水头特性曲线表示水轮机在转速、导叶开度为某常数时，其流量Q、出力P、效率η与水头H 之间的关系。水电站的水头一般变化较为缓慢，因此，在短时间内可以看作定值。但是，在比较长的时期内，水头可能发生较显著的变化。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；在高水头水电站，上游库水位可能发生较大变化；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，这些都能引起水轮机作用水头的较大改变。
从图8-4可以看出，水轮机的出力与水头关系曲线接近于直线，各导叶开度下的P=f（H）曲线从相应的空载水头点开始引出。在低于空载水头时，水轮机即使在空载时也不能达到额定转速。水轮机的流量与水头关系曲线在小开度时接近于直线，但在大开度时呈现非直线性。各导叶开度下的Q=f（H）曲线也从相应的空载水头开始引出，导叶开度不同时，相应的空载水头也不同。从水轮机效率与水头关系曲线可以看出，当水头低于最高效率点所对应的水头H0 时，水轮机效率的变化比较急剧，而水头高于H0 时，效率变化较缓慢。
图8-4 水轮机水头特性曲线
（a）Q～H 曲线；（b）η～H 曲线；（c）P～H 曲线
由试验直接获得水轮机的水头特性曲线较困难，因此通常用转速特性曲线经相似换算求得相应的水头特性曲线。由水轮机的相似律可知，同一水轮机的相似律公式为
若已知转速特性曲线上某工况点的转速n′，对应的水头H′，那么在相似工况下对应于某转速n的相应水头为(www.xing528.com)
用式（8-4）可将转速特性曲线上的横坐标上某点的转速n′换算为转速为n 时的水头特性曲线的横坐标上对应点的水头H。按照这种换算关系，读出转速特性曲线上若干点的转速n′及其所对应的流量Q′、出力P′与效率η′，然后按式（8-4）换算为H，再按式（8-5）、式（8-6）和式（8-7）求出各点所对应的Q、P 与η，把同一导叶开度下的各同类点连成光滑曲线即转速为n时的水轮机水头特性曲线。
不同ns 的水轮机，具有不同的水头特性。如图8-5所示为不同类型不同ns 水轮机的水头特性曲线，图中同时表示了水轮机效率、出力与水头之间的关系。
图8-5 各类水轮机水头特性的比较
（a）P、η～H 曲线；（b）Q～H 曲线
由图8-5可知，不同比转速的水轮机在偏离最优工况时效率下降的快慢程度不同，对于反击式水轮机，高ns 水轮机在偏离最优水头时效率下降比低ns 水轮机缓慢。图中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。低ns 水轮机的相对空载水头值要比高ns 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。
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