葉片式水力機(jī)械的全特性(Q-H)

葉片式水力機(jī)械的全特性〔Q~H坐標(biāo)〕〔1〕轉(zhuǎn)速為正〔n>0〕3-3〔a〕所示，曲線AB段的H、Q、n、M均為正值，則QH>0，PM>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QH<0，水流經(jīng)過轉(zhuǎn)輪后能量削減，PM>0,轉(zhuǎn)輪輸入功率，此為制開工況。C點(diǎn)M=0，亦即P=0，QH<0,為飛逸工況，水流流經(jīng)轉(zhuǎn)輪削減的能量用于抑制飛逸時(shí)的機(jī)械損耗。C點(diǎn)以下的Q、n為正，H、M為負(fù)，則QH<0,水流能量削減，PM<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QH<0，PM>0,亦為制開工況。所以n四個(gè)工作狀態(tài)。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)輪后能量總是削減的，也不管扭矩是正還是負(fù)，由于轉(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V2 2性曲線上的工況均為制開工況，轉(zhuǎn)輪處的局部損失

2gKQ，所以H線亦為拋物線，又因QH<0，則H為正時(shí)，Q必為負(fù)，反之亦然，故HfQ曲線貫穿于U、W象限，如圖3-3〔b〕所示，但此拋物線不是水力機(jī)組相像工況點(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〔 mv〕的變化量，由此可知，力矩的大小與流量的平方成正比，所以MfQ亦是一拋物線，其方向當(dāng)n=0時(shí)，水頭為正,1/72/7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〔n<0〕時(shí)軸流式機(jī)組的特性曲線。如圖3-3〔c〕所示。首先觀看幾個(gè)特別工況點(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。依據(jù)工況定義，D點(diǎn)以上H為正，M為正，而Q、n為負(fù)，貝UQH<0，水流流經(jīng)轉(zhuǎn)輪后能量削減；而M<0,轉(zhuǎn)輪向外輸出功率，所以為水輪機(jī)工況； D點(diǎn)為飛逸工況；DE段的M為負(fù)，其他量符號(hào)不變，M>0,即外界輸入功率，水流能量反而削減，所以DE段為制開工況；EF段的各參數(shù)均為負(fù)值，則QH>0，M>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)，QH<0，M>0，即為制開工況。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)速轉(zhuǎn)變時(shí)，相像工況點(diǎn)也分別在各自的相像拋物線上。飛逸工況點(diǎn)在OD拋物線上，0E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、0E、OF分為四個(gè)區(qū)域，0D線以上為水輪機(jī)工況區(qū)，DOE為制開工況區(qū),EOF即第川象限為反水泵工況區(qū)，OF以右局部為制開工況區(qū)。3-3中〔a〕、〔b〕、〔c〕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的相像拋物線及轉(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)〔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〕3-4,不管工圖3-4 水力機(jī)組全特性曲線必要指出的是，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，用確定值Q、H、n、M表示的四象限特性，看起來概念很清楚，但在同一張圖上只能表示固定直徑與開度nii ii〔包括槳葉轉(zhuǎn)角〕下的參數(shù)與特性之間的變化規(guī)律，假設(shè)直徑和開度是變化的，則試驗(yàn)及應(yīng)用起來就很不便利。因此，與水輪機(jī)的綜合特性曲線一樣，通常承受單位轉(zhuǎn)速n和單位流量Qu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M和nnii ii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、4/7制開工況、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)制開工況區(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)消滅上述狀況。而只有潮汐電站上的水泵水輪機(jī)，由于隨著潮位的漲落，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)受全部八個(gè)工況區(qū)。3-5250mkW110m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)，Qu位力矩線及局部等效率線，利用該綜合特性，可確定其單位參數(shù)間的關(guān)系：2nMn對(duì)于水輪機(jī)工況：

PMM-60 9.55RITM11

TPD2,32PD1 T

9.81 QHT T D2HT/2T T

9.81Q11T

(3-3)對(duì)于水泵工況：

9.55R仃

93.7如n1仃P(guān)11P 9.81Q11P P11 p. )M 93.711 p. )p式中：PH為單位功率；Mu為單位扭矩。

(3-4)下標(biāo)T和P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〕,依據(jù)工況點(diǎn)的n11，及Q11R、M11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 n11085rmin和Quo560Ls。當(dāng)nnnno時(shí)，沿著等導(dǎo)葉開度線，Qn隨nn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)，M^也下降。M^0曲線表示飛逸工況〔0〕。越過Mu0的線，在Mu0與Qn0之間為制開工況〔第I象限內(nèi)〕，直至超越縱坐標(biāo)，Qn0，則機(jī)組處于反轉(zhuǎn)水泵工況區(qū)〔第U 象限內(nèi)〕。醫(yī)機(jī)凰工況醫(yī)機(jī)凰工況■叮一嵐星匸況的賀軍90ft=切—I1J\JM4020芋輪機(jī)工配?0.7-700-600-500-?0- -200-loo4Q040制開工覘=0*362m3Ait-X19&IJN*ni3-5混流可逆式水力機(jī)械綜合特性o在nnnig的水輪機(jī)工作范圍內(nèi)，單位流量變化不大。隨著nn的連續(xù)減小，越過橫坐標(biāo)進(jìn)入第W象限，n11為負(fù)值，此區(qū)域?yàn)橹崎_工況區(qū)。當(dāng)單位轉(zhuǎn)速接近80~85rmin時(shí)，全部的開度線a3-5還可以o看出，開度a。16~28mm彼此很接近，只有當(dāng)a。12mm，Qii才顯著地下降?？梢?，在水泵工在水泵工況下，最高效率相應(yīng)于QIIP520Ls和nnp97rmin，由于水泵工況下：n11P

nPD1而在水輪機(jī)工況下:nTD1n于是可得:n

pT|Pp

niipnT

UP-.當(dāng)nTnp時(shí)，假設(shè)在本例中承受HP「 HT1.06，則得到①仃95~103rmin，明顯它遠(yuǎn)高于水輪機(jī)的最優(yōu)單位轉(zhuǎn)速，這必定導(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，可以承受具有不同轉(zhuǎn)速且nTnp的電動(dòng)-發(fā)電機(jī)組，這種雙速電動(dòng)-在爭(zhēng)論暫態(tài)過程及電算的過程中，比較便利的是使用線性的轉(zhuǎn)速關(guān)系曲線，即流量Qii fnii,ao、力矩Mufnn,a。及作用在水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪過流部件上的軸向水推力Thiifnii,ao的關(guān)系曲線。3-6曲線相比照，就很簡(jiǎn)潔推斷：①為正水泵工況區(qū)；②為制開工況區(qū)；③為水輪機(jī)工況區(qū)；④為制開工況區(qū)；⑤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)，假設(shè)發(fā)生甩負(fù)荷，機(jī)組往往會(huì)進(jìn)入川區(qū)運(yùn)行。依據(jù)上面分析可知，水力機(jī)