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1、 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 第一节 水轮机特性曲线 第二节 水轮机选型设计 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 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
2、。 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。 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 机的基本参数，并确定合理的运行方式。 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
3、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。 nQ曲线 nP
4、曲线 n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。 图图8-2 各类类型水轮轮机转转速特性的比较较 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。 工作特性曲线：
5、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 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
6、何其他一种形式。 、 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。 （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
7、。 、 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 水头流量特性曲线 水头效率特性曲线 水头功率特性曲线 、 图图8
8、-5 各类类水轮轮机水头头特性的比较较 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。 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： 等效率线：曲线上各点的效率相等。 导叶（或喷针）等开度线：曲线上各点的开度相等
9、。 等空化系数线：曲线上各点的空化系数相等。 混流式、轴流定桨式水轮机的出力限制线： 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。 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
10、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。 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
11、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 （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。 2、另外，因
12、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 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
13、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 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
14、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。 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、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。
15、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： 等效率线 ：曲线上各点的效率相等。 吸出高度Hs线：曲线上各点的吸出高度相等。 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 有时还绘有导叶等开度a0线：曲线上各点开度相等 有时还绘有桨叶等转角线线：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 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 B、求水轮机的最优单位转速 和单位转速修正值 当 时，n11可
