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![[讲解]第三节水轮机模型综合特性曲线](https://img.taocdn.com/s1/m/b85eaf13cd1755270722192e453610661ed95ae6.png)
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。
保证出力与额定出力之间有什么关系，他们之间的区别是什么？分别怎样计算？保证出力指的是机组在各个运行水头稳定运行的出力范围。
有最大保证出力，也有最小保证出力。
各种机型的保证出力是不一样的。
比如混流式的保证出力定义是：在最小到最大水头范围内水轮机出力是45~100%。
那么最大保证出力就是某水头时的100%，最小出力为最大出力的45%。
保证出力受能量性能（效率），气蚀等诸多因素的影响。
例如，某水轮机出力在设计水头下为8333kw，那么，在这个水头下最大出力就8333kw,最小出力就是8333X45%=3750kw.。
以上最大最小出力在行业规范中有具体的规定。
额定出力是指机组在最优工况点的出力（既选择的运转特性曲线上效率最大点的水头和流量）。
设计出力指的是在设计点的出力（设计水头，设计流量，设计效率）。
出力计算公式：N=9.81QHη（千瓦）其中：9.81是水的比重常数Q—通过水轮机的流量（立方米/秒）H—水轮机的工作水头（米）η—水轮机的工作效率（％）水轮机的线型特性曲线可用转速特性曲线、工作特性曲线及水头特性曲线三种不同形式表示。
线型特性曲线具有简单、直观等特点，所以常用来比较不同型式水轮机的特性。
一、转速特性曲线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。
在水轮机的模型试验中，常规的做法是保持一定的水头，通过改变轴上的负荷（力矩）来改变转速，达到调节工况的目的。
故整理模型试验的数据时，以转速特性曲线最为方便，水轮机的其他特性曲线，实际上都是从转速特性曲线换算而得。
如图下图所示。
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。
不同比转速的水轮机其转速特性也不同，比较图8-2曲线可以看出，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。
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。
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。
保证出力与额定出力之间有什么关系，他们之间的区别是什么？分别怎样计算？保证出力指的是机组在各个运行水头稳定运行的出力范围。
有最大保证出力，也有最小保证出力。
各种机型的保证出力是不一样的。
比如混流式的保证出力定义是：在最小到最大水头范围内水轮机出力是45~100%。
那么最大保证出力就是某水头时的100%，最小出力为最大出力的45%。
保证出力受能量性能（效率），气蚀等诸多因素的影响。
例如，某水轮机出力在设计水头下为8333kw，那么，在这个水头下最大出力就8333kw,最小出力就是8333X45%=3750kw.。
以上最大最小出力在行业规范中有具体的规定。
额定出力是指机组在最优工况点的出力（既选择的运转特性曲线上效率最大点的水头和流量）。
设计出力指的是在设计点的出力（设计水头，设计流量，设计效率）。
出力计算公式：N=9.81QHη（千瓦）其中：9.81是水的比重常数Q—通过水轮机的流量（立方米/秒）H—水轮机的工作水头（米）η—水轮机的工作效率（％）水轮机的线型特性曲线可用转速特性曲线、工作特性曲线及水头特性曲线三种不同形式表示。
线型特性曲线具有简单、直观等特点，所以常用来比较不同型式水轮机的特性。
一、转速特性曲线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。
在水轮机的模型试验中，常规的做法是保持一定的水头，通过改变轴上的负荷（力矩）来改变转速，达到调节工况的目的。
故整理模型试验的数据时，以转速特性曲线最为方便，水轮机的其他特性曲线，实际上都是从转速特性曲线换算而得。
如图下图所示。
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。
不同比转速的水轮机其转速特性也不同，比较图8-2曲线可以看出，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。
不同类型、不同比转速的水轮机，其飞逸转速不同。
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。
此外，它们还具有不同的过流特性，高水轮机的流量随转速的增加而增加；而低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。
二、工作特性曲线一般说来，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。
为表示水轮机工作在固定的转速和水头下的特性而绘制的曲线，即为水轮机工作特性曲线。
如图8-3所示。
在水轮机的工作特性曲线上，有三个重要的特征点。
（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。
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。
从任何一种工作特性曲线上都可轮机的空载开度及所对应的流量，也可以看出水轮机的最优工况所对应的水轮机导水叶开度、流量与出力。
三、水头特性曲线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。
水电站的水头一般变化较为缓慢，因此，在短时间内可以看作定值。
但是，在比较长的的时期内，水头可能发生较显著的变化。
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；在高水头水电站，上游库水位可能发生较大变化；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，这些都能引起水轮机作用水头的较大改变。
从图可以看出，水轮机的出力与水头关系曲线接近于直线，各导叶开度下的曲线从相应的空载水头点开始引出。
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。
水轮机的流量与水头关系曲线在小开度时接近于直线，但在大开度时呈现非直线性。
各导叶开度下的曲线也从相应的空载水头开始引出，导叶开度不同时，相应的空载水头也不同。
从水轮机效率与水头关系曲线可以看出，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，而水头高于时，效率变化较缓慢。
水轮机的线型特性曲线可用转速特性曲线、工作特性曲线及水头特性曲线三种不同形式表示。
线型特性曲线具有简单、直观等特点，所以常用来比较不同型式水轮机的特性。
一、转速特性曲线a、叶片转角 和水头H为某常数时，其他参数与转速之间的关系。
转速特性曲线表示水轮机在导水叶开度0在水轮机的模型试验中，常规的做法是保持一定的水头，通过改变轴上的负荷（力矩）来改变转速，达到调节工况的目的。
故整理模型试验的数据时，以转速特性曲线最为方便，水轮机的其他特性曲线，实际上都是从转速特性曲线换算而得。
如图下图所示。
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。
) (a n～Q曲线；)(b n～N曲线；)(c n～曲线图8-1 水轮机转速特性曲线不同比转速的水轮机其转速特性也不同，比较图8-2曲线可以看出，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。
不同类型、不同比转速的水轮机，其飞逸转速不同。
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。
此外，它们还具有不同的过流特性，高sn水轮机的流量Q随转速的增加而增加；而低s n的水轮机流量Q随转速变化趋势则相反；中等s n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、工作特性曲线一般说来，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。
为表示水轮机工作在固定的转速和水头下的特性而绘制的曲线，即为水轮机工作特性曲线。
如图8-3所示。
)(a Q、η、a～P曲线；)(b a、η、P～Q曲线；)(c Q、η、n～a曲线图8-3 水轮机工作特性曲线在水轮机的工作特性曲线上，有三个重要的特征点。
（1）当功率为零时，流量不为零，此处的流量Q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。
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。
从任何一种工作特性曲线上都可以看出水轮机的空载开度及所对应的流量，也可以看出水轮机的最优工况所对应的水轮机导水叶开度、流量与出力。
三、水头特性曲线 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Q 、出力P 、效率η与水头H 之间的关系。
水电站的水头一般变化较为缓慢，因此，在短时间内可以看作定值。
但是，在比较长的的时期内，水头可能发生较显著的变化。
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；在高水头水电站，上游库水位可能发生较大变化；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，这些都能引起水轮机作用水头的较大改变。
从图8-4可以看出，水轮机的出力与水头关系曲线接近于直线，各导叶开度下的)(H f P =曲线从相应的空载水头点开始引出。
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。
水轮机的流量与水头关系曲线在小开度时接近于直线，但在大开度时呈现非直线性。
各导叶开度下的)(H f Q =曲线也从相应的空载水头开始引出，导叶开度不同时，相应的空载水头也不同。
从水轮机效率与水头关系曲线可以看出，当水头低于最高效率点所对应的水头0H 时，水轮机效率的变化比较急剧，而水头高于0H 时，效率变化较缓慢。
)(a Q ～H 曲线；)(b η～H 曲线；)(c P ～H 曲线图8-4 水轮机水头特性曲线由试验直接获得水轮机的水头特性曲线较困难，因此，通常用转速特性曲线经相似换算求得相应的水头特性曲线。
由水轮机的相似律可知，同一水轮机的相似律公式为''H H n n = （8-1） ''H H Q Q = （8-2）23''⎪⎭⎫ ⎝⎛=H H P P （8-3）若已知转速特性曲线上某工况点的转速'n ，对应的水头'H ，那么在相似工况下对应于某转速n 的相应水头为'2'H n n H ⎪⎭⎫ ⎝⎛= （8-4）用式（8-4）可将转速特性曲线上的横坐标上某点的转速'n 换算为转速为n 时的水头特性曲线的横坐标上对应点的水头H 。
按照这种换算关系，读出转速特性曲线上若干点的转速'n 及其所对应的流量'Q 、出力'P 与效率'η，然后按式（8-4）换算为H ，再按相似公式（8-5）、（8-6）和（8-7）求出各点所对应的Q 、P 与η，把同一导叶开度下的各同类点连成光滑曲线即转速为n 时的水轮机水头特性曲线。
''Q H H Q = （8-5）'3'P H H P ⎪⎭⎫ ⎝⎛= （8-6）'ηη= （8-7）不同s n 的水轮机，具有不同的水头特性。
如图8-5所示为不同类型不同s n 水轮机的水头特性曲线，图中同时表示了水轮机效率、出力与水头之间的关系。
由图8-5可知，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，对于反击式水轮机，高s n 水轮机在偏离最优水头时效率下降比低s n 水轮机缓慢。
图中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。
低s n 水轮机的相对空载水头值要比高s n 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。
