（水利水電工程專業(yè)論文）可逆式水泵水輪機(jī)全特性曲線處理及可視化研究.pdf

蔡鐵力：可逆式水泵水輪機(jī)全特性曲線處理及可視化研究 摘要 隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)和人們生活水平的日益提高，在電力負(fù)荷急劇增長(zhǎng)的同時(shí)，負(fù) 荷特性也因用電結(jié)構(gòu)的改變而發(fā)生很大變化，總的趨勢(shì)是負(fù)荷水平迅速提高，負(fù) 荷率下降，峰谷差日益加大，電網(wǎng)供電質(zhì)量及可靠性得不到保障。抽水蓄能電站 調(diào)峰填谷、調(diào)頻調(diào)相、提高電網(wǎng)供電質(zhì)量和電網(wǎng)靈活性與可靠性等優(yōu)點(diǎn)越趨明顯， 其發(fā)展已進(jìn)入一個(gè)新階段。近年來(lái)世界抽水蓄能電站容量以1 0 以上的年增長(zhǎng)率 增加。抽水蓄能電站利用兼具水泵和水輪機(jī)兩種工作方式的蓄能機(jī)組，在電力負(fù) 荷出現(xiàn)低谷時(shí)吸收電網(wǎng)多余的電能作水泵運(yùn)行抽水到上水庫(kù)，在電力負(fù)荷高峰時(shí) 作水輪機(jī)運(yùn)行，將上水庫(kù)的水放下發(fā)電。 由于抽水蓄能機(jī)組開(kāi)停靈活，升降負(fù)荷迅速，不可避免的要頻繁變換工況， 其過(guò)渡過(guò)程計(jì)算對(duì)安全可靠運(yùn)行關(guān)系重大。在過(guò)渡過(guò)程計(jì)算中，需要頻繁應(yīng)用可 逆式水泵水輪機(jī)的全特性曲線以求機(jī)組的瞬變參數(shù)。通常給定的水泵水輪機(jī)特性 曲線在水輪機(jī)飛逸工況和制動(dòng)工況區(qū)域出現(xiàn)“s ”型，在水泵工況區(qū)有交叉和重疊 現(xiàn)象，若直接應(yīng)用該曲線進(jìn)行插值計(jì)算有時(shí)會(huì)帶來(lái)較大的誤差，且由于其存在多 值性，可能使插值無(wú)法進(jìn)行。因此，對(duì)可逆機(jī)組全特性曲線的處理是過(guò)渡過(guò)程計(jì) 算的重要環(huán)節(jié)，其處理的合理性將直接影響抽水蓄能電站過(guò)渡過(guò)程的計(jì)算精度及 可靠性。 現(xiàn)有的全特性曲線處理方法還存在一些缺限，有待進(jìn)一步改進(jìn)和完善。本文 在充分研究和全面分析各種全特性曲線處理方法的基礎(chǔ)上，提出了全特性曲線的 三維曲面處理方法，把以y 為參變量的二維曲線轉(zhuǎn)換為以相對(duì)流動(dòng)角x 和導(dǎo)葉開(kāi) 度y 為自變量的三維曲面形式，通過(guò)最小二乘曲面擬合數(shù)學(xué)模型求得相應(yīng)的曲面。 在實(shí)用中根據(jù)計(jì)算進(jìn)程的需要，采用分區(qū)擬合法，進(jìn)一步提高精度。 為對(duì)可逆式水泵水輪機(jī)全特性曲線進(jìn)行數(shù)值處理及圖形顯示，并在對(duì)幾種編 程軟件進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，確定采用v i s 訓(xùn)b a s i c 和a u t o c a d 混合編程。為了運(yùn)用 揚(yáng)州大學(xué)碩十學(xué)位論文 和管理方便，將水泵水輪機(jī)測(cè)得的數(shù)據(jù)保存于外部數(shù)據(jù)文件中；在過(guò)渡過(guò)程計(jì)算 中進(jìn)行調(diào)用，并顯示數(shù)據(jù)，以方便設(shè)計(jì)人員對(duì)數(shù)據(jù)文件中的信息進(jìn)行查詢、管理 與維護(hù)。此系統(tǒng)分為三部分：數(shù)據(jù)輸入、數(shù)據(jù)處理、圖形顯示。并以此開(kāi)發(fā)功能 齊全、實(shí)用性強(qiáng)的性能曲線庫(kù)，可以方便的查詢或?yàn)g覽各種泵、水輪機(jī)等水力機(jī) 械的性能曲線及相關(guān)參數(shù)。目的是在泵站、水電站等有關(guān)水力機(jī)械工程的初步設(shè) 計(jì)及改造項(xiàng)目中，可以方便設(shè)計(jì)人員通過(guò)一些基本參數(shù)及相關(guān)要求，在此查詢選 型，該模塊具有通用化和快速化的特點(diǎn)。 關(guān)鍵字：水泵水輪機(jī)，最小二乘曲面，v i s u a lb 撕c ，a u t o c a d ，可視化系統(tǒng) 蔡鐵力：可逆式水泵水輪機(jī)全特性曲線處理及可視化研究 a b s t r a c t w i t l lt h es o c i o - e c o n o m i ca n d p e o p i e s1 i v i n gs t a j l d a r d sr i s i n ga tt h er a p i d 舀o w m o fe l e c t r i c a ll o a da i l dt l l el o a dc h a r a c t e r i s t i c sd u et oc h a n g e s 訪c o n s 啪p t i o ns n u c t u r e c h a l l g e ds i 鰣f i c a n t i y ，t h eg e n e r a lt r e n di sr a p i d l yi n c r e a s i n gl o a dl e v e l ，l o w e r i n g l o a d i n gr a t e 鋤dt l l ed i f f e r e n c eb e m e e nt h ep e a l ( a n dv a l l e yl o a do fe l e c t r i cs y s t e mh a s b e c o m e1 2 u r g e r 鋤dl a r g e r s ot h ee l e c 仃i c a ln e t 、o r kp o 、v e rs u p p l yq 砌i t ya n dt h e r e l i a b i l i t ) rc 鋤o to b t a j nt l l es a f e g u a r d i ts e e m st ob e c o m em o r ea 1 1 dm o r ec l e a rt h a t p u m p e ds t o r a g ep l a n t sh a v em a n yr o l e s 強(qiáng)da d v a j l t a g e si i le l e c t r i cs y s t e m ， s u c h 硒 p e a l ( - c l i p p i n g ，丹e q u e n c ya n dp h a s em o d u l a t i o n ，i i l l p r o v i n gq u a l i t ) r ，n e x i b i l i t ) ，a i l d r e l i a b i l 時(shí)s o 協(xié)，t h ed e v e l o p m e n to fp u m p e ds t o r a g ep l a n t sh a se n t e r e dan e ws t a g e ； t h et o t a li n s t a l l e dc a p a c 時(shí)o ft h ep 1 鋤t sh a si n c r e a s e db y1o 鋤u a l l y p 啪p e ds t o r a g e p l a n t su s eb o mp u m pa i l dt w b i n e ，刪n gp 啪p st 0a b s o r be x c e s sf o rp u i 】1 p i n gt ot h e r e s e n ，o i r 、脅e na tal o w e b bo f p o w e rl o a da p p e a r e da i l d 刪n gt l l r b i n e sa tt 1 1 ep e a l 【 p o w e rl o a dt og e n e r a t i n g 仔o mm er e s e r v o i r b e c a u s eo fp u m p e ds t o r a g e 砌t ss t a na n ds t o pf l e x i b l y ，t l l er a p i dt a k e o f ra n d l a i l d i n gl o a d ，i tm u s tn o tb e 仃e et o 仔e q u e n tc h a l l g eo fw o r k i n gc o n d i t i o n ，a n di t s c a l c u l a t i o no ft h e 仃a n s i t i o np r o c e s si sc m c i a lt os a f ea n dr e l i a b l eo p e r a t i o n a tt h e c a l c u l a t i o no ft h e 觚i t i o np r o c e s s ，w e 丘e q u e n tu s eo fr e v e r s i b l et u r b i n ec h a r a c t e r i s t i c c u i v et og e tt l l et r a j l s i e mp a r 鋤e t e r s u s u a l l yag i v e np 啪p - t u r b i n ei n 也et l l r b i n e c h a r a c t e r i s t i cc u r v el o s i n gc o n d i t i o na n db r a b n gc o n d i t i o nr e g i o n ”s ”t y p e ，a n di nt h e p 啪po p e r a t i n gc o n d i t i o n sm e r e i sc r o s s c u t t i n ga n do v e r l a p p i n gz o n es i t u a t i o n ，i fw e d i r e c t l yu s eo fm ec u ei n t e 印o l a t i o nc a l c u l a t i o nw i l ls o m e t i m e sb r i n ge r r o r ，a n d b e c a u s eo fi t sm a i l yv a l u e se x i s t ，i tm a yn o tb ea b l et oc a n 了o u ti n t e 印o l a t i o n t h e r e f o r e ，i ti sv e r yi m p o r t a n tt 0d e a l 州t l lm ec o m p l e t ec h a u r a c t e r i s t i cc m 、，e so f r e v e r s i b l ep 啪pn 曲i n e sa n di ta l s ob e c o m e sad i r e c ti m p a c to nt h em m s i t i o np r o c e s s p 啪p e ds t o r a g ep l a n t sc o m p u t a t i o n a la c c u r a c y ，r e l i a b i l i 夠 b e c a u s et h e r ea r es o m ed i s a d v a n t a g e sa 1 1 dt h ee x p e c t st ob ep e r f e c t e di nt h ee x i s t i n g l v 揚(yáng)州人學(xué)碩十學(xué)位論文 m e t h o d sn o w t h ec o m p l e t ec h a r a c t e r i s t i cc u n ，e so fr e v e r s i b l ep 啪pt u r b i n ea r e t r a n s f o 冊(cè)e dt ot h em n c t i o n so fm er e l a t i v en o wa n g l exa n dt h eo p e n i n go fg u i d e v a n e s ，a n dt h ec u r v es u r f - a c ee q u a t i o n sd e s c r i b i n gm ec o m p l e t ec h a r a c t e r i s t i cc u r v e sa r e o b t a i n e db yu s i n gt h em a t h e m a t i c a lm o d e lo fl e a s ts q m i r es u “a c ef i t t i n g p r a c t i c a la t t h ec a l c u l a t i o np r o c e s si na c c o r d a j l c ew i t l lt h en e e d so ft h el e g i t i m a t eu s eo fz o m n gt 0 m r t h e ri m p r o v ea c c u r a c y i no r d e rt oc a r r yo u tn u m e r i c a lp r o c e s s i n ga j l d 掣印h i c a ld i s p l a yo fc o m p l e t e c h 蹦l c t e r i s t i c sc u r v eo fr e v e r s i b l ep u m p - 1 、曲i n e ，is e l e c tt h ev i s u a lb a s i ca i l da u t o c a d t op r o g r a i t 吼i n gi na na n a l y s i so fs e v e r a lp r o g r 糾 1 u t l i n gs o r w a r es e l e c t i o n s t o r i n g p u m p - t u r b i n em e a s u r e dd a t a i ne x t e m a ld a t af i l e st oc o n v e l l i e n c ef o rt h eu s eo r m a n a g e m e n t ；a to p e r a t i o nc a l l sa j l dd i s p l a yd a t ao nt l l et r a n s i t i o np r o c e s s ，i ti sf a c i l i t a t e f o rt h ed e s i 印o fp e r s o m l e lt oq u e d ，m a n a g e m e n ta j l dm a i n t e n a n c ei nt h ei n f o r n l a t i o n t m ss y s t e mi sd i v i d e dm ot l l r e ep a r t s ：d a t ai n p u t ，d a t ap r o c e s s i n g ，伊a p h i c sd i s p l a y a n dm r t h e rt od e v e l o pm n c t i o n a la 1 1 dp r a c t i c a lp e 響珊a n c eo fm et r e a s u 巧c u r v e ，i ti s e a s i l yq u e r i e do rb r o w s e dav 撕e 夠o fp u m p s ，h y d r a u l i cm a c h i n e d ，s u c ha sp 啪p ， t u r b i n ea n ds oo np e 墑m l a n c ec u l e sa n dr e l a t e dp 踟e t e r s a tp l l i n p i n g 咖t i o n s ， h y d r o p o w e rs t a t i o i l s 鋤do t h e rr e l a t e dh y d r a u l i cm e c h a n i c 出e n g i n e e r i n gp r e l i m i n a d r d e s i 印a i l dr e c o n s t m c tt h ep r o j e c t ，d e s i g n e r sc a ne a s i l yt h j 0 u 曲an u m b e ro fb a s i c p 啪e t e r s 觚dr e l a t e dr e q u i r e m e n t s t 1 1 i sq u e 巧s e l e c t i o na j l dt h em o d u l eh a sag e n e r i c a n dn l s t 1 k si st h ep u 叩o s eo ft h es y s t e m k e yw o r d s ：r e v e r s i b l ep u m p - t u r b i n e ，m e t h o do fl e a s ts u r f - a c e ，s u 甜b a s i c ，a u t o c a d ， v i s u a l i z a t i o ns y s t e m 揚(yáng)州人學(xué)碩十學(xué)位論文 揚(yáng)州大學(xué)學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明和版權(quán)使用授權(quán)書(shū) 學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明 本人聲明：所呈交的學(xué)位論文是在導(dǎo)師指導(dǎo)下獨(dú)立進(jìn)行研究工作所取得的研 究成果。除文中已經(jīng)標(biāo)明引用的內(nèi)容外，本論文不包含其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表 的研究成果。對(duì)本文的研究做出貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。 本聲明的法律結(jié)果由本人承擔(dān)。 學(xué)位論文作者簽名：攀欽力 簽字日期：勱穸年擁紗f 1 學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書(shū) 本人完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，即：學(xué)校有權(quán)保留并向 國(guó)家有關(guān)部門(mén)或機(jī)構(gòu)送交學(xué)位論文的復(fù)印件和電子文檔，允許論文被查閱和借閱。 本人授權(quán)揚(yáng)州大學(xué)可以將學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索， 可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存、匯編學(xué)位論文。同時(shí)授權(quán)中國(guó)科學(xué) 技術(shù)信息研究所將本學(xué)位論文收錄到中國(guó)學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫(kù)，并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)向 社會(huì)公眾提供信息服務(wù)。 學(xué)位論文作者簽名：事鐵力 導(dǎo)師簽名： 簽字日期：2 矽尹年月夕同 多鋤 磐嗍：7 “肘同 蔡鐵力：可逆式水泵水輪全特性曲線處理及可視化研究 第一章緒論 1 1 課題研究的必要性及意義 抽水蓄能電站自1 8 8 2 年在瑞士蘇黎世問(wèn)世以來(lái)己有百余年的歷史，其最初的 設(shè)想是將火電站非峰荷時(shí)的低價(jià)電能轉(zhuǎn)化為峰荷時(shí)的高價(jià)電能，這一概念目前己 發(fā)展為利用抽水蓄能電站調(diào)峰填谷、調(diào)頻調(diào)相和事故備用等功能，保障電網(wǎng)的安 全穩(wěn)定經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。抽水蓄能電站利用兼具水泵和水輪機(jī)兩種工作方式的蓄能機(jī)組， 在電力負(fù)荷出現(xiàn)低谷時(shí)吸收電網(wǎng)多余的電能作水泵運(yùn)行抽水到上水庫(kù)，在電力負(fù) 荷高峰時(shí)作水輪機(jī)運(yùn)行，將上水庫(kù)的水放下發(fā)電。 隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活水平的r 益提高，用電負(fù)荷不斷增長(zhǎng)及峰谷差不 斷加大。為此，世界各國(guó)正大力發(fā)展抽水蓄能電站，提高供電保證率及供電質(zhì)量。 1 9 9 9 年全世界共建抽水蓄能電站3 9 1 座、總裝機(jī)1 0 4 億k w ，其中日本有4 3 座、裝機(jī)容量2 1 0 0 萬(wàn)k w ，美國(guó)有3 5 座、裝機(jī)容量2 0 0 0 多萬(wàn)k w ，意大利有2 5 座、裝機(jī)容量7 5 0 萬(wàn)k w 。 研究表明，為達(dá)到必需的電網(wǎng)調(diào)節(jié)能力，電力系統(tǒng)中應(yīng)至少裝有總?cè)萘? 的抽水蓄能電站，若要達(dá)到較好的調(diào)節(jié)能力，則需要有總?cè)萘? 0 的蓄能裝機(jī)。 截至2 0 0 4 年底，我國(guó)已建成抽水蓄能電站1 3 座，裝機(jī)容量5 7 2 5 m w ，僅占全國(guó)總 裝機(jī)容量1 3 ( 見(jiàn)表1 1 ) 4 7 1 。目前在建的抽水蓄能電站共計(jì)1 3 座，總裝機(jī)規(guī)模 1 3 6 2 0 m w 。按保守?cái)?shù)值5 的比例估算我國(guó)近期和遠(yuǎn)景所需抽水蓄能電站容量：到 2 0 1 0 年，我國(guó)還需有1 0 6 5 5 m w 的新項(xiàng)目建成投產(chǎn)；到2 0 2 0 年，還需再有1 5 0 0 0 m w 的新項(xiàng)目建成投產(chǎn)。由此可見(jiàn)，今后我國(guó)抽水蓄能電站建設(shè)的任務(wù)相當(dāng)繁重。 2揚(yáng)州人學(xué)碩士學(xué)位論文 表1 1 我國(guó)已建抽水蓄能電站覽表 裝機(jī)容量 序號(hào)電站名稱建設(shè)地點(diǎn)開(kāi)發(fā)形式 投產(chǎn)時(shí)間 機(jī)組廠商 ( m w ) l崗南 河北平山縣混合式 1 l l1 9 6 8 日本富十 2密云 北京密云縣混合式 2 1 11 9 7 3 天發(fā) 3 寸塘口四川彭溪純蓄能 2 1 1 9 9 2 東電 4 潘家口河北遷西縣混合式 3 9 01 9 9 2意e w d p 5 j “州一期廣東從化縣純蓄能 4 3 0 0 1 9 9 4法g e c 6 十三陵北京昌平縣純蓄能 4 2 0 01 9 9 7 美v r o i t h 7 羊卓雍湖西藏貢嘎縣純蓄能 4 2 2 51 9 9 7 奧v b i t h 8 溪口浙江奉化縣線蓄能 2 4 4 1 9 9 8瑞s e w 9 廣州二期j 。東從化縣純蓄能 4 3 0 02 0 0 0 德v o i t h 1 0 天荒坪浙江安吉到純蓄能 6 3 0 0 2 0 0 0挪k v a e m e r 1 1 晌洪甸安徽金寨縣混合式2 5 52 0 0 0 東電 1 2 天堂湖北羅田縣純蓄能 2 3 52 0 0 1奧m c e 1 3 沙河江蘇溧阿l 市純蓄能2 5 02 0 0 2法a l s l 、o m 目前，抽水蓄能電站正在向大型化、高水頭、大容量發(fā)展2j 【3 1 。水頭越高， 相對(duì)流量較小，水泵水輪機(jī)就越緊湊，抽水蓄能電站所需的上下水庫(kù)的庫(kù)容就越 小，建造費(fèi)用就越低，對(duì)周?chē)沫h(huán)境的影響就越小。據(jù)統(tǒng)計(jì)，到上世紀(jì)末世界己 建容量大于1 0 0 萬(wàn)k w 以上的抽水蓄能電站有5 0 余座，總?cè)萘? 0 0 0 萬(wàn)k w 以上， 占當(dāng)時(shí)世界和在建裝機(jī)總?cè)萘康? 以上。我國(guó)抽水蓄能電站建設(shè)雖然啟步較晚， 但發(fā)展較快，從電站規(guī)模上、從技術(shù)上均已躋身世界先進(jìn)行列( 機(jī)組制造除外) 。廣 州抽水蓄能電站裝機(jī)2 4 0 萬(wàn)k w ( 8 3 0 萬(wàn)k 、聊，是目前世界上最大的抽水蓄能電站， 此前國(guó)外最大的抽水蓄能電站是美國(guó)巴斯康蒂2 1 0 萬(wàn)千瓦( 6 3 5 萬(wàn)k 聊。隨著科 學(xué)技術(shù)的發(fā)展，可逆機(jī)組的應(yīng)用水頭不斷提高，目前單級(jí)可逆機(jī)組的應(yīng)用水頭已 超過(guò)常規(guī)水輪機(jī)。如日本的同立公司在關(guān)鍵技術(shù)上取得了突破制造了7 0 0 m 一 4 0 0 m w 級(jí)的水泵水輪機(jī)組，并于1 9 9 9 年1 2 月安裝在日本的神流川( k 鋤a g a 、v a ) 抽水蓄能電站( 6 x 4 5 0 m w ，h p m a x = 7 2 8 ) 【2 】【5 】【4 】。 蔡鐵力：可逆式水泵水輪全特性曲線處理及可視化研究 抽水蓄能電站在電網(wǎng)中將起著越來(lái)越重要的作用，其能否安全、高效運(yùn)行直 接關(guān)系到電網(wǎng)的質(zhì)量和可靠性。為確保抽水蓄能電站安全可靠運(yùn)行，需要進(jìn)行過(guò) 渡過(guò)程計(jì)算。由于抽水蓄能電站具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、工況多變、起停頻繁、雙向運(yùn)行、 高水頭等特點(diǎn)，其過(guò)渡過(guò)程除具有一般常規(guī)電站過(guò)渡過(guò)程特性外，還具有其特殊 性。抽水蓄能電站過(guò)渡過(guò)程綜合了水輪機(jī)和水泵過(guò)渡過(guò)程特性，就單個(gè)工況及單 一過(guò)渡過(guò)程而言，它和水輪機(jī)或水泵的過(guò)渡過(guò)程并無(wú)本質(zhì)區(qū)別，但是抽水蓄能機(jī) 組多為高水頭可逆式機(jī)組，其全特性曲線和一般水輪機(jī)或水泵全特性曲線差異較 大，故對(duì)過(guò)渡過(guò)程計(jì)算有較大的影響。而且由于其開(kāi)停靈活，升降負(fù)荷迅速，不 可必免的要頻繁變換工況，而其過(guò)渡過(guò)程計(jì)算對(duì)安全可靠運(yùn)行關(guān)系重大。在過(guò)渡 過(guò)程計(jì)算中，需要頻繁應(yīng)用可逆式水泵水輪機(jī)的全特性曲線以求機(jī)組的瞬變參數(shù)。 通常給定的水泵水輪機(jī)特性曲線【9 】在水輪機(jī)飛逸工況和制動(dòng)工況區(qū)域出現(xiàn)“s ” 型，在水泵工況區(qū)有交叉和重疊現(xiàn)象，若直接應(yīng)用該曲線進(jìn)行插值計(jì)算有時(shí)會(huì)帶 來(lái)較大的誤差，且由于其存在多值性，可能使插值無(wú)法進(jìn)行。因此，對(duì)可逆機(jī)組 全特性曲線的處理已成為直接影響到抽水蓄能電站過(guò)渡過(guò)程計(jì)算精度、可靠性關(guān) 鍵問(wèn)題，對(duì)保證抽水蓄能電站的安全可靠運(yùn)行有著極其重要的意義。 1 2 國(guó)內(nèi)外研究狀況 水輪機(jī)內(nèi)水流動(dòng)比較復(fù)雜，尤其在工況過(guò)渡過(guò)程，其水力要素、性能特性變 化快，幅值大。原則上，在分析水力一機(jī)械過(guò)渡過(guò)程時(shí)應(yīng)該使用水輪機(jī)動(dòng)態(tài)特性， 但很難通過(guò)模型試驗(yàn)獲得，目前使用水輪機(jī)穩(wěn)態(tài)特性曲線來(lái)分析動(dòng)態(tài)過(guò)程。水輪 機(jī)的穩(wěn)態(tài)特性具有明顯的非線性，目前水輪機(jī)特性曲線處理常采用的數(shù)值計(jì)算法 可分為外特性數(shù)值算法和內(nèi)特性算法【1 0 兒1 1 1 兩大類。 外特性數(shù)值算法主要依賴于完整的水輪機(jī)模型綜合特性曲線，在計(jì)算機(jī)仿真 時(shí)可將水輪機(jī)模型綜合特性曲線離散化處理后以數(shù)組的方式存入計(jì)算機(jī)。此解法 必須依賴于完整的水輪機(jī)模型綜合特性曲線，而目前僅有少數(shù)幾種型號(hào)的水輪機(jī) 具有完整的模型綜合特性曲線，大多數(shù)只給出了高效區(qū)的模型綜合特性曲線。因 此對(duì)于小開(kāi)度情況及飛逸工況需將模型綜合曲線進(jìn)行外延處理。 內(nèi)特性算法是在無(wú)需知道完整的水輪機(jī)綜合特性曲線的情況下，只需要已知 4 揚(yáng)州人學(xué)碩十學(xué)何論文 水輪機(jī)及其裝置的基本結(jié)構(gòu)參數(shù)以及過(guò)渡過(guò)程計(jì)算的初始條件，根據(jù)葉片式水力 機(jī)械的廣義基本方程求出在不穩(wěn)定工況下水輪機(jī)動(dòng)態(tài)力矩和動(dòng)態(tài)流量。但是有些 結(jié)構(gòu)參數(shù)不易取得，并且對(duì)小開(kāi)度的效率特性的描述不夠精確，存在一定誤差。 由試驗(yàn)獲得的水泵水輪機(jī)全特性曲線在飛逸和制動(dòng)工況區(qū)存在“s 型，在有 些區(qū)域還出現(xiàn)重疊和交叉，給過(guò)渡過(guò)程計(jì)算帶來(lái)一定的困難。為了便于過(guò)渡過(guò)程 計(jì)算，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)全特性曲線處理方法進(jìn)行了大量的研究。 文獻(xiàn) 1 2 】為便于插值計(jì)算，將全特性曲線用很多直線段來(lái)代替，實(shí)際運(yùn)算結(jié)果 證明用足夠小的直線段來(lái)代替曲線擬合，在精度上相差不大，但計(jì)算速度則降低 很多。另外還可以在全特性曲線上畫(huà)上一套與開(kāi)度線大體上正交的曲線，形成網(wǎng) 格以利求取中間值。 文獻(xiàn) 1 3 】為避免在開(kāi)度線有交叉或“s ”型時(shí)取值的困難，建議將通常以啊為 坐標(biāo)的特性曲線改用口。為坐標(biāo)來(lái)代替，其中口。= 口。口。一。這樣處理后全特 性曲線就“展開(kāi)”，而不再出現(xiàn)交叉或反彎了。 文獻(xiàn) 1 4 】將四象限內(nèi)的全特性曲線轉(zhuǎn)換為兩條周期性變化的曲線，將轉(zhuǎn)換后 的特性曲線可以用直角坐標(biāo)表示或用極坐標(biāo)表示。s u t e r - f o m 利用無(wú)因次參數(shù)以導(dǎo) 葉開(kāi)度為參數(shù)將可逆式水泵水輪機(jī)全特性曲線轉(zhuǎn)換為s u t e r 曲線，經(jīng)s u t e r 轉(zhuǎn)換后 的全特性曲線，原曲線兩邊被相對(duì)拉平，并有效地改善了多值性給插值計(jì)算帶來(lái) 的困難。文獻(xiàn) 1 2 】在s u t e r 曲線的基礎(chǔ)上進(jìn)行了某些改進(jìn)，引進(jìn)一個(gè)新變量y ，即 開(kāi)度相對(duì)值y = a 。a ?；鶞?zhǔn)，該修正方法改善了等開(kāi)度線的分布不均勻性，提高了插值 效果，但此方法僅僅改善了s u t e r 法中的第一缺陷。 文獻(xiàn)【1 6 】根據(jù)全特性曲線本身的幾何形狀，將整個(gè)復(fù)雜計(jì)算區(qū)域分割成若干較 為簡(jiǎn)單的子區(qū)域分區(qū)后，每個(gè)子區(qū)域形狀相對(duì)簡(jiǎn)單，采用精度較好的插值方法來(lái) 模擬曲線。文獻(xiàn) 1 5 】利用分段函數(shù)對(duì)最高效率曲線進(jìn)行擬合，每段的擬合函數(shù)用二 次多項(xiàng)式擬合。還有在s u t e r 全性能曲線的基礎(chǔ)上，將可逆式水泵水輪機(jī)的全特性曲 線表示為以相對(duì)流動(dòng)角x 和導(dǎo)葉開(kāi)度y 為自變量的曲面函數(shù)，用矩形域最小二乘曲 面擬合數(shù)學(xué)模型和計(jì)算機(jī)仿真擬合曲面方程，并提出了實(shí)用可靠的曲面分層擬合方 法計(jì)算任一導(dǎo)葉開(kāi)度和相對(duì)流動(dòng)角下的w h ( x 、y ) 和w m ( x 、y ) 值，為抽水蓄能電站 蔡鐵力：可逆式水泵水輪全特性曲線處理及可視化研究 過(guò)渡過(guò)程計(jì)算提供了一種新的全特性曲線處理方法【9 】【l 引。 在文獻(xiàn) 1 2 】 2 1 用表的型式儲(chǔ)存，在過(guò)渡過(guò)程計(jì)算中，對(duì)于不在表格中的y ， x ，則用插值法求得。文獻(xiàn) 1 8 】經(jīng)過(guò)改進(jìn)給出了可連續(xù)求導(dǎo)的連續(xù)性擬合函數(shù)采用 此變換方法可以實(shí)現(xiàn)在同一過(guò)渡過(guò)程中全開(kāi)到全關(guān)( 或從全關(guān)到全開(kāi)) 的各種水力 瞬變過(guò)程的計(jì)算，改善了各種導(dǎo)葉開(kāi)度工況特別是零開(kāi)度和小開(kāi)度工況全特性曲 面的擬合精度。文獻(xiàn)【1 9 采用擬合一移動(dòng)最小二乘近似的方法，進(jìn)一點(diǎn)提高了精度。 文獻(xiàn) 2 0 】用極坐標(biāo)法對(duì)水輪機(jī)效率曲線進(jìn)行數(shù)字化。文獻(xiàn) 2 1 】 2 2 】 2 3 】用人工神經(jīng)網(wǎng) 絡(luò)的智能模塊進(jìn)行水輪機(jī)試驗(yàn)曲線仿真處理方法。文獻(xiàn)【2 4 】利用徑向基函數(shù)神經(jīng) 網(wǎng)絡(luò)處理水輪機(jī)綜合特性曲線。 這些方法在不同程度上改善全特性曲線分布不均勻，交叉和重疊多值性等缺 陷，但還存在計(jì)算量大，精度不夠，特別在插值上不能很有效的進(jìn)行人機(jī)交流等 問(wèn)題需進(jìn)一步改進(jìn)和完善。本文在對(duì)各種全特性曲線處理方法進(jìn)行分析對(duì)比的基 礎(chǔ)上，提出三維曲面處理方法，把以y 為參變量的二維曲線轉(zhuǎn)換為以相對(duì)流動(dòng)角x 和導(dǎo)葉開(kāi)度y 為自變量的三維曲面形式，通過(guò)最小二乘曲面擬合數(shù)學(xué)模型求得相 應(yīng)的曲面。在實(shí)用中根據(jù)計(jì)算進(jìn)程的需要，采用分區(qū)擬合法，進(jìn)一步提高精度。 在對(duì)幾種編程軟件進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，確定采用v i s 砌b a s i c 和a u t o c a d 混合編程， 對(duì)可逆式水泵水輪機(jī)全特性曲線進(jìn)行數(shù)值處理及圖形顯示，以便更有效的進(jìn)行人 機(jī)交流。 1 3 研究?jī)?nèi)容及研究方法 l 、本文的主要研究?jī)?nèi)容包括： ( 1 )分析葉片式水力機(jī)械主要參數(shù)及綜合性能特性，探討可逆式水泵水輪 機(jī)過(guò)渡過(guò)程各工況特性。 ( 2 ) 研究分析已有的可逆式水泵水輪機(jī)全特性曲線的處理方法，比較其優(yōu) 缺點(diǎn)，并提出全特性曲線處理新方法。 ( 3 ) 通過(guò)對(duì)幾種常用編程軟件的分析對(duì)比，確定采用s u a lb a s i c 和a u t o c a d 混合編程，開(kāi)發(fā)可視化系統(tǒng)。 6 揚(yáng)州人學(xué)碩十學(xué)位論文 2 研究的具體方法為： ( 1 ) 本文以s u t e 卜f o m 轉(zhuǎn)換后的全特性曲線為資料，在研究分析國(guó)內(nèi)外學(xué)者 們的處理方法的基礎(chǔ)上，提出改進(jìn)方法，并建立數(shù)學(xué)模型。 ( 2 ) 在對(duì)當(dāng)前幾種常用編程軟件進(jìn)行分析對(duì)比的基礎(chǔ)上，確定采用s 岫1 b a s i c 和a u t o c a d 為平臺(tái)開(kāi)發(fā)研制全特性曲線可視化系統(tǒng)。采用混合編 程技術(shù)，利用v i s u a lb a s i c 語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)主要的數(shù)值計(jì)算功能，a u t o c a d 實(shí) 現(xiàn)與用戶交互的圖形界面。 ( 3 ) 為進(jìn)一步提高系統(tǒng)的通用性，系統(tǒng)還增加了多種曲線處理方法及水泵、 水輪機(jī)性能曲線庫(kù)這兩項(xiàng)功能。 蔡鐵力：可逆式水泵水輪全特性曲線處理及可視化研究 7 第二章葉片式水力機(jī)械主要參數(shù)及綜合性能特性 2 1 葉片式水力機(jī)械主要參數(shù) 葉片式水力機(jī)械工作具有可逆的特點(diǎn)，既可作為原動(dòng)機(jī)使用的水輪機(jī)運(yùn)行， 也可作為工作機(jī)械的水泵運(yùn)行。實(shí)際上，葉片式水力機(jī)械可能運(yùn)行的工況有很多 種，各種工況的性質(zhì)由其主要工況參數(shù)的大小和方向決定的。 在常規(guī)水電站中，水輪機(jī)作原動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，將水能轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)的機(jī)械能，驅(qū)動(dòng)發(fā) 電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)而發(fā)電，這種工況稱為水輪機(jī)工況，或稱為向心式水輪機(jī)工況。但在過(guò) 渡過(guò)程中，水輪機(jī)可能在性質(zhì)不同的其他工況下運(yùn)轉(zhuǎn)，此時(shí)它的主要工況參數(shù)有 些將發(fā)生方向的改變。 表征水力機(jī)械工況性質(zhì)的主要工況參數(shù)有：水頭h 、流量q 、軸端力矩m 和 轉(zhuǎn)速n 等。各主要工況參數(shù)正、負(fù)或零有實(shí)際意義的不同組合，構(gòu)成了葉片式水 力機(jī)械的不同工況。為了研究水泵水輪機(jī)過(guò)渡過(guò)程，必須確定其全特性，即在各 種工況下的特性。而在抽水蓄能電站中，工況變換更為復(fù)雜、頻繁，其主要工況 參數(shù)的數(shù)值或方向亦將頻繁變化。因此，需對(duì)主要工況參數(shù)的正負(fù)作相應(yīng)的規(guī)定。 2 1 1 水頭h 葉片式水力機(jī)械的水頭h 定義為轉(zhuǎn)輪進(jìn)、出口的水流比能差。葉片式水力機(jī) 械的裝置水頭h ，定義為蝸殼首部與尾水管尾部水流的比能差。前者又可稱為內(nèi)水 頭，后者則為外水頭。在穩(wěn)定工況下，兩者數(shù)值相近，只相差引、排水室的水力 損失。由于內(nèi)水頭h 難以測(cè)量，故在穩(wěn)定工況下采用裝置水頭h ，作為工作參數(shù)h 。 葉片式水力機(jī)械主要參數(shù)符號(hào)參見(jiàn)圖2 1 。定義水頭h 為蝸殼首部a a 截面 比能e 。減尾水管尾部b b 截面比能eb ，即 h = e 一一e 且 ( 2 - 1 ) 揚(yáng)州人學(xué)碩十學(xué)何論文 心愛(ài)2 ， j 昭z g ( 2 2 ) | e b = 酗是+ 善i腭z g a 圖2 1 葉片式水力機(jī)械主要工況參數(shù) 符號(hào)定義 流方向由尾水管流向蝸殼時(shí)，流量為正值。前者又稱為向心流動(dòng)，后者稱為離心 流動(dòng)。 在水輪機(jī)工況下，水由蝸殼流向尾水管，流量為負(fù)值，這種工況又可稱為向心 式水輪機(jī)工況。而對(duì)水泵工況，水由尾水管流向蝸殼，流量為正值，這種工況又 可稱為離心式水泵工況。 流量的正、負(fù)之所以這樣定義，是為了研究葉片式水力機(jī)械全特性的方便，因 為全特性的試驗(yàn)裝置，一般采用水泵試驗(yàn)裝置，故將水泵工況下的參數(shù)定義為正 值。這種定義方式稱為以水泵工況參數(shù)為正值的定義方式。當(dāng)然，如果以水輪機(jī) 工況的參數(shù)定義為j 下值，則水泵的某些參數(shù)為負(fù)值。本文采用前者。 2 1 3 轉(zhuǎn)速n 轉(zhuǎn)速指轉(zhuǎn)輪每分鐘的旋轉(zhuǎn)數(shù)。當(dāng)轉(zhuǎn)輪的旋轉(zhuǎn)方向相對(duì)于蝸殼的平面圖是由蝸 殼尾部旋向首部時(shí)，定義轉(zhuǎn)速n 為j 下值；反之，當(dāng)轉(zhuǎn)向是由蝸殼首部旋向尾部時(shí)， 轉(zhuǎn)速n 則定義為負(fù)值( 見(jiàn)圖2 1 ) 。 2 1 4 軸端力矩m 軸端力矩m 指葉片式水力機(jī)械轉(zhuǎn)軸上作用的扭轉(zhuǎn)力矩，該力矩即水流對(duì)轉(zhuǎn)輪 作用的力矩。 蔡鐵力：可逆式水泵水輪全特性曲線處理及可視化研究 9 軸端力矩m 的正方向定義為由蝸殼首部旋向尾部的方向；反之，當(dāng)軸端力矩m 的方向是由蝸殼尾部旋向首部時(shí)，其值為負(fù)。根據(jù)這一定義，水輪機(jī)與水泵兩種 工況下的軸端力矩，均為正值。 2 1 5 軸功率n 及軸向推力p 。 除上述四個(gè)主要工況參數(shù)作為劃分葉片式水力機(jī)械工況的參數(shù)外，為了研究 過(guò)渡過(guò)程的需要，有時(shí)還需對(duì)軸功率n 及軸向水推p 作相應(yīng)的規(guī)定。 通常，葉片式水力機(jī)械與電機(jī)軸直聯(lián)，該軸上的功率便為軸功率n 。當(dāng)功率 由轉(zhuǎn)輪傳給電機(jī)時(shí)，軸功率定義為負(fù)值；當(dāng)由電機(jī)傳給轉(zhuǎn)輪時(shí)，定義為正值。軸 功率n 由軸端力矩m 與轉(zhuǎn)速n 決定 n ：m ：三m n 3 0 ( 2 3 ) 顯然，根據(jù)上述m 與n 的符號(hào)定義，可以由上式定義軸功率n 的符號(hào)。泵工 況下m 與n 為正值，故n 亦為正值；水輪機(jī)工況下的力矩m 為正值，而轉(zhuǎn)速n 為負(fù)值。根據(jù)上述的m 與n 的定義，當(dāng)m 與n 相對(duì)蝸殼平面的旋向一致時(shí)，n 為 負(fù)值，而當(dāng)m 與n 的旋向不同時(shí)，n 為正值。 軸向推力p 是葉片式水力機(jī)械止推軸承承受的由水壓引起的載荷。當(dāng)軸向水 推力的方向?yàn)橛赊D(zhuǎn)輪指向尾水管時(shí)，定義為正值；反之，為負(fù)值。對(duì)于立式機(jī)組， 軸向水推力向上為負(fù)，向下為j 下。 2 2 葉片式水力機(jī)械的主要工況及全特性 2 2 1 水力機(jī)械的主要工況 抽水蓄能電站過(guò)渡過(guò)程綜合了水輪機(jī)和水泵過(guò)渡過(guò)程特性，就單個(gè)工況及單 一過(guò)渡過(guò)程而言，它和水輪機(jī)或水泵的過(guò)渡過(guò)程并無(wú)本質(zhì)差別，但是，抽水蓄能 電站多為高水頭可逆式機(jī)組，其全特性曲線和一般水輪機(jī)或水泵全特性曲線差異 較大，且不可必免的要頻繁變換工況，這就需要研究、分析水力機(jī)械各種工況性 質(zhì)及發(fā)生條件。 水輪機(jī)工況：水力機(jī)械為原動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，功率由轉(zhuǎn)輪傳給發(fā)電機(jī)，軸功率n o 。 水力制動(dòng)器工況：水力機(jī)械為工作機(jī)械，電機(jī)為原動(dòng)機(jī)，軸功率p 0 ，但流經(jīng) 轉(zhuǎn)輪的水流能量減小，即q h 0 ，q o ，m 0 ，n 0 ，因而 軸功率p o 。水流流經(jīng)轉(zhuǎn)輪后能量增加，即q h 0 。 第1 i 工況區(qū)域?yàn)橄蛐氖剿χ苿?dòng)器工況區(qū)。試驗(yàn)時(shí)，由離心泵工況點(diǎn)a 開(kāi)始， 在保持轉(zhuǎn)速不變與轉(zhuǎn)向不變的情況下，增大水泵裝置揚(yáng)程( 水頭) ，將導(dǎo)致水泵倒 流。此時(shí)，盡管能量下不斷向轉(zhuǎn)輪輸入，但水仍倒流，水流流過(guò)轉(zhuǎn)輪后，由于轉(zhuǎn) 輪的制動(dòng)作用，使其能量反而減小，即原動(dòng)機(jī)的輸入能量被無(wú)益消耗。此時(shí) h o ，q o ，n 0 ，因而軸功率n o ，而q h o ，因而1 1 0 、q 0 、 n o ，軸功率p 0 。水流流經(jīng)轉(zhuǎn)輪后能量減小，即q h 0 、q 0 、 m 0 ( r l 0 ) 、n 0 、 q 0 、m o 、n 0 、q h 0 、t 1 o 。 第v 工況區(qū)域?yàn)橄蛐氖剿霉r區(qū)。從第工況區(qū)域的工況點(diǎn)開(kāi)始，當(dāng)繼續(xù) 維持轉(zhuǎn)速不變而降低水頭時(shí)，則流量將繼續(xù)降低，當(dāng)達(dá)到圖2 2 中g(shù) 點(diǎn)時(shí)，水頭 為零。如再降低水頭則其符號(hào)改變。流量繼續(xù)減小，從而工況點(diǎn)進(jìn)入第v 區(qū)。該 區(qū)域中h 0 、q 0 ，即流經(jīng)轉(zhuǎn)輪的水流能量增大，m 0 、n 0 ，原動(dòng) 機(jī)輸入功率。 蔡鐵力：可逆式水泵水輪全特性曲線處理及可視化研究 1 3 第工況區(qū)域?yàn)殡x心式水力制動(dòng)器工況區(qū)。試驗(yàn)時(shí)，從g 點(diǎn)開(kāi)始維持轉(zhuǎn)速不 變，增大尾水管能頭，從而使水頭改變符號(hào)。當(dāng)水頭絕對(duì)值增大時(shí)，流動(dòng)方向?qū)?發(fā)生改變，即從向心流動(dòng)改變?yōu)殡x心流動(dòng)。在該區(qū)域中h 0 、m o 、n 0 、q h 0 ，即轉(zhuǎn)輪接受外部電動(dòng)機(jī)的功率，而流經(jīng)轉(zhuǎn)輪的水流能量 減小，輸入的能量被無(wú)益消耗。此時(shí)t 1 o 。 第工況區(qū)域?yàn)殡x心式水輪機(jī)工況區(qū)。試驗(yàn)時(shí)由i 點(diǎn)開(kāi)始維持流量不變，降低 轉(zhuǎn)速，即通過(guò)增大尾水管的能頭，使水頭的絕對(duì)值增大，從而使轉(zhuǎn)輪上作用的水 力矩增大，并使轉(zhuǎn)輪的轉(zhuǎn)向改變，此時(shí)h 0 、m 0 ，因而軸功率p 0 ， 而q h o 。o k 線為 飛逸工況線。 第工況區(qū)域?yàn)殡x心流動(dòng)水力制動(dòng)器工況區(qū)。試驗(yàn)時(shí)，由k 點(diǎn)開(kāi)始增大轉(zhuǎn)速 而保持流量不變。此時(shí)，電機(jī)以電動(dòng)機(jī)方式運(yùn)行，向轉(zhuǎn)輪輸入功率，但流經(jīng)轉(zhuǎn)輪 的水流能量反而減小，即輸入的能量無(wú)益消耗。在該區(qū)域的工況點(diǎn)h o 、 m 0 、n 蘭o ，貝4p 0 、q h o ：q = o ，n 0 。顯然前者為閥門(mén)全 關(guān)閉的泵工況，后者則為水輪機(jī)的調(diào)相工況。這樣，在以流量q 和轉(zhuǎn)速n 為直角 坐標(biāo)系的四象限平面內(nèi)，一共包括了葉片式水力機(jī)械可能的十二種工況。由坐標(biāo) 原點(diǎn)引出任何方向的射線上的所有工況點(diǎn)，近似地認(rèn)為工況是相似的，它們具有 相同的q n 比值。表2 1 列出了葉片式水力機(jī)械各種工況下主要工況參數(shù)的符號(hào)。 1 4揚(yáng)州人學(xué)碩十學(xué)何論文 表2 1 葉片式水力機(jī)械各種l ：況下土要i ：況參數(shù)的符號(hào) j r ：況名區(qū)域代 軸功率能量 水頭h 流量q轉(zhuǎn)速n 力矩m 效率” 稱號(hào)pq h 水泵i + + 離 制動(dòng)器 + 心 水輪機(jī) + + 流 制動(dòng)器 + 動(dòng) m = o 區(qū) 飛逸 + oo 0 線 制動(dòng)器 i i + 向 水輪機(jī) + + + 心 制動(dòng)器 + 流 水泵 v+ + + 動(dòng) m = 0 區(qū) 飛逸 + oo0 線 對(duì)于低比轉(zhuǎn)速葉片式水力機(jī)械，轉(zhuǎn)輪具有較長(zhǎng)的徑向流道，因而在水頭與導(dǎo) 葉開(kāi)度一定的情況下，流量將隨轉(zhuǎn)速的升高而減小，相應(yīng)與圖2 2 中第三象限h = 0 的射線，將位于第四象限。除此之外，其他工況區(qū)域在四象限的分布情況，與圖 2 2 所示的相同。 如果沿四象限平面上不同邊長(zhǎng)的矩形重復(fù)試驗(yàn)，分別確定平面內(nèi)足夠多的工 況點(diǎn)的工況參數(shù)值，并將這些參數(shù)轉(zhuǎn)化為相對(duì)值，從而可以得到以相對(duì)值表示的 葉片式水力機(jī)械全特性的等值線圖。 蔡鐵力：可逆式水泵水輪全特性曲線處理及可視化研究 1 5 似c ， 1 0 也。1 2 l 1 0 髫緩 夕多一 jl o 8 ，廠 o 一一o 6 悠 蘢 夕多 0 5 么幺影，o r ，r一 髟 猊 7 一 一 i 5 1 t霧 i 4 夠乃： 一一一一，一_ i 2 ， ， ，q f 優(yōu)( ， ，壇 r 、n i， i， 、， ，：， o 5 、 “i心 、 粼仝 i 心念 。1 2 7、，i ill |、 - y ( a ) fi f，黑 l、 。 l 。心遑 月 、o o t 、廠 f 舀j一0 八刪纊 - 、 ， 、- 一一多琵 ：- l 礪 二一o o 二2 。q | ，形殤 二? h i ： l 一l l o 一o 5- 1 匆膨7 i ，。 級(jí) 一2 釤幺茄 d 6 o ；i - 廠 ，l | lt d 4 ， i 一， ( b ) 圖2 3葉片式水力機(jī)械全特性等值線 圖2 3 示出了由試驗(yàn)測(cè)得的葉片式水力機(jī)械全特性等值線。這些等值線是導(dǎo) 葉開(kāi)度一定，相對(duì)水頭h = h ，h 。與相對(duì)力矩m = m m 。的等值線，其中h 。、m 。分別 1 6揚(yáng)州火學(xué)碩十學(xué)位論文 為泵工況下最優(yōu)工況點(diǎn)的水頭和力矩。圖中縱坐標(biāo)為轉(zhuǎn)速相對(duì)值產(chǎn)訓(xùn)n 。，橫坐標(biāo) 為流量相對(duì)值q = q q 。這組曲線給定了導(dǎo)葉開(kāi)度一定的條件下，該葉片式水力機(jī) 械水頭、力矩等在四象限平面上全部可能的變化規(guī)律。在曲線圖上，各有一條用 粗實(shí)線表示的水泵動(dòng)力切斷、導(dǎo)葉拒不做關(guān)閉動(dòng)作時(shí)，水泵倒流、倒轉(zhuǎn)、直至飛 逸的過(guò)渡過(guò)程歷程線。 2 3 可逆式水泵水輪機(jī)全特性 水泵水輪機(jī)全特性的概念首先是從離心泵的應(yīng)用中提出的。當(dāng)一臺(tái)正常運(yùn)行 的水泵突然失去動(dòng)力后，而閘閥又未能j 下常關(guān)閉時(shí)，水流在很短時(shí)間內(nèi)就失去慣 性而反向下流，而泵和電機(jī)的機(jī)械慣性使泵保持原來(lái)方向旋轉(zhuǎn)，水流沖擊葉輪起 制動(dòng)作用，使轉(zhuǎn)速下降直至零。此后，葉輪反轉(zhuǎn)過(guò)來(lái)向水輪機(jī)方向旋轉(zhuǎn)，最終達(dá) 到水輪機(jī)方向的飛逸轉(zhuǎn)速。這一過(guò)程經(jīng)歷水泵工況、制動(dòng)工況和水輪機(jī)工況三個(gè) 區(qū)【2 5 】【2 6 】。 為了全面研究葉片式水力機(jī)械的全特性，可以在專用的模型試驗(yàn)裝置上進(jìn)行 廣泛的性能試驗(yàn)。這種試驗(yàn)裝置可以在試驗(yàn)過(guò)程中靈活地改變和調(diào)整水頭h 、流 量q 、轉(zhuǎn)速n 、軸端力矩m 等工作參數(shù)的大小和方向，從而改變水力機(jī)械的工況。 為了試驗(yàn)的需要，測(cè)功的電機(jī)既可作為電動(dòng)機(jī)，又可作為發(fā)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，并可方便 地調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)向。試驗(yàn)裝置配備精度較高，并能適應(yīng)雙向流動(dòng)與雙向轉(zhuǎn)動(dòng)的各 種測(cè)量設(shè)備。這種專用試驗(yàn)裝置既可測(cè)得到試驗(yàn)轉(zhuǎn)輪的全特性，同時(shí)又可對(duì)工況 性質(zhì)及過(guò)渡過(guò)程方式進(jìn)行研究。 圖2 3 是試驗(yàn)測(cè)得的葉片式水力機(jī)械全特性等值線，所示的全特性曲線雖然很 直觀，但每條射線q n = c ( 常數(shù)) 僅代表一種相似工況，特性曲線的通用性較差。 如采用單位流量q ：及單位轉(zhuǎn)速n ：建立的坐標(biāo)系來(lái)繪制全特性，則每個(gè)點(diǎn)代表一種 工況，因此有較好的綜合性質(zhì)，這種全特性曲線稱為綜合全特性曲線( 如圖2 4 ) 。 蔡鐵力：