第五章水輪機特性曲線

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,111111snPQn

2、nHaDfPQ,01,01nHaDfPQ 因此，參數(shù)之間的關(guān)系較復雜，難以找出具因此，參數(shù)之間的關(guān)系較復雜，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 、導葉開度、導葉開度 和轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)角 不變條

3、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)菀椎枚唷８淖內(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:從下圖可以看出，從下圖可以看出， 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當當 時，時， 。當當 （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 當當 ，水輪機才有功率輸出，水輪機才有功率輸出， 。當當 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 。當當 ，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出力為零時，流量不為零，此處的流量稱為當出力為零時，流量不為零，此處的流量稱為空載流量空載流量，對應(yīng)的導葉開度稱為，對應(yīng)的導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 、導葉開度、導葉開度 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，各導葉下的曲線從相應(yīng)的曲線

8、接近于直線，各導葉下的曲線從相應(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: 當水頭低于最高效率點所對應(yīng)的水頭時，水輪當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

9、，呈現(xiàn)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:從下圖可以看出，從下圖可以看出， 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

10、優(yōu)于低比說明高比轉(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以表示水輪機兩個以上參數(shù)之間的關(guān)系曲線。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、橫坐標軸，繪制的幾組等值參數(shù)曲線，有等效橫坐標軸，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（等 線）、等轉(zhuǎn)角曲線）、等轉(zhuǎn)角曲線（等線（等 線）、線）、5%出力

11、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。11n11Q0a 等效率曲線等效率曲線 1111,Qnf曲線特征：曲線特征： 曲線由內(nèi)向外擴曲線由內(nèi)向外擴大呈大呈“鴨蛋鴨蛋”形，形，效率逐漸降低。說效率逐漸降低。說明在每一圈明在每一圈“鴨蛋鴨蛋”圖上，盡管工況圖上，盡管工況不同，但效率值不同，但效率值 卻相同。卻相同。 等空化系數(shù)曲線等空化系數(shù)曲線 1111,Qnf11Q曲線特征：曲線特征： 曲線呈不規(guī)則形，每曲線呈不規(guī)則形，每一條曲線上，盡管工況一條曲線上，盡管工況不

12、同，但空化值不同，但空化值卻相卻相同，空化值同，空化值的變化規(guī)的變化規(guī)律基本上是隨律基本上是隨 增加增加而增加，空化性能相應(yīng)而增加，空化性能相應(yīng)降低，說明水輪機越容降低，說明水輪機越容易發(fā)生氣蝕。易發(fā)生氣蝕。 等開度曲線等開度曲線 11110,Qnfa 0a曲線特征：曲線特征： 曲線呈規(guī)則曲線呈規(guī)則形，每一條曲形，每一條曲線上，盡管工線上，盡管工況不同，但導況不同，但導葉的開度值葉的開度值 卻相同。卻相同。 等轉(zhuǎn)角曲線等轉(zhuǎn)角曲線1111,Qnf曲線特征：曲線特征： 曲線呈曲線呈“直線直線”形，每一條曲形，每一條曲線上，盡管工況線上，盡管工況不同，但轉(zhuǎn)輪葉不同，但轉(zhuǎn)輪葉片的轉(zhuǎn)角值片的轉(zhuǎn)角值 卻相

13、同。卻相同。 5%出力限制線出力限制線 曲線特征：曲線特征：曲線呈不規(guī)則形，出力曲線呈不規(guī)則形，出力限制線把模型綜合特性限制線把模型綜合特性曲線分成兩部分，曲線分成兩部分，左邊左邊為工作區(qū)域，右邊為非為工作區(qū)域，右邊為非工作區(qū)域工作區(qū)域。出力限制線。出力限制線上的工況點，稱為水輪上的工況點，稱為水輪機的限制工況點。機的限制工況點。 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，是人為制定的標準，定的工作條件而繪制的，是人為制定的標準，隨著設(shè)計、制造技術(shù)的不斷提高，安全裕量值隨著設(shè)計、制造技術(shù)的不斷提高，安全裕量值會適當下降，可能會有會適當下降，可能會

14、有4%、3%等。等。 5%出力限制線出力限制線限制水輪機出力的曲限制水輪機出力的曲線，它是在各單位轉(zhuǎn)速下水輪機的出力達到最線，它是在各單位轉(zhuǎn)速下水輪機的出力達到最大出力的大出力的95%時各工況點的連線。時各工況點的連線。注注 意：意： 不同類型的水輪機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

15、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式水輪式水輪機相同。機相同。 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，當水輪機的工作水頭或負荷發(fā)生變化時，導水當水輪機的工作水頭或負荷發(fā)生變化時，導水葉與葉片的協(xié)聯(lián)機構(gòu)，將使葉片角度作出相應(yīng)葉與葉片的協(xié)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

16、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)工況包括協(xié)聯(lián)工況包括兩層含義兩層含義：導水葉、轉(zhuǎn)輪葉片：導水葉、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 線的線的交點交點。0a 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)的對應(yīng)的最高效率連線最高效率連線。 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)方式下工作時的效率等值線。時的效率等值線。 等空化系數(shù)線等空化系數(shù)線是各轉(zhuǎn)角下的同類水輪是各轉(zhuǎn)角下的同類水輪機的等空化系數(shù)線

17、與等轉(zhuǎn)角線的一系列交點機的等空化系數(shù)線與等轉(zhuǎn)角線的一系列交點中，相同空化系數(shù)值的連線。中，相同空化系數(shù)值的連線。 等開度線等開度線表示在協(xié)聯(lián)方式下，導葉開度表示在協(xié)聯(lián)方式下，導葉開度為某常數(shù)，而葉片角度不同時，水輪機單位為某常數(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)方式下的流量與單位轉(zhuǎn)速的關(guān)系，代表協(xié)聯(lián)方式下的過流特性。過流特性。思考題：思考題：為什么軸流式水輪機不繪制為什么軸流式水輪機不繪制5%的出力限制線？的出力限制線？ 沖擊式水輪機沖擊式水輪機 沖擊式水輪機的過流量與水輪機的轉(zhuǎn)速無沖擊式水輪機的過流量與水輪機的轉(zhuǎn)速無關(guān)，僅與噴嘴的開度有關(guān)，因此，它的等開度關(guān)，僅與噴

18、嘴的開度有關(guān)，因此，它的等開度線是與線是與 坐標軸垂直的直線。坐標軸垂直的直線。思考題：思考題：沖擊式水輪機為什么不繪制沖擊式水輪機為什么不繪制5%的出力限制線和空化系數(shù)線？的出力限制線和空化系數(shù)線？ 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 坐標軸坐標軸的直線，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。如：曲線如：曲線asn11Q 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，受的外向離心力也增加，流動受阻，流動受阻，Q減小，等開減

19、小，等開度線呈左向上傾曲線。度線呈左向上傾曲線。如：曲線如：曲線bsn 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，故轉(zhuǎn)速變化對流量的當，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。如如:曲線曲線csn 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。如：曲線如：曲線d ZZ式水輪機：轉(zhuǎn)輪流道式

20、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，即導葉轉(zhuǎn)角變化的影響，即導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。如：曲線傾斜曲線。如：曲線e 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

21、（且水頭變幅?。⑿×髁浚ㄇ邑摵勺冃。?、小流量（且負荷變化大）的水電站。化大）的水電站。如：曲線如：曲線5sn1111,Qn1111,Qn 低低 的的HL式水輪機：式水輪機：等效率線的等效率線的 坐標坐標偏低，等效率線形狀如扁偏低，等效率線形狀如扁平橢園，意味著水輪機對平橢園，意味著水輪機對水頭變化敏感，而對功率水頭變化敏感，而對功率變化不敏感，適用于高水變化不敏感，適用于高水頭、低流量、水頭變化小頭、低流量、水頭變化小及負荷變化大的水電站。及負荷變化大的水電站。如：曲線如：曲線4sn1111,Qn 中高中高 的的HL式水輪機：式水輪機： 等效率線在坐標上位置居中，等效率線形狀等效率線在坐標上

22、位置居中，等效率線形狀接近橢園，意味著水輪機對水頭、功率變化程接近橢園，意味著水輪機對水頭、功率變化程度相差不大，適用于水頭、流量中等范圍開發(fā)度相差不大，適用于水頭、流量中等范圍開發(fā)的水電站。的水電站。如：曲線如：曲線3sn ZD式水輪機：式水輪機： 等效率線位于坐標圖等效率線位于坐標圖右上角，等效率線形狀呈右上角，等效率線形狀呈狹長橢園，且傾斜明顯，狹長橢園，且傾斜明顯，意味著水輪機對水頭變化意味著水輪機對水頭變化不敏感，而對流量變化敏不敏感，而對流量變化敏感，適用于低水頭、大流感，適用于低水頭、大流量、水頭變化大，但負荷量、水頭變化大，但負荷變化小的水電站。變化小的水電站。如：曲線如：曲線

23、2 ZZ式水輪機：式水輪機： 等效率線位于坐標圖右等效率線位于坐標圖右上角，等效率線形狀近似上角，等效率線形狀近似于長、短軸接近的橢園，于長、短軸接近的橢園，其效率沿縱軸與橫軸變化其效率沿縱軸與橫軸變化均較平緩，意味著水輪機均較平緩，意味著水輪機對水頭和功率變化都不是對水頭和功率變化都不是很敏感，適用于低水頭、很敏感，適用于低水頭、大流量、水頭和負荷變化大流量、水頭和負荷變化均較大的水電站。均較大的水電站。如：曲線如：曲線1HL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

24、機效率變化平緩，平均機效率變化平緩，平均效率高。效率高。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、橫坐標軸，繪制的幾組等值的工作為縱、橫坐標軸，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導水輪機合理運行。導水輪機合理運行。 水輪機運轉(zhuǎn)綜合特性曲線，是根據(jù)

25、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 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)進行必要修正。 效率修正計算效率修正計算 HL式、式、ZL式原型水輪機最

26、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 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： 11111MTMnn111111nnnMT11111MTMQQ111111QQQMT 僅當僅當 時，單位參數(shù)不時，

27、單位參數(shù)不必修正，必修正， 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 工作特性曲線的計算工作特性曲線的計算 在在 與與 之間，選取之間，選取36個個水頭值，其中應(yīng)包括水頭值，其中應(yīng)包括 、 及及 。 求出與各選取水頭值相對應(yīng)的模型單求出與各選取水頭值相對應(yīng)的模型單位轉(zhuǎn)速位轉(zhuǎn)速 311min12111111max1111111CnHnDCnHnDCnHnDnnnrTMmaxHminHminHmaxHrH 求各單位轉(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 水平線

28、。水平線。Mn11TQ11TCnM11 （即上面所選?。瓷厦嫠x取水頭值相對應(yīng)的模水頭值相對應(yīng)的模型單位轉(zhuǎn)速）與等型單位轉(zhuǎn)速）與等效率曲線、效率曲線、5%出力出力限制線相交若干個限制線相交若干個點。點。 查出若干交點所對應(yīng)的模型參數(shù)為查出若干交點所對應(yīng)的模型參數(shù)為 ： 對模型參數(shù)值對模型參數(shù)值 、 進行修進行修正后，得到原型機參數(shù)。正后，得到原型機參數(shù)。MMQ,11MQ11M111111QQQMTMT 計算計算各交點各交點下原型水輪機的出力下原型水輪機的出力 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見表一或表二或舊課本或舊課本P307表表9-1或表或表9-3 新課本新課本

29、P132-134表表5-1、表、表5-2、表、表5-3P23211181.981.9HDQQHP5%出力限制線上的點%MsmQM311TTQ11P1Dn11n1112/3121111111min118.911QKHDQPnnHHHnDMPnHHMr1121Dn11n11Q葉片轉(zhuǎn)角葉片轉(zhuǎn)角效率修正值效率修正值（%）1112/3121111111min118.911QKHDQPnnHHHnDM %MsmQM311TTQ11PPnHHMr1121DMD1MH %0M10511007 .03 .011HHDDMMMM00rH 曲線的繪制曲線的繪制 繪工作特性曲線繪工作特性曲線建立建立（縱）（縱）P （

30、橫）（橫）坐標；坐標；將計算表中的將計算表中的、P值對值對應(yīng)地在應(yīng)地在-P坐標內(nèi)描點；坐標內(nèi)描點；同一水頭同一水頭下的各點用光滑下的各點用光滑曲線連接。曲線連接。 繪等效率曲線繪等效率曲線 以水頭以水頭H 、P為縱、橫建立坐標軸。為縱、橫建立坐標軸。 為繪制方便，常將等效率曲線為繪制方便，常將等效率曲線 與工作特性曲線與工作特性曲線 的出力的出力P坐標（坐標（即橫坐標）取同一比例即橫坐標）取同一比例, 具體方法如下：具體方法如下：PHf, Pf 在在HP坐標內(nèi)，繪出所取各計算水頭的水坐標內(nèi)，繪出所取各計算水頭的水平線。平線。如如 ： 321,HHH 在在-P坐標內(nèi)，將坐標內(nèi)，將坐標每隔坐標每隔

31、1%-2%繪水平繪水平線（效率取整百分數(shù)線（效率取整百分數(shù)),使其與各水頭的使其與各水頭的=f（P）曲線相交得若干交點。如）曲線相交得若干交點。如1、2、3、1、2、3 等。等。 由各交點向由各交點向H-P坐坐標內(nèi)引垂線與標內(nèi)引垂線與H-P坐坐標內(nèi)相應(yīng)水頭線相交，標內(nèi)相應(yīng)水頭線相交，得對應(yīng)交點。得對應(yīng)交點。 將將HP坐標內(nèi)同坐標內(nèi)同一效率下的各點連接一效率下的各點連接成光滑曲線。成光滑曲線。 重復步驟重復步驟、 、 即可得即可得一族等效一族等效率線。率線。例如：求效率為例如：求效率為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

32、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，水為縱坐標，水頭頭H為橫坐標，建立坐標為橫坐標，建立坐標軸。在軸。在 H 坐標坐標內(nèi)，將上述各點作曲內(nèi)，將上述各點作曲線線 。 、以出力以出力P為縱坐標，水為縱坐標，水頭頭H為橫坐標，建立坐標為橫坐標，建立坐標軸。在軸。在PH坐標內(nèi)，將坐標內(nèi)，將上述各點作上述各點作 曲線。曲線。maxmaxHfmaxAHHfP 、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為為拐點的縱坐標拐點的縱坐標 。、在、在 曲線曲線上，

33、找到上，找到 所對應(yīng)的所對應(yīng)的出力出力P即為拐點的即為拐點的 。HfP AHAPHfmax、將、將 、 值在值在等效率曲線等效率曲線上找出上找出,即找即找到了拐點到了拐點A。AHAP 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 值在模型綜合特性曲線上作水平線與各等值在模型綜合特性曲線上作水平線與各等曲曲線交，查出各交點的線交，查出各交點的 、 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 。CnM11MQ11MMsH PfHsPsHMMQ11M11QP1HMsH123121111111min19001081. 911HHHDQPnnH

34、HMSHnDM1Dn11n11QMMQ11PMsHSHnDMrHPnnHH1111221 由表四中由表四中各水頭各水頭下的下的 、 值，繪制曲線值，繪制曲線PsH 在此曲線上，將在此曲線上，將 坐標隔坐標隔0.5或或1m作作水平線，與各水頭的水平線，與各水頭的 曲線相交若干曲線相交若干點，將各交點參數(shù)（點，將各交點參數(shù)（H、P）繪到）繪到HP坐標內(nèi)坐標內(nèi)，用光滑曲線連接。即為該水平線下對應(yīng)值的，用光滑曲線連接。即為該水平線下對應(yīng)值的等等 線。線。sH PfHssH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。sH HL式、

35、式、ZD式水輪機的出力限制線的繪制式水輪機的出力限制線的繪制 當水頭當水頭 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）垂直于橫坐標的直線。標的直線。rPP rHH 當水頭當水頭 時，水輪機出力取決于它時，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

36、過流能力。通常是根據(jù)模型綜合特性曲線上的的5%出力限制線轉(zhuǎn)繪的。繪制的方法一般是：出力限制線轉(zhuǎn)繪的。繪制的方法一般是：minHrHminPrHrPminHrHHrH求出與求出與 和和 相相對應(yīng)的水輪機出力，將對應(yīng)的水輪機出力，將A點（點（ 、 ）、B 點（點（ 、 ）兩點連成一斜線）兩點連成一斜線。 水輪機在整個水頭范圍內(nèi)的出力限制線，就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。為上述垂直線與斜線相交所形成的折線組成。 ZZ式水輪機出力限制線的繪制式水輪機出力限制線的繪制 轉(zhuǎn)槳式水輪機模型綜合特性曲線上不標轉(zhuǎn)槳式水輪機模型綜合特性曲線上不標5%出力限制線，其

37、最大出力受空化的限制。出力限制線，其最大出力受空化的限制。通常在確定了額定工況以后，通常在確定了額定工況以后，把該點的等開度把該點的等開度線作為水輪機的出力限制線。線作為水輪機的出力限制線。 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 當水頭當水頭 時，水輪機出力限制線時，水輪機出力限制線由發(fā)電機的額定容量確定，即為一條垂直于橫由發(fā)電機的額定容量確定，即為一條垂直于橫坐標的直線，并且坐標的直線，并且 。 rHHrPP 當水頭當水頭 時，水輪機出力受其最大時，水輪機出力受其最大開度的限制。開度的限制。 為簡便起見，可仿照混流式兩點直線作法，為簡便起見，可仿照混流式兩點直線作法，即模

38、型特性曲線上開度線即模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兩兩點）換算到原型點）換算到原型H-P坐標上的坐標上的A、B。連接。連接A、B兩點所得的斜線，即為軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機兩點所得的斜線，即為軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機的出力限制線。的出力限制線。max0aminmax11HfnrrHfn11rHHminmin11Hfn23211181.981.9HDQQHP分別求出分別求出 和和 下的出力下的出力 、rHminHminPrP注意：注意： 發(fā)電機出力限制線與水輪機出力限制線的發(fā)電機出力限制線與水輪機出力限制線的交點交點所對應(yīng)的水頭，即為所對應(yīng)的水頭，即為水輪機的設(shè)計水頭水輪機的

39、設(shè)計水頭。一、水輪機的飛逸一、水輪機的飛逸 飛逸是水輪機運轉(zhuǎn)中的一種飛逸是水輪機運轉(zhuǎn)中的一種特殊工況特殊工況，即在水力機組運轉(zhuǎn)中，由于某種原因突然甩即在水力機組運轉(zhuǎn)中，由于某種原因突然甩掉全部負荷，發(fā)電機輸出功率為零，此時調(diào)掉全部負荷，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水機構(gòu)不能關(guān)閉，速系統(tǒng)失靈或其它原因使導水機構(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)速升高而增加的損失相平衡時，轉(zhuǎn)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，此時的轉(zhuǎn)速稱為水速達到某一穩(wěn)定最大值，此時的轉(zhuǎn)速稱為水輪機的飛逸轉(zhuǎn)速，用輪機的飛逸轉(zhuǎn)

40、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飛逸轉(zhuǎn)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)性。通常，水輪機的飛逸特性用單位飛逸轉(zhuǎn)速速 與開度之間的關(guān)系曲線示，稱為與開度之間的關(guān)系曲線示，稱為水輪機的飛逸特性曲線。水輪機的飛逸特性曲線。Rn11 飛逸轉(zhuǎn)速的計算飛逸轉(zhuǎn)速的計算 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

41、機型式不同， 發(fā)生的條件也發(fā)生的條件也不同，所以計算不同，所以計算 及對及對 的取值的取值方法也不同。方法也不同。maxRnmaxRnRn11 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)速只飛逸轉(zhuǎn)速只與導葉開度有關(guān)，與導葉開度有關(guān)，最大飛逸轉(zhuǎn)速最大飛逸轉(zhuǎn)速 發(fā)生在發(fā)生在最大水頭最大水頭 和導葉在最大可能開度，即和導葉在最大可能開度，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在主要綜合特性曲線圖上的限制工況點對應(yīng)的點對應(yīng)的 ，再乘以，再乘以1.05的系數(shù)得到模型導的系數(shù)得到模型導葉最大可能開度葉最大可能開度 ，用，用 查飛逸特查飛逸特性曲線，即可得到性曲線，即可得到 值值 。 max0max005. 1aamaxH0amax0amax0aRn11maxRnmaxRn 已知原型水輪機導葉的最大可能開已知原型水輪機導葉的最大可能開度度 ，若導水機構(gòu)幾何相似，可由下式換算，若導水機構(gòu)幾何相似，可由下式換算成模型導葉對應(yīng)的最大可能開度成模型導葉對應(yīng)的最大可能開度式中式中 導葉數(shù)目導葉數(shù)目 導葉軸線分布圓直徑導葉軸線分布圓直徑由上式得到由上式得到 ，再查飛逸特性曲線，即，再查飛逸特性曲線，即可得到可得到 值。值。 0000m