水泵水輪機(jī)第一象限特性曲線理論預(yù)測方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于水力機(jī)械特性研宄領(lǐng)域，涉及一種水泵水輪機(jī)第一象限特性曲線的理 論計(jì)算方法，特別涉水泵水輪機(jī)反" S "區(qū)特性曲線預(yù)測方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著我國經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的快速發(fā)展，電力負(fù)荷迅速增長，峰谷差不斷加大，用戶對電 力供應(yīng)的量與質(zhì)的期望越來越高。抽水蓄能電站以其調(diào)峰填谷的獨(dú)特運(yùn)行方式，發(fā)揮著調(diào) 節(jié)負(fù)荷、促進(jìn)電力系統(tǒng)節(jié)能和維護(hù)電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的功能，成為電網(wǎng)運(yùn)行控制的重要工 具。水泵水輪機(jī)是抽水蓄能電站的核心設(shè)備，因其雙向運(yùn)行，起停和工況轉(zhuǎn)換頻繁，特殊的 反"S"特性常導(dǎo)致機(jī)組并網(wǎng)困難、空載不穩(wěn)定，甚至水力系統(tǒng)的自激振蕩，威脅電站運(yùn)行安 全。隨著抽水蓄能技術(shù)的發(fā)展和節(jié)能減排的要求，可逆式水泵水輪機(jī)正向高水頭，大容量方 向發(fā)展，比轉(zhuǎn)速更低，轉(zhuǎn)輪直徑更大，反" S "特性更加明顯。
[0003] 在水泵水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪設(shè)計(jì)階段，主要基于設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)輪，并不明確反"S"特性形 成的根源；對反"S"特性的評估和改善，主要基于大量的三維數(shù)值模擬和水力學(xué)模型試驗(yàn)， 此類方法周期長，成本大。同時(shí)在抽水蓄能設(shè)計(jì)階段，水泵水輪機(jī)模型試驗(yàn)定型前，特性曲 線無法確定，轉(zhuǎn)輪的調(diào)節(jié)保證計(jì)算一般套用其他類似參數(shù)的水泵水輪機(jī)特性曲線。若開發(fā) 抽水蓄能電站無可參考的相似比轉(zhuǎn)速水泵水輪機(jī)，現(xiàn)有特性曲線難以滿足電站設(shè)計(jì)需求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，提供一種基于水泵水輪機(jī)幾何體型參數(shù)，計(jì)算水 泵水輪機(jī)在第一象限特性的特性曲線，并預(yù)測轉(zhuǎn)輪的反"S"特性彎曲程度的計(jì)算方法。
[0005] 本發(fā)明的技術(shù)方案是：一種水泵水輪機(jī)在水輪機(jī)工況及水泵制動(dòng)區(qū)特性曲線及反 "S"特性彎曲程度趨勢的理論計(jì)算方法，步驟1 :基于旋轉(zhuǎn)機(jī)械中歐拉能量轉(zhuǎn)換方程，通過 水輪機(jī)進(jìn)口與出口速度三角形，得到水輪機(jī)基本方程：
[0007] 其中，為水輪機(jī)有效利用水頭，單位m ;
[0008] n h為水輪機(jī)效率；
[0009] H水輪機(jī)工作水頭，單位m ;
[0012] vul為轉(zhuǎn)輪進(jìn)口絕對速度周向分量；
[0013] Vu2為轉(zhuǎn)輪出口絕對速度周向分量；
[0014] 為轉(zhuǎn)輪進(jìn)口圓周速度系數(shù)，
[0015] 巾2為轉(zhuǎn)輪進(jìn)口圓周速度系數(shù)，
[0016] U水輪機(jī)進(jìn)口軸面流速系數(shù)，
[0017] 水輪機(jī)出口軸面流速系數(shù)，
[0018] Di為轉(zhuǎn)輪進(jìn)口等效直徑，單位m ;
[0019] D2為轉(zhuǎn)輪出口等效直徑，單位m ;
[0020] 為轉(zhuǎn)輪進(jìn)口高度；
[0021] 82為轉(zhuǎn)輪出口等效長度；
[0022] 0 2為轉(zhuǎn)輪出口水流相對速度出口角角度，單位：度；
[0023] a i為轉(zhuǎn)輪葉片進(jìn)口水流速度角角度，單位：度；
[0024] n為水輪機(jī)轉(zhuǎn)速，單位r/min ;
[0025] Q為流量，單位m3/s;
[0026] g為重力加速度，單位m/s2。
[0027] 步驟2 :基于水輪機(jī)機(jī)組內(nèi)的水力損失與有效利用水頭qhH形成了水輪機(jī)內(nèi)部的 能量平衡，主要水力損失為蝸殼中損失h。，導(dǎo)葉內(nèi)損失h g，水輪機(jī)進(jìn)口沖擊損失hs，轉(zhuǎn)輪內(nèi) 部損失hf，尾水管內(nèi)損失h d及動(dòng)量交換產(chǎn)生的粘性耗散損失h 得到考慮流動(dòng)損失的一般 完整形式水輪機(jī)方程為：
[0028] hc+hg+hs+hf+h d+he+ n hH = H
[0029] 式中，
[0033] 其中，H水輪機(jī)工作水頭，單位m ;
[0034] 6 s為撞擊損失系數(shù)；
[0035] 6與輪內(nèi)流動(dòng)損失系數(shù)；
[0036] Wi轉(zhuǎn)輪進(jìn)口相對流速；
[0037] w2轉(zhuǎn)輪出口相對流速；
[0038] h。蝸殼中水力損失；
[0039] hg導(dǎo)葉內(nèi)水力損失；
[0040] he粘性耗散損損失；
[0042] 0 lb為轉(zhuǎn)輪葉片進(jìn)□安裝角角度，單位：度；
[0043] 0 :為轉(zhuǎn)輪入口水流相對速度進(jìn)口角角度，單位：度；
[0044] 0 2為轉(zhuǎn)輪出口水流相對速度出口角角度，單位：度；
[0045]ai為轉(zhuǎn)輪葉片進(jìn)口水流速度角角度，單位：度；
[0046] G u為圓周速度分量損失系數(shù)；
[0047] G m為軸面速度分量損失系數(shù)。
[0048] 上述h。、hg、he的數(shù)量很小，對結(jié)果的影響很小，可忽略不計(jì)。
[0049] 步驟3:-般完整形式的水輪機(jī)程整理后得到：
[0054]步驟4:在步驟3中水輪機(jī)方程中加入離心力作用項(xiàng)e<i>i+dU，得到水泵水輪機(jī)方 程：
[0062]式中，
[0063] t為轉(zhuǎn)輪進(jìn)口圓周速度系數(shù)，
[0064] n為水輪機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min ;
[0065] U水輪機(jī)進(jìn)口軸面流速系數(shù)，
[0066] Di為轉(zhuǎn)輪進(jìn)口等效直徑，單位m;
[0067] D2為轉(zhuǎn)輪出口等效直徑，單位m;
[0068] 0lb為轉(zhuǎn)輪葉片進(jìn)□安裝角角度，單位：度；
[0069] 0 :為轉(zhuǎn)輪入口水流相對速度進(jìn)口角角度，單位：度；
[0070] 0 2為轉(zhuǎn)輪出口水流相對速度出口角角度，單位：度；
[0071] ai為轉(zhuǎn)輪葉片進(jìn)口水流速度角角度，單位：度；
[0072] an為設(shè)計(jì)額定工況導(dǎo)葉出口角度角度，單位：度；
[0073] Q為流量，單位m3/s;
[0074] g為重力加速度，單位m/s2;
[0075] H水輪機(jī)工作水頭，單位m;
[0076] 為轉(zhuǎn)輪進(jìn)口高度；
[0077] 轉(zhuǎn)輪出口等效長度；
[0078] #為額定工況點(diǎn)的設(shè)計(jì)參數(shù)。
[0079] 6s為撞擊損失系數(shù)，取值0. 95-1之間，取值優(yōu)選1 ;
[0080] 為圓周速度分量損失系數(shù)，取值〇. 95-1之間，尾水管出口圓周速度分量為主， 取值優(yōu)選1 ;
[0081] Gm為軸面速度分量損失系數(shù)，取值0-0. 1之間，尾水管軸面速度分量損失相對圓 周速度分量損失較小，取值優(yōu)選0 ;
[0082] ef轉(zhuǎn)輪內(nèi)流動(dòng)損失系數(shù)，由于轉(zhuǎn)輪流動(dòng)損失較小，取值0 ;
[0083] 上述步驟1-4中所有相同字符表述的含義均一致。
[0084] 所述水泵水輪機(jī)為單級可逆混流式水泵水輪機(jī)；
[0085] 此方法可在水輪機(jī)設(shè)計(jì)過程中分析設(shè)計(jì)參數(shù)對反"S"區(qū)曲線彎曲程度的影響。
[0086] 此計(jì)算方法應(yīng)用范圍不局限于第一象限運(yùn)行區(qū)域，還可用于水泵水輪機(jī)全特性預(yù) 測。
[0087] 所述水泵水輪機(jī)為單級混流式水泵水輪機(jī)，在步驟3中得到的水泵水輪機(jī)方程， 帶入相應(yīng)的轉(zhuǎn)輪參數(shù)，即可以得到水泵水輪在水輪機(jī)和制動(dòng)工況區(qū)的特性曲線，步驟4中 的離心力項(xiàng)，為本發(fā)明新提出的。低比轉(zhuǎn)速水泵水輪機(jī)設(shè)計(jì)一般基于優(yōu)先滿足水泵工況運(yùn) 行的準(zhǔn)則，因此水泵水輪機(jī)有著較大的轉(zhuǎn)輪進(jìn)出口直徑比Di/%、細(xì)長的流道及前傾式葉片， 幾何形狀上與水泵更一致。轉(zhuǎn)輪在水輪機(jī)工況偏離高效點(diǎn)的部分負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，較強(qiáng)的離心 力使水泵效應(yīng)明顯顯現(xiàn)，換句話說，水泵水輪機(jī)在水輪機(jī)轉(zhuǎn)速增大時(shí)有更大的節(jié)流效應(yīng)。因 此，轉(zhuǎn)速上升時(shí)，流量下降的速率更大。在不同導(dǎo)葉開度下，不考慮水泵效應(yīng)項(xiàng)的水輪機(jī)方 程在零流量點(diǎn)對應(yīng)的轉(zhuǎn)速是相同的；而在水輪機(jī)基本方程中加入水泵效應(yīng)項(xiàng)后，不同開度 下的零流量點(diǎn)對應(yīng)的單位轉(zhuǎn)速不同?？紤]水泵效應(yīng)后，不同導(dǎo)葉開度下在零流量點(diǎn)對應(yīng)的 轉(zhuǎn)速不同，表明轉(zhuǎn)輪在不同開度下的節(jié)流效應(yīng)不同。導(dǎo)葉開度越大時(shí)，到達(dá)零流量點(diǎn)所需的 轉(zhuǎn)速越大。隨著開度由小增大，轉(zhuǎn)速的增加速率逐漸減小，這與實(shí)際轉(zhuǎn)輪特性曲線規(guī)律一 致。
[0088] 本發(fā)明的有益效果是：通過本發(fā)明中考慮水泵效應(yīng)的水泵水輪機(jī)方程，可以在僅 知道水輪機(jī)基本幾何參數(shù)和設(shè)計(jì)工況過流