1、第第5 5章章 水轮机的特性曲线水轮机的特性曲线第一节第一节 特性曲线的类型特性曲线的类型第二节水轮机模型综合特性曲线绘制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三节水轮机运转综合特性曲线绘制第四节第四节 水轮机飞逸特性水轮机飞逸特性第五节第五节 水轮机的轴向水推力水轮机的轴向水推力水轮机的内特性与外特性水轮机的内特性与外特性 水轮机内特性水轮机内特性 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外特性 水轮机所表达的性能：效率、过流量、空蚀、振动等。关于水轮机性能的概括1.1.水轮机只有一个最优工况，一般对应无撞击进口和法
2、向出口。水轮机只有一个最优工况，一般对应无撞击进口和法向出口。偏离设计工况时，不管水头变化还是负荷（导叶开度变化），偏离设计工况时，不管水头变化还是负荷（导叶开度变化），水轮机效率都会降低。水轮机效率都会降低。2.2.水轮机的性能与比转速有密切关系。不同水轮机的性能与比转速有密切关系。不同n nS S的水轮机，有不同的水轮机，有不同的流量特性、效率特性与空化特性不同。的流量特性、效率特性与空化特性不同。3.3.混流式、定桨式水轮机叶片角度不能调整，工况变化的适应性混流式、定桨式水轮机叶片角度不能调整，工况变化的适应性差；转桨式水轮机可与水头、导叶开度双协联，有宽广的高效差；转桨式水轮机可与水头
3、、导叶开度双协联，有宽广的高效区。区。4.4.水轮机的空化特性与水轮机的水轮机的空化特性与水轮机的n nS S有关，同时与水轮机的工况有有关，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，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。也会很严重。5.5.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，振动区一般在化所造成，振动区一般在40%40%55%55%开度范围。
4、开度范围。水轮机特性曲线的意义水轮机特性曲线的意义 水轮机特性曲线与水轮机特性之间的关系水轮机特性曲线与水轮机特性之间的关系 水轮机特性曲线是水轮机的“心电图”，它通过一些外在的现象以图形方式表述了水轮机的特性。当一个人心脏有问题时，可以从他的心电图上反映出来。同样，当一个水轮机有问题时，可以从它的特性曲线上反映出来。1）不同类型的水轮机，不同的水轮机，其特性曲线不同。2）水轮机不同工况下，水轮机的特性不同，其特性曲线不同。3）水轮机各种性能之间是有内在联系的，水轮机特性曲线上的各种曲线，也有密切的内在联系。4）水轮机特性曲线是进行水轮机选型设计，指导水轮机运行的重要工具。第一节 水轮机特性曲
5、线的类型 特性曲线表达形式特性曲线表达形式：线性特性曲线：表达水轮机某2个参数之间关系的曲线：例如：Q=f（ao）、Q 11=f（n11）综合特性曲线：表达水轮机多参数之间相互关系的曲线：例如：特性曲线表达对象特性曲线表达对象：模型特性曲线：表达模型水轮机特性的曲线，常以单位参数为变量。如：P11=f（Q11，n11）运转特性曲线：表达原型水轮机运转特性的曲线，以原型参数为变量。如：P=f（H，Q）),(),(1111oaHfPnQf一、水轮机线性特性曲线工作特性、转速特性、水头特性1、工作特性曲线：表示水轮机工作在固定的转速n下的特性而绘制的曲线。在H、P、Q、中任何一个为自变量的特性曲线。
6、有开度特性、出力特性，流量特性。，曲 线，曲 线，曲线a空载PQ空载空载a出力特性出力特性流量特性流量特性开度特性开度特性出力特性出力特性:1）开度增大流量增大、出力增大，接近最大出力时，曲线变陡。）开度增大流量增大、出力增大，接近最大出力时，曲线变陡。开开度增大好多流量和出力才增加一点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。）空载开度下，出力为零，流量为空载流量。，曲 线P空载空载Q空载空载ao流量特性：流量特性：1）开度增大，流量增大；）开度增大，流量增大；2）小于空载）小于空载流量时出力效率均为零。流量时出力效率均为零。，曲 线空载流量空载流量Q开度特性：
7、开度特性：1）开度增大流量增大；）开度增大流量增大；曲线越大越缓曲线越大越缓2小于空载小于空载开度开度时效率出力均为零；时效率出力均为零；3）开度最大时，出力不一定最）开度最大时，出力不一定最大。大。出力最大效率不一定最大出力最大效率不一定最大，曲 线空载开度空载开度oamaxP2.转速特性曲线 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 与转速n之间的关系。偏离最优转速时，出力、效率降低。n转速n转速n转速QPonmaxmaxP根号H=nDQ=D方 根号HP=D方H322.转速特性曲线：各开度下均存在一个最优转速，小于或大于最优转速，出力与效率都会降低。曲 线；（）曲
8、 线；（）曲 线nn0 50 100 150 200 250 300 350),(oanfP),(oanf3、水头特性曲线HHHQcao空载水头空载流量P流量随着水头的增高而增大流量随着水头的增高而增大优H ,HH出力随着水头的增高而增大出力随着水头的增高而增大出力效率为零出力效率为零 水轮机在转速n、导水叶开度为某常数时，其出力P、流量Q及效率与水头H之间的关系）（）水 轮 机 水 头 特 性 曲 线空载水头 PQ二、水轮机模型综合特性曲线 水轮机模型综合特性曲线的特点：1）通过模型试验而获得的水轮机特性（外特性）；2）综合表示水轮机能量指标、空化性能等；3）以单位流量、单位转速为坐标系的标
9、准表达形式。在以n11、Q11为纵、横坐标轴的直角坐标系中同时绘出等效率线、，等开度线 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，这些等值线表示出了同系列水轮机的各种主要性能，故称之为水轮机的主要综合特性曲线。这种主要综合特性曲线一般由模型实验的方法获得，因此，又称之为模型综合特性曲线。2Ca1C3C1.1.混流式水轮机模型综合特性曲线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。a=14 18 22 240.2 0.25 0.3088%90%92%5%出力限制线n11Q11 混流式水轮机模型综合特性曲线混流式水轮机模型综合特性曲线 由等效
10、率曲线、等开度线、等空化系数线与出力限制线所构成。飞逸特性曲线2、轴流转桨式水轮机模型综合特性曲线o5o0o5等叶片转角线等叶片转角线a14 18 22 260.5 0.6 0.7常数线等开度线n11Q11 转桨式水轮机模型特性曲线 转桨式水轮机模型综合特性曲线上标有等效率线、等开度线、等叶片转角线、等空化系数线。由等线与等线可以找出导水开度与叶片转角的最佳协联方式。3 3、冲击式水轮机模型综合特性曲线、冲击式水轮机模型综合特性曲线 冲击式水轮机模型综合特性曲线由等效率线（常数）与等开度线（喷针行程S常数）组成。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，它的等开度线是与Q11
11、坐标轴垂直的直线。9sn11Q1111 13 15 17 19 2188%86%84%82%等开度线等开度线等效率线等效率线4、不同类型水轮机特性曲线的比较冲击式冲击式低比速低比速混流式混流式中高比速中高比速混流式混流式轴流转轴流转桨式桨式n11Q11比转速升高第二节水轮机模型特性曲线的绘制一、混流式水轮机模型综合特性曲线绘制一、混流式水轮机模型综合特性曲线绘制1、等开度线的绘制、等开度线的绘制水轮机能量实验通常是在固定H和固定ao 下，通过控制水轮机转矩去调节水轮机的转速n，从而测得同一导叶开度下一系列工况点的性能参数。按照各实验工况点的水头 H 、流量Q及转速n，用相似率公式可以求出各工况
12、点的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：导叶开度：a0=；实验水头；实验水头0a0aH模型转速n100150200250模型流量Q0.0350.0330.0310.028.n1150556065 Q11160150140132.2、等开度线绘制10oa20oa等 开 度 线 的 绘 制30oa2、等效率线的绘制-=f(n11)曲线模型转速n100150200250模型流量Q0.0350.0330.0310.028.出力P0.610.650.680.52 n1150556065 Q111601501401320.750.
13、800.840.86n11ao=18等效率线的绘制10oa20oa30oa302010oooaaa%80%80n11Q11等效率线的绘制步骤 根据模型实验所获得的数据，计算出各工况点的效率与单位转速，绘出各导叶开度下的曲线，每个开度有一条曲线。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。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。等效率线的绘制%n11(r/
14、min)Q11(L/s)4、出力限制线的绘制 绘制出力限制线的目的：1 1）为了防止水轮机出现反调节；）为了防止水轮机出现反调节；2 2）留有一定余量；）留有一定余量；3 3）保证水轮机负荷调节的线性度。）保证水轮机负荷调节的线性度。p11P11maxP11max95%Q11*Q11*n11Q11n11=Cn11=C5、等空化系数线绘制n11=75n11=70n11=65n11=6075706560n11Q112.转桨式模型综合特性曲线绘制原理 把叶片角固定在某一角度，按定桨方式运行，并绘制该=常数时的模型特性曲线。转桨式水轮机的特性曲线实质是各个固定角线特性曲线的综合。用取包络线或等值线的方
15、式绘制绘制转桨式水轮机的特性曲线。转桨式模型综合特性曲线绘制原理_1线角固定值时定桨特性曲o5o0n11Q11o5转桨式模型综合特性曲线绘制原理-1 况点的联点各个单个单位转速下最:线绘制优工o5o0o5n11Q11转桨式模型综合特性曲线绘制原理-2等效率线绘制-各角下等效率线的包络线o5o0o5n11Q11%86%88%90转桨式模型综合特性曲线绘制原理-3等开度线绘制n11Q11ao=10ao=20ao=30ao=30ao=20ao=10ao=10ao=20ao=30ao=10ao=20ao=30轴流转桨式水轮机模型综合特性曲线o5o0o5等叶片转角线等叶片转角线a14 18 22 260
16、.5 0.6 0.7常数线等开度线n11Q11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；m ；Q11P；HS飞逸特性曲线 一、混流式水轮机运转特性曲线换算原理n11Q11HP211111()()nDHf nnHn11M M1.5211111()9.81P f QQ HD Q11P 混流式水轮机运转综合特性曲线绘制 等效率线绘制：水轮机各工况的效率 出力限制线绘制：水轮机各水头下的允许出力 等吸出高度线绘制：水轮机各工况下的允许吸出高度等效率线绘制
17、等效率线绘制pHPH1H2H3H1H2H32.出力限制线绘制大于等于设计水头：出力为额定出力小于设计水头：由水轮机出力限制线换算(Hmin)(Hr)(Hmax)ABn11Q11HPrHmaxHrHminBA.等吸出高度线绘制由空化系数线换算，方法同等效率线。(H)n11Q11HPrPrH二、转桨式水轮机运转特性曲线换算与绘制取n11=常数线与等角线的交点作计算点，计算交点效率、出力，绘制f(p)曲线o5o0o5等叶片转角线等叶片转角线0.5 0.6 0.7常数线n11Q11等效率线绘制）计算各角的效率修正值：（）o()-Mo()o()=1-1-Mo()(0.3+0.7)对各工况点进行效率修正，
18、同一转角用同一修正值。并计算各点的出力。获得各水头下f(P)关系曲线）以f(P)关系曲线为基础绘制等效率线，方法同混流式水轮机等效率线的绘制)10511HHDDMM出力限制线绘制转桨式水轮机模型综合特性曲线上不标出力限制线，但其最大出力受空化的限制。在确定了水轮机的额定工况后，通常把通过额定工况点的等开度线作为水轮机的出力限制线。在确定为出力限制线的等开度线上取一系列工况点，记下各工况点的n11、Q11，由相似计算公式计算出各点对应的水头及出力，将这些点绘在坐标系中，连接各点即得到原型水轮机的出力限制线。轴流转桨式水轮机模型出力限制o5o0o5等叶片转角线等叶片转角线a14 18 22 260
19、.5 0.6 0.7常数线等开度线n11Q11设计单位流量设计单位流量出力限制线出力限制线第四节第四节 水轮机飞逸特性水轮机飞逸特性如果突然甩负荷，且调速机构失灵、导水机构又不能如果突然甩负荷，且调速机构失灵、导水机构又不能及时关闭时，由于输出的电磁力矩为零，因而输入的及时关闭时，由于输出的电磁力矩为零，因而输入的水流能量除了少部分消耗于机械损失外，其余大部分水流能量除了少部分消耗于机械损失外，其余大部分使机组转速急剧增高，并将达某一最大转速，这时的使机组转速急剧增高，并将达某一最大转速，这时的运行工况称为运行工况称为飞逸工况飞逸工况，这时的最大转速称为，这时的最大转速称为飞逸转飞逸转速速。水
20、轮机飞逸转速的大小与水轮机的水轮机飞逸转速的大小与水轮机的飞逸特性飞逸特性有关，而有关，而飞逸特性一般用飞逸特性一般用单位飞逸转速单位飞逸转速表示。表示。min)/(11rHDnnRR一、飞逸特性一、飞逸特性第四节第四节 水轮机飞逸特性水轮机飞逸特性第四节第四节 水轮机飞逸特性水轮机飞逸特性第四节第四节 水轮机飞逸特性水轮机飞逸特性二、飞逸转速的确定二、飞逸转速的确定一般说来，在同一水头下，导叶全开时飞逸转速最一般说来，在同一水头下，导叶全开时飞逸转速最高。对转桨式水轮机，当导叶开度及桨角转角的协高。对转桨式水轮机，当导叶开度及桨角转角的协联关系破坏，并且在导叶全开同时桨叶转角愈小，联关系破坏
21、，并且在导叶全开同时桨叶转角愈小，飞逸转速愈大。飞逸转速愈大。min)/(1max1rDHnnRR1.由单位飞逸转速计算由单位飞逸转速计算2.由飞逸系数计算由飞逸系数计算min)/(1max10rDHnKnRRRK取取1.72.0（HLHL）或或2.42.6（ZZZZ协联破坏）协联破坏）2.02.2（ZZZZ协联保持）协联保持）第四节第四节 水轮机飞逸特性水轮机飞逸特性三、防飞逸的措施三、防飞逸的措施1.1.设置快速闸门设置快速闸门 2.2.增设事故配压阀增设事故配压阀 3.3.采用水力自关闭导叶采用水力自关闭导叶4.4.强行开大转角（可能带来振动）强行开大转角（可能带来振动）5.5.采用制动
22、叶片采用制动叶片第五节第五节 水轮机的轴向水推力水轮机的轴向水推力一、概念一、概念 水轮机的轴向水推力是指水流经过转轮时所引起的一水轮机的轴向水推力是指水流经过转轮时所引起的一种轴向力。种轴向力。二、轴向水推力的计算二、轴向水推力的计算max21341081.9HDkPt三、水轮机总轴向力的计算三、水轮机总轴向力的计算ztGPP四、减小轴向水推力的措施四、减小轴向水推力的措施 当当甩负荷或由发电转为调相时可能产生甩负荷或由发电转为调相时可能产生反向水推力，如该反向水推力，如该力大于转动部分的重量时，转动部分将向上抬起力大于转动部分的重量时，转动部分将向上抬起抬机抬机。原因原因：1.1.反向水推力反向水推力2.2.尾水管反水锤尾水管反水锤 措施措施：1.1.补气补气2.2.分段关闭导叶分段关闭导叶第五节第五节 水轮机的轴向水推力水轮机的轴向水推力
