水轮机的特性曲线

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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
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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。 • （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。
• 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。 • 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。
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四、水轮机运转综合特性）计算 A、求原型水轮机最优工况效率和效率修正量
D1M K (1 M 0 ) (1 5 ) D1
M
T 0 M 0
• 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。 • 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。
• 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
• 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▼
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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） （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
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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 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。
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
• 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
• 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 • （二）轴流定浆式水轮机模型综合特性曲线
• 因转轮叶片固定不动，出力仅与导叶开度有关，所以轴 流定桨式水轮机模型综合特性曲线的绘制方法与混流式 相同。但也有两点不同： • 1、轴流定桨式曲线沿n11坐标轴的方向伸长，而沿Q11 坐标铀的方向压缩，达就说明定桨式水轮机的高效率区 域很窄小，当出力变动时效率会急剧地降低。因此，轴 流定桨式水轮机仅在满负荷运行时比较有利 • 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 • （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。 • 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。
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。 • 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。
• B、求水轮机的最优单位转速 和单位转速修正值
• 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 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
• 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： • 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。
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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： （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
• 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。
水头流量特性曲线
水头效率特性曲线
水头功率特性曲线
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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。 • 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。
• 模型综合特性曲线：以单位参数n11、Q11为纵、 横坐标轴的综合特性曲线。 • 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。