葉片式水力機械的全特性(Q-H).doc

葉片式水力機械的全特性（QH坐標）（1）轉速為正（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，則QH0，轉輪輸入功率，此為制動工況。C點M=0，亦即P=0，QH0，為飛逸工況，水流流經轉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，則QH0，水流能量減少，0，轉輪向外輸出功率，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 三種轉速下水力機組的全特性曲線 （2）轉速為零（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，水流流經轉輪后能量總是減少的，也不管扭矩是正還是負，因為轉速為零，所以功率也必為零。故當轉速為零時，整個特性曲線上的工況均為制動工況，轉輪處的局部損失，所以曲線亦為拋物線，又因QH0，則H為正時，Q必為負，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。水流對轉輪的作用力矩等于水流進出轉輪的動量（）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n=0時，水頭為正，力矩也為正，反之，水頭為負，力矩亦為負。如圖3-3（b）中虛線所示。圖3-3 三種轉速下水力機組的全特性曲線（3）轉速為負值（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，則QH0，水流流經轉輪后能量減少；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)均為負值，則QH0，0，水流流經轉輪后能量增加，轉輪輸入功率，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荷時，往往會進入該工況區(qū)，由于它的水頭為負，軸向力亦為負，就產生抬機力。F點以下的工況區(qū)其Q為正，其他各參數(shù)為負，QH0，即為制動工況。圖3-3 三種轉速下水力機組的全特性曲線同理，當轉速改變時，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內，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的相似拋物線及轉速為零時的水頭線。JOI將整個坐標系分為八個區(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，通常采用單位轉速和單位流量為坐標系統(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）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，調速機構失靈致使機組飛逸，而后手動緊急關閉可能會出現(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交替，其水力機組的運行工況包括過渡過程才可能經歷全部八個工況區(qū)。圖3-5所示是一比轉速為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，為橫坐標。在綜合特性曲線上給出了導葉等開度線、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。 下標和分別代表水輪機工況和水泵工況相應的參數(shù)。由式（3-3）和式（3-4），根據(jù)工況點的，及的坐標可以找到、與之間的關系。由圖3-3可知，該種可逆機的水輪機最優(yōu)工況點的單位轉速接近于和。當時，沿著等導葉開度線，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），直至超越縱坐標，則機組處于反轉水泵工況區(qū)（第象限內）。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，單位流量變化不大。隨著的繼續(xù)減小，越過橫坐標進入第象限，為負值，此區(qū)域為制動工況區(qū)。當單位轉速接近時，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，才顯著地下降?？梢?，在水泵工況下，導水機構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，最高效率相應于和，由于水泵工況下：而在水輪機工況下：于是可得：當時，若在本例中采用，則得到，顯然它遠高于水輪機的最優(yōu)單位轉速，這必然導致效率的降低。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速關系曲線，即流量、力矩及作用在水輪機轉輪過流部件上的軸向水推力的關系曲線。圖3-6為重新繪制的在某一導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)生甩負荷，機組往往會進入區(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