3葉片式水力機械的四象限特性

1、抽水蓄能機組原理與運行 3 葉片式水力機械的四象限特性 葉片式水力機械是一種可逆式水力機械。例如，抽水蓄能電站的水泵水輪機有時作水泵運行，將下水庫的水抽到上水庫，消耗電能，以水能的形式將電能儲蓄起來；有時作水輪機運行，將上水庫的水經(jīng)過水輪機放到下水庫進(jìn)行發(fā)電。在潮汐電站上，根據(jù)潮位的不同變化，水力機械需要作正反向水輪機，正反向水泵工況運行等。即使正常的水泵或水輪機也可相應(yīng)的作為水輪機或水泵運行，不過此時的水流狀況很不好，機組效率很低。在正常的水泵水輪機的運行過程中，會經(jīng)常遇到其他的一些工況。例如水泵運行時突然停電，斷電裝置沒有動作，水流很快產(chǎn)生倒流，機組轉(zhuǎn)速急劇下降直至零，隨后水泵將會倒轉(zhuǎn)直至

2、飛逸，整個過程機組經(jīng)歷了正水泵、制動及水輪機工況三個運行區(qū)。水輪機甩負(fù)荷時，也會出現(xiàn)其他的工作狀況。為了探明水力機械的各種工作狀態(tài)的性質(zhì)，必須進(jìn)行專門的試驗研究。葉片式水力機械的特性表征水力機械工作狀態(tài)性質(zhì)的主要參數(shù)有:水頭（H）、流量（Q）、軸端力矩（M）、轉(zhuǎn)速（n）和軸功率（P）等。這些參數(shù)正負(fù)方向的不同組合，構(gòu)成水力機械的八種工作狀態(tài)，表征這八種工作狀態(tài)的特性曲線稱為水力機械的全特性或四象限特性。葉片式水力機械的特性 為了討論問題的方便，事先要人為地規(guī)定各工況參數(shù)正負(fù)值的定義。一般有兩種定義方法： 是以正常的水泵工況參數(shù)為正，則與此相反的值為負(fù)； 以正常的水輪機工況參數(shù)為正，反之為負(fù)。首

3、先以前者的定義方法來定義各工況參數(shù)的正負(fù)值，以一臺帶有蝸殼的水力機組為例來說明，如圖4-1所示。 3.1 葉片式水力機械各主要工況參數(shù)的定義 圖4-1 葉片式水力機械主要參數(shù)符號的定義 3.1 葉片式水力機械各主要工況參數(shù)的定義 1水頭H： 定義蝸殼首部A-A截面處單位重量的液體所具有的能量大于尾水管首部B-B截面處的能量時，定義水頭為正，反之為負(fù)，即當(dāng) 時，水頭為正；當(dāng) 時，水頭為負(fù)，對于正常運行的水輪機和水泵而言，水頭均為正值。 2流量Q： 當(dāng)水流由尾水管進(jìn)口處B點流向蝸殼進(jìn)口處A點時，通過轉(zhuǎn)輪的流量被定義為正值，而當(dāng)水流由A流向B，流量為負(fù)值。即正常水泵工況的流量為正；正常水輪機工況流量

4、為負(fù)。 這樣的定義是因為對葉片式水力機械進(jìn)行各種工作狀態(tài)的實驗研究時，常用水泵試驗裝置來完成，并由水泵工況開始，因此定義正常的水泵工況流量為正值。正如上所述，我們采用的是以水泵工作參數(shù)為正的定義方法。 3.1 葉片式水力機械各主要工況參數(shù)的定義 圖4-1 葉片式水力機械主要參數(shù)符號的定義 3轉(zhuǎn)速n： 當(dāng)轉(zhuǎn)輪的旋轉(zhuǎn)方向是從蝸殼的尾部旋向蝸殼的首部時，定義轉(zhuǎn)速為正，如正常的水泵工況；反之，轉(zhuǎn)輪由蝸殼首部旋向蝸殼尾部時，轉(zhuǎn)速被定義為負(fù)，如正常的水輪機工況。 圖4-1 葉片式水力機械主要參數(shù)符號的定義 3.1 葉片式水力機械各主要工況參數(shù)的定義 4軸端力矩M： 軸端力矩系指葉片式水力機械轉(zhuǎn)軸上作用的扭

5、轉(zhuǎn)力矩，該力矩即為水流對轉(zhuǎn)輪作用的力矩。軸端力矩的正方向定義為由蝸殼的首部旋向尾部的方向，反之，當(dāng)力矩的方向為由蝸殼尾部旋向首部時，其值為負(fù)。則正常的水輪機工況和水泵工況的力矩均為正值。3.1 葉片式水力機械各主要工況參數(shù)的定義 圖4-1 葉片式水力機械主要參數(shù)符號的定義 5軸功率P：葉片式水力機械與電機同軸時，該軸上的功率便為軸功率，當(dāng)功率由轉(zhuǎn)輪傳給電機時，即轉(zhuǎn)輪輸出功率，這時的軸功率定義為負(fù)值，如正常的水輪機工況；當(dāng)由電機傳給轉(zhuǎn)輪時，轉(zhuǎn)輪輸入功率，定義為正值，如正常的水泵工況。由于軸功率可用下式表示 （3-2） 顯然，根據(jù)上述M與n的符號定義，可由式（3-2）定義軸功率的符號。如正常水泵工

6、況M和n均為正，故P亦為正；正常水輪機工況下，M為正，而n為負(fù)，故P為負(fù)值。 3.1 葉片式水力機械各主要工況參數(shù)的定義 圖4-1 葉片式水力機械主要參數(shù)符號的定義 6軸向水推力 T ： 在研究水力機組的過渡過程時，如軸流式機組，軸向力是一個很重要的參數(shù)，在水輪機工況下甩負(fù)荷時，若導(dǎo)水機構(gòu)關(guān)閉過快，會產(chǎn)生一種抬機力，當(dāng)該力大于機組轉(zhuǎn)動部分的重量時，機組將會產(chǎn)生上抬現(xiàn)象，嚴(yán)重時會造成不堪設(shè)想的后果。 軸向水推力為葉片式水力機械止推軸承上承受的由水壓力引起的荷載。當(dāng)軸向水推力的方向為由轉(zhuǎn)輪指向尾水管時，定義為正值，反之為負(fù)值。對于立式機組，軸向水推力向下為正，向上為負(fù)，即所謂的抬機力。正常運行的水

7、輪機工況和水泵工況軸向力均為正。 3.1 葉片式水力機械各主要工況參數(shù)的定義 圖4-1 葉片式水力機械主要參數(shù)符號的定義 水輪機工況： 葉片式水力機組以原動機運行，轉(zhuǎn)輪輸出功率， ，水流流經(jīng)轉(zhuǎn)輪以后能量減少， 。水泵工況： 水力機組為工作機械，轉(zhuǎn)輪輸入功率， ，水流流經(jīng)轉(zhuǎn)輪后能量增加， 。制動工況： 水力機組為工作機械，轉(zhuǎn)輪輸入功率， ，但水流流經(jīng)轉(zhuǎn)輪后能量反而減少， 。飛逸工況：水力機組為原動機，但作用在軸上的扭矩趨近于零，所以軸功率也趨近于零， ，機組效率為零，水流流經(jīng)轉(zhuǎn)輪后能量有所減小，這部分減小的能量用來克服機組旋轉(zhuǎn)時的摩擦損耗。 3.2 葉片式水力機械各種工作狀態(tài)的定義 3.3 反擊

8、式水力機械的全特性圖 這里以正常的水輪機工況參數(shù)為正，討論反擊式水力機械的全特性圖。全特性圖表示了反擊式水力機械在各種可能工況下的特性。它是建立在流量與轉(zhuǎn)速坐標(biāo)系中的曲線。圖3-2所示為反擊式水力機械的全特性圖。該圖是針對某一型號水輪機，在轉(zhuǎn)輪直徑、導(dǎo)葉開度和轉(zhuǎn)輪葉片轉(zhuǎn)角固定不變的條件下繪制的。也就是說，是在水力機械過流部分的幾何尺寸固定不變的條件下繪制的。圖中的橫坐標(biāo)表示流量，縱坐標(biāo)表示轉(zhuǎn)速，并取水輪機的方向作為正向。即在此區(qū)水輪機的流量和轉(zhuǎn)速的方向為正向，相應(yīng)的工作水頭、力矩和功率的值亦為正。這種特性曲線可確定效率、水頭和轉(zhuǎn)輪輸出力矩三項參數(shù)的變化。 圖3-2 反擊式水力機械的四象限特性

9、當(dāng)轉(zhuǎn)輪標(biāo)稱直徑為常數(shù)，在上述的Q n坐標(biāo)系統(tǒng)中，可由相似理論得出表示工況的守恒條件： 常數(shù) 此外，為保持工況的守恒，水流的流向也須保持相同。上述方程是通過坐標(biāo)原點的一條直線。因此，從坐標(biāo)原點引出的每一根射線都代表某一種固定的工況，若圍繞坐標(biāo)原點旋轉(zhuǎn)一周360，便可得出所給定條件下的全部可能工況。射線的轉(zhuǎn)動軌跡可任意選取。但為了直觀和作圖簡便，采用矩形較好。矩形邊的長度Q=常數(shù)和n=常數(shù)。圖3-2 反擊式水力機械的四象限特性 3.3 反擊式水力機械的全特性圖 3.3 反擊式水力機械的全特性圖 圖3-2 反擊式水力機械的四象限特性 第工況區(qū) pb 段為水輪機工況區(qū)。p點轉(zhuǎn)速n=0，轉(zhuǎn)輪完全靜止，雖

10、然p點力矩很大，但由于軸上的有效功率是與M*n的乘積成正比的，故此點有效功率等于零，從而效率也等于零。隨著轉(zhuǎn)速上升，力矩下降，水輪機開始輸出功率，效率逐漸提高。到達(dá)工況點a時，效率達(dá)最高值。從a點向上，隨著轉(zhuǎn)速的逐步增加，效率逐漸減小。到點b處效率又等于零，因為該處力矩等于零。這時處于飛逸工況，圖中所示的轉(zhuǎn)速是轉(zhuǎn)輪不帶負(fù)荷時所能達(dá)到的最大轉(zhuǎn)速。在水輪機的工況區(qū)pb范圍內(nèi)，當(dāng)流量保持不變時，水頭變化不大。但對于低比轉(zhuǎn)速水力機械，隨著n的增加，過水能力降低，水頭則有所增加。在高比轉(zhuǎn)速水力機械中，隨著n的增加，過水能力增大，而水頭則有所減小。 3.3 反擊式水力機械的全特性圖 圖3-2 反擊式水力機

11、械的四象限特性 第工況區(qū)bcd段為制動工況區(qū)。當(dāng)轉(zhuǎn)速超過b點后，轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)入強迫轉(zhuǎn)動，此時力矩變成負(fù)值，M*n的乘積小于零。這表明必須從外部輸入功率給水力機械。在穩(wěn)態(tài)運行中，水輪機不可能處于這種工況。但在機組甩負(fù)荷過渡過程中的轉(zhuǎn)速降低期間，水輪機可能會進(jìn)入這一制動工況區(qū)。當(dāng)水輪機在制動工況區(qū)工作時，機組的動能將逐漸被消耗掉。除甩負(fù)荷外，還有一些過渡過程，如機組轉(zhuǎn)為調(diào)相工況時，若轉(zhuǎn)輪室的水未被排出，水輪機也可能出現(xiàn)這種制動工況。若輸入外力矩使轉(zhuǎn)速保持不變，則工況點從c點往左移動到d點，這時的工況仍為制動工況。當(dāng)開度保持不變時，從c點到d點流量的減小與水頭下降有關(guān)。3.3 反擊式水力機械的全特性圖 圖

12、3-2 反擊式水力機械的四象限特性 第工況區(qū)段為反轉(zhuǎn)水泵工況區(qū)。從d點再向左移動，水流就改變方向，機組開始向上游抽水，即轉(zhuǎn)入水泵工況。因為轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)方向與水泵正常工作方向相反，所以此水泵工況可稱為反轉(zhuǎn)水泵工況。此工況效率非常低。到點e時，水頭（揚程）已降為零。 圖3-2 反擊式水力機械的四象限特性 第IV工況區(qū)efg段為制動工況區(qū)。保持轉(zhuǎn)速不變，為使工況點繼續(xù)向左邊f(xié)點移動并使流量增大，水頭應(yīng)改變符號，此時水力機械又進(jìn)入制動工況。保持流量不變，從f點向下移動，在fg段上仍處于制動工況。隨著轉(zhuǎn)速的降低，水頭逐步增大，以維持流量不變。水頭變化曲線的形狀取決于轉(zhuǎn)輪的比轉(zhuǎn)速。 第V工況區(qū)gh段為反轉(zhuǎn)水輪

13、機工況區(qū)。過了g點，旋轉(zhuǎn)方向改變，水力機械又轉(zhuǎn)為水輪機工況（ M*n 0），在轉(zhuǎn)輪內(nèi)水流是反方向的，即水流從尾水管流經(jīng)轉(zhuǎn)輪再流向蝸殼。該工況也可稱為反向水輪機工況，其效率也非常低。h點為反轉(zhuǎn)水輪機的飛逸工況，相應(yīng)的力矩、輸出功率和效率均為零。3.3 反擊式水力機械的全特性圖 圖3-2 反擊式水力機械的四象限特性 第VI工況區(qū)hik段為制動工況區(qū)。從h點再往下，在hi段上又成為制動工況區(qū)，但M0。此段范圍內(nèi)水頭變化的曲線形狀，同樣取決于轉(zhuǎn)輪的型式（比轉(zhuǎn)速）。從i點向k點移動，轉(zhuǎn)速保持不變。在ik段上隨著流量減少，水頭很快下降，并改變符號。與hi段一樣，ik段仍處于制動工況區(qū)。圖3-2 反擊式水力

14、機械的四象限特性 第工況區(qū)klm段為水泵工況區(qū)。自k點之后，水力機械進(jìn)入水泵工況區(qū)，在l點水力機械效率達(dá)到最高。km段相對于pb段上的正向水輪機工況來說，不論是水力機械的旋轉(zhuǎn)方向還是水流的方向，都是反向的。 第工況區(qū)mnp段為制動工況區(qū)。從m點右移，水力機械進(jìn)入倒流工況。但這種工況只有在水頭增高時才有可能出現(xiàn)。mn段和np段為制動工況區(qū)。 3.3 反擊式水力機械的全特性圖 圖3-2 反擊式水力機械的四象限特性 根據(jù)上述分析，從圖4-2可以看出，當(dāng)葉片位置和開度不變時，反擊式水力機械有兩個水輪機工況區(qū)（I、V, 正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)），兩個水泵工況區(qū)（VII、，正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)）和四個制動工況區(qū)（、IV、VI、VIII）。制動工況總是處在水輪機和水泵工況區(qū)之間，是它們的過渡工況。圖3-2 反擊式水力機械的四象限特性 3.3 反擊式水力機械的全特性圖 3.3 反擊式水力機械的全特性圖 葉片式水力機械的全特性（QH坐標(biāo)） （見文檔） 泵的四象限特性試驗研究（見論文） 3.4 水泵水輪機全特性 1水泵水輪機全特性曲線 （見文檔） 2水泵水輪機全特性曲線的特點 （見文檔） 參考文獻(xiàn)【1】高傳昌 . 抽水蓄能電站技術(shù) . 鄭州：黃河出版社，2011年【2】邱彬如 . 抽水蓄能電站工程技術(shù)