第五章_水轮机的特性曲线
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水轮机特性曲线与水轮机特性之间的关系 • 水轮机特性曲线是水轮机的“心电图”，它通过一些外在
的现象以图形方式表述了水轮机的特性。当一个人心脏有 问题时，可以从他的心电图上反映出来。同样，当一个水 轮机有问题时，可以从它的特性曲线上反映出来。 • 1）不同类型的水轮机，不同的水轮机，其特性曲线不同。 • 2）水轮机不同工况下，水轮机的特性不同，其特性曲线 不同。 • 3）水轮机各种性能之间是有内在联系的，水轮机特性曲 线上的各种曲线，也有密切的内在联系。 • 4）水轮机特性曲线是进行水轮机选型设计，指导水轮机 运行的重要工具。
Q
P
P max
max
转速n
转速n
no
转速n
2.转速特性曲线：各开度下均存在一个最优 转速，小于或大于最优转速，出力与效率都 会降低。
P f (n,ao)
f (n,ao)
0 50 100 150 200 250 300 350
n
n
～ 曲线；（ ） ～ 曲线；（ ） ～ 曲线
3、水头特性曲线 ao c
Q
， 曲线
开度特性：1）开度增大流量增大；曲线越大越缓2小于空载 开度 时效率出力均为零；3）开度最大时，出力不一定最 大。出力最大效率不一定最大
P max
空载开度
ao
， 曲线
2.转速特性曲线
根号H=nD Q=D方 根号H P=D方H3\2
水轮机的导水叶开度和水头H为某常数时，水轮机的流量Q、出力P及 效率 η与转速n之间的关系。偏离最优转速时，出力、效率降低。
冲击式水轮机的过流量与水轮机的转速无关，仅与喷嘴 的开度有关，它的等开度线是与Q11坐标轴垂直的直线。
n11
等开度线
88% 86% 84%82%
等效率线
s 9 11 13 15 17 19 21
Q11
4、不同类型水轮机特性曲线的比较
轴流转
ＺＤ
n11
桨式ＺＺ
中高比速 混流式
低比速 混流式
冲击式
关于水轮机性能的概括
1. 水轮机只有一个最优工况，一般对应无撞击进口和法向出口。 偏离设计工况时，不管水头变化还是负荷（导叶开度变化）， 水轮机效率都会降低。
2. 水轮机的性能与比转速有密切关系。不同nS的水轮机，有不同 的流量特性、效率特性与空化特性不同。
3. 混流式、定桨式水轮机叶片角度不能调整，工况变化的适应性 差；转桨式水轮机可与水头、导叶开度双协联，有宽广的高效 区。
线 C3，对于转桨式水轮机还绘出等叶片转角线，这
些等值线表示出了同系列水轮机的各种主要性能，故称之为 水轮机的主要综合特性曲线。这种主要综合特性曲线一般由 模型实验的方法获得，因此，又称之为模型综合特性曲线。
1.混流式水轮机模型综合特性曲线
由等效率曲线、等开度线、等空化系数线与出力限制线所构成。
n11
a =14 18 22 24
88%90%92%
5%出力 限制线
0.2
0.25 0.30
Q11
混流式水轮机模型综合特性曲线
由等效率曲线、等开度线、等空化系数线与出力限制线所构成。
2、轴流转桨式水轮机模型综合特性曲线
n11
5o 0o
5o 等叶片转角线
常数线
0.5 0.6
比转速升高
Q11
aH0
第一节 水轮机特性曲线的类型
特性曲线表达形式：
线性特性曲线：表达水轮机某2个参数之间关系的曲线：
例如：Q=f（ao）、Q 11=f（n11）
综合特性曲线：表达水轮机多参数之间相互关系
的曲线：例如： f 特性曲线表达对象：
(Q11,n11), P
f
(H,ao )
模型特性曲线：表达模型水轮机特性的曲线，常 以单位参数为变量。如：P11=f（Q11，n11）
运转特性曲线：表达原型水轮机运转特性的曲线， 以原型参数为变量。如：P=f（H，Q）
一、水轮机线性特性曲线
工作特性、转速特性、水头特性
1、工作特性曲线：表示水轮机工作在固定的转速n下的特性而绘制的
a 曲线。在H、P、Q、 中任何一个为自变量的特性曲线。有开度特性、出力
特性，流量特性。
出力特性
流量特性
Q
空载流量
流量随着水头的增高而增大
H
出
力 效
H , H ,
率
P
为 零
H优
H
出力随着水头的增高而增大
H
空载水头
水轮机在转速n、导水叶开度为某常数时，其出力P、流 量Q及效率η与水头H之间的关系
Q
P
空载水头
二、 水轮机模型综合特性曲线
水轮机模型综合特性曲线的特点：1）通过模型试验而获 得的水轮机特性（外特性）；2）综合表示水轮机能量指标、 空化性能等；3）以单位流量、单位转速为坐标系的标准表 达形式。在以n11、Q11为纵、横坐标轴的直角坐标系中同时 绘出等效率线、 C1， 等开度线 a C2 以及等空化系数
第5章 水轮机的特性曲线
第一节 特性曲线的类型 第二节水轮机模型综合特性曲线绘制 第三节水轮机运转综合特性曲线绘制 第四节 水轮机飞逸特性 第五节 水轮机的轴向水推力
水轮机的内特性与外特性
• 水轮机内特性 水轮机内部流场：转轮内部流速、压力分 布，边界层内流动，空化位置及强度。
• 水轮机外特性 水轮机所表达的性能：效率、过流量、空 蚀、振动等。
开度特性
空载
P
， 曲线
Q
空载
， 曲线
a
空载 ， 曲线
出力特性: 1）开度增大流量增大、出力增大，接近最大出力时，曲线变陡。
度增大好多流量和出力才增加一点
2）空载开度下，出力为零，流量为空载流量。
空载Q 空载
ao
P
， 曲线
流பைடு நூலகம்特性：1）开度增大，流量增大；2）小于空载 流量时出力效率均为零。
空载流量
0.7
a 14 18
22
等开度线 26
Q11
转桨式水轮机模型特性曲线
转桨式水轮机模型综合特性曲线上标有等效率线、等开 度线、等叶片转角线、等空化系数线。 由等线与等线可以找出导水开度与叶片转角的最佳协联方式。
3、冲击式水轮机模型综合特性曲线
冲击式水轮机模型综合特性曲线由等效率线（η＝常数） 与等开度线（喷针行程S＝常数）组成。
4. 水轮机的空化特性与水轮机的nS有关，同时与水轮机的工况有 关，一般在最优工况附近空化系数较小，大流量时空化系数大， 小流量和低水头时，由于偏离设计工况而产生脱流，空化往往 也会很严重。
5. 固定叶片水轮机在部分负荷时存在一个振动区，是由于空腔空 化所造成，振动区一般在40%～55%开度范围。
水轮机特性曲线的意义
的现象以图形方式表述了水轮机的特性。当一个人心脏有 问题时，可以从他的心电图上反映出来。同样，当一个水 轮机有问题时，可以从它的特性曲线上反映出来。 • 1）不同类型的水轮机，不同的水轮机，其特性曲线不同。 • 2）水轮机不同工况下，水轮机的特性不同，其特性曲线 不同。 • 3）水轮机各种性能之间是有内在联系的，水轮机特性曲 线上的各种曲线，也有密切的内在联系。 • 4）水轮机特性曲线是进行水轮机选型设计，指导水轮机 运行的重要工具。
Q
P
P max
max
转速n
转速n
no
转速n
2.转速特性曲线：各开度下均存在一个最优 转速，小于或大于最优转速，出力与效率都 会降低。
P f (n,ao)
f (n,ao)
0 50 100 150 200 250 300 350
n
n
～ 曲线；（ ） ～ 曲线；（ ） ～ 曲线
3、水头特性曲线 ao c
Q
， 曲线
开度特性：1）开度增大流量增大；曲线越大越缓2小于空载 开度 时效率出力均为零；3）开度最大时，出力不一定最 大。出力最大效率不一定最大
P max
空载开度
ao
， 曲线
2.转速特性曲线
根号H=nD Q=D方 根号H P=D方H3\2
水轮机的导水叶开度和水头H为某常数时，水轮机的流量Q、出力P及 效率 η与转速n之间的关系。偏离最优转速时，出力、效率降低。
冲击式水轮机的过流量与水轮机的转速无关，仅与喷嘴 的开度有关，它的等开度线是与Q11坐标轴垂直的直线。
n11
等开度线
88% 86% 84%82%
等效率线
s 9 11 13 15 17 19 21
Q11
4、不同类型水轮机特性曲线的比较
轴流转
ＺＤ
n11
桨式ＺＺ
中高比速 混流式
低比速 混流式
冲击式
关于水轮机性能的概括
1. 水轮机只有一个最优工况，一般对应无撞击进口和法向出口。 偏离设计工况时，不管水头变化还是负荷（导叶开度变化）， 水轮机效率都会降低。
2. 水轮机的性能与比转速有密切关系。不同nS的水轮机，有不同 的流量特性、效率特性与空化特性不同。
3. 混流式、定桨式水轮机叶片角度不能调整，工况变化的适应性 差；转桨式水轮机可与水头、导叶开度双协联，有宽广的高效 区。
线 C3，对于转桨式水轮机还绘出等叶片转角线，这
些等值线表示出了同系列水轮机的各种主要性能，故称之为 水轮机的主要综合特性曲线。这种主要综合特性曲线一般由 模型实验的方法获得，因此，又称之为模型综合特性曲线。
1.混流式水轮机模型综合特性曲线
由等效率曲线、等开度线、等空化系数线与出力限制线所构成。
n11
a =14 18 22 24
88%90%92%
5%出力 限制线
0.2
0.25 0.30
Q11
混流式水轮机模型综合特性曲线
由等效率曲线、等开度线、等空化系数线与出力限制线所构成。
2、轴流转桨式水轮机模型综合特性曲线
n11
5o 0o
5o 等叶片转角线
常数线
0.5 0.6
比转速升高
Q11
aH0
第一节 水轮机特性曲线的类型
特性曲线表达形式：
线性特性曲线：表达水轮机某2个参数之间关系的曲线：
例如：Q=f（ao）、Q 11=f（n11）
综合特性曲线：表达水轮机多参数之间相互关系
的曲线：例如： f 特性曲线表达对象：
(Q11,n11), P
f
(H,ao )
模型特性曲线：表达模型水轮机特性的曲线，常 以单位参数为变量。如：P11=f（Q11，n11）
运转特性曲线：表达原型水轮机运转特性的曲线， 以原型参数为变量。如：P=f（H，Q）
一、水轮机线性特性曲线
工作特性、转速特性、水头特性
1、工作特性曲线：表示水轮机工作在固定的转速n下的特性而绘制的
a 曲线。在H、P、Q、 中任何一个为自变量的特性曲线。有开度特性、出力
特性，流量特性。
出力特性
流量特性
Q
空载流量
流量随着水头的增高而增大
H
出
力 效
H , H ,
率
P
为 零
H优
H
出力随着水头的增高而增大
H
空载水头
水轮机在转速n、导水叶开度为某常数时，其出力P、流 量Q及效率η与水头H之间的关系
Q
P
空载水头
二、 水轮机模型综合特性曲线
水轮机模型综合特性曲线的特点：1）通过模型试验而获 得的水轮机特性（外特性）；2）综合表示水轮机能量指标、 空化性能等；3）以单位流量、单位转速为坐标系的标准表 达形式。在以n11、Q11为纵、横坐标轴的直角坐标系中同时 绘出等效率线、 C1， 等开度线 a C2 以及等空化系数
第5章 水轮机的特性曲线
第一节 特性曲线的类型 第二节水轮机模型综合特性曲线绘制 第三节水轮机运转综合特性曲线绘制 第四节 水轮机飞逸特性 第五节 水轮机的轴向水推力
水轮机的内特性与外特性
• 水轮机内特性 水轮机内部流场：转轮内部流速、压力分 布，边界层内流动，空化位置及强度。
• 水轮机外特性 水轮机所表达的性能：效率、过流量、空 蚀、振动等。
开度特性
空载
P
， 曲线
Q
空载
， 曲线
a
空载 ， 曲线
出力特性: 1）开度增大流量增大、出力增大，接近最大出力时，曲线变陡。
度增大好多流量和出力才增加一点
2）空载开度下，出力为零，流量为空载流量。
空载Q 空载
ao
P
， 曲线
流பைடு நூலகம்特性：1）开度增大，流量增大；2）小于空载 流量时出力效率均为零。
空载流量
0.7
a 14 18
22
等开度线 26
Q11
转桨式水轮机模型特性曲线
转桨式水轮机模型综合特性曲线上标有等效率线、等开 度线、等叶片转角线、等空化系数线。 由等线与等线可以找出导水开度与叶片转角的最佳协联方式。
3、冲击式水轮机模型综合特性曲线
冲击式水轮机模型综合特性曲线由等效率线（η＝常数） 与等开度线（喷针行程S＝常数）组成。
4. 水轮机的空化特性与水轮机的nS有关，同时与水轮机的工况有 关，一般在最优工况附近空化系数较小，大流量时空化系数大， 小流量和低水头时，由于偏离设计工况而产生脱流，空化往往 也会很严重。
5. 固定叶片水轮机在部分负荷时存在一个振动区，是由于空腔空 化所造成，振动区一般在40%～55%开度范围。
水轮机特性曲线的意义