第五章水輪機(jī)的特性曲線第一頁，共五十二頁，2022年，8月28日水輪機(jī)的內(nèi)特性與外特性水輪機(jī)內(nèi)特性水輪機(jī)內(nèi)部流場：轉(zhuǎn)輪內(nèi)部流速、壓力分布，邊界層內(nèi)流動，空化位置及強(qiáng)度。水輪機(jī)外特性水輪機(jī)所表達(dá)的性能：效率、過流量、空蝕、振動等。第二頁，共五十二頁，2022年，8月28日關(guān)于水輪機(jī)性能的概括水輪機(jī)只有一個最優(yōu)工況，一般對應(yīng)無撞擊進(jìn)口和法向出口。偏離設(shè)計工況時，不管水頭變化還是負(fù)荷（導(dǎo)葉開度變化），水輪機(jī)效率都會降低。水輪機(jī)的性能與比轉(zhuǎn)速有密切關(guān)系。不同nS的水輪機(jī)，有不同的流量特性、效率特性與空化特性不同。混流式、定槳式水輪機(jī)葉片角度不能調(diào)整，工況變化的適應(yīng)性差；轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)可與水頭、導(dǎo)葉開度雙協(xié)聯(lián)，有寬廣的高效區(qū)。水輪機(jī)的空化特性與水輪機(jī)的nS有關(guān)，同時與水輪機(jī)的工況有關(guān)，一般在最優(yōu)工況附近空化系數(shù)較小，大流量時空化系數(shù)大，小流量和低水頭時，由于偏離設(shè)計工況而產(chǎn)生脫流，空化往往也會很嚴(yán)重。固定葉片水輪機(jī)在部分負(fù)荷時存在一個振動區(qū)，是由于空腔空化所造成，振動區(qū)一般在40%～55%開度范圍。第三頁，共五十二頁，2022年，8月28日水輪機(jī)特性曲線的意義

水輪機(jī)特性曲線與水輪機(jī)特性之間的關(guān)系水輪機(jī)特性曲線是水輪機(jī)的“心電圖”，它通過一些外在的現(xiàn)象以圖形方式表述了水輪機(jī)的特性。當(dāng)一個人心臟有問題時，可以從他的心電圖上反映出來。同樣，當(dāng)一個水輪機(jī)有問題時，可以從它的特性曲線上反映出來。1）不同類型的水輪機(jī)，不同的水輪機(jī)，其特性曲線不同。2）水輪機(jī)不同工況下，水輪機(jī)的特性不同，其特性曲線不同。3）水輪機(jī)各種性能之間是有內(nèi)在聯(lián)系的，水輪機(jī)特性曲線上的各種曲線，也有密切的內(nèi)在聯(lián)系。4）水輪機(jī)特性曲線是進(jìn)行水輪機(jī)選型設(shè)計，指導(dǎo)水輪機(jī)運行的重要工具。第四頁，共五十二頁，2022年，8月28日第一節(jié)水輪機(jī)特性曲線的類型

特性曲線表達(dá)形式：線性特性曲線：表達(dá)水輪機(jī)某2個參數(shù)之間關(guān)系的曲線：例如：Q=f（ao）、Q11=f（n11）綜合特性曲線：表達(dá)水輪機(jī)多參數(shù)之間相互關(guān)系的曲線：例如：

特性曲線表達(dá)對象：模型特性曲線：表達(dá)模型水輪機(jī)特性的曲線，常以單位參數(shù)為變量。如：P11=f（Q11，n11）運轉(zhuǎn)特性曲線：表達(dá)原型水輪機(jī)運轉(zhuǎn)特性的曲線，以原型參數(shù)為變量。如：P=f（H，Q）第五頁，共五十二頁，2022年，8月28日一、水輪機(jī)線性特性曲線

工作特性、轉(zhuǎn)速特性、水頭特性1、工作特性曲線：表示水輪機(jī)工作在固定的轉(zhuǎn)速n下的特性而繪制的曲線。在H、P、Q、中任何一個為自變量的特性曲線。有開度特性、出力特性，流量特性?？蛰dPQ空載空載a出力特性流量特性開度特性第六頁，共五十二頁，2022年，8月28日出力特性:

1）開度增大流量增大、出力增大，接近最大出力時，曲線變陡。開度增大好多流量和出力才增加一點

2）空載開度下，出力為零，流量為空載流量?？蛰dQ空載ao第七頁，共五十二頁，2022年，8月28日流量特性：1）開度增大，流量增大；2）小于空載流量時出力效率均為零?？蛰d流量Q第八頁，共五十二頁，2022年，8月28日開度特性：1）開度增大流量增大；曲線越大越緩2小于空載開度

時效率出力均為零；3）開度最大時，出力不一定最大。出力最大效率不一定最大空載開度第九頁，共五十二頁，2022年，8月28日2.轉(zhuǎn)速特性曲線

水輪機(jī)的導(dǎo)水葉開度和水頭H為某常數(shù)時，水輪機(jī)的流量Q、出力P及效率η與轉(zhuǎn)速n之間的關(guān)系。偏離最優(yōu)轉(zhuǎn)速時，出力、效率降低。

根號H=nDQ=D方根號HP=D方H3\2第十頁，共五十二頁，2022年，8月28日2.轉(zhuǎn)速特性曲線：各開度下均存在一個最優(yōu)轉(zhuǎn)速，小于或大于最優(yōu)轉(zhuǎn)速，出力與效率都會降低。nn050100150200250300350第十一頁，共五十二頁，2022年，8月28日3、水頭特性曲線流量隨著水頭的增高而增大出力隨著水頭的增高而增大出力效率為零第十二頁，共五十二頁，2022年，8月28日

水輪機(jī)在轉(zhuǎn)速n、導(dǎo)水葉開度為某常數(shù)時，其出力P、流量Q及效率η與水頭H之間的關(guān)系

空載水頭第十三頁，共五十二頁，2022年，8月28日二、水輪機(jī)模型綜合特性曲線

水輪機(jī)模型綜合特性曲線的特點：1）通過模型試驗而獲得的水輪機(jī)特性（外特性）；2）綜合表示水輪機(jī)能量指標(biāo)、空化性能等；3）以單位流量、單位轉(zhuǎn)速為坐標(biāo)系的標(biāo)準(zhǔn)表達(dá)形式。在以n11、Q11為縱、橫坐標(biāo)軸的直角坐標(biāo)系中同時繪出等效率線、，等開度線以及等空化系數(shù)線，對于轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)還繪出等葉片轉(zhuǎn)角線，這些等值線表示出了同系列水輪機(jī)的各種主要性能，故稱之為水輪機(jī)的主要綜合特性曲線。這種主要綜合特性曲線一般由模型實驗的方法獲得，因此，又稱之為模型綜合特性曲線。

第十四頁，共五十二頁，2022年，8月28日1.混流式水輪機(jī)模型綜合特性曲線

由等效率曲線、等開度線、等空化系數(shù)線與出力限制線所構(gòu)成。=141822240.20.250.3088%90%92%5%出力限制線n11Q11第十五頁，共五十二頁，2022年，8月28日

混流式水輪機(jī)模型綜合特性曲線

由等效率曲線、等開度線、等空化系數(shù)線與出力限制線所構(gòu)成。第十六頁，共五十二頁，2022年，8月28日2、軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)模型綜合特性曲線等葉片轉(zhuǎn)角線141822260.50.60.7等開度線n11Q11第十七頁，共五十二頁，2022年，8月28日

轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)模型特性曲線

轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)模型綜合特性曲線上標(biāo)有等效率線、等開度線、等葉片轉(zhuǎn)角線、等空化系數(shù)線。

由等線與等線可以找出導(dǎo)水開度與葉片轉(zhuǎn)角的最佳協(xié)聯(lián)方式。第十八頁，共五十二頁，2022年，8月28日3、沖擊式水輪機(jī)模型綜合特性曲線

沖擊式水輪機(jī)模型綜合特性曲線由等效率線（η＝常數(shù)）與等開度線（噴針行程S＝常數(shù)）組成。

沖擊式水輪機(jī)的過流量與水輪機(jī)的轉(zhuǎn)速無關(guān)，僅與噴嘴的開度有關(guān)，它的等開度線是與Q11坐標(biāo)軸垂直的直線。n11Q1111131517192188%86%84%82%等開度線等效率線第十九頁，共五十二頁，2022年，8月28日4、不同類型水輪機(jī)特性曲線的比較沖擊式低比速混流式中高比速混流式軸流轉(zhuǎn)槳式ＺＺn11Q11比轉(zhuǎn)速升高ＺＤ第二十頁，共五十二頁，2022年，8月28日第二節(jié)水輪機(jī)模型特性曲線的繪制一、混流式水輪機(jī)模型綜合特性曲線繪制1、等開度線的繪制水輪機(jī)能量實驗通常是在固定H和固定ao下，通過控制水輪機(jī)轉(zhuǎn)矩去調(diào)節(jié)水輪機(jī)的轉(zhuǎn)速n，從而測得同一導(dǎo)葉開度下一系列工況點的性能參數(shù)。按照各實驗工況點的水頭H、流量Q及轉(zhuǎn)速n，用相似率公式可以求出各工況點的Q11和n11，將各工況點繪到圖上如圖所示的坐標(biāo)系，用光滑曲線將各點連接，即得到模型水輪機(jī)的等開度線。

導(dǎo)葉開度：a0=Ｃ１；實驗水頭Ｈ＝Ｃ２模型轉(zhuǎn)速n100150200250……模型流量Q0.0350.0330.0310.028…….n1150556065………Q11160150140132……..第二十一頁，共五十二頁，2022年，8月28日2、等開度線繪制第二十二頁，共五十二頁，2022年，8月28日2、等效率線的繪制-η=f(n11)曲線模型轉(zhuǎn)速n100150200250……模型流量Q0.0350.0330.0310.028…….出力P0.610.650.680.52n1150556065Q111601501401320.750.800.840.86n11ao=18第二十三頁，共五十二頁，2022年，8月28日等效率線的繪制n11Q11第二十四頁，共五十二頁，2022年，8月28日等效率線的繪制步驟①根據(jù)模型實驗所獲得的數(shù)據(jù)，計算出各工況點的效率與單位轉(zhuǎn)速，繪出各導(dǎo)葉開度下的曲線，每個開度有一條曲線。②在曲線圖上以某常數(shù)作一直線，與各開度下的曲線相交，得交點b1、b1’、b2、b2’……，找出各交點相對應(yīng)的n11與Q11。③以n11為橫坐標(biāo)，以Q11為縱坐標(biāo)繪一直角坐標(biāo)系，并在其中繪出各導(dǎo)葉開度的等開度線，將②中所得到的各交點按其n11、Q11值繪到坐標(biāo)圖中相應(yīng)的等開度線上，將各點連成光滑曲線，即得到相應(yīng)于所取得效率值的一條等效率曲線。第二十五頁，共五十二頁，2022年，8月28日等效率線的繪制n11(r/min)Q11(L/s)第二十六頁，共五十二頁，2022年，8月28日4、出力限制線的繪制

繪制出力限制線的目的：

1）為了防止水輪機(jī)出現(xiàn)反調(diào)節(jié)；

2）留有一定余量；

3）保證水輪機(jī)負(fù)荷調(diào)節(jié)的線性度。p11P11maxP11max95%Q11*Q11*n11Q11n11=Cn11=C第二十七頁，共五十二頁，2022年，8月28日5、等空化系數(shù)線繪制n11=75n11=70n11=65n11=6075706560n11Q11第二十八頁，共五十二頁，2022年，8月28日2.轉(zhuǎn)槳式模型綜合特性曲線繪制原理

把葉片角固定在某一角度，按定槳方式運行，并繪制該Φ=常數(shù)時的模型特性曲線。轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)的特性曲線實質(zhì)是各個固定Φ角線特性曲線的綜合。用取包絡(luò)線或等值線的方式繪制繪制轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)的特性曲線。第二十九頁，共五十二頁，2022年，8月28日轉(zhuǎn)槳式模型綜合特性曲線繪制原理_1

n11Q11第三十頁，共五十二頁，2022年，8月28日

轉(zhuǎn)槳式模型綜合特性曲線繪制原理-1

n11Q11第三十一頁，共五十二頁，2022年，8月28日轉(zhuǎn)槳式模型綜合特性曲線繪制原理-2

等效率線繪制

-各Φ角下等效率線的包絡(luò)線n11Q11第三十二頁，共五十二頁，2022年，8月28日轉(zhuǎn)槳式模型綜合特性曲線繪制原理-3

等開度線繪制n11Q11ao=10ao=20ao=30ao=30ao=20ao=10ao=10ao=20ao=30ao=10ao=20ao=30第三十三頁，共五十二頁，2022年，8月28日軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)模型綜合特性曲線等葉片轉(zhuǎn)角線141822260.50.60.7等開度線n11Q11第三十四頁，共五十二頁，2022年，8月28日第三節(jié)水輪機(jī)運轉(zhuǎn)綜合特性曲線原型水輪機(jī)的運轉(zhuǎn)綜合特性曲線是轉(zhuǎn)輪直徑和轉(zhuǎn)速為常數(shù)時，以水頭H、出力P為縱橫坐標(biāo)作出的等效率線、等吸出高度線以及出力限制線。第三十五頁，共五十二頁，2022年，8月28日模型綜合特性曲線—〉原型運轉(zhuǎn)綜合

n11

H

；ηm

η；

Q11—＞P

；σ—＞HS

第三十六頁，共五十二頁，2022年，8月28日一、混流式水輪機(jī)運轉(zhuǎn)特性曲線換算原理１２３４５６７８１２３４５６７８n11Q11HP

Q11—>P

第三十七頁，共五十二頁，2022年，8月28日混流式水輪機(jī)運轉(zhuǎn)綜合特性曲線繪制等效率線繪制：水輪機(jī)各工況的效率出力限制線繪制：水輪機(jī)各水頭下的允許出力等吸出高度線繪制：水輪機(jī)各工況下的允許吸出高度第三十八頁，共五十二頁，2022年，8月28日１．等效率線繪制ηpHPH1H2H3H1H2H3第三十九頁，共五十二頁，2022年，8月28日

2.出力限制線繪制

大于等于設(shè)計水頭：出力為額定出力

小于設(shè)計水頭：由水輪機(jī)出力限制線換算

(Hmin)(Hr)(Hmax)ABn11Q11HPrHmaxHrHminBA第四十頁，共五十二頁，2022年，8月28日３.等吸出高度線繪制

由空化系數(shù)線換算，方法同等效率線。

(H)n11Q11HＳPrＨＳ＝－１ＨＳ＝－１PrH第四十一頁，共五十二頁，2022年，8月28日二、轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)運轉(zhuǎn)特性曲線換算與繪制

取n11=常數(shù)線與等φ角線的交點作計算點，計算交點效率、出力，繪制η＝f(p)曲線．等葉片轉(zhuǎn)角線0.50.60.7n11Q11１２３４５第四十二頁，共五十二頁，2022年，8月28日１．等效率線繪制

１）計算各φ角的效率修正值Δη：

Δη（φ）＝ηo(φ)-ηMo(φ)

ηo(φ)=1-[1-ηMo(φ)](0.3+0.7

２)對各工況點進(jìn)行效率修正，同一轉(zhuǎn)角用同一修正值。并計算各點的出力。獲得各水頭下η＝f(P)關(guān)系曲線．

３）以η＝f(P)關(guān)系曲線為基礎(chǔ)繪制等效率線，方法同混流式水輪機(jī)等效率線的繪制．

第四十三頁，共五十二頁，2022年，8月28日２．出力限制線繪制

轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)模型綜合特性曲線上不標(biāo)出力限制線，但其最大出力受空化的限制。在確定了水輪機(jī)的額定工況后，通常把通過額定工況點的等開度線作為水輪機(jī)的出力限制線。在確定為出力限制線的等開度線上取一系列工況點，記下各工況點的n11、Q11，由相似計算公式計算出各點對應(yīng)的水頭及出力，將這些點繪在坐標(biāo)系中，連接各點即得到原型水輪機(jī)的出力限制線。第四十四頁，共五十二頁，2022年，8月28日軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)模型出力限制等葉片轉(zhuǎn)角線14

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260.50.60.7等開度線n11Q11設(shè)計單位流量出力限制線第四十五頁，共五十二頁，2022年，8月28日第四節(jié)水輪機(jī)飛逸特性如果突然甩負(fù)荷，且調(diào)速機(jī)構(gòu)失靈、導(dǎo)水機(jī)構(gòu)又不能及時關(guān)閉時，由于輸出的電磁力矩為零，因而輸入的水流能量除了少部分消耗于機(jī)械損失外，其余大部分使機(jī)組轉(zhuǎn)速急劇增高，并將達(dá)某一最大轉(zhuǎn)速，這時的運行工況稱為飛逸工況，這時的最大