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葉片式水力機械的全特性(QH坐標(biāo))(1)轉(zhuǎn)速為正(n 0)時軸流式機組特性曲線。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,此為制動工況。C點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的機械損耗。C點以下的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(fù)值,其它參數(shù)均為正值,則QH0,亦為制動工況。所以n為某一正值時,水力機組自左至右經(jīng)歷了制動工況、水泵工況、制動工況及反水輪機工況四個工作狀態(tài)。圖3-3 三種轉(zhuǎn)速下水力機組的全特性曲線 (2)轉(zhuǎn)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(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),因為轉(zhuǎn)速為零,所以功率也必為零。故當(dāng)轉(zhuǎn)速為零時,整個特性曲線上的工況均為制動工況,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,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組相似工況點的拋物線。水流對轉(zhuǎn)輪的作用力矩等于水流進出轉(zhuǎn)輪的動量()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,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)速下水力機組的全特性曲線(3)轉(zhuǎn)速為負(fù)值(n0)時軸流式機組的特性曲線。如圖3-3(c)所示。首先觀察幾個特殊工況點: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。根據(jù)工況定義,D點以上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,軸流式水輪機在甩負(fù)荷時,往往會進入該工況區(qū),由于它的水頭為負(fù),軸向力亦為負(fù),就產(chǎn)生抬機力。F點以下的工況區(qū)其Q為正,其他各參數(shù)為負(fù),QH0,即為制動工況。圖3-3 三種轉(zhuǎn)速下水力機組的全特性曲線同理,當(dāng)轉(zhuǎn)速改變時,相似工況點也分別在各自的相似拋物線上。飛逸工況點在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分為四個區(qū)域,OD線以上為水輪機工況區(qū),DOE為制動工況區(qū),EOF即第象限為反水泵工況區(qū),OF以右部分為制動工況區(qū)。 將圖3-3中 (a)、(b)、(c) 三個圖畫在同一坐標(biāo)內(nèi),可得圖2的水力機組全特性曲線,過工況的分界點A、B、C、D、E、F的相似拋物線及轉(zhuǎn)速為零時的水頭線。JOI將整個坐標(biāo)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)(正、反向水泵工況),兩個區(qū)域是水輪機工況區(qū)(正、反向水輪機工況)和四個制動工況區(qū)。利用圖3-4,不論工況點落在坐標(biāo)平面的那一部分,就可立即判斷出水力機組此時在那個工況下運行。圖3-4 水力機組全特性曲線須要指出的是,對固定幾何尺寸(即定型號、直徑、開度和轉(zhuǎn)角)的水力機械,用絕對值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,則試驗及應(yīng)用起來就很不方便。因此,與水輪機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、制動工況、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動工況區(qū)。例如在水泵斷電時,調(diào)速機構(gòu)失靈致使機組飛逸,而后手動緊急關(guān)閉可能會出現(xiàn)上述情況。而只有潮汐電站上的水泵水輪機,因為隨著潮位的漲落,水頭呈周期性的正負(fù)交替,其水力機組的運行工況包括過渡過程才可能經(jīng)歷全部八個工況區(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: 對于水輪機工況: (3-3)對于水泵工況: (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,該種可逆機的水輪機最優(yōu)工況點的單位轉(zhuǎn)速接近于和。當(dāng)時,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械的重要特性。與此同時,也下降。曲線表示飛逸工況()。越過的線,在與之間為制動工況(第I象限內(nèi)),直至超越縱坐標(biāo),則機組處于反轉(zhuǎn)水泵工況區(qū)(第象限內(nèi))。圖3-5 混流可逆式水力機械綜合特性在的水輪機工作范圍內(nèi),單位流量變化不大。隨著的繼續(xù)減小,越過橫坐標(biāo)進入第象限,為負(fù)值,此區(qū)域為制動工況區(qū)。當(dāng)單位轉(zhuǎn)速接近時,所有的開度線趨于會合,流量急劇減少,并逐漸變?yōu)榱?,隨后穿越縱坐標(biāo)進入水泵工況區(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??梢姡谒霉r下,導(dǎo)水機構(gòu)的開度對混流可逆式水力機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:而在水輪機工況下:于是可得:當(dāng)時,若在本例中采用,則得到,顯然它遠(yuǎn)高于水輪機的最優(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,可以采用具有不同轉(zhuǎn)速且的電動-發(fā)電機組,這種雙速電動-發(fā)電機組已在我國得到應(yīng)用,但它們的造價昂貴。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照,就很容易判斷: 為正水泵工況區(qū); 為制動工況區(qū); 為水輪機工況區(qū); 為制動工況區(qū); 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,若發(fā)生甩負(fù)荷,機組往往會進入?yún)^(qū)運行。根據(jù)上面分析可知,水力機械在該區(qū)運行時會受到一個抬機力的
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