第二节 水轮机运行

一、水轮机工况及特性曲线

（一）水轮机运行工况

水轮机工作的水头、流量、出力、转速等工作参数，在水轮机的运行过程中随时发生变化，转轮内的水流流态也是不断变化的，我们把水轮机运行中这种不断变化工作状态称为水轮机运行工况。不同的运行工况，对水轮机的性能有很大的影响。其中效率最高的工况，称为最优工况。最优工况以外的工况，称为非最优工况（一般工况）。

水轮机最优工况时，能量转换最充分，水力损失最小。在水轮机的各项损失中，水力损失是最主要的。在水力损失中，局部撞击损失和漩涡、脱流损失的比重很大。水轮机流道设计时，要按水力损失最小的工况作为依据。水轮机最优工况的必要条件，是无撞击进口和法向出水。

（二）水轮机的特性曲线

表示水轮机各参数之间相互关系的曲线称为水轮机的特性曲线。水轮机的特性曲线可分为线性特性曲线和综合特性曲线两类。

表示两个参数之间关系的特性曲线称为线性特性曲线。线性特性曲线按其所表达的内容不同，又分为转速特性曲线、工作特性曲线和水头特性曲线。其中，工作特性曲线在实际运行中有一定的指导意义。

表示水轮机工作在固定的转速和水头下的特性而绘制的曲线，称为水轮机工作特性曲线，如图2-26所示。

水轮机的工作特性曲线有三个重要的特征点：

（1）当功率为零时，流量不为零，此处的流量Q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。

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。从任何一种工作特性曲线上都可以看出水轮机的空载开度及所对应的流量，也可以看出水轮机的最优工况所对应的水轮机导水叶开度、流量与出力。

（三）综合特性曲线

能反映水轮机各参数变化的曲线称为综合特性曲线。综合特性曲线又分为模型（主要）综合特性曲线和运转综合特性曲线。

1.模型（主要）综合特性曲线

根据水轮机相似理论，在以n′₁为纵坐标和以Q′₁为横坐标的坐标系中，通过模型试验，计算绘出等效率线η=f（n′₁,Q′₁）、等导叶开度线a₀=f（n′₁,Q′₁）等汽蚀系数线σ=f（n′₁,Q′₁）及相应出力限制线。该坐标系中的任意一点就表示了该轮系水轮机的一个工况（工作状态）。由这些曲线所组成的图形就可全面反映该轮系水轮机的特性，这个图形就称为水轮机的模型（主要）综合特性曲线。图2-27~图2-30为不同类型水轮机的模型（主要）综合特性曲线示例。模型（主要）综合特性曲线是由模型试验得出的，反映的是模型水轮机的全面特性，因此，在换算为原型参数时需进行修正。

2.运转综合特性曲线

模型（主要）综合特性曲线虽然能全面反映水轮机的特性，但只能显示某个水轮机转轮轮系的综合特性，不能直观地反映水电站真实水轮机主要参数之间的关系，查用不便。运转综合特性曲线是表示某一真实运行水轮机（D₁和n为定值）各主要运行参数之间的关系曲线，即在以H、N为纵横坐标的坐标系中，绘出等效率曲线、等吸出高度曲线及出力限制线等，如图2-31所示。运转综合特性曲线一般由水轮机厂家提供，是由模型（主要）综合特性曲线根据水电站实际运行参数通过水轮机相似理论换算绘出。图中出力限制线受两方面的影响：水头较高时，水轮机出力较大，此时出力受发电机容量限制，其限制线为一条竖直线；水头较低时，水轮机出力较小，达不到发电机额定容量，此时出力受水轮机最大过流能力、抗空蚀性能、效率等限制，限制线近于一条斜直线。所以在运转综合特性曲线上，出力限制线为一折线，折点处对应的水头即为水轮机达到额定出力的最小水头，也就是水轮机的设计水头。混流式水轮机的出力限制线由5%出力限制线换算而来，而转桨式水轮机则是受空蚀性能的限制。运转综合特性曲线对水轮机的选型，特别是水轮机的经济运行都有着重要意义。

特别需要说明的是：运转综合特性曲线是原型水轮机的特性曲线，曲线上的数据均反映真实水轮机在某一工况的实际运行参数。

二、水轮机的空蚀、吸出高度与安装高程

（一）空蚀

1.空蚀现象

液态水转化为气态水时我们通常称为汽化现象。汽化现象产生既与水温有关也与压力有关，压力越低，水开始汽化的温度越低。水在某一温度下开始汽化的临界压力称为该温度下的汽化压力。水在各种温度下的汽化压力值见表2-1。

由上述可见，对于一定温度的水，当压力下降到某一汽化压力时，水就开始产生汽化现象。通过水轮机的水流，如果在某些地方流速增高了，根据水力学的能量方程知道，必然引起该处的局部压力降低，如果该处水流速度增加很大，以致压力降低到在该水温下的汽化压力时，则此低压区的水就开始局部汽化产生大量气泡，同时水体中存在的许多肉眼看不见的气核体积骤然增大也形成可见气泡，这些气泡随着水流进入高压区（压力高于汽化压力）时，气泡瞬时破灭。由于气泡中心压力较低，气泡周围的水质点将以很高的速度向气泡中心撞击形成巨大的压力（可达几百甚至上千个大气压力），并以很高的频率冲击金属表面。在初始阶段，由于金属材料固有的抵御能力，一般表现为表面失去光泽而变暗；而后随着时间的推移，表面变毛糙并逐渐出现麻点；接作表面逐渐形成疏松的海绵蜂窝状，严重时甚至可能造成水轮机叶片的穿孔破坏。上述物理电化学作用破坏现象就称为空蚀现象，简称空蚀。

2.空蚀的危害

空蚀对水轮机的运行主要有下列危害：

（1）降低水轮机效率，减小出力。

（2）破坏水轮机过流部件，影响机组寿命。

（3）产生强烈的噪声和振动，恶化工作环境，从而影响水轮机的安全稳定运行。

3.空蚀的主要类型

空蚀是水轮机流道内必然发生的现象，不同部位，不同运行工况产生的空蚀破坏作用不同，主要分为翼型空蚀、间隙空蚀、局部空蚀、空腔空蚀，其常的破坏形式是局部产生麻点、凹坑、蜂窝状穿孔脱落等。

（1）翼型空蚀。翼型空蚀是发生在水轮机转轮上的空蚀，是反击式水轮机转轮空蚀的常见形式，主要发生在叶片背面靠近出水边，或叶片与上冠、下环连接处。

（2）间隙空蚀。间隙空蚀常发生水轮机中产生漏水的部位，如轴流式水轮机叶片与转轮室、叶片根部与轮毂连接处等，还有导叶关闭时止水不严，也会产生导叶出水边的空蚀作用。对于水斗式水轮机，高速射流冲出喷嘴时，出会产生空蚀作用。

（3）局部空蚀。局部空蚀主要发生在水轮机流道内凹凸不平的部位。水轮机流道内，如加工、装配不良，结构设计不合理等造成流道产生突出或凹陷，水流在流经这些部位，会发生绕流，从而可能产生真空而发生空蚀，这种空蚀称为局部空蚀。

（4）空腔空蚀。空腔空蚀是发生在反击式水轮机尾水管中的空蚀现象。当水轮机偏离最优运行工况时，流出转轮水流还呈高速旋转状态，从而可能就在转轮下方尾水管产生一个旋转的真空涡带，这个真空涡带状态极不稳定，在尾水管中不停地扫动，当其与尾水管壁发生碰撞时，真空涡带破坏而产生空蚀作用，造成尾水管噪声、振动、压力脉动和水轮机出力波动等。

4.水轮机空蚀的防护

为防止和减轻空蚀对水轮机的危害，一般从以下几个方面来考虑。

（1）水轮机设计制造方面。合理设计叶片形状、数目使叶片具有平滑流线；尽可能使叶片背面压力分布均匀，减小低压区；提高加工工艺水平，减小叶片表面粗糙度。采用耐空蚀性（耐磨、耐蚀）较好的材料。

（2）运行方面。拟定合理的水电站运行方式，尽可能避免在空蚀严重的工况区运行。在发生空腔空蚀时，可采用在尾水管进口补气增压，破坏真空涡带的形成。对于遭受破坏的叶片，及时采用不锈钢焊条补焊，并采用非金属涂层（如环氧树脂、环氧金刚砂、氯丁橡胶等）作为叶片的保护层。

（3）工程措施方面。在进行水电站厂房设计时，合理确定水轮机安装高程，使转轮出口处压力高于汽化压力。多沙河流上设防沙、排沙设施，防止粗粒径泥沙进入水轮机造成过多压力下降和对水轮机部件的磨损。

（二）水轮机的吸出高度

1.空蚀系数

水轮机转轮运行过程必然会产生空蚀现象，但不同的转轮型式和运行工况，这种空蚀作用强弱不同。那么用什么表达水轮机转轮空蚀特性呢?转轮发生空蚀的原因是产生了空化，也就是在转轮的某些区域产生了动态真空，动态真空的产生与运行工况、转轮型式密切相关，因此，我们用动态真空的相对值来表示，称此相对值为空蚀系数，用σ表示。对于空蚀系数的确定，由于其影响因素较复杂，采用理论计算或直接在叶片流道中测量很困难，目前采用水轮机模型空蚀试验求取。

2.吸出高度

水轮机的吸出高度是指转轮中压力最低点（k）到下游水面的垂直距离，常用H_s表示。其计算公式为

式中——水轮机安装地点的大气压力；

——当时水温下的汽化压力。

海平面标准大气压力为10.33m水柱高，水轮机安装处的大气压随海拔高程升高而降低，在0～3000m范围内，平均海拔高程每升高900m，大气压力就降低1m水柱高，若水轮机处高程为 m时，则当地大气压力为

水温在5～20℃时，汽化压力=0.09～0.24m水柱高。为安全和计算的简便，通常取=0.33m水柱高。所以，满足不产生空蚀的吸出高度为

σ由模型空蚀试验得出，因客观因素和主观因素的影响，试验得出的σ与实际的σ存在着一定的差别，所以在计算水轮机的实际吸出高度H_s时，通常引进一个安全裕量Δσ或安全系数k（取1.1~1.2），对σ进行修正。实际计算吸出高度H_s时，采用计算公式如下：

或

Δσ为空蚀系数修正值，Δσ与设计水头有关，可由图2-32查得；H_s有正负之分，当最低压力点位于下游水位以上时H_s为正，最低压力点位于下游水位以下时H_s为负。

吸出高度H_s本应从转轮中压力最低点算起，但在实践中很难确定此点的准确位置，为统一起见，对不同形式水轮机的H_s作如下规定：

（1）立轴轴流式水轮机，H_s为下游水面至叶片转动中心的距离。

（2）立轴混流式水轮机，H_s为下游水面至导叶下部底环平面的垂直高度。

（3）立轴斜流式水轮机，H_s为下游水面至叶片旋转轴线与转轮室内表面相交点的垂直距离。

（4）卧轴混流式、贯流式水轮机，H_s为下游水面至叶片最高点的垂直高度。

（三）水轮机安装高程

水轮机规定作为安装基准的某一平面的高程称为水轮机安装高程，一般情况下，由水轮机各种工况下允许吸出高度值和相应尾水位确定；地下厂房机组的安装高程还取决于水电站水力过渡过程有关的参数，甚至对导叶关闭规律的优化、洞室间距的确定，以及调压井型式和尺寸的选取有着重要的影响。

1.设计尾水位

确定水轮机安装高程的尾水位通常称为设计尾水位。设计尾水位可根据水轮机的过流量从下游水位与流量关系曲线中查得。

2.反击式水轮机安装高程确定

（1）立轴混流式水轮机。

式中 Z_s——安装高程，m；

Z_a——下游尾水位，m；

H_s——吸出高度，m；

b₀——导叶高度，m。

（2）立轴轴流式和斜流式水轮机。

式中 X——结构系数，转轮中心与导叶中心之间的距离与D₁的比值，一般取X=0.38~0.46；

D₁——转轮标称直径，m；

Z_s、Z_a、H_s意义同上。

（3）卧轴混流式和贯流式水轮机。

3.冲击式水轮机安装高程确定

冲击式水轮机无尾水管，除喷嘴、针阀和斗叶处可能产生间隙空蚀外，不产生翼型空蚀和空腔空蚀，故其安装高程确定应在充分利用水头又保证通风和落水回溅不妨碍转轮运转的前提下，尽量减小水轮机的排水高度h_p。

式中 Z_amax——下游最高水位，采用洪水频率p=2%~5%洪水相应的下游水位，m；

h_p——泄水高度，取h_p≈(1~1.5)D₁，立轴机组取大值，卧轴机组取小值。

三、水轮机泥沙磨损

水轮机在工作时，如果通过其内的水流含有大量的泥沙，则坚硬的泥沙颗粒将撞击和磨损过流部件的表面，从而使机件发生疲劳甚至损坏，这种现象称为水轮机的磨损。水轮机磨损会产生严重的后果，轻时需检修处理，重时需要更换零部件甚至更换转轮。水轮机磨损还会加剧空蚀破坏，增大水轮机的振动。当水轮机的导水机构磨损严重时，漏水量将增大，从而影响正常停机。由此可见，水轮机泥沙磨损的危害是很大的。

自然界中完全不含有固相介质的水是没有的。但是，只有工作水流中含砂量达到一定数量时，水轮机过流部件才会遭到泥沙磨损而破坏。地处我国华北和西北的广大地区，大多数河流的流域流经黄土高原和黄土丘陵地区，在这些地区的汛期，暴雨频繁且强度大，在水土保持工作尚未完全奏效的情况下，大量的泥沙被汛期的地表径流带走，汇入河流，造成这些河流中含有大量的泥沙。以黄河为例，三门峡上游陕县水文站实测的多年平均输砂量竟高达1.3亿t。水库建成初期，泥沙大部沉积，水轮机的工作水中含有数量不大的、粒径较小的泥沙，水轮机的泥沙磨损并不严重。随着库区逐步的淤积，数量多而粒径较大的泥沙被带入水轮机，从而使水轮机遭到严重的泥沙磨损。

泥沙磨损是一种强烈的破坏形式。水轮机过流部件均会遭到不同程度的破坏，而尤以水轮机的转轮、叶片、转轮室等流速较高的零部件为甚，破坏非常严重的水轮机甚至无法修复。因此，多泥沙河流水电站机组大修周期差不多完全由水轮机泥沙磨损的破坏程度来决定，而检修的工作量是很大的。例如，黄河上某水电站HL123-LH-410型水轮机，大修周期为两年左右，工期30~40天，转轮一次修复补焊耗用电焊条约1t，磨损部件的处理占大修工作量的80%。修复后的转轮经一个汛期的运行，效率明显下降，电能损失巨大。

泥沙磨损的破坏强度与含砂水流的特性、水轮机过流元件的材料特性、水轮机工作条件和运行工况有关。具有很高运动速度的水流夹砂撞击固体壁面，有时一次撞击产生的应力可能超过材料的屈服极限而使材料发生塑性变形，即使产生较小的冲击应力由于作用频繁也会使材料疲劳破坏。有时泥沙磨损和汽蚀同时发生，导致一种更为复杂的联合破坏过程。近些年来，国内外曾对泥沙磨损的机制、各种金属与非金属抗磨材料的抗磨稳定性、防止水轮机泥沙磨损的各种技术措施等进行了大量的实验室和现场的试验研究，取得了很多的成果。我国黄河上的一些水电站也积累了诸如转轮的补焊修复，转轮叶片抗泥沙磨损的非金属材料复涂等方面的成功经验。但是，水轮机泥沙磨损领域存在的问题仍很大，有待进一步的研究。特别是要根除泥沙磨损给水轮机运行带来的严重危害，必须从水库和水电站沉砂设备的合理设计和运用，改善在含砂水流中工作的水轮机抗磨性能，研制抗泥沙磨损稳定性高的金属与非金属材料等方面入手，采取综合技术措施才能达到这一目的。

四、水轮机的过渡过程

（一）水击现象

水轮机调节中突然开关导叶或喷针时，会使压力水管内水流量、流速发生急剧变化，内水压力也将急剧降低或升高。在水流的惯性作用和水体与管壁弹性的影响下，这种降低或升高的压力，以压力波的形式和一定的波速在压力水管中往复传播，形成压力交替升降的波动现象，同时伴有如锤击的声响和振动，这种水力现象称为水击（或水锤），压力波称为水击波。

由水击引起的压力升降数值往往很大，由水击所产生的附加压力与原工作水压叠加到一起作用在压力管道、蜗壳等压力部件上，如果超过这些部件所能承受的极限压力时，就会产生爆裂而发生严重的安全事故。水击压力是波的形式传播，会产负压值，严重时会造成压力部件内水体脱流而产生真空，从而在大气压力作用下发生压力部件被压瘪或破裂。因此，在水轮机运行过程中应避免发生严重的水击作用，确保安全生产。

（二）预防水击的措施

1.选择合适的导叶或喷针关闭时间

能通过水轮机调节保证计算，初步确定导叶或喷针关闭时间和关闭规律，再进行机组大波动试验，整定调速器最短开关时间，如有分段关闭装置，还应调整调速器的动作规律。机组在大波动时，水击压力上升和转速上升都不超过允许值。

2.设置调压井或调压室

对于某些有压引水的水电站，不找到一个合适的导叶关闭时间或关闭规律，使水击压力上升和转速同时满足要求时，就必须采取其他措施来防止水击的破坏作用，如在压力引水系统尾端合适的位置设置调压井或调压室，大大缩短水击波的传播路径，从而减小水击压力的上升值。

3.设置调压阀

对于流量相对较小的长输水管道的混流式机组，受地形条件或投资的限制，不宜采用调压井或调压室，可在压力管道末端设置调压阀，调压阀由水轮机调速器联动控制，当出现大波动时，在关闭导叶的同时，打开调压阀，将压力管道水流直接排至尾水，从而减小水击压力，防止水击事故的发生。

4.水斗式水轮机设置偏流器

水斗式水轮机常用于高水头、小流量、长输水管道的电站，如果在波动时喷针关闭过快，将产生很高的水击压力，严重时造成爆管危险；如果喷针关闭过慢，又会有飞逸的危险。如何防止呢?在水斗式水轮机喷管操作机机构中，设置有偏流器。当水轮机正常运行时，偏流器靠近射流但不切入射流，不影响射流。当发生机组甩负荷事故时，调速器首先作用于偏流器，以很短的时间将偏流器切入射流，将喷嘴射出的高速水流偏折入尾水道，不再作用于水轮机转轮，机组转速将不再上升，同时在协联装置作用下，调速器作用慢关喷针，这样水击压力就不至于上升过高，从而防止爆管和飞逸事故的发生。

5.其他措施

（1）在有条件的情况下，缩短压力管道长度或增大压力管道直径，可有效降低水击压力上升。

（2）为减小转速上升，可增加机组的转动惯量。

（3）对于转桨式水轮机，设置制动叶片可降低飞逸转速，也可改善水轮机的过渡过程。

五、水轮机运行参数监测

对水电站来说，需对拦污栅前、后压差，水电站上、下游水位及装置水头，水轮机工作水头和引用流量等水力参数进行测量。

（一）上、下游水位的测量

常用的测量方法有读水尺、液位计。最简单的水位测量装置是直读水尺，直读水尺通常装在上游水库进水口附近（引水式水电站则设在调压井或压力前池）和下游尾水渠附近明显而易于观测的地方。优点是直观而准确，缺点是观测不够方便，故多用于中小型水电站的水位测量，在大中型电站中，一般作为水位测量的辅助装置。

随着自动化水平的提高和微机监控要求，大多数水电站都应利用自动装置对上、下游水位进行测量，目前常用的测量方法是采用浮标式遥测液位计和声波液位计。

（二）水轮机工作水头的测量

水轮机的工作水头一般由位置水头、压力水头和速度水头三部分组成。

位置水头：实际上是指蜗壳进口和尾管出口处的两压力水头的测量仪表位置之差，一旦测量仪表安装完毕，位置水头即为常数。

压力水头：采用压力表测量蜗壳进口和尾管出口处的压力，两者之差即为压力水头，或采用差压计直接测量蜗壳进口和尾管出口处的差压，该值即为压力水头。

速度水头：根据差压测流原理，在获得蜗壳进口与尾管出口的压差后，即可求得机组的流量，再由相应的断面面积，即可求出相应断面的速度，从而求得速度水头。

毛水头：利用水位信号计自动监测前池或水库与尾水位之差。

（三）水轮机引、排水系统的监测

1.进水口拦污栅前后压力差监测

拦污栅在清洁状态时，其前后的水位差只有2~4cm。当被污物堵塞时，其前后压力差会显著增加，轻则会影响机组出力，重则导致拦污栅被压垮的事故。因此，一般水电站要设置拦污栅前后水位差监测设备，以便随时掌握拦污栅的堵塞情况，并及时进行清污，确保水电站的安全和经济运行。拦污栅前后压力差监测设备可选择与装置水头测量相似的设备，并考虑压力差超标时具有自动报警功能。

2.蜗壳进口压力的测量

在水轮机引水系统中，蜗壳进口断面的特性具有较大的意义。在正常运行时，测量蜗壳进口压力可得到压力钢管末端的实际压力水头值以及在不稳定流作用下的压力波动情况；在机组做甩负荷试验时，可测量水锤压力的上升值及其变化规律；在做机组效率试验时，可测量水轮机工作水头中的压力水头部分；在进行机组过渡过程研究试验中，可用来与导叶后测点压力进行比较，以确定在一定运动规律下导叶的水力损失变化情况，此时蜗壳进口压力相当于导叶前的压力。因此，所有机组都毫不例外的装设蜗壳进口压力测量装置。测量蜗壳进口压力所需的仪表一般选用精度较高的压力表或压力变送器。

3.水轮机顶盖压力的测量

水轮机顶盖压力测量的目的是了解止漏环的工作情况，为今后改进止漏环的设计提供依据。在正常运行条件下，转轮上止漏环的漏水经由转轮泄水孔和顶盖排水管两路排出。当止漏环工作不正常时泄漏的水量增多，或泄水孔与排水管发生堵塞现象时，均导致顶盖压力增大，从而引起推力轴承负荷的超载，恶化推力轴承运行环境。测量水轮机顶盖压力所需的仪表可选用压力表或压力变送器。

4.尾水管进口真空的测量

测量尾水管进口断面的真空度及其分布，其目的是分析水轮机发生气蚀和振动的原因，还可检验补气装置的工作效果。由于尾水管的水流具有一定程度的不均匀性，因此要准确地测出尾水管进口断面上的压力分布，就必须沿测压断面半径上的各个点对流速和压力进行测量。这种测量只能在模型水轮机中可以近似地做到，在原型机组上是不可行的。因此，实际电站在测量尾水管进口真空度及其分布时，只测边界上的平均压力和流速。为了得到压力和流速的平均值，往往在尾水管进口断面上将各测点用均压环管连接起来然后再由导管接至测压仪表。测量尾水管进口真空度所需的仪表可选用压力表或压力变送器，在选择量程时，需考虑尾水管进口断面可能出现的最大真空度以及最高压力值。