮出口的动转能和射从流中到下 游水面之间心水头的
3。、容损积失水 斗在轮上转不连,续小一部水分未流能进入 水斗作功形成了容积而损失 4、机。损失 除械主在轴轴中的承机械摩擦损失尚应外括转 轮在包动转时的风损失阻
。水式斗水机轮总率效
: s vj
正常条件总效下率般一 85%在~90%略低,混于
流水轮式。机水但式水轮斗机在工作范围其
内
率效变化比平较缓在,低荷和负负满荷运行时其效
反率而混比式水流机轮高。为