第五章水轮机特性曲线

”图上，尽管工况
不同，但效率值
却相同。
⒉ 等空化系数曲线
曲线特征： 曲线呈不规则形，每 一条曲线上，尽管工况 不同，但空化值б却相
f n11, Q11
同，空化值б的变化规
律基本上是随
Q11 增加
而增加，空化性能相应
降低，说明水轮机越容
易发生气蚀。
⒊ 等开度曲线
曲线特征： 曲线呈规则
0 0 0 M
原型水轮机在任意工况点的效率：
M 0
⑵ 单位参数修正计算
单位转速的修正值： T n11 n11M 1 M
原型机的单位转速：
n11T n11M n11
单位流量的修正值：
a0 不变条件下，其主要工作参数之
P f H
n
1.出力与水头关系曲线
2.效率与水头关系曲线
f H
Q f H
3.流量与水头关系曲线
1. 出力与水头关系曲线
P f H
曲线特点: 曲线接近于直线，各导叶下的曲线从相应的 空载水头开始引出。在低于空载水头时，水轮 机即使在空载时，也不能达到额定转速。
⑴ 效率修正计算 HL式、ZL式原型水轮机最优工况点（即最高 效率）效率计算分别为：
max 1 1 M max 5
max
D1M D1

原、模型水轮机效率差值：
D1M HM 1 1 M max 0.3 0.7 5 10 D H 1
§5-3 水轮机的模型综合特性曲线
水轮机综合特性曲线——表示水轮机两个以 上参数之间的关系曲线。
模型综合特性曲线 综合特性曲线 运转综合特性曲线
一、水轮机的模型综合特性曲线 以单位转速
n11 、单位流量
a0
Q11 为纵、
横坐标轴，绘制的几组等值参数曲线，有等效 率曲线（等
。
⑤当 a0继续 ，水轮机内的水流条件变坏，水力损失
。 ⑥ 当a0 a0 max 时, Q Qmax , 但P , ， 虽有 ，但 值会
P


注意:
在水轮机工作特性曲线上，有三个重要的特征点
①当出力为零时，流量不为零，此处的流量称为
空载流量，对应的导叶开度称为空载开度。此时
过流特性。
思考题：为什么轴流式水轮机不绘制5%
的出力限制线？
⒋ 冲击式水轮机
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，因此，它的等开度 线是与 坐标轴垂直的直线。
思考题：冲击式水轮机为什么不绘制5% 的出力限制线和空化系数线？
二、不同型式水轮机模型综合特性曲线特征比较 ⒈ 等开度线比较 ⑴ CJ式水轮机：等开度 线为垂直于 Q11 坐标轴 的直线，开度不变时， Q与n变化无关，只取
如：曲线1
3. 工作特性曲线比较
HL式水轮机比转速愈高， 效率曲线愈陡，偏离最 优工况时效率下降愈大。
轴流转桨和斜流转桨水轮 机效率变化平缓，平均 效率高。
§5-4 水轮机的运转综合特性曲线
一、概念
水轮机运转综合特性曲线——以工作参数H、 P为纵、横坐标轴，绘制的几组等值的工作 参数曲线，有等效率曲线（等效率线）、等 吸出高度曲线（等吸出高度线）、出力限制 线。 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。
a0 f n11, Q11
形，每一条曲
线上，尽管工
况不同，但导
叶的开度值
a0
却相同。
⒋ 等转角曲线
曲线特征：
f n11, Q11
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。
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。
⒊ 轴流转桨式水轮机
① 等叶片转角线——是同一叶片转角下各单 位转速上 对应的最高效率连线。
② 等效率线——是水轮机在协联方式下工作 时的效率等值线。 ③ 等空化系数线——是各转角下的同类水轮 机的等空化系数线与等转角线的一系列交点 中，相同空化系数值的连线。
• 等开度线——表示在协联方式下，导叶开度 为某常数，而叶片角度不同时，水轮机单位 流量与单位转速的关系，代表协联方式下的
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 绘制运转综合特性曲线时，首先要将模型水 轮机的参数换算成原型水轮机的工作参数，换 算中，要对换算的参数进行必要修正。
3. 流量与转速关系曲线
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。
②低比转速水轮机的过流量随着转速增高而
减小，而高比转速水轮机的过流量则随转速增
高而增加。中比转速水轮机的过流量则几乎不
平椭园，意味着水轮机对
水头变化敏感，而对功率
变化不敏感，适用于高水
头、低流量、水头变化小
及负荷变化大的水电站。
如：曲线4
⑶ 中高
ns 的HL式水轮机：
等效率线在坐标上位置居中，等效率线形状 接近椭园，意味着水轮机对水头、功率变化程 度相差不大，适用于水头、流量中等范围开发 的水电站。 如：曲线3
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

线）、等空化系数曲线（等

线）、等开度曲线（等 线（等
线）、等转角曲
线）、5%出力限制线。
这些特性曲线能全面反映同系列水轮机的性
能，称为水轮机主要的模型综合特性曲线。
⒈ 等效率曲线 f n11, Q11
曲线特征： 曲线由内向外扩 大呈“鸭蛋”形， 效率逐渐降低。说 明在每一圈“鸭蛋
⒉ 协联工况
转浆式水轮机的转轮叶片可以改变角度， 当水轮机的工作水头或负荷发生变化时，导水 叶与叶片的协联机构，将使叶片角度作出相应 的改变，从而水轮机保持较高的工作效率，这 种运行方式保证的运行工况，称为协联工况。
协联工况包括两层含义：导水叶、转轮叶片
维持协联关系。协联工况点是指等

线和等
a0
线的交点。
ns 决于喷针开度。
如：曲线a
⑵ 低 n 的HL式水轮机：
s
由于经向流道较长，转 速n增加时，转轮内水流 受的外向离心力也增加， 流动受阻，Q减小，等开 度线呈左向上倾曲线。
如：曲线b
⑶ 中高 ns 的HL式水轮机：
由于转轮流道位于经向到 轴向弯道上，水流离心力 和旋转速度对Q的影响相 当，故转速变化对流量的 影响不大，等开度线基本 上呈竖直线。 如:曲线c
⒉ 等效率线比较
⑴ CJ式水轮机：
等效率线的 n11, Q11数值较小，
等效率线形状扁平，意味
着水轮机对水头变化敏感，
而对功率变化不敏感，适
用于高水头（且水头变幅
小）、小流量（且负荷变
化大）的水电站。
如：曲线5
ns
n11, Q11
⑵低
等效率线的
ns 的HL式水轮机：
n11, Q11 坐标
偏低，等效率线形状如扁
，流量很小，水流作用于转轮的力矩仅够克服阻
力而维持转轮以额定转速旋转，没有功率输出。
②效率最高点对应的流量为最优流量。
③出力曲线最高点处的功率，称为极限功率，对
应的流量为极限流量。
三种工作特性曲线可以相互转换。
三、水头特性曲线
是指尺寸（ D ）确定的水轮机，在转速 、导叶开度
1
间的关系曲线，常见的有以下
以开度曲线为例说明：
①当 a0 0 时，Q, P,
0 。
②当 a0 a0 x （空载开度）时，水
轮机以额定转速空载运转， P, Q Qx （空载流量）
0
③当 a0 aox ，水轮机才有功率输出， P和同时 。 ④当 a0 达到某一个值时，效率出现峰值 max
第五章
水轮机的特性曲线
§5-1 水轮机的特性曲线分类
水轮机特性曲线——表示水轮机在各种运行
工况下，特性参数之间变化规律的曲线。 用于表示水轮机特性参数的有以下几类：
几何参数 、工作参数、综合参数
几何参数： D , D
1
2 , a0 , b0 ,
等。 等。
工作参数：
n, Q, H , P, H s ,
综合特性参数：n11, Q11, P 11 , ns , 等。
对于单调节的水轮机有四个自变量
Q, P, f D1 , a0 , H , n
对于双调节的水轮机有五个自变量
Q, P, f D1 , a0 , H , n,
因此，参数之间的关系较复杂，难以找出具
体的函数表达式，只能逐一分解，找出部分参数
是指尺寸（ D1 ）确定的水轮机，在水 H 头 H 、导叶开度 a0 和转角 不变条 件下，其主要工作参数之间的关系曲线。 此类曲线常用于模型试验中，试验中改 变
n
比
H
改变容易得多。
常见的有以下。 1. 出力与转速关系曲线
பைடு நூலகம்
P f n
2. 效率与转速关系曲线
f n
Q f n
5%出力限制线——限制水轮机出力的曲
线，它是在各单位转速下水轮机的出力达到最 大出力的95%时各工况点的连线。 5%出力限制线是为保证水轮机正常、稳 定的工作条件而绘制的，是人为制定的标准， 随着设计、制造技术的不断提高，安全裕量值 会适当下降，可能会有4%、3%等。
注 意：
⒈ 不同类型的水轮机模型综合特性曲线不一样 ① HL式水轮机有：等效率线、等空化系数线、 等开度线、5%出力限制线。 ② ZZ式水轮机有：等效率线、等空化系数线、 等开度线、等转角线。 ③ ZD式水轮机有：等效率线、等空化系数线、 等开度线、5%出力限制线。 ④ CJ式水轮机有：等效率线、等开度线（喷针 行程线S=C）。 ⑤ XL式水轮机一般都是转浆式，与ZZ式水轮 机相同。
随转速变化。
二、工作特性曲线
n 、转速
是指尺寸（ D ）确定的水轮机，在水头
1
关系曲线，常见的有以下。
n 不变条件下，其主要工作参数之间的
Q, , a0 f P
H
1.出力特性曲线 2. 流量特性曲线
3. 开度特性曲线
P, , a0 f Q
P, , Q f a0
之间的关系。
特性曲线分为 : 工作特性曲线 线性特性曲线转速特性曲线 水头特性曲线 两大类型 模型综合特性曲线 综合特性曲线 运转综合特性曲线
§5-2 水轮机的线性特性曲线
水轮机线性特性曲线——仅表示水轮机某 两个参数之间的关系曲线。
一、转速特性曲线
⑷ ZD式水轮机：由 于转轮流道位于轴向 弯道上，水流Q随转 速的增加而增大，等
开度线呈右向上倾斜
曲线。
如：曲线d
⑸ ZZ式水轮机：转轮流道 与ZD式水轮机相同，但同 一开度线上，水流流量还 要受协联关系决定的叶片 转角变化的影响，即导叶 开度不变,转速增高时，叶 片转角变小，相应流量减 小，故其开度线呈向左上 倾斜曲线。如：曲线e
P f H
2. 效率与水头关系曲线
f H
曲线特点: 当水头低于最高效率点所对应的水头时，水轮 机效率的变化比较急剧，相反，效率变化比较缓 慢。
3. 流量与水头关系曲线
曲线特点:
Q f H
在小开度时，曲线接近于直线，但在大开度 时，呈现非直线。
注意
不同比转速的水轮机其水头特性也不同: 从下图可以看出， 不同比转速的水轮机在偏离最优工况时，效率 下降的快慢程度不同，①高比转速水轮机在偏离 最优工况时的效率下降较慢；相反，低比转速水 轮机在偏离最优工况时的效率下降较快 。②低比 转速水轮机对应的空载水头值要比高比转速水轮 机大得多。 说明高比转速水轮机对水头的适应性优于低比 转速水轮机。
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
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。