叶片式水力机械的全特性QH

叶片式水力机械的全特性（Q~H坐标）

（1）转速为正（n >0）时轴流式机组特性曲线。如图3-3 （a）所示，曲线AB段的H、Q、n、M均为正值，则QH>0，P M >0，由工况定义知，AB为水泵工况。BC 段的Q、n、M为正，H为负，则QH<0，水流经过转轮后能量减少，P M >0,转轮输入功率，此为制动工况。C点M=0，亦即P=0，QH<0,为飞逸工况，水流流经转轮减少的能量用于克服飞逸时的机械损耗。C点以下的Q、n为正，H、M为负，则QH<0, 水流能量减少，P M <0,转轮向外输出功率，此为水轮机工况。不过这时的水流由尾水管流向蜗壳，是倒冲式水轮机工况，一般称为反水轮机工况。A点以左，Q 为负值，其它参数均为正值，则QH<0，P M >0,亦为制动工况。所以n为某一正值时，水力机组自左至右经历了制动工况、水泵工况、制动工况及反水轮机工况四个工作状态。

图3-3三种转速下水力机组的全特性曲线

（2）转速为零（n=0）时轴流式机组的特性曲线。此时水力机组在循环管道上实际上就成为局部阻力，因此，不管流量是正还是负，水流流经转轮后能量总是减少的，也不管扭矩是正还是负，因为转速为零，所以功率也必为零。故当转速为零时，整个特

2

性曲线上的工况均为制动工况，转轮处的局部损失h — KQ2，所以H f Q曲

2g

线亦为抛物线，又因QH<0，则H为正时，Q必为负，反之亦然，故H f Q曲线贯穿于U、W象限，如图3-3 （b）所示，但此抛物线不是水力机组相似工况点的抛物线。水流对转轮的作用力矩等于水流进出转轮的动量（mv ）的变化量，由此可知，力矩的大

小与流量的平方成正比，所以 M f Q亦是一抛物线，其方向当n=0时，水头为正，

力矩也为正，反之，水头为负，力矩亦为负。如图3-3 （b）中虚线所示

图3-3三种转速下水力机组的全特性曲线

（3）转速为负值（n<0）时轴流式机组的特性曲线。如图3-3（c）所示。首先观察几个特殊工况点：工况点D的M为零，即为飞逸工况点；工况点E的水头为零；F点的流量为零。根据工况定义，D点以上H为正，M为正，而Q、n为负，贝U QH<0，水流流经转轮后能量减少；而M <0,转轮向外输出功率，所以为水轮机工况；D点为飞

逸工况；DE段的M为负，其他量符号不变，M >0,即外界输入功率，水流能量反而减少，所以DE 段为制动工况；EF段的各参数均为负值，则QH>0，M >0,水流流经转轮后能量增加，转轮输入功率，所以EF段为水泵工况，但由于水流是由蜗壳流向尾水管，与常规水泵流向相反，故称为反水泵工况，轴流式水轮机在甩负荷时，往往会进入该工况区，由于它的水头为负，轴向力亦为负，就产生抬机力。F点以下的工况区其

Q为正，其他各参数为负，QH<0，M >0，即为制动工况。

图3-3三种转速下水力机组的全特性曲线

同理，当转速改变时，相似工况点也分别在各自的相似抛物线上。飞逸工况点在

OD抛物线上，0E为零水头线，OF为零流量线。由上述分析可知，n为负的区域也有抛物线OD、0E、OF分为四个区域，0D线以上为水轮机工况区，DOE为制动工况区,

EOF即第川象限为反水泵工况区，OF以右部分为制动工况区。

将图3-3中（a）、（b）、（c）三个图画在同一坐标内，可得图2的水力机组全特性曲线，过工况的分界点A、B、C、D、E、F的相似抛物线及转速为零时的水头线。JOI将整个坐标系分为八个区域，每个区域为一种工况区，其中两个区域是水泵工况区（正、反向水泵工况），两个区域是水轮机工况区（正、反向水轮机工况）和四个制动工况区。利用图3-4,不论工况点落在坐标平面的那一部分，就

可立即判断出水力

机组此时在那个

工况下运行

图3-4 水力机组全特性曲线

须要指出的是，对固定几何尺寸（即定型号、直径、开度和转角）的水力机械，用绝对值Q、H、n、M表示的四象限特性，看起来概念很清晰，但在同一张图上只能表示固定直径与开度（包括桨叶转角）下的参数与特性之间的变化规律，若直径和开度是变化的，则试验及应用起来就很不方便。因此，与水轮机的综合特性曲线一样，通常采用单位转速n n和单位流量Qu为坐标系统来描述可逆式水力机械的参数与特性之间的变化，用M ii和n ii坐标系来描述扭矩的变化规律，而且多数水泵水轮机的特性曲线以水轮机工作参数为正来绘制。

对于一般的水电站，水轮机可能的工作状态（包括过渡过程在内）有水轮机工况、

P 1P 9.81Q 11P / P

M 11 93.7 Q 11 P ■ (nu p 式中：P H 为单位功率；Mu 为单位扭矩。 下标T 和P 分别代表水轮机工况和水泵工况相应的参数。由式（3-3）和式（3-4）, 根据工

况点的n 11，及Q 11的坐标可以找到 R 、M 11与 之间的关系。

由图3-3可知，该种可逆机的水轮机最优工况点的单位转速接近于 n 110 85r min 和

Qu o 560L s 。当n n n n o 时，沿着等导叶开度线，Q n 随n n 的增加而急剧下降，这是 混流可逆式水力机械的重要特性。与此同时， M^也下降。M^ 0曲线表示飞逸工况

（ 0）。越过Mu 0的线，在Mu 0与Q n 0之间为制动工况（第I 象限内），直

至超越纵坐标，Qn 0，则机组处于反转水泵工况区（第U 象限内）

制动工况、飞逸工况和反水泵工况；对于装有水泵水轮机的蓄能电站，水力机组可能的 运行方式有正、反向水泵工况、水轮机工况和两个制动工况区。例如在水泵断电时，调 速机构失灵致使机组飞逸，而后手动紧急关闭可能会出现上述情况。而只有潮汐电站上 的水泵水轮机，因为随着潮位的涨落，水头呈周期性的正负交替，其水力机组的运行工 况包括过渡过程才可能经历全部八个工况区。

图3-5所示是一比转速为250m kW ，使用水头为110m 左右的混流可逆式水力机 械的综合

特性曲线，该曲线以为纵坐标，Qu 为横坐标。在综合特性曲线上给出了导 叶等开度线、等单位力矩线及部分等效率线，利用该综合特性，可确定其单位参数间的 关系：

2 n Mn

对于水轮机工况：

R IT M 11

对于水泵工况： P M M - 60 P T

2,3 2 D 1 H T 9.55R 仃 9.81 T Q T H T D 12 H T /2 93.7 如 n 1仃 9.55

9.81Q 11 T (3-3)

p )

(3-4)