关于水轮机的特性曲线课件
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水轮机的特性及选型.ppt
将模型试验结果化成为D1M=1m，HM=1m标准 情况下的参数—单位参数，分别用 (Q1，n1，N1) 表示。
假定： s sM r rM j jM M
(实际上，原型效率大于模型效率，需修正)
1、 单位流量
Q1
Q D12 H
2、 单位转速
n1
nD1 H
3、 单位出力
N 1
N D12 H 3 / 2
尺寸、调速器及油压装置选择 (6) 根据选定水轮机型式和参数，结合水轮机在结构上、材料、运
行等方面的要求，拟定并向厂家提出制造任务书，最终由双方 共同商定机组的技术条件，作为进一步设计的依据。
有关资料：
(1) 水轮机产品技术资料：
系列型谱、生产厂家、产品目录、模型综合特性曲线。 (2) 水电站技术资料：
根据H、N的范围选择水轮机是水电站主要 设计任务之一，使水电站充分利用水能，安 全可靠运行
一、水轮机选型设计的内容及基本资料
(1) 确定机组台数及单机容量 (2) 选择水轮机型式（型号）及装置方式
(3) 确定水轮机转轮直径D1、n、Hs、Za；Z0、d0
(4) 绘制水轮机运转特性曲线 (5) 估算水轮机的外形尺寸、重量及价格、蜗壳、尾水管的形式、
混流： 轴流：
max 1 (1 M max)5
D1M D1
max
1
(1 M
max)[0.3
0.7( D1M D1
)1/5 (
HM H
)1/10 ]
2、一般工况
HL、ZD： M max M max
ZZ ： M max M max
二、单位参数的修正
最优工况时：
Q10 Q10M
(二) 按综合特性曲线选择
假定： s sM r rM j jM M
(实际上，原型效率大于模型效率，需修正)
1、 单位流量
Q1
Q D12 H
2、 单位转速
n1
nD1 H
3、 单位出力
N 1
N D12 H 3 / 2
尺寸、调速器及油压装置选择 (6) 根据选定水轮机型式和参数，结合水轮机在结构上、材料、运
行等方面的要求，拟定并向厂家提出制造任务书，最终由双方 共同商定机组的技术条件，作为进一步设计的依据。
有关资料：
(1) 水轮机产品技术资料：
系列型谱、生产厂家、产品目录、模型综合特性曲线。 (2) 水电站技术资料：
根据H、N的范围选择水轮机是水电站主要 设计任务之一，使水电站充分利用水能，安 全可靠运行
一、水轮机选型设计的内容及基本资料
(1) 确定机组台数及单机容量 (2) 选择水轮机型式（型号）及装置方式
(3) 确定水轮机转轮直径D1、n、Hs、Za；Z0、d0
(4) 绘制水轮机运转特性曲线 (5) 估算水轮机的外形尺寸、重量及价格、蜗壳、尾水管的形式、
混流： 轴流：
max 1 (1 M max)5
D1M D1
max
1
(1 M
max)[0.3
0.7( D1M D1
)1/5 (
HM H
)1/10 ]
2、一般工况
HL、ZD： M max M max
ZZ ： M max M max
二、单位参数的修正
最优工况时：
Q10 Q10M
(二) 按综合特性曲线选择
水轮机的特性曲线
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。
曲线越大越缓 出力最大效率不一定最大
Pmax
空载开度
ao
， 曲 线
根号H=nD
Q=D方 根号H
2.转速特性曲线
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。
Q
P
Pmax
max
转速 n
转速 n
no
转速 n
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
， 曲 线
P
流量特性：1）开度增大，流量增大；2）小于空载 流量时出力效率均为零。
， 曲 线
空载流量
Q
开度特性：1）开度增大流量增大； 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。
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 5%出力
88%90%92%
0.25 0.30
限制线
0.2
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。
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。
曲线越大越缓 出力最大效率不一定最大
Pmax
空载开度
ao
， 曲 线
根号H=nD
Q=D方 根号H
2.转速特性曲线
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。
Q
P
Pmax
max
转速 n
转速 n
no
转速 n
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
， 曲 线
P
流量特性：1）开度增大，流量增大；2）小于空载 流量时出力效率均为零。
， 曲 线
空载流量
Q
开度特性：1）开度增大流量增大； 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。
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 5%出力
88%90%92%
0.25 0.30
限制线
0.2
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。
水轮机课件——水轮机的特性曲线
空载
P
， 曲线
空载
Q
， 曲线
空载
a
， 曲线
2.转速特性曲线
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。
0 50 100 150 200 250 300 350
n
n
～ 曲线；（ ） ～ 曲线；（ ） ～ 曲线
3、水头特性曲线
Q11
aH0
➢水轮机模型特性曲线的绘制
一、混流式水轮机模型综合特性曲线绘制
1、等开度线的绘制
水轮机能量实验通常是在固定H和固定ao 下，通过控制水轮机转矩 去调节水轮机的转速n，从而测得统一导叶开度下一系列工况点的 性能参数。按照个实验工况点的水头H、流量Q及转速年n，用相似 率公式可以求出各工况点的Q11和n11，将各工况点绘到图上如图所 示的坐标系，用光滑曲线将各点连接，即得到模型水轮机的等开度 线。
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
空载水头
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
• 根据模型实验所获得的数据，计算出各工况点的效率与单 位转速，绘出各导叶开度下的曲线，每个开度有一条曲线。
• 在曲线图上以为某常数作一直线，与各开度下的曲线相交， 得交点b1、b1’、b2、b2’……，找出各交点相对应的与。
• 以为横坐标，以为纵坐标绘一直角坐标系，并在其中绘出 各导叶开度的等开度线，将②中所得到的各交点按其、值 绘到坐标图中相应的等开度线上，将各点连成光滑曲线， 即得到相应于所取得效率值的一条等效率曲线。
水轮机的特性曲线77页PPT
水轮机的特性曲线
11、不为五斗米折腰。 12、芳菊开林耀，青松冠岩列。怀此 贞秀姿 ，卓为 霜下杰 。
13、归去来兮，田蜀将芜胡不归。 14、酒能祛百虑，菊为制颓龄。 15、春蚕收长丝，秋熟靡王税。
谢谢你的阅读
❖ 知识就是财富 ❖ 丰富你的人生
71、既然我已经踏上这条道路，那么，任何东西都不应妨碍我沿着这条路走下去。——康德 72、家庭成为快乐的种子在外也不致成为障碍物但在旅行之际却是夜间的伴侣。——西塞罗 73、坚持意志伟大的事业需要始终不渝的精神。——伏尔泰 74、路漫漫其修道远，吾将上下而求索。——屈原 75、内外相应，言行相称。——韩非
第五章水轮机特性曲线(课堂PPT)
23
⒋ 等转角曲线
曲线特征： 曲线呈“直线
”形，每一条曲 线上，尽管工况 不同，但转轮叶
片的转角值
却相同。
f n11,Q11
24
⒌ 5%出力限制线
曲线特征：
曲线呈不规则形，出力 限制线把模型综合特性 曲线分成两部分，左边 为工作区域，右边为非 工作区域。出力限制线 上的工况点，称为水轮 机的限制工况点。
46
⑷ ZD式水轮机： 等效率线位于坐标图
右上角，等效率线形状呈 狭长椭园，且倾斜明显， 意味着水轮机对水头变化 不敏感，而对流量变化敏 感，适用于低水头、大流 量、水头变化大，但负荷 变化小的水电站。 如：曲线2
47
⑸ ZZ式水轮机：
等效率线位于坐标图右 上角，等效率线形状近似 于长、短轴接近的椭园， 其效率沿纵轴与横轴变化 均较平缓，意味着水轮机 对水头和功率变化都不是 很敏感，适用于低水头、 大流量、水头和负荷变化 均较大的水电站。
此类曲线常用于模型试验中，试验中改
n 变
比 H 改变容易得多。
4
常见的有以下。
1. 出力与转速关系曲线 P f n
2. 效率与转速关系曲线 f n
3. 流量与转速关系曲线 Q f n
5
6
注意
不同比转速的水轮机其转速特性也不同: 从下图可以看出，
①低比转速水轮机的效率对转速的变化比较 敏感，在偏离额定转速时，水轮机的效率下降 较快，而高比转速水轮机的效率下降较慢。
这些曲线反映原型水轮机工作参数之间的变化 规律，可用于检查所选水轮机是否正确和指 导水轮机合理运行。
50
51
二、水轮机运转综合特性曲线的绘制
水轮机运转综合特性曲线，是根据同系列水 轮机的模型综合特性曲线，按水轮机相似理论 进行换算而绘制的。包含等效率曲线、等吸出 高度线、出力限制线。 （一）等效率曲线的绘制 ⒈ 参数修正计算
水泵水轮机全特性课件
水泵水轮机全特性1．水泵水轮机全特性曲线抽水蓄能电站的水泵水轮机均设有活动导叶，通过导叶调节水轮机运行时的流量，故水泵水轮机的特性曲线一般为一组不同导叶开度下的全特性曲线，其区域的划分与水泵的全特性区域划分一样，只是习惯上以正常水轮机运行工况的各参数为正。
同时抽水蓄能电站一般H 也总是正值，即在实际工程中实用也就是5个工况区，即水轮机工况、水轮机制动工况、水泵工况、反水泵工况、水泵制动工况。
水泵水轮机全特性曲线表示方法通常采用1111~n Q 和1111~n M 来表示。
图3-7和图3-8所示为某抽水蓄能电站水泵水轮机的四象限特性曲线。
图3-7 水泵水轮机流量特性曲线 图3-8 水泵水轮机力矩特性曲线2．水泵水轮机全特性曲线的特点通过对不同水泵水轮机的全特性分析可以看出，水泵水轮机全特性有着下述的规律与特点：（1）在水泵工况，大开度等导叶开度曲线汇集成一簇很窄的交叉曲线，说明在此区域水泵扬程与导叶开度的关系不大，开度的改变不会造成单位转速及单位力矩的很大的变化。
当导叶开度较小区域时随着导叶开度的减小其流量曲线及力矩曲线则加速分又，说明此时的导水机构可看作是节流装置，水头损失急剧增大，从而对水泵的力矩及流量产生较大的影响。
在水泵实际运行中导叶开度将随着扬程的变化而沿各导叶开度特性曲线的外包络线变化，使得水力损失最小，也即使得水泵的效率在此工况最高。
此外，随着单位转速的增大，也即水泵扬程的减小，水泵的流量及水力矩将快速增大，所以在水泵及电动机设计时应充分考虑此时水泵的力矩特性，电动机容量应根据可能的正常运行最低扬程工况进行设计，并留有一定的裕量；同时根据导叶小开度区域力矩分散的特性，在异常低扬程起动时（如初次向上水库异常低扬程充水时）可采取关小导叶开度来限制其水力矩，即限制水泵的入力在一定范围以内。
（2）水泵制动区力矩随单位转速的减小而逐渐增大，其中沿大导叶开度线要比小导叶开度线要明显得多；另外，各导叶开度线与单位转速坐标轴的交点集中，表明水泵水轮机冰泵的零流量点与导叶开度关系不大，同时各导叶开度线的切线基本为正斜率，表明随着水泵工况反向流量的增大其制动水力矩不断增大，但水力矩的增速逐渐变缓，同时单位转速减小，转速减小的速度逐渐加快，这主要是机组转动部件及水体有着惯性力矩的抑制作用。
第六章 水轮机特性曲线
站设计中选择水轮机的基本参数、确定其合理的运行
方式。
与水轮机特性有关的参数：几何参数和工作参数。
几何特征参数：转轮直径；导水叶（或喷嘴）的开
度，对于转桨式水轮机还有叶片转角。
工作参数：水头；流量（单位流量）；转速（单位
转速）；效率；出力（单位出力）；吸出高度和单
位轴向水推力等。
水轮机线性特性曲线：由于水轮机各参数之间的相互 关系比较复杂，为了明确某些参数间的关系，有时需 要把一些参数固定，而单独考察某两个参数之间的关 系，这种表示某两个参数之间关系的特性，是一元函 数关系，可用一条曲线表示。 水轮机综合特性曲线：当需要综合考察水轮机各参数 之间的相互关系时，把表示水轮机各种性能的曲线绘 于同一张图上。 模型综合特性曲线：单位转速为纵坐标轴、单位流量 为横坐标轴的曲线。 运转综合特性曲线：工作参数水头为纵坐标轴、出力 为横坐标轴的曲线。
水轮机要大得多，这说 明：高比转速水轮机对 于水头变化的适应性优 越于低比转速水轮机。
第三节
水轮机模型综合特性曲线
模型综合特性曲线：以单位转速、单位流量为纵、横
坐标轴的直角坐标系中同时绘出等效率曲线、等开度 曲线以及等空化系数线，对于转桨式水轮机还绘出等
叶片转角线。
一定的单位流量、单位转速值就决定了一个相似工 况，因此，可以用二者为参变量，来表示同系列水轮 机在不同工况时的情况。 不同类型的水轮机，其模型综合特性曲线具有不同
可看出水轮机在不
同转速时的流量、 出力与效率； (2) 可 看 出 水 轮 机 在某开度时的最高
效率、最大出力及
飞逸转速。
(1)低比转速水轮机对转速变化比较敏感，在偏离额定 转速时效率下降较快，而高比转速的效率下降较慢。
(2)比转速越高飞逸转速相对值越大，低比转速混流式 的相对飞逸转速为 160% 左右，而高比转速轴流式则高 达260%~300%。
方式。
与水轮机特性有关的参数：几何参数和工作参数。
几何特征参数：转轮直径；导水叶（或喷嘴）的开
度，对于转桨式水轮机还有叶片转角。
工作参数：水头；流量（单位流量）；转速（单位
转速）；效率；出力（单位出力）；吸出高度和单
位轴向水推力等。
水轮机线性特性曲线：由于水轮机各参数之间的相互 关系比较复杂，为了明确某些参数间的关系，有时需 要把一些参数固定，而单独考察某两个参数之间的关 系，这种表示某两个参数之间关系的特性，是一元函 数关系，可用一条曲线表示。 水轮机综合特性曲线：当需要综合考察水轮机各参数 之间的相互关系时，把表示水轮机各种性能的曲线绘 于同一张图上。 模型综合特性曲线：单位转速为纵坐标轴、单位流量 为横坐标轴的曲线。 运转综合特性曲线：工作参数水头为纵坐标轴、出力 为横坐标轴的曲线。
水轮机要大得多，这说 明：高比转速水轮机对 于水头变化的适应性优 越于低比转速水轮机。
第三节
水轮机模型综合特性曲线
模型综合特性曲线：以单位转速、单位流量为纵、横
坐标轴的直角坐标系中同时绘出等效率曲线、等开度 曲线以及等空化系数线，对于转桨式水轮机还绘出等
叶片转角线。
一定的单位流量、单位转速值就决定了一个相似工 况，因此，可以用二者为参变量，来表示同系列水轮 机在不同工况时的情况。 不同类型的水轮机，其模型综合特性曲线具有不同
可看出水轮机在不
同转速时的流量、 出力与效率； (2) 可 看 出 水 轮 机 在某开度时的最高
效率、最大出力及
飞逸转速。
(1)低比转速水轮机对转速变化比较敏感，在偏离额定 转速时效率下降较快，而高比转速的效率下降较慢。
(2)比转速越高飞逸转速相对值越大，低比转速混流式 的相对飞逸转速为 160% 左右，而高比转速轴流式则高 达260%~300%。
第五章_水轮机的特性曲线
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性、出力
特性，流量特性。
出力特性
流量特性
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
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。
第三节水轮机模型综合特性曲线
第三节水轮机模型综合特性曲线水轮机主要综合特性曲线是指以单位转速和单位流量为纵、横坐标而绘制的若干组等值曲线，这些等值线表示出了同系列水轮机的各种主要性能。
在图中常绘出下列等值线：①等效率线；②导叶（或喷针）等开度线；③等空化系数线；④混流式水轮机的出力限制线；⑤转桨式水轮机转轮叶片等转角线。
这种主要综合特性曲线一般由模型试验的方法获得，因此，又称为模型综合特性曲线。
不同类型的水轮机，其模型综合特性曲线具有不同的特点，掌握它们的特点，对于正确选择水轮机及分析水轮机的性能是很重要的。
下面说明几种水轮机模型综合特性曲线的特点。
一、混流式水轮机模型综合特性曲线图8-6为某混流式水轮机模型综合特性曲线，它由等效率曲线、等开度线、等空化系数线与出力限制线所构成。
图8-6 混流式水轮机模型综合特性曲线同一条等效率线上各点的效率均等于某常数，这说明等效率线上的各点尽管工况不同，但水轮机中的诸损失之和相等，因此水轮机具有相等的效率。
等开度线则表示模型水轮机导水叶开度为某常数时水轮机的单位流量随单位转速的改变而发生变化的特性。
等空化系数线表示水轮机各工况下空化系数的等值线，等空化系数线上各点尽管工况不同，其空化系数却相同。
由于模型水轮机的空化系数大多是通过能量法空化试验而获得的，因此，尽管等空化系数线上的工况点具有相同的空化系数，但它们的空化发生状态可能是不相同的。
混流式水轮机模型综合特性曲线上通常标有5%出力限制线，它是某单位转速下水轮机的出力达到该单位转速下最大出力的95%时各工况点的连线。
绘制出力限制线的目的是考虑到水轮机在最大出力下运行时，不可能按正常规律实现功率的调节，而且，在超过95%最大功率运行时，效率随流量的增加而降低，且效率降低的幅度超过流量增加的幅度，因此水轮机的出力反而减小了，从而使调速器对水轮机的调节性能较差。
为了避开这些情况，并使水轮机具有一定的出力储备，因此，将水轮机限制在最大出力的95%(有时取97%)范围内运行。
水轮机的特性及选型(ppt 68页)
第三章 水轮机的特性及选型
第三章 水轮机的特性及选型
第三章 水轮机的特性及选型
第一节 水轮机的相似原理及单位参数
水轮机的特性参数：
H、Q、n、N、、 等。
试验研究：
原型试验、模型试验
第三章 水轮机的特性及选型
对直径大于1米的水轮机来说，如进行水轮机原型的实 验来修正理论计算，是既不经济而又非常困难的，甚至有 时不可能实现。这样，就需将水轮机原型按比例缩小为模 型，然后在实验室的条件下，进行水轮机的模型试验，通 过模型试验再修正理论计算。这样便可保证制造速度快， 费用低、试验测量方便而又正确，并且同时可以进行几个 方案的试验，取其最好的方案。但模型试验结果如何换算 到原型去？模型与原型如何保持相似？这就需研究它们之 间的相互关系。
除了上述三个相似条件外，还有边界条件相似、 初始条件相似，糙度相似，一般情况下，仅保证水流 运动惯性力和压力的相似，对于粗糙度、粘滞力等次 要因素，不计其影响，保持近似的力学相似。
第三章 水轮机的特性及选型
二、相似定律
• 水轮机系列：具有几何相似、尺寸不同的水轮机所 形成的系列。
• 水轮机的相似工况：同一系列水轮机保持运动相似 的工作状况简称为相似工况。
非最优工况下：n11n1M 1n11 ， Q 11 Q 1M 1Q 11
△n11：单位转速修正值，n11n11 0n11M 0
△Q11：单位流量修正值， Q 11Q 11 0Q 11M 0
注意：1. △Q11相对于Q11很小，在实际中时常不做修正。 2.△n11＜0.03n110M时，也可不做修正。
代入水轮机基本方程式： HH1g(Vu1U1Vu2U2)
可得： VxKvx 2gH H
Vx：表示水轮机流道内任意点的速度或分速度m/s； Kvx：对应Vx的流速系数。
第三章 水轮机的特性及选型
第三章 水轮机的特性及选型
第一节 水轮机的相似原理及单位参数
水轮机的特性参数：
H、Q、n、N、、 等。
试验研究：
原型试验、模型试验
第三章 水轮机的特性及选型
对直径大于1米的水轮机来说，如进行水轮机原型的实 验来修正理论计算，是既不经济而又非常困难的，甚至有 时不可能实现。这样，就需将水轮机原型按比例缩小为模 型，然后在实验室的条件下，进行水轮机的模型试验，通 过模型试验再修正理论计算。这样便可保证制造速度快， 费用低、试验测量方便而又正确，并且同时可以进行几个 方案的试验，取其最好的方案。但模型试验结果如何换算 到原型去？模型与原型如何保持相似？这就需研究它们之 间的相互关系。
除了上述三个相似条件外，还有边界条件相似、 初始条件相似，糙度相似，一般情况下，仅保证水流 运动惯性力和压力的相似，对于粗糙度、粘滞力等次 要因素，不计其影响，保持近似的力学相似。
第三章 水轮机的特性及选型
二、相似定律
• 水轮机系列：具有几何相似、尺寸不同的水轮机所 形成的系列。
• 水轮机的相似工况：同一系列水轮机保持运动相似 的工作状况简称为相似工况。
非最优工况下：n11n1M 1n11 ， Q 11 Q 1M 1Q 11
△n11：单位转速修正值，n11n11 0n11M 0
△Q11：单位流量修正值， Q 11Q 11 0Q 11M 0
注意：1. △Q11相对于Q11很小，在实际中时常不做修正。 2.△n11＜0.03n110M时，也可不做修正。
代入水轮机基本方程式： HH1g(Vu1U1Vu2U2)
可得： VxKvx 2gH H
Vx：表示水轮机流道内任意点的速度或分速度m/s； Kvx：对应Vx的流速系数。
5_水轮机特性与特性曲线曲线1
电站设计中选择水轮机的基本参数、确定其合理的运行方
式都要用到水轮机特性曲线。
水轮机各参数间的相互关系比较复杂，为了明确某些 参数之间的关系，有时需要把一些参数固定，而单独考察 某两个参数之间的关系，这种表示两个参数之间关系的特 性，可用一条曲线表示，这种曲线称为水轮机的线性特性 曲线；当需要综合考虑水轮机各参数之间的相互关系时， 则把水轮机的各种性能曲线绘于同一张图上，这种曲线称 为水轮机的综合特性曲线。 工作特性曲线 表示水轮机在水头和转速为常数时的特性的曲线称为 水轮机工作特性曲线。水轮机工作特性曲线反映了水轮机 实际运行的工作情况，可用来比较不同水轮机的工作性能。
二、水轮机的主要综合特性曲线
综合特性曲线是多参数之间的关系曲线。
以(n1',Q1')为坐标场，绘制η、a0、б等值线。
首先计算各个工况点: (1) 等开度线绘制 (2) 等效率线绘制 (3) 5%出力限制线绘制 (4) 等汽蚀线绘制
n1 n M D1M HM
Q1 QM D1M H M
原型：尺寸大，试验困难，不经济。
模型：(D : 250～460mm，H ：2～6m)
3、相似理论
研究相似水轮机之间存在的相似规律，并确立 这些参数之间的换算关系的理论。
二、水轮机相似条件
1、几何相似： 过流通道几何形状相似
(1) 过流通道的对应角相等：βe1＝βe1M ；βe2＝βe2M ；
Φ＝ΦM……
③ 根据各交点对应的 Q11 、P 值作出某 n11 下的 P f (Q 11 曲线，从曲线上找到最大单位出力P11max的对应点 P。
11
11
)
④ 以P 95％作以水平线与 P11 f (Q11 )曲线相交，得交 d ' 点，该点对应的单位流量为 Q 。 ⑤ 在模型综合特性曲线所选定的 n11 ＝常数线上点 绘出Q Q 点d，d点即5％出力限制线上的一个工 况点。 ⑥ 同样方法，取不同的 n11 ，并绘出所对应的出力 限制工况点，然后将这些点连成光滑曲线即水轮 机模型综合特性曲线的5％出力限制线。
第六章 水轮机特性曲线
二、转桨式水轮机模型综合特性曲线 转桨式水轮机具有宽广的高效率区，在相当大的单
位流量下不出现流量增加而出力减少的情况，因此不 绘出5%出力限制线，其最大允许出力常受到空化条件 的限制。
三、冲击式水轮机模型综合特性曲线 由等效率线、等开度线（喷针行程S=常数）组成。 由于冲击式水轮机过流量仅与喷嘴的开度（喷针行程）
开度工作特性曲线：以导 叶开度a为参变量时，表示 水轮机的出力P、流量Q、 效率η与导叶开度a之间关 系的曲线。
函数关系
P, Q, f a0
用于考察水轮机在某导叶开度时所对应的出力、流 量与效率。
二、转速特性曲线
转速特性曲线：表示水轮机导叶开度和水头为某常数 时，水轮机的流量、出力及效率与转速之间的关系。
第六章 水轮机特性曲线
第一节 水轮机特性曲线的类型
水轮机的特性曲线：将试验所获得的水轮机性能参数 绘制成不同形式的曲线图。
水轮机特性曲线能表达水轮机不同工况下，对水流 能量的转换、空化等方面的水力性能、力特性及其他 性能。这些特性是水轮机内部流动规律的外部表现， 被称为水轮机的外特性。
水轮机特性曲线的用途：分析水轮机的性能，在水电 站设计中选择水轮机的基本参数、确定其合理的运行 方式。
式水轮机不同，很难用空化系数的形式来表达空化性 能，因此不标注等空化系数线。
第四节 水轮机运转综合特性曲线
一、水轮机运转综合特性曲线 当水轮机出力P和水头H变化时，流量Q、效率η和空
化系数σ随之发生变化。 水轮机运转综合特性曲线：表达水轮机转速不变的情
况下，其各主要工作参数之间的关系。
原型水轮机的运转综合特 性曲线：转轮直径D1和转速 n为常数时，以水头H、出力 P为纵、横坐标作出的等效 率线、等吸出高度线，以及 出力限制线。
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而维持转轮以额定转速旋转，没有输出功率。 • （2）效率最高点对应的流量为最优流量。 • （3）功率曲线最高点处的功率，称为极限功率，对应
的流量称为极限流量。 • （4）5%出力储备（见下图） • （5）工作水轮机工作特性的比较（见下图）
• 三种工作特性曲线可以相互转换，将一种形式变换成任 何其他一种形式。
、
1：高比速轴流转浆式 2：中比速混流式 3：低比速冲击式 4：高比速轴流定桨式
• 从上述分析，可得出下列结论：
• （1）凡转轮叶片固定不动的各种型式的水轮机，比转 速越高，效率曲线越陡，偏离没计工况时效率下降越快。 如轴流定桨式水轮机效率下降最大，不宜应用在出力变 化较大的水电站。
• （2）各种型式的水轮机最高效率并不在最大出力处， 所以通常尽可能使水轮机不在最大出力下工作。
• 各效率曲线与横坐标的交点所对应的水头即各水轮机的 相对空载水头值。
• 三、水轮机模型综合特性曲线
• 概念：水轮机模型综合特性曲线是指以单位转速和单位 流量为纵、横坐标而绘制的若干组等值曲线，这些等值 线表示出了同系列水轮机的各种主要性能。
• 在图中常绘出下列等值线： • ①等效率线：曲线上各点的效率相等。 • ②导叶（或喷针）等开度线：曲线上各点的开度相等。 • ③等空化系数线：曲线上各点的空化系数相等。 • ④混流式、轴流定桨式水轮机的出力限制线：
第一节 水轮机特性曲线
贵州天生桥水电站
一、水轮机特性曲线的类型 二、水轮机线性特性曲线 三、水轮机模型综合特性曲线 四、水轮机运转综合特性曲线及其绘制
• 一、水轮机特性曲线的类型
• 水轮机的特性曲线用于表达水轮机不同工况下 对水流的能量转换、空化等方面的水力性能、 力特性及其他性能。
• 目前主要通过模型试验，将各种水轮机的性能 参数整理并绘制成不同形式的曲线，即获得水 轮机的特性曲线图。
• 3、高比速水轮机的流量随转速的增加而增加；而低比 速的水轮机流量随转速变化趋势则相反；中等水轮机流 量则几乎不随转速变化。
图8-2 各类型水轮机转速特性的比较
• 二、水轮机线性特性曲线 • 2. 工作特性曲线： • 水电站的水轮机通常在固定的转速下运转，水头的变化
也较缓慢，但机组负荷则是经常变化的。
• （1）在低水头的径流式水电站，可能由于洪水期或电 站在大负荷工况下运行时流量的增多而使下游水位升高， 或者由于防洪需要而必须降低上游水位，导致水头降低；
• （2）在高水头水电站，上游库水位可能发生较大变化；
• （3）在具有长引水管道的水电站，流量变化时使得引 水损失发生变化。
• 水头特性曲线：表示水轮机在转速、导水叶开度为某常 数时，其流量、出力、效率与水头之间的关系。包括： 水头流量特性曲线、水头功率特性曲线、水头效率特性 曲线
• （1）转速特性曲线 • （2）工作特性曲线 • （3）水头特性曲线 • 常用的是反映出力与效率间的工作特性曲线。 • 2. 综合特性曲线：表示多个参数之间的关系，能较完整
地描述水轮机各运行工况的特性。
• （1）模型综合特性曲线 • （2）运转综合特性曲线
• 模横坐型标综轴合的特综性合曲特线性：曲以线单。位参数n11、Q11为纵、
n~Q曲线 n~P曲线 n~η曲线
• 转速特性曲线的比较： • 1、低比转速水轮机的效率对转速的变化比较敏感，在
偏离额定转速时，水轮机的效率下降较快；而高比转速 水轮机则下降较慢。
• 2、低比转速的混流式水轮机，其飞逸转速为额定转速 的160％左右；而高比转速的轴流式水轮机则高达2.6～ 3.0倍的额定转速。
• 运转综合特性曲线：以工作参数H、P为纵、横 坐标轴的的综合特性曲线。
• 二、水轮机线性特性曲线
• 1. 转速特性曲线： • 表示水轮机在导水叶开度 叶片转角和水头为某常数时，
其他参数与转速之间的关系。包括：
• 转速与流量的关系曲线
• 转速与出力的关系曲线 • 转速与效率的关系曲线
• 由水轮机转速特性曲线可以看出水轮机在不同转速时的 流量、出力与效率，还可以看出水轮机在某开度时的最 高效率、最大出力及水轮机的飞逸转速。
• 工作特性曲线：表示水轮机工作在固定的转速和水头下 的特性曲线。包括：
• 出力工作特性曲线 • 流量工作特性曲线 • 开度工作特性曲线
、
出力工作特性曲线
流量工作特性曲线
开度工作特性曲线
• 工作特性曲线的特点： • （1）当功率为零时，流量不为零，此处的流量称为空
载流量，对应的导叶开度称空载开度。 • 这时的流量很小，水流作用于转轮的力矩仅够克服阻力
关于水轮机的特性 曲线
第一章 绪论 第二章 水轮机的工作原理 第三章 水轮机的相似理论与模型试验 第四章 水轮机的空化与空蚀 第五章 反击式水轮机的结构 第六章 冲击式与贯流式水轮机 第七章 水轮机的特性曲线与选型设计 第八章 水轮机的运行与检修
第七章 水轮机特性曲线与选型设计
第一节 水轮机特性曲线 第二节 水轮机选型设计
水头流量特性曲线 水头效率特性曲线 水头功率特性曲线
、
图8-5 各类水轮机水头特性的比较
• 水头特性曲线的比较： • 1、对于反击式水轮机，高比速水轮机在偏离最优水头
时效率下降比低比速水轮机缓慢。
• 2、低比速水轮机的相对空载水头值要比高比速水轮机 大得多，这说明高比转速对于水头变化的适应性优于低 比转速水轮机。
• 特性曲线的作用：利用水轮机特性曲线来分析 水轮机的特性，从而在水电站设计中选择水轮 机的基本参数，并确定合理的运行方式。
• 一、水轮机特性曲线的类型 • 1. 线性特性曲线：反映2个参数之间关系的曲线。 • 几何参数（转轮直径、导叶或盆栽开度、桨叶转角）
• 工作参数（水头、流量、转速、效率、出力、空蚀系数、 吸出高度；单位转速、单位流量、单位出力、单位轴向 水推力）
• （3）轴流转桨式和水斗式水轮机，因效率变化较平稳， 故均可应用于负荷变化较大的水电站。轴流转桨式水轮 机的工作持性曲线是由不同轮叶装置角度φ的定桨式水 轮机效率特性曲线的员高效率点组成的。
• 具体情况参见下图。
、
• 二、水轮机线性特性曲线
• 3. 水头特性曲线：
• 水头在比较长的的时期内，可能发生较显著的变化：
的流量称为极限流量。 • （4）5%出力储备（见下图） • （5）工作水轮机工作特性的比较（见下图）
• 三种工作特性曲线可以相互转换，将一种形式变换成任 何其他一种形式。
、
1：高比速轴流转浆式 2：中比速混流式 3：低比速冲击式 4：高比速轴流定桨式
• 从上述分析，可得出下列结论：
• （1）凡转轮叶片固定不动的各种型式的水轮机，比转 速越高，效率曲线越陡，偏离没计工况时效率下降越快。 如轴流定桨式水轮机效率下降最大，不宜应用在出力变 化较大的水电站。
• （2）各种型式的水轮机最高效率并不在最大出力处， 所以通常尽可能使水轮机不在最大出力下工作。
• 各效率曲线与横坐标的交点所对应的水头即各水轮机的 相对空载水头值。
• 三、水轮机模型综合特性曲线
• 概念：水轮机模型综合特性曲线是指以单位转速和单位 流量为纵、横坐标而绘制的若干组等值曲线，这些等值 线表示出了同系列水轮机的各种主要性能。
• 在图中常绘出下列等值线： • ①等效率线：曲线上各点的效率相等。 • ②导叶（或喷针）等开度线：曲线上各点的开度相等。 • ③等空化系数线：曲线上各点的空化系数相等。 • ④混流式、轴流定桨式水轮机的出力限制线：
第一节 水轮机特性曲线
贵州天生桥水电站
一、水轮机特性曲线的类型 二、水轮机线性特性曲线 三、水轮机模型综合特性曲线 四、水轮机运转综合特性曲线及其绘制
• 一、水轮机特性曲线的类型
• 水轮机的特性曲线用于表达水轮机不同工况下 对水流的能量转换、空化等方面的水力性能、 力特性及其他性能。
• 目前主要通过模型试验，将各种水轮机的性能 参数整理并绘制成不同形式的曲线，即获得水 轮机的特性曲线图。
• 3、高比速水轮机的流量随转速的增加而增加；而低比 速的水轮机流量随转速变化趋势则相反；中等水轮机流 量则几乎不随转速变化。
图8-2 各类型水轮机转速特性的比较
• 二、水轮机线性特性曲线 • 2. 工作特性曲线： • 水电站的水轮机通常在固定的转速下运转，水头的变化
也较缓慢，但机组负荷则是经常变化的。
• （1）在低水头的径流式水电站，可能由于洪水期或电 站在大负荷工况下运行时流量的增多而使下游水位升高， 或者由于防洪需要而必须降低上游水位，导致水头降低；
• （2）在高水头水电站，上游库水位可能发生较大变化；
• （3）在具有长引水管道的水电站，流量变化时使得引 水损失发生变化。
• 水头特性曲线：表示水轮机在转速、导水叶开度为某常 数时，其流量、出力、效率与水头之间的关系。包括： 水头流量特性曲线、水头功率特性曲线、水头效率特性 曲线
• （1）转速特性曲线 • （2）工作特性曲线 • （3）水头特性曲线 • 常用的是反映出力与效率间的工作特性曲线。 • 2. 综合特性曲线：表示多个参数之间的关系，能较完整
地描述水轮机各运行工况的特性。
• （1）模型综合特性曲线 • （2）运转综合特性曲线
• 模横坐型标综轴合的特综性合曲特线性：曲以线单。位参数n11、Q11为纵、
n~Q曲线 n~P曲线 n~η曲线
• 转速特性曲线的比较： • 1、低比转速水轮机的效率对转速的变化比较敏感，在
偏离额定转速时，水轮机的效率下降较快；而高比转速 水轮机则下降较慢。
• 2、低比转速的混流式水轮机，其飞逸转速为额定转速 的160％左右；而高比转速的轴流式水轮机则高达2.6～ 3.0倍的额定转速。
• 运转综合特性曲线：以工作参数H、P为纵、横 坐标轴的的综合特性曲线。
• 二、水轮机线性特性曲线
• 1. 转速特性曲线： • 表示水轮机在导水叶开度 叶片转角和水头为某常数时，
其他参数与转速之间的关系。包括：
• 转速与流量的关系曲线
• 转速与出力的关系曲线 • 转速与效率的关系曲线
• 由水轮机转速特性曲线可以看出水轮机在不同转速时的 流量、出力与效率，还可以看出水轮机在某开度时的最 高效率、最大出力及水轮机的飞逸转速。
• 工作特性曲线：表示水轮机工作在固定的转速和水头下 的特性曲线。包括：
• 出力工作特性曲线 • 流量工作特性曲线 • 开度工作特性曲线
、
出力工作特性曲线
流量工作特性曲线
开度工作特性曲线
• 工作特性曲线的特点： • （1）当功率为零时，流量不为零，此处的流量称为空
载流量，对应的导叶开度称空载开度。 • 这时的流量很小，水流作用于转轮的力矩仅够克服阻力
关于水轮机的特性 曲线
第一章 绪论 第二章 水轮机的工作原理 第三章 水轮机的相似理论与模型试验 第四章 水轮机的空化与空蚀 第五章 反击式水轮机的结构 第六章 冲击式与贯流式水轮机 第七章 水轮机的特性曲线与选型设计 第八章 水轮机的运行与检修
第七章 水轮机特性曲线与选型设计
第一节 水轮机特性曲线 第二节 水轮机选型设计
水头流量特性曲线 水头效率特性曲线 水头功率特性曲线
、
图8-5 各类水轮机水头特性的比较
• 水头特性曲线的比较： • 1、对于反击式水轮机，高比速水轮机在偏离最优水头
时效率下降比低比速水轮机缓慢。
• 2、低比速水轮机的相对空载水头值要比高比速水轮机 大得多，这说明高比转速对于水头变化的适应性优于低 比转速水轮机。
• 特性曲线的作用：利用水轮机特性曲线来分析 水轮机的特性，从而在水电站设计中选择水轮 机的基本参数，并确定合理的运行方式。
• 一、水轮机特性曲线的类型 • 1. 线性特性曲线：反映2个参数之间关系的曲线。 • 几何参数（转轮直径、导叶或盆栽开度、桨叶转角）
• 工作参数（水头、流量、转速、效率、出力、空蚀系数、 吸出高度；单位转速、单位流量、单位出力、单位轴向 水推力）
• （3）轴流转桨式和水斗式水轮机，因效率变化较平稳， 故均可应用于负荷变化较大的水电站。轴流转桨式水轮 机的工作持性曲线是由不同轮叶装置角度φ的定桨式水 轮机效率特性曲线的员高效率点组成的。
• 具体情况参见下图。
、
• 二、水轮机线性特性曲线
• 3. 水头特性曲线：
• 水头在比较长的的时期内，可能发生较显著的变化：