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第三节水轮机模型综合特性曲线
水轮机主要综合特性曲线是指以单位转速和单位流量为纵、横坐标而绘制的若干组等值曲线，这些等值线表示出了同系列水轮机的各种主要性能。在图中常绘出下列等值线：①等效率线；②导叶（或喷针）等开度线；③等空化系数线；④混流式水轮机的出力限制线；⑤转桨式水轮机转轮叶片等转角线。这种主要综合特性曲线一般由模型试验的方法获得，因此，又称为模型综合特性曲线。不同类型的水轮机，其模型综合特性曲线具有不同的特点，掌握它们的特点，对于正确选择水轮机及分析水轮机的性能是很重要的。下面说明几种水轮机模型综合特性曲线的特点。
一、混流式水轮机模型综合特性曲线
图8-6为某混流式水轮机模型综合特性曲线，它由等效率曲线、等开度线、等空化系数线与出力限制线所构成。
图8-6混流式水轮机模型综合特性曲线
同一条等效率线上各点的效率均等于某常数，这说明等效率线上的各点尽管工况不同，但水轮机中的诸损失之和相等，因此水轮机具有相等的效率。
等开度线则表示模型水轮机导水叶开度为某常数时水轮机的单位流量随单位转速的改变而发生变化的特性。
等空化系数线表示水轮机各工况下空化系数的等值线，等空化系数线上各点尽管工况不同，其空化系数却相同。由于模型水轮机的空化系数大多是通过能量法空化试验而获得的，因此，尽管等空化系数线上的工况点具有相同的空化系数，但它们的空化发生状态可能是不相同的。
混流式水轮机模型综合特性曲线上通常标有5%出力限制线，它是某单位转速下水轮机的出力达到该单位转速下最大出力的95%时各工况点的连线。绘制出力限制线的目的是考虑到水轮机在最大出力下运行时，不可能按正常规律实现功率的调节，而且，在超过95%最大功率运行时，效率随流量的增加而降低，且效率降低的幅度超过流量增加的幅度，因此水轮机的出力反而减小了，从而使调速器对水轮机的调节性能较差。为了避开这些情况，并使水轮机具有一定的出力储备，因此，将水轮机限制在最大出力的95%(有时取97%)范围内运行。
二、转桨式水轮机模型综合特性曲线
轴流定桨式水轮机及其他固定叶片的反击式水轮机，其模型综合特性曲线与混流式水轮机具有相同的形式。
图8-7为某轴流转桨式水轮机模型综合特性曲线。轴流转桨或斜流转桨式水轮机的叶片可以改变角度，当水轮机的工作水头或负荷发生变化时，通过协联机构使叶片角度作相应的改变，从而保持水轮机具有良好的工作效率，这种运行方式称为协联方式。转桨式水轮机模型综合特性曲线上标有等效率线、等开度线、等叶片转角线。
图8-7轴流转桨式水轮机模型综合特性曲线
转桨式水轮机的等效率线是水轮机在协联方式下工作时的效率等值线。它是水轮机在不同叶片角下各同类水轮机等效率线的包络线。
等开度线则表示在协联方式下，导水叶开度为某常数而叶片角度不同时，水轮机单位流量与单位转速之间的关系，它代表了水轮机在协联方式工作下的过流特性。
等叶片转角线则是同一叶片转角下各所对应的最高效率点的连线。
由等线与等线可以找出导水开度与叶片转角的最佳协联关系。
转桨式水轮机的等空化系数线是各角下的同类水轮机的等线与等线的一系列交点中，相同值的连线。
转桨式水轮机具有宽广的高效率区，在相当大的单位流量下不出现流量增加而出力减少的情况，因此一般不绘出5%出力限制线。而水轮机的最大允许出力常受到空化条件的限制。
三、冲击式水轮机模型综合特性曲线
图8-8水斗式水轮机模型综合特性曲线
冲击式水轮机包括切击式也称水斗式、斜击式、双击式等几种类型，它们的模型综合特性曲线有共同的特点。图8-8为某水斗式水轮机的模型综合特性曲线，它由等效率线(=常数)与等开度线(喷针行程S=常数〉组成。
冲击式水轮机的过流量与水轮机的转速无关，仅与喷嘴的开度有关，因此，它的等开度线是与坐标轴垂直的直线。
冲击式水轮机一般对负荷变化的适应性较好，等效率曲线扁而宽，在相当大的开度下仍不会出现单位流量增加而出力减小的情况，因此，一般不标出力限制线。另外，冲击式水轮机的转轮在大气压力下工作，虽然也有空蚀破坏现象，但其空化机理与反击式水轮机不同，很难用空化系数的形式表达冲击式水轮机的空化性能，因此，冲击式水轮机模型综合特性曲线上不标注等空化系数线。