考虑到我国低水头水力资源十分丰富，尤其是华东、中南等沿海地区，工农业生产发达，用电需求较快，但能源紧缺，可开发中、高水头水力资源在目前已剩下不多，故开发低水头水力源已引起各方面关注，而卧式灯泡贯流式机组是开发低水头水力资源较好方式，它与立式轴流式水轮机相比，具有过流通道的水力损失小、施工方便、较高的过流能力、大的比转速及效率较高等优点。因此，本模型试验台的模型机选用卧式灯泡贯流式机组，其主要设备型号与参数如下：

灯泡贯流式模型机型号：GZφ350；

测功电机功率N=50KW；转速n≤3000rpm；

供水泵型号：14Sh-19A，与供水泵配套的直流电机功率为120kW；

水泵扬程H=15—20m；

电磁流量计型号：SGAICφ500，流量测量范围Q：0.1～1.0m³/s；

阀门：手动蝶阀：D371系列φ500、φ600，电动闸阀Z941系列φ500。

管道采用Φ500mm，壁厚δ为9mm的管道，管道的长度约为80m，管道系统之间的连接采用法兰连接，为减少水力损失，在90°弯头内制作了相应导流栅。

本模型试验台除了可做卧式机组试验外，还可作立式机组试验。考虑到二种机组段的长度不同，故将尾水箱设计成可移动式，根据需要可将卧式机组改换成立式机组。

试验台全部参数均由计算机自动采集与处理，并实现各种表格、曲线的自动绘制等功能。

三、水轮机的飞逸特性。

水轮发电机组在正常情况下，总是以额定转速运行。这时，水轮机的转动力矩和发电机的电磁力矩是平衡的。如果外界负荷突然丢掉，调速机构失灵、导水机构又不能及时关闭时，由于输出的电磁力矩为零，因而输入的水流转动力矩除了少部分消耗于机械损失外，其余大部分就使机组转速急剧增高，并将达某一最大转速，这时的运行工况称为飞逸工况，这时的最大转速称为飞逸转速。

水轮机飞逸转速的大小与水轮机的飞逸特性有关，而飞逸特性一般用单位飞逸转速 表示。按转速相似公式换算出相应的单位飞逸转速

 （r/min）                   （5-38）

根据各 值可绘出该系列水轮机的飞逸特性曲线（图5-8、图5-9）。

图5-8  混流式水轮机的飞逸特性曲线          图5-9  转桨式水轮机的飞逸特性曲线                                          

（模型直径 =460mm）                        （ =460mm）

                                      —为协联关系破坏；---为协联关系保持

混流式与定桨式水轮机的飞逸转速只与导叶开度和水头有关。但对转桨式水轮机，除了前两个因素外，还与转轮桨叶的转角有关。因此，转桨式水轮机的飞逸转速存在两种情况：

1.当导水机构、转轮叶片操作机构同时失灵，且两者的协联机构也遭破坏。桨叶安放角 与导叶开度 可能发生任意组合。此时可对每一 角在不同导叶开度下进行飞逸转速实验，绘出非协联工况下不同桨叶转角的飞逸特性曲线，如图5-9中的 组曲线。这组曲线中的每一根曲线可看作是其 角的定桨式水轮机的飞逸特性。

2.当导水机构和转轮叶片操作机构同时失灵，但两者之间的协联关系仍保持。此时，可利用其模型综合特性曲线，选择若干个单位转速 值，对每个 值找出若干个协联工况点，亦即 角与 的关系。将 角和 的对应点绘于上述的 组线上，然后将相同的 值的点连成曲线，即得 =常数的协联工况飞逸特性曲线（图5-9中 组曲线）。

一般说来，在同一水头下，导叶全开时飞逸转速最高。对转桨式水轮机，当导叶开度 及桨角转角 的协联关系破坏，并且在导叶全开同时桨叶转角愈小，飞逸转速愈大。这一规律可在图5-9中看出。

已知模型水轮机飞逸特性后，即可按相似公式换算出原型水轮机的飞逸转速 。

                     （5-39）

式中使用最大水头 是考虑到最大的飞逸转速；单位飞逸转速 与导叶开度 有关，对转桨式还与桨叶转角 有关。

对混流式水轮机，求原型水轮机飞逸转速时，若原模型几何相似，可按公式 把原型水轮机导叶开度 换算为模型导叶开度 。

对于转桨式水轮机，可根据计算要求在飞逸特性曲线图上选定 值。例如要计算协联工况的飞逸特性，可以在图5-9中 组曲线上找出飞逸前的 值的曲线，在该曲线上根据所求的协联工况点的导叶开度 值确定 值。

对未给出飞逸特性曲线的转轮可按最大水头 和建议的最大单位飞逸转速 计算。一些转轮的 值列于表5-2中，表中对ZZ600和ZZ460分别为协联破坏和协联保持时的数值。

表5-2水轮机转轮的单位飞逸转速值

水轮机飞逸转速与额定转速之比称飞逸系数

                               （5-40）

水轮机的飞逸转速系数大致范围如下：

轴流转桨式水轮机保持协联关系时

轴流转桨式水轮机协联关系破坏时

混流式水轮机或水斗式水轮机

以上 值其下限适用于低比转速水轮机，上限适用于高比转速水轮机。

水轮机的飞逸特性除与机型、水头和导叶开度等有关外，水轮机的汽蚀特性对飞逸转速也有影响。试验研究表明，由于汽蚀破坏了正常流态，水力损失增加，因此水轮机的飞逸系数要降低一些，特别对轴流转桨式水轮机影响较显著，

水轮机在飞逸转速下运行对机组是危险的，因为离心力与转速的平方有成正比，如圆周速度增加2倍，离心力则增加4倍。可见当机组在飞逸工况时产生的离心力是很大的。如不采取措施，强大的离心力可能损害机组转动部件或轴承系统，或引起机组及厂房强烈振动。为此，制造厂规定，对水轮机转动部件要按飞逸转速来设计，机组飞逸时间不允许超过2min。

由于飞逸转速的大小将直接影响机组的安全和造价，因此一方面要按厂家的规定尽量限制飞逸转速的升高，以降低机组的重量和造价，另一方面还要在技术上采用防飞逸保护措施，以防止飞逸事故。目前常采用如下措施：

1.设置快速闸门。在水轮机引水钢管上装置不同类型的闸门，例如对中低水头水轮机设置平板闸门或蝴蝶阀，高水头采用球阀。当机组过速达1.4~1.5倍额定转速而导叶又不能关闭时，可在动水的情况下电动或液压操作快速闸门，保证在两分钟内截断水流。这种装置是水电站常用的比较可靠的防飞逸措施，但由于快速闸门会增加水轮机设备成本约20~30%，而且也增加了设备维护工作量。

2.增设事故配压阀。通常采用在导水机构接力器压力供油管上装设事故配压阀，当接力器发生故障时，事故配压阀自动操作接力器，关闭导水机构。这种防飞逸装置比较经济，但实用表明动作可靠性较差，并且当压力油压力下降或消失时这种装置将失效。

3.对转桨式水轮机，可采用强行关闭或开大叶片转角 ，以降低飞逸转速。但在飞逸工况下开大桨叶转角 ，可能会引起机组强烈振动，同时需增大转轮叶片操作机构零件的尺寸。

4.为了降低飞逸转速，有的轴流式水轮机采用制动叶片，它们装设于转轮体上靠近叶片法兰孔的下部或上部，当转轮的转速超过额定值时，这些制动叶片伸入水流中，起到阻尼作用。

5.导叶自关闭。导叶自关闭就是适当地加大导叶偏心距，使其能在水流力矩作用下，自行关闭到空载开度，以防止机组产生飞逸。这是一种简单可靠的防飞逸方法，目前国内外都在进行试验研究。它可使机组的转动部件不必按飞逸转速计算结构强度，可大大降低机组的造价。