第2章 水轮机工作原理
2.1 水轮机的工作参数
水轮机的工作参数是表征水轮机工作特性的主要特征值。主要有水轮机工作水头H、水轮机流量Q、水轮机转速n、水轮机功率P和水轮机效率η等。工作参数由水电站运行条件、电力系统的要求和水轮机型式而定。
2.1.1 工作水头
水轮机工作水头是指单位重量水流在水轮机进口断面和出口断面之间的能量差值，用H表示，单位为m。工作水头一般也称为净水头，是水轮机做功的有效水头，计算公式同式（1－1）。对反击式水轮机进口断面取在蜗壳进口断面，出口断面取在尾水管出口断面。对冲击式水轮机进口断面取在喷嘴进口断面，出口断面取在射流中心线与转轮节圆相切处。水轮机工作水头还可表示为水电站毛水头减去输水系统（引水和排水系统）的全部水头损失。
水轮机的工作水头随着水电站的上下游水位的变化而经常发生变动。在水轮机运行范围内的特征水头主要有以下5个：
（1）水轮机最大水头Hmax，是指水电站最大水头Hgmax减去一台机组空载运行时输水系统所有水头损失后的工作水头。
（2）水轮机最小水头Hmin，是指水电站最小水头Hgmin减去水轮机发出额定功率时输水系统所有水头损失后的工作水头。
（3）水轮机加权平均水头Hw，是指在规定的运行条件下，考虑功率和工作历时的水轮机工作水头的加权平均值。
（4）水轮机设计水头Hd，是指水轮机在最高效率点运行时的工作水头。
（5）水轮机额定水头Hr，是指水轮机在额定转速下，发出额定功率时所需的最小工作水头。
水轮机工作水头是选择水轮机型号和参数的重要依据，其大小表示水轮机可以利用水流能量的多少。选定的水轮机需满足最大水头对结构强度的要求，并要满足在各种水头范围内对水轮机效率、稳定性和抗空蚀等性能的要求，以保证水轮机能安全、稳定和经济运行。
在国际电工委员会颁布的一系列标准中，对水轮机水头H已改用比能E表示。比能E指单位质量流体所具有的机械能（包括位置比能Ez、压力比能Ep和速度比能Ev）的总和，E＝gH（g为重力加速度），单位为J/kg。
2.1.2 流量
单位时间内通过水轮机的水的体积称为水轮机流量，用Q表示，单位为m3/s。
水轮机流量的特征值主要有3个：
（1）水轮机额定流量Qr，是指水轮机在额定水头和额定转速下，输出额定功率时所需的流量。
（2）水轮机空载流量Q0，是指水轮机在额定水头和额定转速下，空载运行（输出功率为零）时的流量。
（3）水轮机最大流量Qmax，是指水轮机在满足发电机发出设计规定的最大功率时所需的最小水头下的流量。
水轮机流量也是选择水轮机型号和参数的重要依据，其大小同样表示水轮机可以利用水流能量的多少。
2.1.3 转速
水轮机转速是指水轮机转轮每分钟内旋转的次数，用n表示，单位为r/min。当水轮机与发电机直接连接时，水轮机转速与发电机的转速相同，并符合发电机标准同步转速的要求，即满足下列关系：
式中：f为电力系统频率，Hz，我国采用的标准为50Hz；p为发电机磁极对数。
各种磁极对数的发电机标准同步转速值见表3－6。
对某一固定的发电机，其磁极对数是固定不变的，因此为了保证供电质量，即电流频率保持不变，在正常运行情况下，水轮发电机组的转速亦应保持固定不变，此转速称为水轮机或机组的额定转速nr。
当发电机负荷发生变化而水轮机功率尚未做出相应改变时，由于生产和输出的电能不平衡，水轮机的转速会发生一定的变化，但这个变化会因自动调速器的作用而迅速得到纠正，使转速恢复到额定转速。只有在机组负荷发生变化而调速系统又同时出现故障时，水轮机转速才发生明显变化。例如：当水轮机突然甩去全部负荷与电力系统解列，同时调速机构失灵或其他原因，导水机构不能关闭，水轮机转速将迅速升高。当水流能量与转速升高后的机械摩擦损失等能量平衡时，转速达到某一最大值，这个转速称为水轮机飞逸转速，用nrun表示。水轮机的飞逸转速根据水轮机模型试验的飞逸特性计算获得，其数值随水轮机型式、导叶开度及工作水头的不同而异，可达额定转速的1.8～3.0倍。其中混流式水轮机较低，轴流转桨式水轮机较高。机组发生飞逸时离心力是很大的，它对机组的结构设计和制造以及对机组支撑结构和水电站厂房的振动都有较大影响。
2.1.4 功率与效率
水轮机功率是指水轮机轴端输出给发电机的机械功率，用P表示，常用单位为kW，也称为水轮机出力或水轮机输出功率。
水轮机进口水流所具有的水力功率，称为水轮机的输入功率，也称为水流出力，用Pin（kW）表示。其表达式为
由于水流在通过水轮机进行能量转换的过程中，会产生一定的能量损失（包括水力损失、容积损失和机械损失），因此水轮机输出功率小于输入功率。水轮机的输出功率和输入功率之比称为水轮机效率，用η表示，即
则水轮机输出功率P（kW）为
水轮机的输出功率P（W）还可以用机械旋转能的形式表示，即
式中：M为水轮机轴旋转力矩，N·m；ω为水轮机转轮的旋转角速度，rad/s。
水轮机功率的特征值主要有：
（1）水轮机额定功率Pr，是由设计或合同规定的水轮机铭牌功率，也是指在额定水头、额定流量和额定转速下水轮机能连续发出的功率。
（2）水轮机最大功率Pmax，是指水轮机在各个水头下允许连续运行的最大功率保证值，即发电机发出其最大功率时的水轮机功率，一般为额定功率的105%～115%。
（3）水轮机最小功率Pmin，是指水轮机在最小水头下导叶全开时发出的最大功率。
（4）水轮机最优效率功率Pηmax，是指水轮机在最优效率下运行时的输出功率。
（5）水轮机受阻功率：是指工作水头低于额定水头时，水轮机的功率小于水轮机额定功率的部分。水头愈趋近于最小水头，受阻功率就愈大。当在最小水头运行时，受阻功率达到最大值。
水轮机的特征效率主要有3种：
（1）水轮机最高效率ηmax，是指水轮机在其运行范围内各效率值中的最大效率值，即在最优工况运行时的效率。目前大型反击式水轮机的最高效率可达94%～96%。
（2）水轮机额定效率ηr，是指水轮机在额定工况运行（额定转速、额定水头下发出额定功率）时的效率。
（3）水轮机加权平均效率ηw，是将电站运行工作范围内不同工况点的效率，乘以按水轮机运转综合特性曲线计算得出的电能加权因子后所求得的平均值。在选择水轮机时，用它来对不同厂家提供水轮机的动能经济指标进行分析比较，作为评价水轮机参数指标的条件之一。
水轮机的效率一般用百分数表示。