叶片式水力机械的全特性(Q-H)

叶片式水力机械的全特性（Q ~H 坐标）

（1）转速为正（n >0）时轴流式机组特性曲线。如图3-3（a ）所示，曲线AB 段的H 、Q 、n 、M 均为正值，则QH >0，ωM P =>0，由工况定义知，AB 为水泵工况。BC 段的Q 、n 、M 为正，H 为负，则QH <0，水流经过转轮后能量减少，ωM P =>0，转轮输入功率，此为制动工况。C 点M =0，亦即P =0，QH <0，为飞逸工况，水流流经转轮减少的能量用于克服飞逸时的机械损耗。C 点以下的Q 、n 为正，H 、M 为负，则QH <0，水流能量减少，ωM P =<0，转轮向外输出功率，此为水轮机工况。不过这时的水流由尾水管流向蜗壳，是倒冲式水轮机工况，一般称为反水轮机工况。A 点以左，Q 为负值，其它参数均为正值，则QH <0，ωM P =>0，亦为制动工况。所以n 为某一正值时，水力机组自左至右经历了制动工况、水泵工况、制动工况及反水轮机工况四个工作状态。

图3-3 三种转速下水力机组的全特性曲线

（2）转速为零（n =0）时轴流式机组的特性曲线。此时水力机组在循环管道上实际上就成为局部阻力，因此，不管流量是正还是负，水流流经转轮后能量总是减少的，也不管扭矩是正还是负，因为转速为零，所以功率也必为零。故当转速为零时，整个特

性曲线上的工况均为制动工况，转轮处的局部损失22

2KQ g

v h ==?ζ，所以()Q f H =曲线亦为抛物线，又因QH <0，则H 为正时，Q 必为负，反之亦然，故()Q f H =曲线贯穿于Ⅱ、Ⅳ象限，如图3-3（b ）所示，但此抛物线不是水力机组相似工况点的抛物线。水流对转轮的作用力矩等于水流进出转轮的动量（mv ）的变化量，由此可知，力矩的大小与流量的平方成正比，所以()Q f M =亦是一抛物线，其方向当n =0时，水头为正，

力矩也为正，反之，水头为负，力矩亦为负。如图3-3（b）中虚线所示。

图3-3 三种转速下水力机组的全特性曲线

（3）转速为负值（n<0）时轴流式机组的特性曲线。如图3-3（c）所示。首先观察几个特殊工况点：工况点D的M为零，即为飞逸工况点；工况点E的水头为零；F点的流量为零。根据工况定义，D点以上H为正，M为正，而Q、n为负，则QH<0，水流流经转轮后能量减少；而ω

M<0，转轮向外输出功率，所以为水轮机工况；D点为飞逸工况；DE段的M为负，其他量符号不变，ω

M>0，即外界输入功率，水流能量反而减少，所以DE段为制动工况；EF段的各参数均为负值，则QH>0，ω

M>0，水流流经转轮后能量增加，转轮输入功率，所以EF段为水泵工况，但由于水流是由蜗壳流向尾水管，与常规水泵流向相反，故称为反水泵工况，轴流式水轮机在甩负荷时，往往会进入该工况区，由于它的水头为负，轴向力亦为负，就产生抬机力。F点以下的工况区其Q为正，其他各参数为负，QH<0，ω

M>0，即为制动工况。

图3-3 三种转速下水力机组的全特性曲线

同理，当转速改变时，相似工况点也分别在各自的相似抛物线上。飞逸工况点在OD 抛物线上，OE 为零水头线，OF 为零流量线。由上述分析可知，n 为负的区域也有抛物线OD 、OE 、OF 分为四个区域，OD 线以上为水轮机工况区，DOE 为制动工况区，EOF 即第Ⅲ象限为反水泵工况区，OF 以右部分为制动工况区。

将图3-3中 (a)、(b)、(c) 三个图画在同一坐标内，可得图2的水力机组全特性曲线，过工况的分界点A 、B 、C 、D 、E 、F 的相似抛物线及转速为零时的水头线。JOI 将整个坐标系分为八个区域，每个区域为一种工况区，其中两个区域是水泵工况区（正、反向水泵工况），两个区域是水轮机工况区（正、反向水轮机工况）和四个制动工况区。利用图3-4，不论工况点落在坐标平面的那一部分，就可立即判断出水力机组此时在那个工况下运行。

图3-4 水力机组全特性曲线

须要指出的是，对固定几何尺寸（即定型号、直径、开度和转角）的水力机械，用绝对值Q 、H 、n 、M 表示的四象限特性，看起来概念很清晰，但在同一张图上只能表示固定直径与开度（包括桨叶转角）下的参数与特性之间的变化规律，若直径和开度是变化的，则试验及应用起来就很不方便。因此，与水轮机的综合特性曲线一样，通常采用单位转速11n 和单位流量11Q 为坐标系统来描述可逆式水力机械的参数与特性之间的变化，用11M 和11n 坐标系来描述扭矩的变化规律，而且多数水泵水轮机的特性曲线以水轮机工作参数为正来绘制。

对于一般的水电站，水轮机可能的工作状态（包括过渡过程在内）有水轮机工况、

制动工况、飞逸工况和反水泵工况；对于装有水泵水轮机的蓄能电站，水力机组可能的运行方式有正、反向水泵工况、水轮机工况和两个制动工况区。例如在水泵断电时，调速机构失灵致使机组飞逸，而后手动紧急关闭可能会出现上述情况。而只有潮汐电站上的水泵水轮机，因为随着潮位的涨落，水头呈周期性的正负交替，其水力机组的运行工况包括过渡过程才可能经历全部八个工况区。

图3-5所示是一比转速为250kW m ?，使用水头为110m 左右的混流可逆式水力机械的综合特性曲线，该曲线以11n 为纵坐标，11Q 为横坐标。在综合特性曲线上给出了导叶等开度线、等单位力矩线及部分等效率线，利用该综合特性，可确定其单位参数间的关系：

55

.9602Mn

n M

M P =

==πω 对于水轮机工况：

???

?

???

=====T

T T T T T T T T T T T T n Q n P M Q H D H Q H D P P ηηη1111111111

1123212321117.9355.981.981.9 （3-3）

对于水泵工况：

?

??

==)(7.9381.91111111111P P P

P P P n Q M Q P ηη （3-4）

式中：11P 为单位功率；11M 为单位扭矩。

下标T 和P 分别代表水轮机工况和水泵工况相应的参数。由式（3-3）和式（3-4），根据工况点的11n ，及11Q 的坐标可以找到11P 、11M 与η之间的关系。

由图3-3可知，该种可逆机的水轮机最优工况点的单位转速接近于min 85110r n =和

s L Q 560110=。当11011n n >时，沿着等导叶开度线，11Q 随11n 的增加而急剧下降，这是

混流可逆式水力机械的重要特性。与此同时，11M 也下降。011=M 曲线表示飞逸工况（0=η）。越过011=M 的线，在011Q 之间为制动工况（第I 象限内），直至超越纵坐标，011

图3-5 混流可逆式水力机械综合特性

在11011n n <的水轮机工作范围内，单位流量变化不大。随着11n 的继续减小，越过横坐标进入第Ⅳ象限，11n 为负值，此区域为制动工况区。当单位转速接近m in 85~80r --时，所有的开度线0a 趋于会合，流量急剧减少，并逐渐变为零，随后穿越纵坐标进入水泵工况区。由图3-5还可以看出，开度mm a 28~160=彼此很接近，只有当mm a 120<，

11Q 才显著地下降。可见，在水泵工况下，导水机构的开度对混流可逆式水力机械的流

量和功率影响较小。

在水泵工况下，最高效率相应于s L Q P 52011=和m in 9711r n P =，由于水泵工况下：

P P P H D n n 111=

而在水轮机工况下：

T

T T H D n n 111=

于是可得：

T

P

P T P

P H H n n n n 1111= 当P T n n =时，若在本例中采用06.1=T P H H ，则得到m in 103~9511r n T =，显然它远高于水轮机的最优单位转速，这必然导致效率的降低。这是混流可逆式水力机械特性曲线的一个特点。为了保证可逆式水力机械的水泵工况和水轮机工况在高效区运行，可以采用具有不同转速且P T n n <的电动-发电机组，这种双速电动-发电机组已在我国得到应用，但它们的造价昂贵。

在研究暂态过程及电算的过程中，比较方便的是使用线性的转速关系曲线，即流量

()01111,a n f Q =、力矩()01111,a n f M =及作用在水轮机转轮过流部件上的轴向水推力()01111,a n f T h =的关系曲线。

图3-6为重新绘制的在某一导叶开度时的水头流量特性曲线及扭矩特性曲线。和四象限特性曲线相对照，就很容易判断：

①为正水泵工况区；

②为制动工况区；

③为水轮机工况区；

④为制动工况区；

⑤为反水泵工况区。

而对于轴流式水力机械而言，在作水轮机工况运行时，若发生甩负荷，机组往往会进入Ⅲ区运行。根据上面分析可知，水力机械在该区运行时会受到一个抬机力的作用，当抬机力大于机组转动部分的重量（对于竖轴装置的机组）时，就会发生抬机现象，严重时将造成不堪设想的后果。所以对于轴流式水力机械而言，研究轴向力的变化规律亦是非常重要的课题。

a常数）

图3-6 混流可逆式水力机械扭矩、流量特性（

①一正水泵工况；②一制动工况；③一水轮机工况；④一制动工况；⑤一反水泵工况