葉片式水力機(jī)械的全特性(Q-H).doc

葉片式水力機(jī)械的全特性（QH坐標(biāo)）（1）轉(zhuǎn)速為正（n 0）時(shí)軸流式機(jī)組特性曲線。如圖3-3（a）所示，曲線AB段的H、Q、n、M均為正值，則QH0，0，由工況定義知，AB為水泵工況。BC段的Q、n、M為正，H為負(fù)，則QH0，轉(zhuǎn)輪輸入功率，此為制動(dòng)工況。C點(diǎn)M=0，亦即P=0，QH0，為飛逸工況，水流流經(jīng)轉(zhuǎn)輪減少的能量用于克服飛逸時(shí)的機(jī)械損耗。C點(diǎn)以下的Q、n為正，H、M為負(fù)，則QH0，水流能量減少，0，轉(zhuǎn)輪向外輸出功率，此為水輪機(jī)工況。不過這時(shí)的水流由尾水管流向蝸殼，是倒沖式水輪機(jī)工況，一般稱為反水輪機(jī)工況。A點(diǎn)以左，Q為負(fù)值，其它參數(shù)均為正值，則QH0，亦為制動(dòng)工況。所以n為某一正值時(shí)，水力機(jī)組自左至右經(jīng)歷了制動(dòng)工況、水泵工況、制動(dòng)工況及反水輪機(jī)工況四個(gè)工作狀態(tài)。圖3-3 三種轉(zhuǎn)速下水力機(jī)組的全特性曲線 （2）轉(zhuǎn)速為零（n=0）時(shí)軸流式機(jī)組的特性曲線。此時(shí)水力機(jī)組在循環(huán)管道上實(shí)際上就成為局部阻力，因此，不管流量是正還是負(fù)，水流流經(jīng)轉(zhuǎn)輪后能量總是減少的，也不管扭矩是正還是負(fù)，因?yàn)檗D(zhuǎn)速為零，所以功率也必為零。故當(dāng)轉(zhuǎn)速為零時(shí)，整個(gè)特性曲線上的工況均為制動(dòng)工況，轉(zhuǎn)輪處的局部損失，所以曲線亦為拋物線，又因QH0，則H為正時(shí)，Q必為負(fù)，反之亦然，故曲線貫穿于、象限，如圖3-3（b）所示，但此拋物線不是水力機(jī)組相似工況點(diǎn)的拋物線。水流對(duì)轉(zhuǎn)輪的作用力矩等于水流進(jìn)出轉(zhuǎn)輪的動(dòng)量（）的變化量，由此可知，力矩的大小與流量的平方成正比，所以亦是一拋物線，其方向當(dāng)n=0時(shí)，水頭為正，力矩也為正，反之，水頭為負(fù)，力矩亦為負(fù)。如圖3-3（b）中虛線所示。圖3-3 三種轉(zhuǎn)速下水力機(jī)組的全特性曲線（3）轉(zhuǎn)速為負(fù)值（n0）時(shí)軸流式機(jī)組的特性曲線。如圖3-3（c）所示。首先觀察幾個(gè)特殊工況點(diǎn)：工況點(diǎn)D的M為零，即為飛逸工況點(diǎn)；工況點(diǎn)E的水頭為零；F點(diǎn)的流量為零。根據(jù)工況定義，D點(diǎn)以上H為正，M為正，而Q、n為負(fù)，則QH0，水流流經(jīng)轉(zhuǎn)輪后能量減少；而0，即外界輸入功率，水流能量反而減少，所以DE段為制動(dòng)工況；EF段的各參數(shù)均為負(fù)值，則QH0，0，水流流經(jīng)轉(zhuǎn)輪后能量增加，轉(zhuǎn)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(jī)在甩負(fù)荷時(shí)，往往會(huì)進(jìn)入該工況區(qū)，由于它的水頭為負(fù)，軸向力亦為負(fù)，就產(chǎn)生抬機(jī)力。F點(diǎn)以下的工況區(qū)其Q為正，其他各參數(shù)為負(fù)，QH0，即為制動(dòng)工況。圖3-3 三種轉(zhuǎn)速下水力機(jī)組的全特性曲線同理，當(dāng)轉(zhuǎn)速改變時(shí)，相似工況點(diǎn)也分別在各自的相似拋物線上。飛逸工況點(diǎn)在OD拋物線上，OE為零水頭線，OF為零流量線。由上述分析可知，n為負(fù)的區(qū)域也有拋物線OD、OE、OF分為四個(gè)區(qū)域，OD線以上為水輪機(jī)工況區(qū)，DOE為制動(dòng)工況區(qū)，EOF即第象限為反水泵工況區(qū)，OF以右部分為制動(dòng)工況區(qū)。 將圖3-3中 (a)、(b)、(c) 三個(gè)圖畫在同一坐標(biāo)內(nèi)，可得圖2的水力機(jī)組全特性曲線，過工況的分界點(diǎn)A、B、C、D、E、F的相似拋物線及轉(zhuǎn)速為零時(shí)的水頭線。JOI將整個(gè)坐標(biāo)系分為八個(gè)區(qū)域，每個(gè)區(qū)域?yàn)橐环N工況區(qū)，其中兩個(gè)區(qū)域是水泵工況區(qū)（正、反向水泵工況），兩個(gè)區(qū)域是水輪機(jī)工況區(qū)（正、反向水輪機(jī)工況）和四個(gè)制動(dòng)工況區(qū)。利用圖3-4，不論工況點(diǎn)落在坐標(biāo)平面的那一部分，就可立即判斷出水力機(jī)組此時(shí)在那個(gè)工況下運(yùn)行。圖3-4 水力機(jī)組全特性曲線須要指出的是，對(duì)固定幾何尺寸（即定型號(hào)、直徑、開度和轉(zhuǎn)角）的水力機(jī)械，用絕對(duì)值Q、H、n、M表示的四象限特性，看起來概念很清晰，但在同一張圖上只能表示固定直徑與開度（包括槳葉轉(zhuǎn)角）下的參數(shù)與特性之間的變化規(guī)律，若直徑和開度是變化的，則試驗(yàn)及應(yīng)用起來就很不方便。因此，與水輪機(jī)的綜合特性曲線一樣，通常采用單位轉(zhuǎn)速和單位流量為坐標(biāo)系統(tǒng)來描述可逆式水力機(jī)械的參數(shù)與特性之間的變化，用和坐標(biāo)系來描述扭矩的變化規(guī)律，而且多數(shù)水泵水輪機(jī)的特性曲線以水輪機(jī)工作參數(shù)為正來繪制。對(duì)于一般的水電站，水輪機(jī)可能的工作狀態(tài)（包括過渡過程在內(nèi)）有水輪機(jī)工況、制動(dòng)工況、飛逸工況和反水泵工況；對(duì)于裝有水泵水輪機(jī)的蓄能電站，水力機(jī)組可能的運(yùn)行方式有正、反向水泵工況、水輪機(jī)工況和兩個(gè)制動(dòng)工況區(qū)。例如在水泵斷電時(shí)，調(diào)速機(jī)構(gòu)失靈致使機(jī)組飛逸，而后手動(dòng)緊急關(guān)閉可能會(huì)出現(xiàn)上述情況。而只有潮汐電站上的水泵水輪機(jī)，因?yàn)殡S著潮位的漲落，水頭呈周期性的正負(fù)交替，其水力機(jī)組的運(yùn)行工況包括過渡過程才可能經(jīng)歷全部八個(gè)工況區(qū)。圖3-5所示是一比轉(zhuǎn)速為250，使用水頭為110左右的混流可逆式水力機(jī)械的綜合特性曲線，該曲線以為縱坐標(biāo)，為橫坐標(biāo)。在綜合特性曲線上給出了導(dǎo)葉等開度線、等單位力矩線及部分等效率線，利用該綜合特性，可確定其單位參數(shù)間的關(guān)系： 對(duì)于水輪機(jī)工況： （3-3）對(duì)于水泵工況： （3-4）式中：為單位功率；為單位扭矩。 下標(biāo)和分別代表水輪機(jī)工況和水泵工況相應(yīng)的參數(shù)。由式（3-3）和式（3-4），根據(jù)工況點(diǎn)的，及的坐標(biāo)可以找到、與之間的關(guān)系。由圖3-3可知，該種可逆機(jī)的水輪機(jī)最優(yōu)工況點(diǎn)的單位轉(zhuǎn)速接近于和。當(dāng)時(shí)，沿著等導(dǎo)葉開度線，隨的增加而急劇下降，這是混流可逆式水力機(jī)械的重要特性。與此同時(shí)，也下降。曲線表示飛逸工況（）。越過的線，在與之間為制動(dòng)工況（第I象限內(nèi)），直至超越縱坐標(biāo)，則機(jī)組處于反轉(zhuǎn)水泵工況區(qū)（第象限內(nèi)）。圖3-5 混流可逆式水力機(jī)械綜合特性在的水輪機(jī)工作范圍內(nèi)，單位流量變化不大。隨著的繼續(xù)減小，越過橫坐標(biāo)進(jìn)入第象限，為負(fù)值，此區(qū)域?yàn)橹苿?dòng)工況區(qū)。當(dāng)單位轉(zhuǎn)速接近時(shí)，所有的開度線趨于會(huì)合，流量急劇減少，并逐漸變?yōu)榱悖S后穿越縱坐標(biāo)進(jìn)入水泵工況區(qū)。由圖3-5還可以看出，開度彼此很接近，只有當(dāng)，才顯著地下降。可見，在水泵工況下，導(dǎo)水機(jī)構(gòu)的開度對(duì)混流可逆式水力機(jī)械的流量和功率影響較小。在水泵工況下，最高效率相應(yīng)于和，由于水泵工況下：而在水輪機(jī)工況下：于是可得：當(dāng)時(shí)，若在本例中采用，則得到，顯然它遠(yuǎn)高于水輪機(jī)的最優(yōu)單位轉(zhuǎn)速，這必然導(dǎo)致效率的降低。這是混流可逆式水力機(jī)械特性曲線的一個(gè)特點(diǎn)。為了保證可逆式水力機(jī)械的水泵工況和水輪機(jī)工況在高效區(qū)運(yùn)行，可以采用具有不同轉(zhuǎn)速且的電動(dòng)-發(fā)電機(jī)組，這種雙速電動(dòng)-發(fā)電機(jī)組已在我國得到應(yīng)用，但它們的造價(jià)昂貴。在研究暫態(tài)過程及電算的過程中，比較方便的是使用線性的轉(zhuǎn)速關(guān)系曲線，即流量、力矩及作用在水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪過流部件上的軸向水推力的關(guān)系曲線。圖3-6為重新繪制的在某一導(dǎo)葉開度時(shí)的水頭流量特性曲線及扭矩特性曲線。和四象限特性曲線相對(duì)照，就很容易判斷： 為正水泵工況區(qū)； 為制動(dòng)工況區(qū)； 為水輪機(jī)工況區(qū)； 為制動(dòng)工況區(qū)； 為反水泵工況區(qū)。而對(duì)于軸流式水力機(jī)械而言，在作水輪機(jī)工況運(yùn)行時(shí)，若發(fā)生甩負(fù)荷，機(jī)組往往會(huì)進(jìn)入?yún)^(qū)運(yùn)行。根據(jù)上面分析可知，水力機(jī)械在該區(qū)運(yùn)行時(shí)會(huì)受到一個(gè)抬機(jī)力的