第五章 水力机械的模型试验及特性曲线
HSJ
本章讲述的主要内容,
第一节 水力机械模型试验的意义和任务
第二节 水力机械特性曲线的定义和分类
第三节 模型试验及特性曲线的绘制
第四节 水力机械与管网系统的联合工作
第五节 泵的串联和并联运行
第六节 水力机械的工况调节
第一节 水力机械模型试验的意义和任务
HSJ
一、水力机械的现代设计方法：理论与试验相结合的方法
理解,
? 水力机械过流通道内的流动规律目前还不能利用数学的方法
完全解决，因此设计时，必须引入一些假设进行简化。
? 设计对给定计算工况（即设计工况）下进行。在非设计工况
下，流动会产生脱流或转轮低压侧的强烈旋涡等，进行流动
分析更加困难。因此除了在理论上进行探索之外，还必须通
过试验来修正和补充。
? 试验工作必须有理论进行指导 。
二、水力机械的模型试验
HSJ
1、进行真机的全特性试验不可能，真机试验多为验收试验、
专题研究试验及改进性试验。但有些情况：如制造质量的检验；
实际运行情况（振动、轴承发热、漏水等）以及泥沙磨损和汽
蚀程度等，则只有在真机上才能观察到。
2、为得到水力机械的全特性，模型水力试验的任务包括,
? 确定水力机械各工况下的效率及汽蚀系数（即能量特性和汽蚀特性）
? 确定水力机械某些部件的力特性（如导水机构、转轮的力特性）
? 确定水力机械在非设计工况下的压力脉动和不稳定性（水轮机）
? 确定过流部件的液流结构
水力试验是设计水力机械的一个重要手段
HSJ
三、水力机械的模型试验必须遵循水力机械的相似准则
四、新转轮的出现，一般要经过下面的程序,
? 根据给定的参数（ Q,H,σ及 n），设计出一些模型转轮方案。
? 由于工作参数和结构参数的不同组合以及不同的计算方法,
这些方案彼此不同。
? 对各种方案进行试验，给出模型转轮的全特性。
? 其中性能最好的就是我们要求的模型转轮。
HSJ
第二节 水力机械特性曲线的定义和分类
f（ a0,?,?,qV,H,n,P,?,?）＝ 0
决定工况的参数,2～ 5
综合特性曲线和线型特性曲线
全工况（四象限）特性曲线
力特性曲线和飞逸特性曲线
HSJ
一、线型特性曲线
（一）水泵的工作特性曲线
（二）水轮机的工作特性曲线
H,n＝ const,qV＝ f（ a0）
P,?＝ f（ qV）
),(,),( c o n s tnqfPpH VtF ???
1） 空载流量 qVxx
2） 最优流量 qV0
3） 极限功率 Pnp与极限流量
4） 功率限制
P=?gqV H?
HSJ
（三）水轮机的转速特性曲线
H,a0,?＝ const
qV,M,P,?＝ f（ n）
飞逸转速 nR
流量随转速
变化的规律
模型试验曲线
HSJ
（四）不同比转速机器工作特性曲线的比较
效率随流量（或负荷）变化的规律
平均运行效率
影响效率曲线形状的因素
功率限制问题
HSJ
泵的比较
HSJ
二、综合特性曲线 自变量＝ 2
（一）工作机的综合特性曲线
1,变转速曲线
HSJ
变叶片角曲线
HSJ
（二）原动机（水轮机）的综合特性曲线
1、综合特性曲线
等效率线
等开度线
等空化系数线
功率限制线
HSJ
2、运转特性曲线
功率限制线,
电机功率限制
水轮机功率限制
混流式,Pmax
轴流转桨,a0
HSJ
各种水轮机的综合特性曲线
低比速混流式
HSJ
切击式水轮机
HSJ
轴流定桨
HSJ
轴流转桨
HSJ
3、综合特性曲线与比转速的关系
HSJ
第三节 模型试验及特性曲线的绘制
一、试验装置与测量方法（略）
二、试验程序
1、水泵的能量试验
目标：测定 qV,H,ptF,P,?
程序：低比速从 qV＝ 0开始，高比速从 qV＝ max开始
12
2
1
2
212
2 ZZg
cc
g
ppH ??????
?
用阀门调节流量，造成不同的工况
对每一个工况点，测定各参数
将测量结果换算到额定转速
HSJ
2、水轮机能量试验程序
1,试验过程中 H 基本 不变
2,在一系列 a0下进行试验
3,在每一 a0个下通过 改变负
荷 改变转速 （工况）
4,将数据换算成单位参数
（ n11,Q11,P11,?）
5,在一个 a0下测量的数据可
以绘制转速特性曲线
对转桨式水轮机，应
在每一个叶片角度下
进行上述测量
H,a0＝ const
HSJ
3、泵的空化试验程序（开式台）
1,在能量试验的基础上，确
定试验工况点
2,将 进口阀全开,通过 出口
阀 将流量调到 指定值
3,用进口阀 增加真空度,同
时用 出口阀 保持 流量不变
4,记录各测量参数，计算 H
5,不断增加真空度，直至 H
明显 降低
6,将数据换算为 额定转速
7,作 H＝ HPSH曲线
8,计算 NPSHcr
qV＝ const
HSJ
3、水轮机的空化试验程序（闭式台）
1、根据能量试验结果，确定若干空化试验的 n11
2、在每一个 n11下，选定若干试验开口 a0
3、调整工况参数为指定值并使之稳定
4、用真空泵逐步降低 整个系统的压力,并保持 H,n,qV不变
5、测量并记录能量指标与真空度的关系
6、绘制 ?,P＝ f（ ?） 曲线
7、根据曲线确定 ?cr
HSJ
二、流体机械综合特性曲线的绘制
等效率线和等开度线
（一）定桨式水轮机
HSJ
功率限制线
HSJ
等空化系数线
根据空化试验结果
HSJ
（二）转桨式水轮机综合特性曲线的绘制
不同 ? 角的定桨性能
协联工况的概念
协联曲线的求得
HSJ
第四节 水力机械与管网系统的联合工作
机器的实际运行工况,
为了确定流体机械的实际运
行工况点及其变化，必需研
究管网的特性以及机器特性
与管网特性的相互作用。
一、管网特性曲线
管网能量头 （装置扬程、管网
阻力）
管网系统,
2
12
12 )(
Vst
G
Kqh
hppzzgh
??
?????? ?
?
HSJ
管网特性曲线
Hst 和 k 均可为零
HSJ
二、流体机械与管网系统的联合工作
决定机器的实际工作
点（工况点）的条件,
能量平衡和质量平衡
平衡点
工况的调节
HSJ
稳定与不稳定工况
稳定条件的判据
特性曲线的稳定性
VV
G
dq
dh
dq
dh ?
0?
Vdq
dh
HSJ
第五节 流体机械的串联和并联运行
HSJ
一、工作机的串联运行
（一）输送不可压
介质时的机器特性,
qV＝ qV1＝ qV2
H=H1+H2
目的,p NPSHa
搭配条件,最佳工况点
的流量相等或相近
机器特性不变
HSJ
（二）输送可压缩介质时的机器特性
总特性不等于
两机器的和
HSJ
多级机器的特性
冷却的影响
HSJ
串联机器在管网中的工况点
HSJ
HSJ
HSJ
第六节 水力机械的工况调节
HSJ
HSJ
HSJ
HSJ
本章讲述的主要内容,
第一节 水力机械模型试验的意义和任务
第二节 水力机械特性曲线的定义和分类
第三节 模型试验及特性曲线的绘制
第四节 水力机械与管网系统的联合工作
第五节 泵的串联和并联运行
第六节 水力机械的工况调节
第一节 水力机械模型试验的意义和任务
HSJ
一、水力机械的现代设计方法：理论与试验相结合的方法
理解,
? 水力机械过流通道内的流动规律目前还不能利用数学的方法
完全解决，因此设计时，必须引入一些假设进行简化。
? 设计对给定计算工况（即设计工况）下进行。在非设计工况
下，流动会产生脱流或转轮低压侧的强烈旋涡等，进行流动
分析更加困难。因此除了在理论上进行探索之外，还必须通
过试验来修正和补充。
? 试验工作必须有理论进行指导 。
二、水力机械的模型试验
HSJ
1、进行真机的全特性试验不可能，真机试验多为验收试验、
专题研究试验及改进性试验。但有些情况：如制造质量的检验；
实际运行情况（振动、轴承发热、漏水等）以及泥沙磨损和汽
蚀程度等，则只有在真机上才能观察到。
2、为得到水力机械的全特性，模型水力试验的任务包括,
? 确定水力机械各工况下的效率及汽蚀系数（即能量特性和汽蚀特性）
? 确定水力机械某些部件的力特性（如导水机构、转轮的力特性）
? 确定水力机械在非设计工况下的压力脉动和不稳定性（水轮机）
? 确定过流部件的液流结构
水力试验是设计水力机械的一个重要手段
HSJ
三、水力机械的模型试验必须遵循水力机械的相似准则
四、新转轮的出现，一般要经过下面的程序,
? 根据给定的参数（ Q,H,σ及 n），设计出一些模型转轮方案。
? 由于工作参数和结构参数的不同组合以及不同的计算方法,
这些方案彼此不同。
? 对各种方案进行试验，给出模型转轮的全特性。
? 其中性能最好的就是我们要求的模型转轮。
HSJ
第二节 水力机械特性曲线的定义和分类
f（ a0,?,?,qV,H,n,P,?,?）＝ 0
决定工况的参数,2～ 5
综合特性曲线和线型特性曲线
全工况（四象限）特性曲线
力特性曲线和飞逸特性曲线
HSJ
一、线型特性曲线
（一）水泵的工作特性曲线
（二）水轮机的工作特性曲线
H,n＝ const,qV＝ f（ a0）
P,?＝ f（ qV）
),(,),( c o n s tnqfPpH VtF ???
1） 空载流量 qVxx
2） 最优流量 qV0
3） 极限功率 Pnp与极限流量
4） 功率限制
P=?gqV H?
HSJ
（三）水轮机的转速特性曲线
H,a0,?＝ const
qV,M,P,?＝ f（ n）
飞逸转速 nR
流量随转速
变化的规律
模型试验曲线
HSJ
（四）不同比转速机器工作特性曲线的比较
效率随流量（或负荷）变化的规律
平均运行效率
影响效率曲线形状的因素
功率限制问题
HSJ
泵的比较
HSJ
二、综合特性曲线 自变量＝ 2
（一）工作机的综合特性曲线
1,变转速曲线
HSJ
变叶片角曲线
HSJ
（二）原动机（水轮机）的综合特性曲线
1、综合特性曲线
等效率线
等开度线
等空化系数线
功率限制线
HSJ
2、运转特性曲线
功率限制线,
电机功率限制
水轮机功率限制
混流式,Pmax
轴流转桨,a0
HSJ
各种水轮机的综合特性曲线
低比速混流式
HSJ
切击式水轮机
HSJ
轴流定桨
HSJ
轴流转桨
HSJ
3、综合特性曲线与比转速的关系
HSJ
第三节 模型试验及特性曲线的绘制
一、试验装置与测量方法（略）
二、试验程序
1、水泵的能量试验
目标：测定 qV,H,ptF,P,?
程序：低比速从 qV＝ 0开始，高比速从 qV＝ max开始
12
2
1
2
212
2 ZZg
cc
g
ppH ??????
?
用阀门调节流量，造成不同的工况
对每一个工况点，测定各参数
将测量结果换算到额定转速
HSJ
2、水轮机能量试验程序
1,试验过程中 H 基本 不变
2,在一系列 a0下进行试验
3,在每一 a0个下通过 改变负
荷 改变转速 （工况）
4,将数据换算成单位参数
（ n11,Q11,P11,?）
5,在一个 a0下测量的数据可
以绘制转速特性曲线
对转桨式水轮机，应
在每一个叶片角度下
进行上述测量
H,a0＝ const
HSJ
3、泵的空化试验程序（开式台）
1,在能量试验的基础上，确
定试验工况点
2,将 进口阀全开,通过 出口
阀 将流量调到 指定值
3,用进口阀 增加真空度,同
时用 出口阀 保持 流量不变
4,记录各测量参数，计算 H
5,不断增加真空度，直至 H
明显 降低
6,将数据换算为 额定转速
7,作 H＝ HPSH曲线
8,计算 NPSHcr
qV＝ const
HSJ
3、水轮机的空化试验程序（闭式台）
1、根据能量试验结果，确定若干空化试验的 n11
2、在每一个 n11下，选定若干试验开口 a0
3、调整工况参数为指定值并使之稳定
4、用真空泵逐步降低 整个系统的压力,并保持 H,n,qV不变
5、测量并记录能量指标与真空度的关系
6、绘制 ?,P＝ f（ ?） 曲线
7、根据曲线确定 ?cr
HSJ
二、流体机械综合特性曲线的绘制
等效率线和等开度线
（一）定桨式水轮机
HSJ
功率限制线
HSJ
等空化系数线
根据空化试验结果
HSJ
（二）转桨式水轮机综合特性曲线的绘制
不同 ? 角的定桨性能
协联工况的概念
协联曲线的求得
HSJ
第四节 水力机械与管网系统的联合工作
机器的实际运行工况,
为了确定流体机械的实际运
行工况点及其变化，必需研
究管网的特性以及机器特性
与管网特性的相互作用。
一、管网特性曲线
管网能量头 （装置扬程、管网
阻力）
管网系统,
2
12
12 )(
Vst
G
Kqh
hppzzgh
??
?????? ?
?
HSJ
管网特性曲线
Hst 和 k 均可为零
HSJ
二、流体机械与管网系统的联合工作
决定机器的实际工作
点（工况点）的条件,
能量平衡和质量平衡
平衡点
工况的调节
HSJ
稳定与不稳定工况
稳定条件的判据
特性曲线的稳定性
VV
G
dq
dh
dq
dh ?
0?
Vdq
dh
HSJ
第五节 流体机械的串联和并联运行
HSJ
一、工作机的串联运行
（一）输送不可压
介质时的机器特性,
qV＝ qV1＝ qV2
H=H1+H2
目的,p NPSHa
搭配条件,最佳工况点
的流量相等或相近
机器特性不变
HSJ
（二）输送可压缩介质时的机器特性
总特性不等于
两机器的和
HSJ
多级机器的特性
冷却的影响
HSJ
串联机器在管网中的工况点
HSJ
HSJ
HSJ
第六节 水力机械的工况调节
HSJ
HSJ
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