第五章 水輪機的特性曲線

1、5-1 水輪機的特性曲線分類水輪機的特性曲線分類 水輪機特性曲線水輪機特性曲線表示水輪機在各種運行表示水輪機在各種運行工況下，特性參數(shù)之間變化規(guī)律的曲線。工況下，特性參數(shù)之間變化規(guī)律的曲線。 用于表示水輪機特性參數(shù)的有以下幾類：用于表示水輪機特性參數(shù)的有以下幾類：幾何參數(shù)幾何參數(shù) 、工作參數(shù)、綜合參數(shù)。、工作參數(shù)、綜合參數(shù)。 幾何參數(shù)：幾何參數(shù)： 等。等。工作參數(shù)：工作參數(shù)： 等。等。綜合特性參數(shù)：綜合特性參數(shù)： 等。等。對于單調(diào)節(jié)的水輪機有四個自變量對于單調(diào)節(jié)的水輪機有四個自變量 對于雙調(diào)節(jié)的水輪機有五個自變量對于雙調(diào)節(jié)的水輪機有五個自變量,0021baDD,sHPHQn,111111snP

2、QnnHaDfNQ,01,01nHaDfNQ 因此，參數(shù)之間的關(guān)系較復(fù)雜，難以找出具因此，參數(shù)之間的關(guān)系較復(fù)雜，難以找出具體的函數(shù)表達式，只能逐一分解，找出部分參數(shù)體的函數(shù)表達式，只能逐一分解，找出部分參數(shù)之間的關(guān)系。之間的關(guān)系。運轉(zhuǎn)綜合特性曲線模型綜合特性曲線綜合特性曲線水頭特性曲線轉(zhuǎn)速特性曲線工作特性曲線線性特性曲線兩大類型特性曲線分為 : 水輪機線性特性曲線水輪機線性特性曲線僅表示水輪機某僅表示水輪機某兩個參數(shù)之間的關(guān)系曲線。兩個參數(shù)之間的關(guān)系曲線。一、轉(zhuǎn)速特性曲線一、轉(zhuǎn)速特性曲線 是指尺寸（是指尺寸（ ）確定的水輪機，在水）確定的水輪機，在水頭頭 、導(dǎo)葉開度、導(dǎo)葉開度 和轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)角 不

3、變條不變條件下，其主要工作參數(shù)之間的關(guān)系曲線。件下，其主要工作參數(shù)之間的關(guān)系曲線。 此類曲線常用于模型試驗中，試驗中改此類曲線常用于模型試驗中，試驗中改變變 比比 改變?nèi)菀椎枚?。改變?nèi)菀椎枚唷?D0anHHH常見的有以下。常見的有以下。1.出力與轉(zhuǎn)速關(guān)系曲線出力與轉(zhuǎn)速關(guān)系曲線 2.效率與轉(zhuǎn)速關(guān)系曲線效率與轉(zhuǎn)速關(guān)系曲線 3.流量與轉(zhuǎn)速關(guān)系曲線流量與轉(zhuǎn)速關(guān)系曲線 nfP nf nfQ 注注 意意不同比轉(zhuǎn)速的水輪機其轉(zhuǎn)速特性也不同不同比轉(zhuǎn)速的水輪機其轉(zhuǎn)速特性也不同:從圖從圖9-3可以看出，可以看出， 低比轉(zhuǎn)速水輪機的效率對轉(zhuǎn)速的變化比較低比轉(zhuǎn)速水輪機的效率對轉(zhuǎn)速的變化比較敏感，在偏離額定轉(zhuǎn)速時，水輪

4、機的效率下降敏感，在偏離額定轉(zhuǎn)速時，水輪機的效率下降較快，而高比轉(zhuǎn)速水輪機的效率下降較慢。較快，而高比轉(zhuǎn)速水輪機的效率下降較慢。 低比轉(zhuǎn)速水輪機的過流量隨著轉(zhuǎn)速增高而低比轉(zhuǎn)速水輪機的過流量隨著轉(zhuǎn)速增高而減小，而高比轉(zhuǎn)速水輪機的過流量則隨轉(zhuǎn)速增減小，而高比轉(zhuǎn)速水輪機的過流量則隨轉(zhuǎn)速增高而增加。中比轉(zhuǎn)速水輪機的過流量則幾乎不高而增加。中比轉(zhuǎn)速水輪機的過流量則幾乎不隨轉(zhuǎn)速變化。隨轉(zhuǎn)速變化。二、工作特性曲線二、工作特性曲線 是指尺寸（是指尺寸（ ）確定的水輪機，在水頭）確定的水輪機，在水頭 、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)速 不變條件下，其主要工作參數(shù)之間的不變條件下，其主要工作參數(shù)之間的關(guān)系曲線，常見的有以下。關(guān)系曲線，

5、常見的有以下。 1.出力特性曲線出力特性曲線 2. 流量特性曲線流量特性曲線 3. 開度特性曲線開度特性曲線 1D PfaQ0, QfaP0,0,afQPnnH當(dāng)當(dāng) 時，時， 。當(dāng)當(dāng) （空載開度）時，水（空載開度）時，水輪機以額定轉(zhuǎn)速空載運轉(zhuǎn)，輪機以額定轉(zhuǎn)速空載運轉(zhuǎn)， （空載流量）（空載流量）00a0,PQxaa000,PxQQ 當(dāng)當(dāng) ，水輪機才有功率輸出，水輪機才有功率輸出， 。當(dāng)當(dāng) 達到某一個值時，效率出現(xiàn)峰值達到某一個值時，效率出現(xiàn)峰值 。當(dāng)當(dāng) ，水輪機內(nèi)的水流條件變壞，水力損失，水輪機內(nèi)的水流條件變壞，水力損失 ， 雖有雖有 ，但，但 值會值會 。oxaa 0同時和P0amax繼續(xù)0a

6、P,maxmax00PQQaa但時當(dāng)注意注意: 在水輪機工作特性曲線上，有三個重要的特征點在水輪機工作特性曲線上，有三個重要的特征點當(dāng)出力為零時，流量不為零，此處的流量稱為當(dāng)出力為零時，流量不為零，此處的流量稱為空載流量空載流量，對應(yīng)的導(dǎo)葉開度稱為，對應(yīng)的導(dǎo)葉開度稱為空載開度空載開度。此時。此時，流量很小，水流作用于轉(zhuǎn)輪的力矩僅夠克服阻，流量很小，水流作用于轉(zhuǎn)輪的力矩僅夠克服阻力而維持轉(zhuǎn)輪以額定轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，沒有功率輸出。力而維持轉(zhuǎn)輪以額定轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，沒有功率輸出。效率最高點對應(yīng)的流量為效率最高點對應(yīng)的流量為最優(yōu)流量最優(yōu)流量。出力曲線最高點處的功率，稱為極限功率，對出力曲線最高點處的功率，稱為極限功

7、率，對應(yīng)的流量為應(yīng)的流量為極限流量極限流量。 三種工作特性曲線可以相互轉(zhuǎn)換。三種工作特性曲線可以相互轉(zhuǎn)換。三、水頭特性曲線三、水頭特性曲線 是指尺寸（是指尺寸（ ）確定的水輪機，在轉(zhuǎn)速）確定的水輪機，在轉(zhuǎn)速 、導(dǎo)葉開度、導(dǎo)葉開度 不變條件下，其主要工作參數(shù)之不變條件下，其主要工作參數(shù)之間的關(guān)系曲線，常見的有以下間的關(guān)系曲線，常見的有以下 1.出力與水頭關(guān)系曲線出力與水頭關(guān)系曲線 2.效率與水頭關(guān)系曲線效率與水頭關(guān)系曲線 3.流量與水頭關(guān)系曲線流量與水頭關(guān)系曲線1DnHfP HfHfQ 0a1.出力與水頭關(guān)系曲線出力與水頭關(guān)系曲線 曲線特點曲線特點: 曲線接近于直線，各導(dǎo)葉下的曲線從相應(yīng)的曲線接

8、近于直線，各導(dǎo)葉下的曲線從相應(yīng)的空載水頭開始引出。在低于空載水頭時，水輪空載水頭開始引出。在低于空載水頭時，水輪機即使在空載時，也不能達到額定轉(zhuǎn)速。機即使在空載時，也不能達到額定轉(zhuǎn)速。HfP HfP 2.效率與水頭關(guān)系曲線效率與水頭關(guān)系曲線 曲線特點曲線特點: 當(dāng)水頭低于最高效率點所對應(yīng)的水頭時，水輪當(dāng)水頭低于最高效率點所對應(yīng)的水頭時，水輪機效率的變化比較急劇，相反，效率變化比較緩機效率的變化比較急劇，相反，效率變化比較緩慢。慢。Hf3.流量與水頭關(guān)系曲線流量與水頭關(guān)系曲線 曲線特點曲線特點: 在小開度時，曲線接近于直線，但在大開度在小開度時，曲線接近于直線，但在大開度時，呈現(xiàn)非直線。時，呈現(xiàn)

9、非直線。 HfQ 注意注意 不同比轉(zhuǎn)速的水輪機其水頭特性也不同不同比轉(zhuǎn)速的水輪機其水頭特性也不同:從圖從圖9-5可以看出，可以看出， 不同比轉(zhuǎn)速的水輪機在偏離最優(yōu)工況時，效率不同比轉(zhuǎn)速的水輪機在偏離最優(yōu)工況時，效率下降的快慢程度不同，下降的快慢程度不同，高比轉(zhuǎn)速水輪機在偏離高比轉(zhuǎn)速水輪機在偏離最優(yōu)工況時的效率下降較慢；相反，低比轉(zhuǎn)速水最優(yōu)工況時的效率下降較慢；相反，低比轉(zhuǎn)速水輪機在偏離最優(yōu)工況時的效率下降較快輪機在偏離最優(yōu)工況時的效率下降較快 。低比低比轉(zhuǎn)速水輪機對應(yīng)的空載水頭值要比高比轉(zhuǎn)速水輪轉(zhuǎn)速水輪機對應(yīng)的空載水頭值要比高比轉(zhuǎn)速水輪機大得多。機大得多。 說明高比轉(zhuǎn)速水輪機對水頭的適應(yīng)性優(yōu)于

10、低比說明高比轉(zhuǎn)速水輪機對水頭的適應(yīng)性優(yōu)于低比轉(zhuǎn)速水輪機。轉(zhuǎn)速水輪機。 水輪機綜合特性曲線水輪機綜合特性曲線表示水輪機兩個表示水輪機兩個以上參數(shù)之間的關(guān)系曲線。以上參數(shù)之間的關(guān)系曲線。運轉(zhuǎn)綜合特性曲線模型綜合特性曲線綜合特性曲線水頭特性曲線轉(zhuǎn)速特性曲線工作特性曲線線性特性曲線兩大類型特性曲線分為 :一、水輪機的模型綜合特性曲線一、水輪機的模型綜合特性曲線 以單位轉(zhuǎn)速以單位轉(zhuǎn)速 、單位流量、單位流量 為縱、為縱、橫坐標(biāo)軸，繪制的幾組等值參數(shù)曲線，有等效橫坐標(biāo)軸，繪制的幾組等值參數(shù)曲線，有等效率曲線（等率曲線（等 線）、等空化系數(shù)曲線（等線）、等空化系數(shù)曲線（等 線）、等開度曲線（等線）、等開度曲線

11、（等 線）、等轉(zhuǎn)角曲線）、等轉(zhuǎn)角曲線（等線（等 線）、線）、5%出力限制線。出力限制線。 這些特性曲線能全面反映同系列水輪機的性這些特性曲線能全面反映同系列水輪機的性能，稱為水輪機主要的模型綜合特性曲線。能，稱為水輪機主要的模型綜合特性曲線。11n11Q0a1、等效率曲線、等效率曲線 曲線特征：曲線由內(nèi)向外擴大呈曲線特征：曲線由內(nèi)向外擴大呈“鴨蛋鴨蛋”形形，效率逐漸降低。說明在每一圈，效率逐漸降低。說明在每一圈“鴨蛋鴨蛋”圖上，圖上，盡管工況不同，但效率值盡管工況不同，但效率值 卻相同。卻相同。 1111,Qnf2、等空化系數(shù)曲線、等空化系數(shù)曲線 曲線特征：曲線呈不規(guī)則形，每一條曲線曲線特征：

12、曲線呈不規(guī)則形，每一條曲線上，盡管工況不同，但空化值上，盡管工況不同，但空化值卻相同，空化卻相同，空化值值的變化規(guī)律基本上是隨的變化規(guī)律基本上是隨 增加而增加，增加而增加，空化性能相應(yīng)降低，說明水輪機越容易發(fā)生氣空化性能相應(yīng)降低，說明水輪機越容易發(fā)生氣蝕。蝕。1111,Qnf11Q3、等開度曲線、等開度曲線 曲線特征：曲線呈規(guī)則形，每一條曲線上，曲線特征：曲線呈規(guī)則形，每一條曲線上，盡管工況不同，但導(dǎo)葉的開度值盡管工況不同，但導(dǎo)葉的開度值 卻相同。卻相同。4、等轉(zhuǎn)角曲線、等轉(zhuǎn)角曲線 曲線特征：曲線呈曲線特征：曲線呈“直線直線”形，每一條曲形，每一條曲線上，盡管工況不同，但轉(zhuǎn)輪葉片的轉(zhuǎn)角值線上，

13、盡管工況不同，但轉(zhuǎn)輪葉片的轉(zhuǎn)角值 卻相同。卻相同。1111,Qnf11110,Qnfa 0a5、5%出力限制線出力限制線 曲線特征：曲線呈不規(guī)則形，出力限制線把曲線特征：曲線呈不規(guī)則形，出力限制線把模型綜合特性曲線分成兩部分，左邊為工作區(qū)模型綜合特性曲線分成兩部分，左邊為工作區(qū)域，右邊為非工作區(qū)域。出力限制線上的工況域，右邊為非工作區(qū)域。出力限制線上的工況點，稱為水輪機的限制工況點。點，稱為水輪機的限制工況點。 5%出力限制線出力限制線限制水輪機出力的曲線限制水輪機出力的曲線，它是各單位轉(zhuǎn)速下，它是各單位轉(zhuǎn)速下95%最大出力工況點的連最大出力工況點的連線。線。注注 意：意：1、不同類型的水輪機

14、模型綜合特性曲線不一樣、不同類型的水輪機模型綜合特性曲線不一樣 HL式水輪機有：等效率線、等空化系數(shù)線、式水輪機有：等效率線、等空化系數(shù)線、等開度線、等開度線、5%出力限制線；出力限制線； ZZ式水輪機有：等效率線、等空化系數(shù)線、式水輪機有：等效率線、等空化系數(shù)線、等開度線、等轉(zhuǎn)角線；等開度線、等轉(zhuǎn)角線； ZD式水輪機有：等效率線、等空化系數(shù)線、式水輪機有：等效率線、等空化系數(shù)線、等開度線、等開度線、5%出力限制線；出力限制線； CJ式水輪機有：等效率線、等開度線（噴針式水輪機有：等效率線、等開度線（噴針行程線行程線S=C）；）； XL式水輪機一般都是轉(zhuǎn)漿式，與式水輪機一般都是轉(zhuǎn)漿式，與ZZ式

15、水輪式水輪機相同；機相同；2、為什么要繪制、為什么要繪制5%出力限制線？出力限制線？ 5%出力限制線是為保證水輪機正常、穩(wěn)出力限制線是為保證水輪機正常、穩(wěn)定的工作條件而繪制的，是人為制定的標(biāo)準(zhǔn)，定的工作條件而繪制的，是人為制定的標(biāo)準(zhǔn)，隨著設(shè)計、制造技術(shù)的不斷提高，安全裕量隨著設(shè)計、制造技術(shù)的不斷提高，安全裕量值會適當(dāng)下降，可能會有值會適當(dāng)下降，可能會有4%、3%等。等。3、協(xié)聯(lián)工況、協(xié)聯(lián)工況 轉(zhuǎn)漿式水輪機的轉(zhuǎn)輪葉片可以改變角度，轉(zhuǎn)漿式水輪機的轉(zhuǎn)輪葉片可以改變角度，當(dāng)水輪機的工作水頭或負(fù)荷發(fā)生變化時，導(dǎo)水當(dāng)水輪機的工作水頭或負(fù)荷發(fā)生變化時，導(dǎo)水葉與葉片的協(xié)聯(lián)機構(gòu)，將使葉片角度作出相應(yīng)葉與葉片的協(xié)

16、聯(lián)機構(gòu)，將使葉片角度作出相應(yīng)的改變，從而水輪機保持較高的工作效率，這的改變，從而水輪機保持較高的工作效率，這種運行方式保證的運行工況，稱為協(xié)聯(lián)工況。種運行方式保證的運行工況，稱為協(xié)聯(lián)工況。 協(xié)聯(lián)工況包括兩層含義：導(dǎo)水葉、轉(zhuǎn)輪葉片協(xié)聯(lián)工況包括兩層含義：導(dǎo)水葉、轉(zhuǎn)輪葉片維持協(xié)聯(lián)關(guān)系。協(xié)聯(lián)工況點是指等維持協(xié)聯(lián)關(guān)系。協(xié)聯(lián)工況點是指等 線和等線和等 線的交點。線的交點。0a4、軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機、軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機、等葉片轉(zhuǎn)角線、等葉片轉(zhuǎn)角線是同一葉片轉(zhuǎn)角下各單是同一葉片轉(zhuǎn)角下各單位轉(zhuǎn)速上位轉(zhuǎn)速上 對應(yīng)的最高效率連線。對應(yīng)的最高效率連線。、等效率線、等效率線是水輪機在協(xié)聯(lián)方式下工作是水輪機在協(xié)聯(lián)方式下工作時

17、的效率值線。時的效率值線。、等開度線、等開度線表示在協(xié)聯(lián)方式下，導(dǎo)葉開表示在協(xié)聯(lián)方式下，導(dǎo)葉開度為某常數(shù)，而葉片角度不同時，水輪機單度為某常數(shù)，而葉片角度不同時，水輪機單位流量與單位轉(zhuǎn)速的關(guān)系，代表協(xié)聯(lián)方式下位流量與單位轉(zhuǎn)速的關(guān)系，代表協(xié)聯(lián)方式下的過流特性。的過流特性。 CJ式水輪機：等開度式水輪機：等開度線為垂直于線為垂直于 坐標(biāo)軸坐標(biāo)軸的直線，開度不變時，的直線，開度不變時，Q與與n變化無關(guān)，只取變化無關(guān)，只取決于噴針開度。決于噴針開度。sn11Q 低低 的的HL式水輪機：式水輪機：由于經(jīng)向流道較長，轉(zhuǎn)由于經(jīng)向流道較長，轉(zhuǎn)速速n增加時，轉(zhuǎn)輪內(nèi)水流增加時，轉(zhuǎn)輪內(nèi)水流受的外向離心力也增加，受的

18、外向離心力也增加，流動受阻，流動受阻，Q減小，等開減小，等開度線呈左向上傾曲線。度線呈左向上傾曲線。sn 中高中高 的的HL式水輪機：式水輪機：由于轉(zhuǎn)輪流道位于經(jīng)向到由于轉(zhuǎn)輪流道位于經(jīng)向到軸向彎道上，水流離心力軸向彎道上，水流離心力和旋轉(zhuǎn)速度對和旋轉(zhuǎn)速度對Q的影響相的影響相當(dāng)，故轉(zhuǎn)速變化對流量的當(dāng)，故轉(zhuǎn)速變化對流量的影響不大，等開度線基本影響不大，等開度線基本上呈豎直線。上呈豎直線。sn ZD式水輪機：由式水輪機：由于轉(zhuǎn)輪流道位于軸向于轉(zhuǎn)輪流道位于軸向彎道上，水流彎道上，水流Q隨轉(zhuǎn)隨轉(zhuǎn)速的增加而增大，等速的增加而增大，等開度線呈右向上傾斜開度線呈右向上傾斜曲線。曲線。 ZZ式水輪機：轉(zhuǎn)輪流道式

19、水輪機：轉(zhuǎn)輪流道與與ZD式水輪機相同，但同式水輪機相同，但同一開度線上，水流流量還一開度線上，水流流量還要受協(xié)聯(lián)關(guān)系決定的葉片要受協(xié)聯(lián)關(guān)系決定的葉片轉(zhuǎn)角變化的影響，即導(dǎo)葉轉(zhuǎn)角變化的影響，即導(dǎo)葉開度不變開度不變,轉(zhuǎn)速增高時，葉轉(zhuǎn)速增高時，葉片轉(zhuǎn)角變小，相應(yīng)流量減片轉(zhuǎn)角變小，相應(yīng)流量減小，故其開度線呈向左上小，故其開度線呈向左上傾斜曲線。傾斜曲線。 CJ式水輪機：式水輪機：等效率線的等效率線的 數(shù)值較小，數(shù)值較小，等效率線形狀扁平，意味等效率線形狀扁平，意味著水輪機對水頭變化敏感，著水輪機對水頭變化敏感，而對功率變化不敏感，適而對功率變化不敏感，適用于高水頭（且水頭變幅用于高水頭（且水頭變幅?。?、

20、小流量（且負(fù)荷變?。⑿×髁浚ㄇ邑?fù)荷變化大）的水電站。化大）的水電站。sn1111,Qn1111,Qn 低低 的的HL式水輪機：等效率線的式水輪機：等效率線的 坐坐標(biāo)偏低，等效率線形狀如扁平橢園，意味著水輪標(biāo)偏低，等效率線形狀如扁平橢園，意味著水輪機對水頭變化敏感，而對功率變化不敏感，適用機對水頭變化敏感，而對功率變化不敏感，適用于高水頭、低流量、水頭變化小及負(fù)荷變化大的于高水頭、低流量、水頭變化小及負(fù)荷變化大的水電站水電站 中高中高 的的HL式水輪機：式水輪機： 等效率線在等效率線在 坐標(biāo)上坐標(biāo)上位置居中，等效率線形狀接位置居中，等效率線形狀接近橢園，意味著水輪機對水近橢園，意味著水輪機對水

21、頭、功率變化程度相差不大，頭、功率變化程度相差不大，適用于水頭、流量中等范圍適用于水頭、流量中等范圍開發(fā)的水電站。開發(fā)的水電站。sn1111,Qn1111,Qn ZD式水輪機：式水輪機： 等效率線位于等效率線位于 坐標(biāo)圖右上角，等效率坐標(biāo)圖右上角，等效率線形狀呈狹長橢園，且傾斜明顯，意味著水輪機線形狀呈狹長橢園，且傾斜明顯，意味著水輪機對水頭變化不敏感，而對流量變化敏感，適用于對水頭變化不敏感，而對流量變化敏感，適用于低水頭、大流量、水頭變化大，但負(fù)荷變化小的低水頭、大流量、水頭變化大，但負(fù)荷變化小的水電站。水電站。 ZZ式水輪機：式水輪機： 等效率線位于等效率線位于 坐坐標(biāo)圖右上角，等效率線

22、形標(biāo)圖右上角，等效率線形狀近似于長、短軸接近的狀近似于長、短軸接近的橢園，其效率沿縱軸與橫橢園，其效率沿縱軸與橫軸變化均較平緩，意味著軸變化均較平緩，意味著水輪機對水頭和功率變化水輪機對水頭和功率變化都不是很敏感，適用于低都不是很敏感，適用于低水頭、大流量、水頭和負(fù)水頭、大流量、水頭和負(fù)荷變化均較大的水電站。荷變化均較大的水電站。1111,QnHL式水輪機比轉(zhuǎn)速愈高，式水輪機比轉(zhuǎn)速愈高，效率曲線愈陡，偏離最效率曲線愈陡，偏離最優(yōu)工況時效率下降愈大。優(yōu)工況時效率下降愈大。軸流轉(zhuǎn)槳和斜流轉(zhuǎn)槳水輪軸流轉(zhuǎn)槳和斜流轉(zhuǎn)槳水輪機效率變化平緩，平均機效率變化平緩，平均效率高。效率高。各種型式水輪機最大效率各種

23、型式水輪機最大效率不發(fā)生在最大出力下，不發(fā)生在最大出力下，而發(fā)生在小于最大出力而發(fā)生在小于最大出力的某一出力。的某一出力。 一、概念一、概念 水輪機運轉(zhuǎn)綜合特性曲線水輪機運轉(zhuǎn)綜合特性曲線以工作參數(shù)以工作參數(shù)H、P為縱、橫坐標(biāo)軸，繪制的幾組等值的工作為縱、橫坐標(biāo)軸，繪制的幾組等值的工作參數(shù)曲線，有等效率曲線（等效率線）、等參數(shù)曲線，有等效率曲線（等效率線）、等吸出高度曲線（等吸出高度線）、出力限制吸出高度曲線（等吸出高度線）、出力限制線。線。這些曲線反映原型水輪機工作參數(shù)之間的變化這些曲線反映原型水輪機工作參數(shù)之間的變化規(guī)律，可用于檢查所選水輪機是否正確和指規(guī)律，可用于檢查所選水輪機是否正確和指

24、導(dǎo)水輪機合理運行。導(dǎo)水輪機合理運行。 水輪機運轉(zhuǎn)綜合特性曲線，是根據(jù)同系列水水輪機運轉(zhuǎn)綜合特性曲線，是根據(jù)同系列水輪機的模型綜合特性曲線，按水輪機相似理論輪機的模型綜合特性曲線，按水輪機相似理論進行換算而繪制的。包含等效率曲線、等吸出進行換算而繪制的。包含等效率曲線、等吸出高度線、出力限制線。高度線、出力限制線。（一）等效率曲線的繪制（一）等效率曲線的繪制1、參數(shù)修正計算、參數(shù)修正計算 繪制運轉(zhuǎn)綜合特性曲線時，首先要將模型水繪制運轉(zhuǎn)綜合特性曲線時，首先要將模型水輪機的參數(shù)換算成原型水輪機的工作參數(shù)，換輪機的參數(shù)換算成原型水輪機的工作參數(shù)，換算中，要對換算的參數(shù)進行必要修正。算中，要對換算的參數(shù)

25、進行必要修正。（1）、效率修正計算）、效率修正計算 HL式、式、ZL式原型水輪機最優(yōu)工況點（即最高式原型水輪機最優(yōu)工況點（即最高效率）效率計算分別為：效率）效率計算分別為： 原、模型水輪機效率差值：原、模型水輪機效率差值： 原型水輪機在任意工況點的效率：原型水輪機在任意工況點的效率： 511maxmax11DDMM10511maxmax7.03.011HHDDMMMM0000M（2）、單位參數(shù)修正計算）、單位參數(shù)修正計算 單位轉(zhuǎn)速的修正值：單位轉(zhuǎn)速的修正值： 原型機的單位轉(zhuǎn)速：原型機的單位轉(zhuǎn)速： 單位流量的修正值：單位流量的修正值： 原型機的單位流量：原型機的單位流量： 11111MTMnn1

26、11111nnnMT11111MTMQQ111111QQQMT僅當(dāng)僅當(dāng) 時，單位參數(shù)不必修時，單位參數(shù)不必修正，正， 即原型機的單位參數(shù)等于模型機單位參數(shù)：即原型機的單位參數(shù)等于模型機單位參數(shù)：%31MTMTnn1111MTQQ1111 2、工作特性曲線的計算、工作特性曲線的計算（1）在）在 與與 之間，選取之間，選取36個水頭值，其中應(yīng)包括個水頭值，其中應(yīng)包括 、 及及 。（2）求出與各選取水頭值相對應(yīng)的模型）求出與各選取水頭值相對應(yīng)的模型單位轉(zhuǎn)速單位轉(zhuǎn)速 311min12111111max1111111CnHnDCnHnDCnHnDnnnrTMmaxHminHminHmaxHrH（3）求各

27、單位轉(zhuǎn)速）求各單位轉(zhuǎn)速 下相應(yīng)的下相應(yīng)的 和和 值。值。 首先在模型特性曲線圖上作首先在模型特性曲線圖上作 （C為常數(shù)，即上面所選取水頭值相對應(yīng)的模型單位為常數(shù)，即上面所選取水頭值相對應(yīng)的模型單位轉(zhuǎn)速）水平線。與等效率曲線、轉(zhuǎn)速）水平線。與等效率曲線、5%出力限制線相出力限制線相交若干個點。交若干個點。 查出若干交點所對應(yīng)的參數(shù)為查出若干交點所對應(yīng)的參數(shù)為 對模型參數(shù)值對模型參數(shù)值 、 進行修正后，進行修正后，得到原型機參數(shù)得到原型機參數(shù) 和和 值。值。Mn11TQ11TCnM11MMQ,11MQ11M111111QQQMTMT（4）計算各交點下原型水輪機的出力）計算各交點下原型水輪機的出力

28、。以上計算一般可列表格進行以上計算一般可列表格進行見表一或表二（或課本見表一或表二（或課本P307表表9-1或表或表9-3）。）。 P23211181.981.9HDQQHP5%出力限制線上的點%MsmQM311TTQ11P1Dn11n1112/3121111111min118.911QKHDQPnnHHHnDM葉葉片片轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)角角 效率效率修正修正值值（%） %MsmQM311TTQ11P1Dn11n11Q1112/3121111111min118.911QKHDQPnnHHHnDM1DMD1MH %0M10511007 .03 .011HHDDMMMM00rH3、曲線的繪制、曲線的繪制（1）繪

29、工作特性曲線）繪工作特性曲線 以效率以效率為縱坐標(biāo)，出力為縱坐標(biāo)，出力P為橫坐標(biāo)，將表為橫坐標(biāo)，將表9-1或表或表9-3中的中的、P值一一對應(yīng)地在值一一對應(yīng)地在-P坐標(biāo)內(nèi)描坐標(biāo)內(nèi)描點，把同一水頭下的各點用光滑曲線連接。點，把同一水頭下的各點用光滑曲線連接。（2）繪等效率曲線）繪等效率曲線 以水頭以水頭H 、P為縱、橫建立坐標(biāo)軸。為繪制方為縱、橫建立坐標(biāo)軸。為繪制方便，常將等效率曲線便，常將等效率曲線 與工作特與工作特性曲線性曲線 的出力的出力P坐標(biāo)（即橫坐標(biāo)）坐標(biāo)（即橫坐標(biāo)）取同一比例取同一比例, 具體方法如下具體方法如下 PfPHf,PHf, Pf在在HP坐標(biāo)內(nèi)，繪出所取坐標(biāo)內(nèi)，繪出所取各計

30、算水頭的水平線。各計算水頭的水平線。如如 在在-N坐標(biāo)內(nèi)，將坐標(biāo)內(nèi)，將坐標(biāo)每坐標(biāo)每隔隔1%-2%繪水平線（效率繪水平線（效率取整百分?jǐn)?shù)取整百分?jǐn)?shù)),使其與各水頭使其與各水頭的的=f（P）曲線相交得若）曲線相交得若干交點。如干交點。如1、2、3、4(1)、5（2)、6(3) 等。等。 321,HHH由各交點向由各交點向H-N坐標(biāo)內(nèi)坐標(biāo)內(nèi)引垂線與引垂線與H-N坐標(biāo)內(nèi)相坐標(biāo)內(nèi)相應(yīng)水頭線相交，得對應(yīng)應(yīng)水頭線相交，得對應(yīng)交點。交點。將將HN坐標(biāo)內(nèi)同一效坐標(biāo)內(nèi)同一效率下的各點連接成光滑率下的各點連接成光滑曲線。曲線。重復(fù)步驟重復(fù)步驟、 、 即即可得一族等效率線?？傻靡蛔宓刃示€。例如：求效率為例如：求效率

31、為91%曲曲線上的拐點線上的拐點A。、在、在=f（P）曲線）曲線上，找出各曲線（拋上，找出各曲線（拋物線）的極值點所對物線）的極值點所對應(yīng)的應(yīng)的 、H、P值，值，如如a、b、c、d、e等。等。max、以、以 為縱坐標(biāo)，水為縱坐標(biāo)，水頭頭H為橫坐標(biāo)，建立坐標(biāo)為橫坐標(biāo)，建立坐標(biāo)軸。在軸。在 H 坐標(biāo)坐標(biāo)內(nèi)，將上述各點作曲內(nèi)，將上述各點作曲線線 。、在、在 曲線曲線上，取上，取=91%作水平線作水平線與該曲線相交得交點與該曲線相交得交點g，該點所對應(yīng)的水頭該點所對應(yīng)的水頭H為拐為拐點的縱坐標(biāo)點的縱坐標(biāo) 。maxmaxHfmaxAHHfmax、以出力、以出力P為縱坐標(biāo)，水為縱坐標(biāo)，水頭頭H為橫坐標(biāo)，建

32、立坐標(biāo)為橫坐標(biāo)，建立坐標(biāo)軸。在軸。在PH坐標(biāo)內(nèi)，將坐標(biāo)內(nèi)，將上述各點作上述各點作 曲線。曲線。、在、在 曲線上，曲線上，找到找到 所對應(yīng)的出力所對應(yīng)的出力P即為拐點的即為拐點的 。HfP HfP AHAP、將、將 、 值在等效率曲線上找出值在等效率曲線上找出,即找到了拐點即找到了拐點A。AHAPv1、用前面計算的各水頭對應(yīng)的、用前面計算的各水頭對應(yīng)的 值在模值在模型綜合特性曲線上作水平線與各等型綜合特性曲線上作水平線與各等曲線交，查曲線交，查出各交點的出各交點的 、 和和 值，填入表四中值，填入表四中,并計算其相應(yīng)點的出力并計算其相應(yīng)點的出力 及吸出高度及吸出高度 。v2、由表四中各水頭下的、

33、由表四中各水頭下的 、 值，繪制曲值，繪制曲線線v3、在此曲線上，將、在此曲線上，將 坐標(biāo)隔坐標(biāo)隔0.5或或1m作水平作水平線，與各水頭的線，與各水頭的 曲線相交若干點，將曲線相交若干點，將各交點參數(shù)（各交點參數(shù)（H、P）繪到）繪到HP坐標(biāo)內(nèi)，用光滑坐標(biāo)內(nèi)，用光滑曲線連接。即為該水平線下對應(yīng)值的等曲線連接。即為該水平線下對應(yīng)值的等 線。線。CnM11MQ11MMPsHsH PfHsPsHsH PfHssHMMQ11M11QP1HMsH123121111111min19001081.911HHHDQPnnHHMSHnDM1Dn11n11Q注意：等吸出高度注意：等吸出高度 曲線的拐點也可仿效等效率

34、曲線的拐點也可仿效等效率曲線上拐點的方法。曲線上拐點的方法。sHv1、HL式、式、ZD式水輪機的出力限制線的繪式水輪機的出力限制線的繪制制v 當(dāng)水頭當(dāng)水頭 時，水輪機出力受發(fā)電時，水輪機出力受發(fā)電機的額定出力的限制（受發(fā)電機限制的水機的額定出力的限制（受發(fā)電機限制的水輪機最大出力）。在一定的功率因數(shù)下，輪機最大出力）。在一定的功率因數(shù)下，發(fā)電機額定出力是一定值發(fā)電機額定出力是一定值,因此，在水輪機因此，在水輪機運轉(zhuǎn)綜合特性曲線上，出力限制線是一條運轉(zhuǎn)綜合特性曲線上，出力限制線是一條 （ 水輪機額定出力）垂直于橫坐水輪機額定出力）垂直于橫坐標(biāo)的直線。標(biāo)的直線。rPP rHH 當(dāng)水頭當(dāng)水頭 時，水

35、輪機出力取決于它的時，水輪機出力取決于它的過流能力。通常是根據(jù)模型綜合特性曲線上的過流能力。通常是根據(jù)模型綜合特性曲線上的5%出力限制線轉(zhuǎn)繪的。繪制的方法一般是求出與出力限制線轉(zhuǎn)繪的。繪制的方法一般是求出與 和和 相對應(yīng)的水輪機出力相對應(yīng)的水輪機出力 、 ，將，將A點點（ 、 ）、）、B 點（點（ 、 ）兩點連成一）兩點連成一斜線。斜線。水輪機在整個水頭范圍內(nèi)的出力限制線，就為水輪機在整個水頭范圍內(nèi)的出力限制線，就為上述垂直線與斜線相交所形成的折線組成。上述垂直線與斜線相交所形成的折線組成。minHrHrPminPrHrPminHminPrHH2、ZZ式水輪機出力限制線的繪制式水輪機出力限制線

36、的繪制 轉(zhuǎn)槳式水輪機模型綜合特性曲線上不標(biāo)轉(zhuǎn)槳式水輪機模型綜合特性曲線上不標(biāo)5%出出力限制線，其最大出力受空化的限制。通常在確定力限制線，其最大出力受空化的限制。通常在確定了額定工況以后，把該點的等開度線作為水輪機的了額定工況以后，把該點的等開度線作為水輪機的出力限制線。出力限制線。 繪制的方法與混流式水輪機相仿繪制的方法與混流式水輪機相仿 當(dāng)水頭當(dāng)水頭 時，水輪機出力限制線由發(fā)電時，水輪機出力限制線由發(fā)電機的額定容量確定，即為一條垂直于橫坐標(biāo)的直線機的額定容量確定，即為一條垂直于橫坐標(biāo)的直線，并且，并且 。 當(dāng)水頭當(dāng)水頭 時，水輪機出力受其最大開度時，水輪機出力受其最大開度的限制。的限制。

37、rHHrPP rHH 為簡便起見，可仿照混流式兩點直線作法，即模為簡便起見，可仿照混流式兩點直線作法，即模型特性曲線上開度線型特性曲線上開度線 與與 、 兩個交點（如圖兩個交點（如圖A、B兩點）換算到原型兩點）換算到原型H-P坐坐標(biāo)上的標(biāo)上的A、B。連接。連接A、B兩點所得的斜線，即為兩點所得的斜線，即為軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機的出力限制線。軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機的出力限制線。max0aminmax11HfnrrHfn11注意：注意：發(fā)電機出力限制線與水輪機出力限制線的交點所對發(fā)電機出力限制線與水輪機出力限制線的交點所對應(yīng)的水頭，即為水輪機的設(shè)計水頭。應(yīng)的水頭，即為水輪機的設(shè)計水頭。v一、水輪機的飛逸特性（

38、見課本一、水輪機的飛逸特性（見課本P62)v飛逸是水輪機運轉(zhuǎn)中的一種特殊工況，即在水力飛逸是水輪機運轉(zhuǎn)中的一種特殊工況，即在水力機組運轉(zhuǎn)中，由于某種原因突然甩掉全部負(fù)荷，機組運轉(zhuǎn)中，由于某種原因突然甩掉全部負(fù)荷，發(fā)電機輸出功率為零，此時調(diào)速系統(tǒng)失靈或其它發(fā)電機輸出功率為零，此時調(diào)速系統(tǒng)失靈或其它原因使導(dǎo)水機構(gòu)不能關(guān)閉，則水輪機轉(zhuǎn)速將迅速原因使導(dǎo)水機構(gòu)不能關(guān)閉，則水輪機轉(zhuǎn)速將迅速上升，直到輸入的水流能量與轉(zhuǎn)速升高而增加的上升，直到輸入的水流能量與轉(zhuǎn)速升高而增加的損失相平衡時，轉(zhuǎn)速達到某一穩(wěn)定最大值，這時損失相平衡時，轉(zhuǎn)速達到某一穩(wěn)定最大值，這時的運轉(zhuǎn)工況叫飛逸工況。而這個轉(zhuǎn)速值稱為水輪的運轉(zhuǎn)工況

39、叫飛逸工況。而這個轉(zhuǎn)速值稱為水輪機的飛逸轉(zhuǎn)速，用機的飛逸轉(zhuǎn)速，用 表示。表示。Rn水輪機在不同水頭、不同開度時所產(chǎn)生的飛逸轉(zhuǎn)水輪機在不同水頭、不同開度時所產(chǎn)生的飛逸轉(zhuǎn)速不等的特性，稱為水輪機的飛逸特性。通常，速不等的特性，稱為水輪機的飛逸特性。通常，水輪機的飛逸特性用單位飛逸轉(zhuǎn)速水輪機的飛逸特性用單位飛逸轉(zhuǎn)速 與開度之間與開度之間的關(guān)系曲線示，稱為水輪機的飛逸特性曲線。的關(guān)系曲線示，稱為水輪機的飛逸特性曲線。Rn111、飛逸轉(zhuǎn)速的計算、飛逸轉(zhuǎn)速的計算 為保證水力機組安全運行，水輪機轉(zhuǎn)輪、發(fā)為保證水力機組安全運行，水輪機轉(zhuǎn)輪、發(fā)電機轉(zhuǎn)子的強度及機組主軸的臨界轉(zhuǎn)速等，均根電機轉(zhuǎn)子的強度及機組主軸的

40、臨界轉(zhuǎn)速等，均根據(jù)其飛逸轉(zhuǎn)速來校核。而且在水電站的機組選型據(jù)其飛逸轉(zhuǎn)速來校核。而且在水電站的機組選型配套設(shè)計中，要計算水輪機在電站運行中可能發(fā)配套設(shè)計中，要計算水輪機在電站運行中可能發(fā)生的最大飛逸轉(zhuǎn)速，應(yīng)小于所選配的發(fā)電機飛逸生的最大飛逸轉(zhuǎn)速，應(yīng)小于所選配的發(fā)電機飛逸轉(zhuǎn)速。這樣，即使機組發(fā)生飛逸，也能在一定程轉(zhuǎn)速。這樣，即使機組發(fā)生飛逸，也能在一定程度上保證機組安全。度上保證機組安全。 根據(jù)相似關(guān)系，水輪機在電站運行中可能發(fā)根據(jù)相似關(guān)系，水輪機在電站運行中可能發(fā)生的最大飛逸轉(zhuǎn)速生的最大飛逸轉(zhuǎn)速 有以下公式計算：有以下公式計算：1max11maxDHnnRRmaxRn水輪機型式不同，水輪機型式不

41、同， 發(fā)生的條件也不同，所發(fā)生的條件也不同，所以計算以計算 及對及對 的取值方法也不同。的取值方法也不同。（1）HL式和式和ZD式水輪機式水輪機 的計算的計算對轉(zhuǎn)輪葉片固定的水輪機，單位對轉(zhuǎn)輪葉片固定的水輪機，單位飛逸轉(zhuǎn)速只與導(dǎo)飛逸轉(zhuǎn)速只與導(dǎo)葉開度有關(guān)，葉開度有關(guān)，最大飛逸轉(zhuǎn)速最大飛逸轉(zhuǎn)速 發(fā)生在最大水發(fā)生在最大水頭頭 和導(dǎo)葉在最大可能開度，即和導(dǎo)葉在最大可能開度，即 時的工況點。有兩種取值方法。時的工況點。有兩種取值方法。 在主要綜合特性曲線圖上的限制工況點對應(yīng)在主要綜合特性曲線圖上的限制工況點對應(yīng)的的 ，再乘以，再乘以1.05的系數(shù)得到模型導(dǎo)葉最大可能的系數(shù)得到模型導(dǎo)葉最大可能開度開度 ，用，用 查飛逸特性曲線，即可得到查飛逸特性曲線，即可得到 值值 。 max0max005. 1aamaxH0amax0amax0aRn11Rn11maxRnmaxRnm