葉片式水力機械的全特性(Q-H)

葉片式水力機械的全特性〔Q~H坐標〕〔1〕轉速為正〔n>0〕3-3〔a〕所示，曲線AB段的H、Q、n、M均為正值，則QH>0，PM>0，由工況定義知，AB為水泵工況。BC段的Q、n、M為正，H為負，則QH<0，水流經(jīng)過轉輪后能量削減，PM>0,轉輪輸入功率，此為制開工況。C點M=0，亦即P=0，QH<0,為飛逸工況，水流流經(jīng)轉輪削減的能量用于抑制飛逸時的機械損耗。C點以下的Q、n為正，H、M為負，則QH<0,水流能量削減，PM<0,轉輪向外輸出功率，此為水輪機工況。不過這時的水流由尾水管流向蝸殼，是倒沖式水輪機工況，一般稱為反水輪機工況。A點以左，Q為負值，其它參數(shù)均為正值，則QH<0，PM>0,亦為制開工況。所以n四個工作狀態(tài)。3-3三種轉速下水力機組的全特性曲線〔2〕轉速為零〔n=0〕時軸流式機組的特性曲線。此時水力機組在循環(huán)管道上實際上就成為局部阻力，因此，不管流量是正還是負，水流流經(jīng)轉輪后能量總是削減的，也不管扭矩是正還是負，由于轉速為零，所以功率也必為零。故當轉速為零時，整個特V2 2性曲線上的工況均為制開工況，轉輪處的局部損失

2gKQ，所以H線亦為拋物線，又因QH<0，則H為正時，Q必為負，反之亦然，故HfQ曲線貫穿于U、W象限，如圖3-3〔b〕所示，但此拋物線不是水力機組相像工況點的拋物線。水流對轉輪的作用力矩等于水流進出轉輪的動量〔 mv〕的變化量，由此可知，力矩的大小與流量的平方成正比，所以MfQ亦是一拋物線，其方向當n=0時，水頭為正,1/72/7力矩也為正，反之，水頭為負，力矩亦為負。如圖 3-3〔b〕中虛線所示3-3三種轉速下水力機組的全特性曲線〔3〕轉速為負值〔n<0〕時軸流式機組的特性曲線。如圖3-3〔c〕所示。首先觀看幾個特別工況點：工況點D的M為零，即為飛逸工況點；工況點E的水頭為零；F點的流量為零。依據(jù)工況定義，D點以上H為正，M為正，而Q、n為負，貝UQH<0，水流流經(jīng)轉輪后能量削減；而M<0,轉輪向外輸出功率，所以為水輪機工況； D點為飛逸工況；DE段的M為負，其他量符號不變，M>0,即外界輸入功率，水流能量反而削減，所以DE段為制開工況；EF段的各參數(shù)均為負值，則QH>0，M>0,水流流經(jīng)轉輪后能量增加，轉輪輸入功率，所以EF段為水泵工況，但由于水流是由蝸殼流向尾水管，與常規(guī)水泵流向相反，故稱為反水泵工況，軸流式水輪機在甩負荷時，往往會進入該工況區(qū)，由于它的水頭為負，軸向力亦為負，就產(chǎn)生抬機力。 F點以下的工況區(qū)其Q為正，其他各參數(shù)為負，QH<0，M>0，即為制開工況。3-3三種轉速下水力機組的全特性曲線同理，當轉速轉變時，相像工況點也分別在各自的相像拋物線上。飛逸工況點在OD拋物線上，0E為零水頭線，OF為零流量線。由上述分析可知，n為負的區(qū)域也有拋物線OD、0E、OF分為四個區(qū)域，0D線以上為水輪機工況區(qū)，DOE為制開工況區(qū),EOF即第川象限為反水泵工況區(qū)，OF以右局部為制開工況區(qū)。3-3中〔a〕、〔b〕、〔c〕2的水力機組全特性曲線，過工況的分界點A、B、C、D、E、F的相像拋物線及轉速為零時的水頭線。JOI將整個坐標系分為八個區(qū)域，每個區(qū)域為一種工況區(qū)，其中兩個區(qū)域是水泵工況區(qū)〔況〕，兩個區(qū)域是水輪機工況區(qū)〔正、反向水輪機工況〕3-4,不管工圖3-4 水力機組全特性曲線必要指出的是，對固定幾何尺寸〔即定型號、直徑、開度和轉角〕的水力機械，用確定值Q、H、n、M表示的四象限特性，看起來概念很清楚，但在同一張圖上只能表示固定直徑與開度nii ii〔包括槳葉轉角〕下的參數(shù)與特性之間的變化規(guī)律，假設直徑和開度是變化的，則試驗及應用起來就很不便利。因此，與水輪機的綜合特性曲線一樣，通常承受單位轉速n和單位流量Qu為坐標系統(tǒng)來描述可逆式水力機械的參數(shù)與特性之間的變化，用M和nnii ii律，而且多數(shù)水泵水輪機的特性曲線以水輪機工作參數(shù)為正來繪制。對于一般的水電站，水輪機可能的工作狀態(tài)〔包括過渡過程在內(nèi)〕有水輪機工況、4/7制開工況、飛逸工況和反水泵工況；對于裝有水泵水輪機的蓄能電站，水力機組可能的運行方式有正、反向水泵工況、水輪機工況和兩個制開工況區(qū)。例如在水泵斷電時，調(diào)速機構失靈致使機組飛逸，而后手動緊急關閉可能會消滅上述狀況。而只有潮汐電站上的水泵水輪機，由于隨著潮位的漲落，水頭呈周期性的正負交替，其水力機組的運行工況包括過渡過程才可能經(jīng)受全部八個工況區(qū)。3-5250mkW110m左右的混流可逆式水力機械的綜合特性曲線，該曲線以為縱坐標，Qu位力矩線及局部等效率線，利用該綜合特性，可確定其單位參數(shù)間的關系：2nMn對于水輪機工況：

PMM-60 9.55RITM11

TPD2,32PD1 T

9.81 QHT T D2HT/2T T

9.81Q11T

(3-3)對于水泵工況：

9.55R仃

93.7如n1仃P11P 9.81Q11P P11 p. )M 93.711 p. )p式中：PH為單位功率；Mu為單位扭矩。

(3-4)下標T和P分別代表水輪機工況和水泵工況相應的參數(shù)。由式〔3-3〕和式〔3-4〕,依據(jù)工況點的n11，及Q11R、M11由圖3-3可知，該種可逆機的水輪機最優(yōu)工況點的單位轉速接近于 n11085rmin和Quo560Ls。當nnnno時，沿著等導葉開度線，Qn隨nn的增加而急劇下降，這是混流可逆式水力機械的重要特性。與此同時，M^也下降。M^0曲線表示飛逸工況〔0〕。越過Mu0的線，在Mu0與Qn0之間為制開工況〔第I象限內(nèi)〕，直至超越縱坐標，Qn0，則機組處于反轉水泵工況區(qū)〔第U 象限內(nèi)〕。醫(yī)機凰工況醫(yī)機凰工況■叮一嵐星匸況的賀軍90ft=切—I1J\JM4020芋輪機工配?0.7-700-600-500-?0- -200-loo4Q040制開工覘=0*362m3Ait-X19&IJN*ni3-5混流可逆式水力機械綜合特性o在nnnig的水輪機工作范圍內(nèi)，單位流量變化不大。隨著nn的連續(xù)減小，越過橫坐標進入第W象限，n11為負值，此區(qū)域為制開工況區(qū)。當單位轉速接近80~85rmin時，全部的開度線a3-5還可以o看出，開度a。16~28mm彼此很接近，只有當a。12mm，Qii才顯著地下降?？梢姡谒霉ぴ谒霉r下，最高效率相應于QIIP520Ls和nnp97rmin，由于水泵工況下：n11P

nPD1而在水輪機工況下:nTD1n于是可得:n

pT|Pp

niipnT

UP-.當nTnp時，假設在本例中承受HP「 HT1.06，則得到①仃95~103rmin，明顯它遠高于水輪機的最優(yōu)單位轉速，這必定導致效率的降低。這是混流可逆式水力機械特性曲線的一個特點。為了保證可逆式水力機械的水泵工況和水輪機工況在高效區(qū)運行，可以承受具有不同轉速且nTnp的電動-發(fā)電機組，這種雙速電動-在爭論暫態(tài)過程及電算的過程中，比較便利的是使用線性的轉速關系曲線，即流量Qii fnii,ao、力矩Mufnn,a。及作用在水輪機轉輪過流部件上的軸向水推力Thiifnii,ao的關系曲線。3-6曲線相比照，就很簡潔推斷：①為正水泵工況區(qū)；②為制開工況區(qū)；③為水輪機工況區(qū)；④為制開工況區(qū)；⑤為反水泵工況區(qū)。而對于軸流式水力機械而言，在作水輪機工況運行時，假設發(fā)生甩負荷，機組往往會進入川區(qū)運行。依據(jù)上面分析可知，水力機