水泵水輪機全特性

1、水泵水輪機全特性1水泵水輪機全特性曲線 抽水蓄能電站的水泵水輪機均設(shè)有活動導(dǎo)葉，通過導(dǎo)葉調(diào)節(jié)水輪機運行時的流量，故水泵水輪機的特性曲線一般為一組不同導(dǎo)葉開度下的全特性曲線，其區(qū)域的劃分與水泵的全特性區(qū)域劃分一樣，只是習(xí)慣上以正常水輪機運行工況的各參數(shù)為正。同時抽水蓄能電站一般H也總是正值，即在實際工程中實用也就是5個工況區(qū)，即水輪機工況、水輪機制動工況、水泵工況、反水泵工況、水泵制動工況。水泵水輪機全特性曲線表示方法通常采用和來表示。圖3-7和圖3-8所示為某抽水蓄能電站水泵水輪機的四象限特性曲線。圖3-7 水泵水輪機流量特性曲線 圖3-8 水泵水輪機力矩特性曲線 2水泵水輪機全特性曲線的特點

2、 通過對不同水泵水輪機的全特性分析可以看出，水泵水輪機全特性有著下述的規(guī)律與特點：（1）在水泵工況，大開度等導(dǎo)葉開度曲線匯集成一簇很窄的交叉曲線，說明在此區(qū)域水泵揚程與導(dǎo)葉開度的關(guān)系不大，開度的改變不會造成單位轉(zhuǎn)速及單位力矩的很大的變化。當(dāng)導(dǎo)葉開度較小區(qū)域時隨著導(dǎo)葉開度的減小其流量曲線及力矩曲線則加速分又，說明此時的導(dǎo)水機構(gòu)可看作是節(jié)流裝置，水頭損失急劇增大，從而對水泵的力矩及流量產(chǎn)生較大的影響。在水泵實際運行中導(dǎo)葉開度將隨著揚程的變化而沿各導(dǎo)葉開度特性曲線的外包絡(luò)線變化，使得水力損失最小，也即使得水泵的效率在此工況最高。此外，隨著單位轉(zhuǎn)速的增大，也即水泵揚程的減小，水泵的流量及水力矩將快速增

3、大，所以在水泵及電動機設(shè)計時應(yīng)充分考慮此時水泵的力矩特性，電動機容量應(yīng)根據(jù)可能的正常運行最低揚程工況進行設(shè)計，并留有一定的裕量；同時根據(jù)導(dǎo)葉小開度區(qū)域力矩分散的特性，在異常低揚程起動時（如初次向上水庫異常低揚程充水時）可采取關(guān)小導(dǎo)葉開度來限制其水力矩，即限制水泵的入力在一定范圍以內(nèi)。（2）水泵制動區(qū)力矩隨單位轉(zhuǎn)速的減小而逐漸增大，其中沿大導(dǎo)葉開度線要比小導(dǎo)葉開度線要明顯得多；另外，各導(dǎo)葉開度線與單位轉(zhuǎn)速坐標(biāo)軸的交點集中，表明水泵水輪機冰泵的零流量點與導(dǎo)葉開度關(guān)系不大，同時各導(dǎo)葉開度線的切線基本為正斜率，表明隨著水泵工況反向流量的增大其制動水力矩不斷增大，但水力矩的增速逐漸變緩，同時單位轉(zhuǎn)速減小

4、，轉(zhuǎn)速減小的速度逐漸加快，這主要是機組轉(zhuǎn)動部件及水體有著慣性力矩的抑制作用。由于在該區(qū)力矩隨著單位轉(zhuǎn)速的減小而增大，尤其是對低比轉(zhuǎn)速的水泵水輪機在大導(dǎo)葉開度斷電而導(dǎo)葉拒動時，水力矩有可能達到除正常水泵工況及反水泵工況外的最大值，故在機組設(shè)計時應(yīng)對此過渡工況產(chǎn)生的水力矩進行詳細(xì)計算；同時由于小導(dǎo)葉開度線較大導(dǎo)葉開度線平緩得多，因此建議在水泵斷電時宜快速關(guān)閉導(dǎo)葉至小開度。（3）水輪機工況區(qū)不同導(dǎo)葉開度線在小單位轉(zhuǎn)速區(qū)較為平緩，并且向零力矩線（飛逸線）方向及向大導(dǎo)葉開度方向逐漸變得密集，并在大單位轉(zhuǎn)速區(qū)變化快速加劇。一方面說明機組轉(zhuǎn)速在小單位轉(zhuǎn)速區(qū)域?qū)α髁康挠绊懖淮螅髁恐饕蓪?dǎo)葉開度來決定，并且在

5、相同水頭下，大開度區(qū)導(dǎo)葉開度對流量的影響要小于小開度區(qū)導(dǎo)葉開度對流量的影響。同時，不同導(dǎo)葉開度飛逸工況下的流量隨開度的減小而減小，且減小的速度逐漸變緩，在小開度區(qū)不同導(dǎo)葉開度飛逸工況下的流量變化最小。另外一方面在大單位轉(zhuǎn)速區(qū)流量變化劇烈，沿等導(dǎo)葉開度線單位流量及單位力矩快速下降，說明隨著機組轉(zhuǎn)速的上升，離心制動作用迅速加大，使得水輪機方向流量及力矩迅速減小。（4）水輪機制動區(qū)不同導(dǎo)葉開度線變得密集，斜率大，基本上與單位轉(zhuǎn)速坐標(biāo)軸垂直，在比轉(zhuǎn)速小的機組甚至出現(xiàn)明顯的反彎現(xiàn)象，即“S”特征明顯，此時等單位轉(zhuǎn)速線與等導(dǎo)葉開度線有兩個或兩個以上的交點，即同一個轉(zhuǎn)速下對應(yīng)著多個不同流量的運行工況，從而在

6、飛逸工況下出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象，在多個工況間來回擺動。這是由于隨著比轉(zhuǎn)速的減小，轉(zhuǎn)輪的流道變得長而窄，轉(zhuǎn)輪內(nèi)水體的離心力增大，隨著轉(zhuǎn)速的上升，當(dāng)離心力產(chǎn)生的力矩接近和大于水力矩與機組阻力矩之和時，便產(chǎn)生制動力矩，轉(zhuǎn)速開始下降，使得離心力矩減小，當(dāng)水力矩大于離心力矩與機組阻力矩之和時，機組又開始加速，于是使機組的運行產(chǎn)生來回震蕩。另外，“S”特征隨著導(dǎo)葉開度增大而越來越明顯，說明隨著水頭的降低，其空載飛逸越來越靠近或深入“S”區(qū)。（5）反水泵區(qū)的等導(dǎo)葉開度線隨著單位轉(zhuǎn)速的增大出現(xiàn)交叉，導(dǎo)葉開度對機組的流量及力矩影響不大。反水泵區(qū)的流量不大，但隨著流量的增加，機組的轉(zhuǎn)速和力矩均快速增加，從而使揚程也快速

7、增加。因此在事故情況下應(yīng)盡量避免進入反水泵區(qū)太深（如甩負(fù)荷時快速關(guān)閉導(dǎo)葉，機組有可能進入反水泵工況區(qū)）。而對于“S”特征明顯的低比轉(zhuǎn)速機組，應(yīng)對額定水頭及最小水頭工況下甩負(fù)荷導(dǎo)葉拒動時可能進人反水泵工況區(qū)而產(chǎn)生的力矩進行詳細(xì)計算。（6）不同比轉(zhuǎn)速的水泵水輪機有著不同的特點，如圖3-9及圖3-10所示為比轉(zhuǎn)速，=120的混流式水泵水輪機四象限特性曲線，圖3-11及圖3-12所示為=232的斜流式水泵水輪機的四象限特性曲線。圖3-9 比轉(zhuǎn)速=120的 圖3-10 比轉(zhuǎn)速=120的混流式水泵水輪機流量特性曲線 混流式水泵水輪機力矩特性曲線圖3-11 比轉(zhuǎn)速=232的 圖3-12 比轉(zhuǎn)速=232的斜流

8、式水泵水輪機流量特性曲線 斜流式水泵水輪機力矩特性曲線 低比轉(zhuǎn)速水泵水輪機“S”區(qū)明顯；高比轉(zhuǎn)速水泵水輪機“S”區(qū)不明顯，有的甚至沒有“S”區(qū)。 低比轉(zhuǎn)速水泵水輪機大導(dǎo)葉開度線在正流量區(qū)的特性比高比轉(zhuǎn)速水泵水輪機的大導(dǎo)葉開度線平緩。 隨著比轉(zhuǎn)速的增大，零力矩線（飛逸線）的斜率越來越大。 各比轉(zhuǎn)速水泵水輪機流量特性在反水泵工況均較平緩，但高比轉(zhuǎn)速機組的力矩特性較低比轉(zhuǎn)速機組的變化要劇烈得多，也即在等單位轉(zhuǎn)速變化的情況下高比轉(zhuǎn)速機組的反水泵工況揚程變化比低比轉(zhuǎn)速機組的要大得多。“S”特性中，高比轉(zhuǎn)速水輪機在Q11 n11曲線上的開度線在高轉(zhuǎn)速區(qū)略呈向下彎曲的形狀，如圖1虛線，和飛逸線（M11=0）的交角較大，故這種水輪機在到達飛逸后容易保持穩(wěn)定，一般不會越過飛逸線而進入制動區(qū)。但是可逆式水泵水輪機和低比轉(zhuǎn)速水輪機因為轉(zhuǎn)輪直徑較大，離心力作用大，水的進流很快下降，開度線顯著地向下彎曲，如圖1中實線。這些線和M11=0線交角很小，故這種機組達到飛逸以后有可能直接進入制動區(qū)。比轉(zhuǎn)速特別小的水泵水輪機在受到其自身慣性驅(qū)動而進入制動區(qū)后，由于水流對轉(zhuǎn)輪的阻擋作用，在流量減小的同時轉(zhuǎn)速也略下降，故開度線出現(xiàn)向小n11值的反彎現(xiàn)象，如圖2。如果慣性力矩仍不消失，轉(zhuǎn)輪離心力將使水向反方向流出，即進入反水泵區(qū)。此時轉(zhuǎn)速將再增大，使開度線向大n11方向彎曲，總的形成一個S形，這段曲線通稱為