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水轮机的特性曲线

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水轮机的特性曲线

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。

水轮机特性曲线

水轮机特性曲线

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。

第五章水轮机特性曲线

第五章水轮机特性曲线

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。
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
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。
”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

水轮机模型综合特性曲线

水轮机模型综合特性曲线

H、a0＝const
2、水轮机的空化试验程序（闭式台）
1、根据能量试验结果，确定若干空化试验的n11 2、在每一个n11下，选定若干试验开口a0 3、调整工况参数为指定值并使之稳定 4、用真空泵逐步降低整个系统的压力，并保持H、n、 qV不变 5、测量并记录能量指标与真空度的关系
6、绘制η、P＝f（σ）曲线 7、根据曲线确定σcr
第三节 特性曲线的绘制 一、试验装置与测量方法（略） 二、试验程序
1、水轮机能量试验程序
1、试验过程中H 基本不变
2、在一系列a0下进行试验 3、在每一a0个下通过改变负 荷改变转速 （工况）
4、将数据换算成单位参数
（n11、Q11、P11、η）
5、在一个a0下测量的数据可 以绘制转速特性曲线
对转桨式水轮机，应 在每一个叶片角度下 进行上述测量
模型试验曲线
飞逸转速 nR 流量随转速 变化的规律
（一）水轮机的综合特性曲线
1、综合特性曲线
等效率线 等开度线 等空化系数线 功率限制线
2、运转特性曲线
功率限制线： 电机功率限制 水轮机功率限制 混流式：Pmax 轴流转桨：a0
各种水轮机的综合特性曲线 低比速混流式
切击式水轮机
轴流定桨
轴流转桨
二、水轮机综合特性曲线的绘制
（一）定桨式水轮机 等效率线和等开度线
功率限制线
等空化系数线 根据空化试验结果
（二）转桨式水轮机综合特性曲线的绘制
不同ϕ 角的
水轮机模型试验及特性曲线的绘制
一、线型特性曲线
（一）水轮机的工作特性曲线
H、n＝const，qV＝f（a0）
P、η＝f（qV）
1）空载流量qVxx 2）最优流量qV0 3）极限功率Pnp与极限流量 4）功率限制

水轮机特性曲线及选择(第四章)

水轮机特性曲线及选择(第四章)
不相等的，主要因为两者的直径 和水头相差较大，原型水轮机的 相对糙度和相对粘性力小得多， 相对水力损失也小得多，所以原 型水轮机的效率总高于模型水轮 机，一般高出2%以上，大型水轮 机可达7%。
2．换算方法：
①在水轮机总η中，水力效率是主要的，容积效率 和机械效率所占分量很小，为简化，可忽略容 积效率和机械效率，认为η=ηs。
二．运动相似
运动相似是指同一轮系的水轮机，水流在过 流通道中对应点的速度，在转轮中对应点的速度三 角形相似。 α1=α1M ；β1=β1M；α2=α2M ，……
V1 U1 W1 V2 V1M U1M W1M V2 M
三．动力相似
动力相似是指同一轮系的水轮机，水流在过 流部分对应点上的作用力，如压力、惯性力、重力 、粘性力和摩擦力等同名力的方向相同，力的大小 成比例。
说明： ①常用Q1′，n1′表示水轮机的运行工况，若同一 轮系水轮机在某一工况下Q1′，n1′相同，则此 工况相似。 ②单位参数对同一轮系的水轮机，在不同的相似工 况下分别为一常数。 ③单位参数的概念很重要，在水轮机的设计和选择 中有重要的作用，水轮机特性曲线用单位参数整 理的，可用它确定原型水轮机参数。
3．各型式水轮机工作特性曲线的比较
轴流定浆式水轮机的工作特性曲线：陡峭，高效率 范围窄。
轴流转浆式水轮机的工作特性曲线：高效率范围较
宽广，效率变化较平稳。 混流式水轮机的工作特性曲线：效率最高，效率变 化平稳情况较轴流转浆式差。 水斗式水轮机的工作特性曲线：效率较低，但效率
变化较平稳。
三．水轮机运转特性曲线的绘制
（4）绘制水轮机的运转综合特性曲线；
（5）确定蜗壳和尾水管的型式及尺寸；
（6）估算水轮机的外形尺寸、重量和价格；

水轮机运转特性曲线的绘制

水轮机运转特性曲线的绘制

水轮机运转特性曲线的绘制水轮机运转特性曲线的绘制1）基本资料转型式：HL240型及模型综合特性曲线转轮直径1D =4.5m,n=100min r特征水头：m H 0.38max =，m H 0.34min =，r H =36.0m 水轮机安装高程处海拔方程?=150m 效率修正值η?=1.6% 2）等效率曲线计算与绘制由于电站水头变化范围小现取3个水头，即m H 0.38max =，m H 0.34min =，r H =36.0m列表如下HL240型水轮机等效率曲线计算3）出力限制线绘制计算出1、r H H ?时，数值直线2、r H H H ??min 连接（r H r N ）与min H min N 见附图14）等吸出高曲线的计算与绘制：1吸出高度计算公式为H H S )(90010σσ?+-?-= 式中气蚀系数修正值σ?由m H 36=查得032.0=?σ等析出高度计算表2利用表计算结果，作每个水头下的N=)('1Q f 辅助曲线（见附图2）。

将各'1Q 值的出力从图中查出填入表中。

3根据表中对应的s H 和N ，绘制各水头下)(N f H S 的辅助曲线（见附图3）4）绘制等吸出高曲线（见附图4）六、蜗壳的设计1）、蜗壳型式选择由于本水电水头高度小于40m,所以采用混凝土蜗壳 2)、蜗壳主要参数的确定 1 断面形状的确定由于水轮机为中型，因此混凝土蜗壳的断面做成平顶梯形，以便施工见笑其径向尺寸，降低厂房的土建投资根据水电站规模本电站采用平顶梯形断面混凝土蜗壳，由《水力机械》附表以及附表二查得HL240型水轮机D a =6350mm,D b =5550mm b/a 取为1.5 ，γ 取为14°2 蜗壳包角0?的选择混凝土蜗壳包角0?通常采用180°~270°,故选择0?=270° 3蜗壳进口断面的平均速度c Vc V 根据水轮机设计r H ，可从水轮机设计水头从《水电站》图2-8中的经验曲线查取，查得s m V c 5= 3). 蜗壳的水力计算 1 确定进口断面尺寸进口断面的面积为2000max 0084.189.436027063.125360m V Q V Q F c c =??===2 根据几何关系确定进口断面尺寸如下进口断面面积应满足下式且010.365b D =02211)(2b r r tg m ab F b a -+-=δ6.1=ab0m b b =-解上面方程组得6.10=b ，a=3.56m ，b=5.33m ，m=5.73m ，由前面查表已知D a =6350mm,D b =5550mm ，所以2 3.175,2 2.775a a b b r D m r D m ====，故m a r R a 735.656.3175.30=+=+=.3中间断面尺寸的确定顶角的变化规律采用直线轨迹，采用图解法来求得R-?的关系过程见下表及附表7绘制蜗壳平面单线图，选定i ?（每隔30°选一个）有公式i a i R ργ2+= 计算出相应iR 而i cii V Q ?π?ρ15.0360max ==，其进口宽度B=10D R + i a i R ργ2+= 查图得依据上表绘制蜗壳单线图如附图5。

5水轮机的相似理论和特性曲线

5水轮机的相似理论和特性曲线

水轮机的相似理论和特性曲线
• 混流式及轴流定桨式水轮机飞逸特性
水轮机的相似理论和特性曲线
轴流转桨式水轮机飞逸特 性
• 机组甩负荷，导水机构和转 叶机构同失灵，失去协联关 系：（实线） 某开度a0范围内，Ф 角越小， nrun11越大。 机组甩负荷，导水机构和转 叶机构同失灵不动，但有协 联关系： 最大nrun11不出现在最大开 度下，而是在较小开度（最 大开度70%）和较小Ф 角下。 保持协联时的飞逸转速低于 非协联时的飞逸转速。
1（ - 1 -M )(0.3 0.7 5 D1M / D1 10 H M / H )
水轮机的相似理论和特性曲线
我国混流式：①H＜150m时，
1（ - 1 - M ) 5 D1M / D1 D1M / D1 20 H M / H
- 1 -M ) 5 ②H＞150m时， 1（
11
H
Q11
Q D
2 1
(QM=Q11)
H
P11
P (PM=P11) 2 3/ 2 D1 H
水轮机的相似理论和特性曲线
同型号的水轮机在相似工况下的单位转速、单位流量、 单位功率相同，不同工况有不同的转速、流量、功率。 4、比转速 ①水轮机比转速： 水轮机特性的一个综合性参数，反映水轮机转速n、水 头H、功率P之间的关系，概括反映水轮机特性。 n P (m.kw) ns 5 / 4 H ns 3.13n11 Q11 (m.kw) 相似工况下，n11、Q11同，ns也同。 ns随工况而变，不同型水轮机性能比较，常用最优效率 工况或设计工况的比转速。
η ——原水轮机的最高效率η max η M——模型最优工况效率η Mmax ②非最优工况下的换算： 采用简化的等差修正法

第五章_水轮机的特性曲线

第五章_水轮机的特性曲线
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。
导叶开度：a0=Ｃ１； 实验水头Ｈ＝Ｃ２
模型转速n 100 150
模型流量Q 0.035 0.033
n11
50 55
Q11
160 150
200 0.031 60 140
250 0.028 65 132
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。
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
0.5 0.6
0.7
a 14 18
22
等开度线 26
Q11
第三节水轮机运转综合特性曲线
• 原型水轮机的运转综合特性曲线是转轮直径和转速为常数时，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。
模型综合特性曲线—〉原型运转综合
； n11 H ；ηm η； Q11—＞P σ—＞HS

5水轮机的相似理论和特性曲线解析

5水轮机的相似理论和特性曲线解析

水轮机的相似理论和特性曲线
水轮机运转综合特性曲线： • 用水轮机工作参数（P、H、 η）直接表达水轮机运行特性 的曲线。 • 选型设计中方案分析、比较 的依据 • 水电站运行管理、拟定机组 的运行方式及考察机组动力 特性的主要依据 • 机组运行人员检查水轮机运 行情况的依据
水轮机的相似理论和特性曲线
η ——原水轮机的最高效率η max η M——模型最优工况效率η Mmax ②非最优工况下的换算： 采用简化的等差修正法
max M max
M
水轮机的相似理论和特性曲线
2、单位参数的修正 模型与原型水轮机效率不同，单位参数也不完全相同。 单位转速修正（P91修正式） 单位流量修正 3、例析（综合应用） P92 例4-2 思考练习 • P107 2～6题 • 反复看例4-2，理解不同工况参数的分析、计算方法. • 为什么高比转速水轮机只适用于低水头水电站？（P88）
水轮机的相似理论和特性曲线
水轮机的相似理论和特性曲线
水轮机的相似理论和特性曲线
水轮机的相似理论和特性曲线
水轮机的相似理论和特性曲线
水轮机的相似理论和特性曲线
混流式水轮机综合特性曲线包含： • 等效率曲线 • 导叶等开度曲线 • 等空化系数曲线 • 5%功率限制线：各单位转速下95%（使水轮机有一定 的功率储备）最大功率工况点的连线。左侧是可运 行区，右侧是不可运行区。 • 不同工况下稳定性的等压力脉动A线 • 飞逸特性曲线 • 模型转轮的流道参数和模型试验条件 水轮机综合特性曲线是正确选择水轮机、分析水轮机性 能的依据。
水轮机的相似理论和特性曲线
④ 提高比转速——设法提高n11、Q11（研究方向） ns 3.13n11 Q11 (m.kw) 提问：为什么高比转速水轮机只适用于低水头水电站？ （P88）

水轮机的特性曲线与选型—模型水轮机效率的修正

水轮机的特性曲线与选型—模型水轮机效率的修正

D1M D1
10
HM H
5.2.1 效率的修正
2、一般工况下的效率修正
• HL、ZD： M
max M max
• ZZ ：
M
m ax M m ax
• 注：轴流式水轮机，每个叶片转角对应一个最优工况。
5.2.1 效率的修正
冲击式水轮机：合理的直径比为D1/d0=10~20。当模型水轮机的射流直
注：运转综合特性曲线是原型水 轮机的特性曲线，曲线上的数据均 为原型水轮机数据。
HL220-LJ-410（n=136.4r/min ）水轮机运转综合特性曲线
1、最优工况下的效率修正
采用1963年国际电工委员会推荐的公式：
混流式水轮机 ：
当H≤150m时： max 1 (1 M max)5
D1M D1
轴流转桨式水轮机 ： 当H>150m时：
max
1 (1 M max ) 5
D1M D1
20
HM H
max
1 0.3(1M max ) 0.7(1M max ) 5
各类型水轮机转速特性的比较
5.2.3 线性特性曲线2、作特性曲线水轮机通常在固定的转速下运转，水头变化也较缓慢，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。
(a) Q、η、a~P曲线；(b) a、η、P~Q曲线；(c) Q、η、n～a曲线 水轮机工作特性曲线
水轮机的特性曲线与选型
1
水轮机的相似率
2
模型水轮机效率的修正
3
水轮机的选择
任务5 水轮机的特性曲线与选型
5.2模型水轮机效率的修正
5.2.1 效率的修正

第五章_水轮机的特性曲线

第五章_水轮机的特性曲线
• ② 在曲线图上以某常数作一直线，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n11与Q11。
• ③ 以n11为横坐标，以Q11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n11 、 Q11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。
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
由空化系数线换算，方法同等效率线。
HＳ
ＨＳ＝－１
n11
(H) H
Q11
Pr
ＨＳ＝－１
Pr
二、转桨式水轮机运转特性曲线换算与绘制
取n11=常数线与等φ角线的交点作计算点，计算交 点效率、出力，绘制η＝f(p)曲线．
n11
5o 0o
5o 等叶片转角线
常数线
0.5 0.6
0.7
１２３４５
0.5 0.6
0.7
a 14 18
22
等开度线 26
Q11
第三节水轮机运转综合特性曲线
• 原型水轮机的运转综合特性曲线是转轮直径和转速为常数时，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。
模型综合特性曲线—〉原型运转综合
； n11 H ；ηm η； Q11—＞P σ—＞HS
角固定值时定桨特性曲线

第六章 水轮机特性曲线

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%。

水轮机的特性曲线

水轮机的特性曲线
• ⑤转桨式水轮机转轮叶片等转角线：曲线上各点的转角 相等&
• 三、水轮机模型综合特性曲线 • 一混流式水轮机模型综合特性曲线
• 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&
• 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&
• C、在最小水头和最大水头范围内进行分段;一般可取 4~5个水头;其中包括Hmax、Hr和Hmin;并分别计算各水头 对应应的单位转速n11&
n11
nD1 H
ห้องสมุดไป่ตู้
• D、求各选取水头相应的模型单位转速&
• 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
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
• 三、水轮机模型综合特性曲线 • 四冲击式式水轮机模型综合特性曲线
• 冲击式水轮机的模型综合特性曲线的特点：
• 1、由等效率线与等开度线组成&
• 2、等开度线是与Q11坐标轴垂直的直线&因为冲击式水 轮机的过流量与水轮机的转速无关;仅与喷嘴的开度有关 &
• 3、一般不标出力限制线&因为冲击式水轮机一般对负荷 变化的适应性较好;等效率曲线扁而宽;在相当大的开度 下仍不会出现单位流量增加而出力减小的情况&
• 在综合特性曲线上的每一点代表了水轮机的一个工况;能 全面地反映出水轮机在该工况点运行时的能量和汽蚀特 性&因此;从模型综合特性曲线上可以判别当 Q11或n11变 化时水轮机效率变化的快慢;最高效率区范围的大小;过 流能力的高低;以及它的汽蚀性能好坏&

第六章 水轮机特性曲线(一)

第六章 水轮机特性曲线(一)

Q
H ' Q ' H
H 3 ' P ( ') P H

'
求出各点所对应的Q、P与η ，把同一开度下的各同类点 连成光滑曲线即得到转速为n时的水轮机水头特性曲线。
对于反击式水轮机，高 比转速水轮机在偏离最优 水头时效率下降比低比转 速水轮机缓慢。 图中各效率曲线与横坐 标的交点所对应的水头即 为各水轮机的相对空载水 头值。 低比转速水轮机的相对 空载水头值比高比转速水 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。
一、混流式及定桨式水轮机模型综合特性曲线的绘制 2．等效率线的绘制 反映了在同一效率情况下，单位转速和单位流量之间的关系。 ⑴ 根据模型试验所获得的数据， 计算出各工况点的效率η与单位 转速n11，绘出各导叶开度下的 η=f(n11)曲线，每个开度有一条 η=f(n11)曲线。 ⑵ 在曲线图上以为某常数η作一 直线，与各开度下的η=f(n11)曲 线相交，得交点b1、b1’、b2、b2’… 找出各交点相对应的a0与n11。
H H
'
P H ( ) ' ' P H
3 2
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H:
n 2 ' H ( ') H n
n 2 ' H ( ') H n
可将转速特性曲线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’及所对应的流量Q’、出力P’与效率η’，然后将各点n’换算 为H，按相似式：
三、冲击式水轮机模型综合特性曲线 冲击式水轮机的转轮在大气压力下工作，虽然也有空蚀破坏现 象，但其空化机理与反击式水轮机不同，很难用空化系数的形式 表达冲击式水轮机的空化性能，因此，冲击式水轮机模型综合特 性曲线上不标注等空化系数线。

第三节水轮机模型综合特性曲线[整理版]

第三节水轮机模型综合特性曲线[整理版]

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。

5_水轮机特性与特性曲线曲线1

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。
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• 2、另外，因转桨式水轮机，仅在转角和导叶开度极大 的情况下，即流量极大的情况下，出力才开始降低，而 此时空蚀系数很大，一般不允许在这种工况下运行。所 以，转桨式水轮机的出力限制仅受允许的空蚀系数限制， 在因中不画出限制线。
• 三、水轮机模型综合特性曲线 • （三）轴流转浆式水轮机模型综合特性曲线
• 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 • 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）
• ④有时还绘有导叶等开度a0线：曲线上各点开度相等 • ⑤有时还绘有桨叶等转角φ线：曲线上各点转角相等
• 四、水轮机运转综合特性曲线
• 四、水轮机运转综合特性曲线及其绘制 • 水轮机运转综合特性曲线可由模型综合特性曲线来绘制，
但应提供以下基本资料： • 1）水轮机牌号 • 2）水头范围： • 最大水头Hmax、最小水头Hmin、额定水头Hr • 3）额定转速nr • 4）水轮机额定出力Pr • 5）发电机额定出力Pg • 6）水轮机模型综合特性曲线 • 7）水轮机的海拔高程▼
数时，以水头H和出力P为纵、横坐标而绘制的几组等 值线。
• 在图中常绘出下列等值线： • ①等效率η线 ：曲线上各点的效率相等。 • ②吸出高度Hs线：曲线上各点的吸出高度相等。 • ③出力限制线：有两类
• 5%（3%）出力限制线：水轮机受运行稳定影响的出力限制 • 发电机出力限制线：水轮机受发电机容量运行的出力限制
• （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、
水轮机
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
• 在综合特性曲线上的每一点代表了水轮机的一个工况， 能全面地反映出水轮机在该工况点运行时的能量和汽蚀 特性。因此，从模型综合特性曲线上可以判别当 Q11 （或n11）变化时水轮机效率变化的快慢，最高效率区范 围的大小，过流能力的高低，以及它的汽蚀性能好坏。
• 四、水轮机运转综合特性曲线及其绘制 • 概念：运转综合特性曲线是在转轮直径D1和转速n为常
• （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
• 等效率线是水轮机在协联方式下工作时的效率等值线。 它是水轮机在不同叶片角下水轮机等效率线（轴流定桨） 的外包络线。
• 等叶片转角线连接转桨式水轮机的等效率曲线与某个转 角下轴流流定桨式水轮机的等效率线的切点，就得到该 转角下的等转角线。等转角线是通过该转角下等效率线
的中心区域。所以，该线代表在某一转角下各种不同开
度时的最优工况。
• 等开度线是将各转角下轴流定桨式水轮机的等导叶开度 线与等转角线的交点连成的曲线。等开度线代表在某导 叶开度下各种不同转角时的最优工况，故等开度线与等 转角线的交点，就是对应转角和开度的最优协联工况点， 使效率达到最高值。
• 三、水轮机模型综合特性曲线 • （四）冲击式式水轮机模型综合特性曲线
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。
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。
• （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：
• 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。
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。
• 四、水轮机运转综合特性曲线及其绘制 • （一）混流式水轮机综合特性曲线的绘制 • 1、等效率曲线的绘制 • （1）计算 • A、求原型水轮机最优工况效率和效率修正量
K (1M 0 ) (1 5
D1M D1
)
M
T 0 M 0
• B、求水轮机的最优单位转速 和单位转速修正值
n11=n110M (
• 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
• 4、不标注等空化系数线。冲击式水轮机也有空蚀破坏 现象，但其空化机理与反击式水轮机不同，很难用空化 系数的形式表达冲击式水轮机的空化性能。
• 各种类型水轮机模型综合特性曲线范围的比较：
• 模型综合特性曲线的重要意义：
• 水轮机模型综合特性曲线．综合表达了水轮机的各种主 要性能，如n11、Q11、σ、η等能量和汽蚀特性。
、
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。
• 2、因轴流定桨式水轮机效率曲线较陡，如出力储备
• 量太大，将会严重地影响水轮机的额定出力，为此一般 采用3％的出力储备。
• 三、水轮机模型综合特性曲线
• （三）轴流转浆式水轮机模型综合特性曲线
• 轴流定桨式水轮模型综合特性曲线的特点：
• 1、因具有导叶和桨叶转角双重调节的特点，在综合特 性曲线上任一工况点，不仅要表明它的导叶开度线，而 且还要表明转轮叶片的转角线。
• 冲击式水轮机的模型综合特性曲线的特点：
• 1、由等效率线与等开度线组成。
• 2、等开度线是与Q11坐标轴垂直的直线。因为冲击式 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。
• 3、一般不标出力限制线。因为冲击式水轮机一般对负 荷变化的适应性较好，等效率曲线扁而宽，在相当大的 开度下仍不会出现单位流量增加而出力减小的情况。
• 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。 的。
• 出力限制线：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可能失去 稳定。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。
• 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，