效率是由水力效率、流量效率、机械效率组成。
1）水力损蜗壳、导叶、转轮、尾水管——沿程损失hl
水流——∑h
旋涡、脱流、撞击 ——局部损失hw
水轮机的水力效率为
H——为工作水头失及水力效率
2）流量损失及流量效率（容积效率）
水流通过转动部分与非转动部分间隙直流入尾水管的流量为q，此部分流量不经过转轮作功，称漏损。
容积效率：
Q——水轮机的引用流量
3）机械损失和机械效率
水轮机的输入功率：
Ne=9.81（Q-Σq）（H-Σh）ηsηr
输出功率：
N=9.81QHηsηrηj
机械效率：
ηj=N/Ne 由机械摩擦引起
4）水轮机的总效率水轮机的最优工况
η=ηsηrηj
提高效率的有效方法是减小水头损失、流量损失、机械摩擦。
η根据模型试验得到。
5）水轮机的最优工况
η是出力N的函数，（Q，H，n一定时），一般情况下，水力损失最大，且随N的变化较大。
流量损失和机械损失相对较小，且基本不变，而在水力损失中撞击和涡流损失最大。
要提高效率就要减少撞击及涡流损失。
撞击损失主要发生在转轮叶片进口处,涡流损失则主要发生在转轮叶片出口处。
对于反击式水轮机，通过设计，使水轮机同时满足β1=βe1（进口安放角）、α2=90°（V2⊥U2，即出口旋转分速为零）时，进口无撞击，出口无涡损，η最高，称为水轮机的最优工况。
一般α2略小于90°时，效率较高，出力N=（85~90）%Ne，运行稳定，汽蚀性能好。
3.2.4尾水管工作原理
尾水管空间图尾水管原理示意图
设置尾水管以后，在转轮出口形成了压力降低，出现了真空现象，真空由两部分组成：
静力真空和动力真空。
尾水管的作用：
1）汇集转轮出口水流，排往下游。
2）当Hs>0时，利用静力真空。
3）利用动力真空Hd。
尾水管的静力真空Hs取决于水轮机的安装高程，与尾水管的性能无关；衡量尾水管性能好坏的标志是恢复动能的程度（与尾水管尺寸有关），一般用动能恢复系数ηw表示。
>0.8 时，效果较好；
≦0.3～0.4时，效果较差。
4混流式水轮机结构简介
龚站水轮机为东方电机厂和GE公司生产的混流式水轮机.
4.1混流式水轮机的结构
4.1.1混流式水轮机的引水室
①蜗壳
引水室位于混流式水轮机的最外层。
常见的引水室是金属蜗壳，它外形很像蜗牛的外壳所以称为蜗壳。
蜗壳径向断面的形状，从进口断面开始为沿蜗线不断收缩的圆形和椭圆形，它的包角在345度至360度之间，在蜗壳上开有进人孔。
中、大型水轮机引水室为均金属蜗壳，并采用焊接构造。
②混流式水轮机的座环
座环位于蜗壳的内圈，导水机构的外围。
座环由上环、固定导叶和下环组合成环形的支座体。
座环的功用：
（1）、座环是水轮机的承重部件，它要承受整个机组固定部分和转动部分的重量，水轮机的轴向水推力和蜗壳顶上一部分混疑土重量，并将其传递到水电站厂房的基础上。
（2）、座环又是过流部件，固定导叶设计成流线形，以保证水流均匀轴对称地流入导水机构，尽量减小水力损失。
（3）、座环还是水轮机安装基准件，它的圆柱面止口和法兰盘端面都要有足够的精度。
③基础环
基础环是混流式水轮机中座环与尾水管进口锥段相连接的基础部件，埋设于混疑土内。
4.1.2混流式水轮机的导水机构
混流式水轮机的导水机构位于蜗壳座环的内圈，它由顶盖、底环、导叶、导叶臂、连杆、控制环和接力器等部件组成。
①导叶
导叶由导叶体和导叶轴两部分组成。
导叶的断面形状为翼型。
为减轻导叶重量，常做成中空导叶。
导叶有整铸和焊接两种。
②导叶轴承
大中型水轮机导叶受力较大，常采用三支点轴颈结构。
对应上、中轴承的轴套装在套筒内，套筒则安装在顶盖预留的轴孔中，下轴套直接安装在底环空内。
上、中轴套使用同一个套筒称为整体套筒，分别使用套筒称为分段套筒。
龚站未改造的机组为整体套筒。
③导叶传动机构及安全装置
（1）、导叶传动机构由控制环、连杆、导叶臂（拐臂）三部件组成。
用于传递接力器操作力矩，使导叶转动，调节水轮机流量。
（2）、导水机构安全装置
在运行中，当个别导叶被异物或其它原因卡住时，装在导叶传动机构中的安全装置动作将被卡导叶切除，避免因个别导叶被卡而损坏其它传动机构主要零部件。
安全装置常用的有如下几种：
1）、剪断销，限位快装置；
2）、偏心销和破断螺杆装置；
3）、配置易弯拐臂；
4）、导叶轴抱紧装置。
剪断销、限位快装置；是目前使用最多的导水机构安全装置。
在连接销上加工一个危险断面，在正常操作力作用下剪断销能能正常工作，当超过正常操作力的1.5倍时，剪断销连同装在其中的信号装置在危险断面破断并发出信号，被卡导叶从传动机构中解列。
解列导叶在水力矩的作用下转动，冲击其它导叶，可能造成剪断销连锁破断事故，因此在底环或顶盖上设置限位快，防止失控导叶全关过头和最大可能开度范围。
④接力器
接力器是导叶开度的操作部件。
导水机构的接力器形式很多，它们的基本工作原理相同，它们有共同的基本部件—接力器缸和活塞。
活塞把接力器缸分为开启腔和关闭腔。
调速器控制腔内油压变化，使活塞动作，达到操作控制环的目的。
按接力器缸的型式，可分为直缸和环形缸两大类。
直缸接力中，又可分为单导管直缸型、双导管直缸型、小直缸型和摇摆式等形式。
环形接力器又可分为活塞动和缸动两种，龚站采用的是单导管直缸式接力器。
⑤顶盖和底环
顶盖和底环位于座环的内圈，分别安装在座环上、下环的内法盘上。
顶盖和底环上下相对，形成环形过流通道，顶盖的下面是转轮。
顶盖的结构为圆环状箱形体，有整铸和焊接两种结构，在导叶轴心线分布圆周上均匀布置有导叶轴孔，孔数与导叶数相等，用以安装导叶套筒，顶盖中央留有让主轴穿心而过的大孔，顶盖要有足够的强度和刚度，使充水加压后的变形尽量小，同时为布置在顶盖上的导轴承和导叶传动机构提供可靠的支承，故配置了一定数量的筋板，在顶盖与主轴的间隙处，设有主轴密封和检修密封，以保护稀油润滑导轴承正常工作，顶盖与转轮相邻位，装有上漏环，以减小漏水损失。
底环：
底环为环形结构，底环上预留有安装导叶下轴颈的孔，与转轮下环相对应的部位，安装下部固定止漏环。
4.1.3、混流式水轮机转轮和主轴
混流式水轮机转轮位于整个机构的中心，上为顶盖，下有尾水管，四周为导叶所包围，底环和基础环包围着转轮下环面。
主轴穿过顶盖中心孔，与转轮上冠相连，构成水轮机旋转部位。
混流式水轮机转动部分的作用是，转轮将水流的能量转换成机械能，主轴将机械能传递给发电机，旋转部分的自重和轴向水推力通过主轴传递给推力轴承，旋转部分的颈向力通过主轴传递给导轴承，再由轴承支座传向厂房基础。
转轮的组成及结构型式：
混流式转轮由上冠，叶片、下环、止漏装置和减压装置等组成。
结构型式主要是指上冠、叶片、下环三部分的构造型式。
它们基本上可分为下列几种构造型式：
即整铸、铸焊和组合式，大中型水轮机常采用后两种。
龚站转轮结构采用铸焊结构型式。
（1）、上冠
上冠位于转轮上部，其外形与倒置圆锥体相似。
上冠与下环配合构成转轮的过流通道，在上冠下表面有均匀分布的叶片，其上面或侧面有转动止漏环，用以连接主轴，上冠下部中央还装有泄水锥，用以引导叶片出口水流平顺地流向尾水管。
（2）、叶片：
叶片位于上冠与下环之间，把它们连成转轮整体，叶片一般为10—24片，龚站转轮叶片为14片，水流与转轮间的能量转换直接在叶片上进行。
叶片的形状和数目直接影响转轮性能，特别对效率和气蚀的影响更大。
（3）、下环：
下环位于叶片下端，将叶片连成整体，以增加转轮的强度和刚度，承受叶片水流引起的张力。
在下环的轮缘上，安装有转动下部止漏环，减少转轮漏水损失。
（4）、止漏环：
水轮机转动部分和固定部分相邻处，存在有间隙，从间隙漏走的压力水不经过转轮，造成一定能量损失，故在间隙处安装止漏环，以尽量减少漏水损失。
安装在顶盖、底环或基础环上的称为固定止漏环，安装在上冠、下环上的止漏环称为转动止漏环。
把转动环和固定环相配合的间隙做成忽大忽小，或成直角转向从而增加水流前进阻力，达到减小漏水的目的。
按止漏环的形状可分为间隙式，迷宫式、梳齿式，阶梯式四种型式，龚站止漏环采用间隙式止漏。
这种止漏方式效果差，但与转轮同心度高，制造安装方便，抗磨性能好，一般应用在多泥沙电站。
（5）、减压装置：
减压装置的作用是减小转轮轴向水推力。
减轻轴向水推力的途径有二条，一是设减压装置；二是设法增加作用于下环外表面的反向轴向水推力，一般都采用设减压装置。
后一种水力损失较大、较复杂。
减压装置有下列两种
引水板与泄水孔结构
均压管和泄水孔减压结构
龚站减压装置是泄水孔结构不在上述两例。
主轴结构型式：
水轮发电机的主轴有分段和整根之分，分段轴即把主轴分成发电机轴和水轮机轴。
下端与水轮机转轮相连，龚站主轴为分段主轴。
对于大型水电站的主轴做成空心轴，即能减轻重量节约材料，又不影响轴的强度和刚度。
空心轴还可用于向转轮室补气。
龚站大轴补气装置未用已拆除。
主轴下端的补气孔已焊死。
4.1.4混流式水轮机导轴承：
立式水轮机导轴承
水轮机导轴承位于顶盖上方，用以承受主轴传来的径向振摆力，约束主轴旋转轴心线。
导轴承在结构布置时应尽量使轴承靠近转轮，以缩短转轮至轴承的距离，增加主轴运行的稳定性和可靠性。
导轴承是运行的主要监视对象，也是检修和维护的主要项目，导轴承运行是否良好直接影响机组安全稳定运行，为此对导轴承必须重视。
立式导轴承按润滑介质不同，可分为水润滑和稀油润滑导轴承，而稀油润滑导轴承又分块瓦式和圆筒式两种，大、中性水电站均采用分块瓦式导轴承。
龚站水导轴承是分块稀油润滑导轴承。
分块瓦式导轴承由下列部件构成，主轴轴领，分块瓦、挡油箱、温度信号器，轴承体（瓦架）冷却器轴承盖。
分块瓦轴承的工作过程，油箱中油被轴领带动旋转，轴领下部的油在离心力的作用下，穿过油孔，一部分进入瓦间，一部分被带入瓦面，楔形间隙形成油膜，并向上，向外侧运动，翻过轴承体顶面，经油箱外部，流经冷却器降温后回到轴领下部，形成润滑油循环。
根据安全运行要求，瓦块2/3（抗重螺丝中心线）泡在油中即可维持良好润滑。
4.1.5混流式水轮机密封装置
水轮机转轮上冠与顶盖止漏环间隙之间的漏水，需经减压装置降压（经减压孔排至尾水管）作用，此水压一般不超过0.19Mpa，为防止此压力水从主轴与顶盖之间的缝隙中冒出，破坏导轴承密封装置，对下游水位高于顶盖的电站，要设停机检修密封装置，水轮机的主轴蜜蜂装置包括工作密封和检修密封。
①工作密封
从工作原理上讲：
工作密封可简化为固定在转轴上的动环和固定在顶盖的静环组合成的摩擦副，其工作最佳状态是静环以一定压力压向动环，保持密封面的稳定接触以封水，同时要引进一定清洁压力水到密封面，形成液膜润滑，避免干摩擦引起的摩擦副快速磨损。
同时要有足够的磨损补偿余量，做到低泄流长寿命。
工作密封结构型式较多，大体有橡胶平板密封，端面密封，角面密封。
U型密封等。
龚站采用橡胶平板密封，现在改用U型橡胶密封。
U型橡胶密封的结构装在转轴上的转动环，装在顶盖上的静动环，分内、外环组成U型槽，静动环U型槽装有倒U型橡胶密封，U型环外环接密封润滑水管，润滑水将U型橡胶块顶起与转动换面接触，起密封作用，在U型橡胶底部开有一定量的孔，一部分润滑水从此孔进入U型橡胶块上面，起润滑作用。
②检修密封
对于尾水位高于水导轴承的水电站，为防止尾水倒灌，设置停机检修密封，常用的检修密封有空气围带式密封，将横断面为中空的O型橡胶围带压装在位于工作密封下部的顶盖固定部件内，与转动部件圆住面间隙为1.5~2mm，正常运行时，空气围带与旋转件不接触，当停机后空气围带以0.05~0.07Mpa压缩空气使围带膨胀，从四周抱紧大轴，达到密封的目的。
4.1.6混流式水轮机尾水管和附属装置：
立式混流式水轮机尾水管位于转轮下面，大中型水轮机常用弯肘管和出口扩散管三部分组成。
近年来，我国新研制的椭圆断面衬管，经试验性能优于常规肘管，已在某些电站使用。
混流式水轮机附属装置有补气装置，尾水管稳流装置、顶盖排水装置、蜗壳排水装置、放空阀等。
下面主要介绍一下与运行关系密切的补气装置和顶盖排水装置。
①、尾水管补气装置
在某些工况下，水轮机尾水管内会出现大尺寸涡带，这些涡带是不稳定的，不稳定的涡带会造成压力脉动和振动，向尾水补气对消振能收到好的效果，补气方式有以下几种，十字架补气、短管补气、射流补气。
龚站采用短管补气。
在靠近转轮下环处，水平地安装了四根短管，短管下方有出气孔，四根短管与厂房下游侧直径为300mm的管子相通，管子出口在上厂下游付厂房外，下厂在主厂房天棚下游侧。
采取自然补气的方式。
②轴心补气阀
③紧急真空破坏阀
当机组紧急关机时，由于水流惯性作用，在转轮室会产生很大真空，导致尾水管及下游迅速返回，撞击转轮顶盖，发生抬机现象，严重时引起顶盖损坏，在顶盖上装置紧急真空破坏阀，能在转轮出现真空知，迅速向转轮室补气，避免产生上述破坏，
紧急真空破坏阀装在顶盖上，通常有两只或四只，龚站装有两只，工作原理：
当转轮室出现真空强度达到一定值时，大约0.0147~0.0196Mpa时阀盘克服弹簧压力下移，开始补气，真空消失时，依靠弹簧力使阀盘复位，阀盘面密封采用橡胶板和不锈钢接触。
4.2混流式水轮机各主要部件作用介绍
4.2.1引水部件
引水部件作用：
（1）以最小的水力损失把水引向导水部件，从而提高水轮机的效率。
（2）尽可能保证沿导水部件周围进水流量均匀，水流对称于轴，以使转轮受力均衡，提高工作稳定性。
（3）在进入导水部件以前，使水流形成一定量。
（4）保证转轮工作时不与大气接触。
4.2.2导水部件
混流式水轮机的导水机构位于蜗壳座环的内圈，它由顶盖、底环、导叶、导叶臂、连杆、控制环和接力器等部件组成。
导水部件作用：
（1）调节流量。
根据机组负荷变化情况，调节进入转轮的流量改变水轮机的出力，使其与外界负荷变化相适应。
（2）形成环量。
根据转轮对进口环量的要求，使水流在转轮前形成必要的旋转。
（3）截断水流。
导叶全部关闭，可截断水流实现停机。
4.2.3工作部件
工作部件系指转轮（或称工作轮），它是水轮机的心脏，是水轮机实现能量转换的主要部件。
混流式水轮机转轮位于整个机构的中心，上为顶盖，下有尾水管，四周为导叶所包围，底环和基础环包围着转轮下环面。
主轴穿过顶盖中心孔，与转轮上冠相连，构成水轮机旋转部位。
混流式水轮机转动部分的作用是，转轮将水流的能量转换成机械能，主轴将机械能传递给发电机，旋转部分的自重和轴向水推力通过主轴传递给推力轴承，旋转部分的颈向力通过主轴传递给导轴承，再由轴承支座传向厂房基础。
转轮的组成及结构型式：
混流式转轮由上冠，叶片、下环、止漏装置和减压装置等组成。
4.2.4泄水部件
水轮机泄水部件习惯上称为尾水管或吸出管，其作用为：
（1）将水流平顺的引向下游。
（2）回收水流离开转轮时的部分动能和回收转轮高出下游水面的那一段位能。
4.3混流式水轮机结构图
5水轮机异常运行与事故处理
5.1水轮机的气蚀和振动
通流部件，特别是转轮被气蚀破坏，是我国水轮机最突出的问题之一。
5.1.1气蚀现象
当某点的压力达到（或低于）该温度下水的汽化压力时，水就局部汽化产生大量气泡，同时水体中存在的许多眼看不见的气核体积骤然增大也形成可见气泡，这些气泡随着水流进入高压区时，气泡瞬时破灭，由于汽泡中心压力较低，气泡周围的水质点将以很高的速度向气泡中心撞击形成巨大的压力，并以很高的频率冲击金属表面，使水轮机过流部件的金属表面产生物理电化学作用遭到破坏，这一现象就称为汽蚀现象。
5.1.2气蚀的危害
气蚀的危害有：
1）使通流部件表面失去原设计的流线形状，降低水轮机效率，减小出力。
2）破坏水轮机过流部件，影响机组寿命。
3）产生强烈的噪音和振动，从而影响水轮机的安全稳定运行。
5.1.3气蚀的类型
1）叶型汽蚀：
发生在水轮机转轮叶片上的汽蚀。
2）间隙汽蚀：
水流通过狭小的流道与间隙时流速变大，从而引起压力降低而产生负压
所形成。
3）局部汽蚀：
水轮机过流部件局部凸凹不平时，也会引起局部真空形成局部气蚀。
4）空腔汽蚀：
反击式水轮机偏离最优工况时，水轮机出口流速则产生一圆周分量使水流在转轮出口处产生脱流和旋涡形成一大空腔，在中心产生很大真空形成。
叶型汽蚀
5.1.4气蚀的防护方法
因受限于气蚀研究的现状等原因，当前，虽已有各种有效的技术措施用以改善水轮机的抗气蚀性能，然而踞完全消除气蚀对水轮机运行的有害影响以及水轮机的发展还很远。
对已建的水电站而言，水轮机转轮已确定，其通流部件已经无法更改。
为防止气蚀，实际中主要采用运行区域控制法（即合理地选择减轻气蚀危害地水轮机运行工况），向气蚀区通入空气以及在过流部件表面上涂上抗气蚀稳定性高的保护层等方法。
5.1.5水轮机的振动
运行中的机组振、摆度是衡量运行状态是否正常的指标之一，在额定工况下，要求机组及其部件的振、摆度不大于最大允许值。
使机组产生振动的干扰力大致可分为：
1）机组转动部分质量不均衡等所引起的惯性力、摩擦力及其它力；
2）水轮机转轮、流道中各部分水流的动水压力；
3）发电机电气部分的电磁力；
4）调速器失调及其它因素产生的力。
5.2水轮机运行中监视
5.2.1轮机运行中，应经常测量水车摆度在允许范围内运行，不能超过0.25mm，否则对水轮机的安全稳定运行造成威胁，严重时对水轮机主要部件造成损坏。
5.2.2水轮机运行中应严密注意瓦温运行情况，若变化大，应查找原因进行处理。
5.2.3水轮机运行中，振动不能过大，运行中应躲过振动区域。
5.2.4水轮机运行中导水机构，如控制环不能跳动、拐臂、连臂不能摆动、振动。
连接套不能上爬等，要注意检查和监视。
5.2.5水导油槽油位要在规定范围运行，油位不能过低。
5.2.6尾水管充水注意事项：
⑴充水前应做围带充气和密封水充水试验，检查围带有无漏气，水封能否正常止水；
⑵充水前期不能围带给气；
⑶充水中严密监视顶盖漏水情况，若漏水大立即围带充气，水封给水，停止向尾水管充水。
5.3水轮机运行中的常见事故及处理
5.3.1处理原则：
当水轮机发生事故时，有相应的信号光字，机组可能有冲击声或其它异音。
运行人员应立即根据信号光字进行处理，处理时应冷静果断，正确判断，不能随意复归信号。
得值长允许才能复归光字信号。
5.3.2轴承温度过高停机的处理：
现象：
①上位机发“机组轴承温度过高”信号；
②机组K86D动作，机组事故停机。
处理：
①监视机组动装置动作情况，自动不良，手动帮助；
②停机过程中注意监视事故轴承的温度升高情况，作好记录；
③检查轴承温度过高原因，是油槽油位太低还是油槽进水，将检查情况汇报领导。
④做好相应措施，通知维护人员处理。
5.3.3机组事故低油压停机的处理
现象：
①上位机发“机组低油压”1.6Mpa；
②机组K86D动作，机组停机；
③压油槽指示1.6Mpa及以下；
④两台油泵均在启动或均未启动。
处理：
①监视自动装置动作情况，若自动不良手动帮助；
②检查油压下降原因，并设法处理，若是大量跑油应设法制止跑油；
③若106阀以后的部位大量跑油，应立即关闭106阀；
④若油压下降至已无法关闭导叶时，应立即按紧急停机按钮，关闭工作门，关闭106阀；
⑤通知坝上值班
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