如何选择水轮机的最优工况限制

由图2-11中可以看出，在反击式水轮机的各种损失中水力损失是主要的，容积损失和机械损失都比较小而且基本上是一定值。因而提高水轮机的效率主要应提高其水力效率。而在水力损失中，局部撞击损失和涡流损失所占的比值较大，在水轮机满负荷或以较小负荷工作时，情况更是如此。因此有必要研究这种局部损失的产生情况和改善措施。

图2-11　水轮机效率与出力的关系及各项损失

在机组负荷变化时，导叶的开度发生相应的改变，水流在转轮进、出口的绝对速度V1、V2 的大小及其方向角α1、α2 也随着发生改变，因而水轮机的进、出口速度三角形亦有所不同。

当在某一工况下，在转轮进口速度三角形中，水流相对速度W1 的方向角β1 与转轮叶片的进口角βe1相同，即β1=βe1，则水流平顺地进入转轮而不发生撞击和脱流现象，如图2-12（b）所示，叶片进口水力损失最小，从而也就提高了水轮机的水力效率，此工况称为无撞击进口工况。在其他工况下β1≠βe1，则水流在叶片进口产生撞击，造成撞击损失，使水流不能平顺畅流，如图2-12（a）、（c）所示，从而降低了水轮机的水力效率。

图2-12　转轮进口处的水流运动

（a）β1>βe1的情况；（b）β1=βe1的情况；（c）β1<βe1的情况(www.xing528.com)

同样，当在某一工况下，在转轮出口速度三角形里，水流绝对速度V2 的方向角α2=90°，如图2-13（a）所示，即V2 垂直于U2 时，Vu2=0，Γ2=0，水流离开转轮后没有旋转并沿尾水管流出，不产生涡流现象，从而提高了水轮机的水力效率，此工况称为法向出口工况。当α2≠90°时，则Vu2≠0，如图2-13（b）、（c）所示，此时转轮出口水流的旋转分速度Vu2在尾水管中将引起涡流损失，使得效率下降。当Vu2增大到某一数值时，尾水管中会出现偏心真空涡带，引起水流压力脉动，形成水轮机的空腔气蚀与振动。

图2-13　转轮出口处的速度三角形

（a）α2=90°；（b）α2<90°；（c）α2>90°

如上所述，当水轮机在β1=βe1，α2=90°的工况下工作时，则水流在转轮进口无撞击损失，出口无涡流损失，此时水轮机的效率最高，称为水轮机的最优工况。在选择水轮机时，应尽可能地使水轮机经常在最优工况下工作，以获取较多的电能。

实践证明，当α2 稍小于90°，水流在出口略带正向（即与转轮旋转方向相同）圆周分量Vu2时，可使水流紧贴尾水管管壁而避免产生脱流现象，反而会使水轮机效率略有提高。

对轴流转桨式和斜流式水轮机，在不同工况下工作时，自动调速器在调节导叶开度的同时亦能调节转轮叶片的转角，使水轮机仍能达到或接近于无撞击进口和法向出口的最优工况，故轴流转桨式和斜流式水轮机有较宽广的高效率工作区。

水轮机的运行工况是经常变动的，当在最优工况运行时，不仅效率较高，而且运行稳定，气蚀性能好。当偏离最优工况时，效率下降，气蚀亦随之加剧，甚至会使水轮机工作部件遭受破坏，因此必须对水轮机的运行工况加以限制。