水泵水轮机全特性

水泵水轮机全特性

1．水泵水轮机全特性曲线

抽水蓄能电站的水泵水轮机均设有活动导叶，通过导叶调节水轮机运行时的流量，故水泵水轮机的特性曲线一般为一组不同导叶开度下的全特性曲线，其区域的划分与水泵的全特性区域划分一样，只是习惯上以正常水轮机运行工况的各参数为正。同时抽水蓄能电站一般H 也总是正值，即在实际工程中实用也就是5个工况区，即水轮机工况、水轮机制动工况、水泵工况、反水泵工况、水泵制动工况。

水泵水轮机全特性曲线表示方法通常采用1111~n Q 和1111~n M 来表示。图3-7和图3-8所示为某抽水蓄能电站水泵水轮机的四象限特性曲线。

图3-7 水泵水轮机流量特性曲线 图3-8 水泵水轮机力矩特性曲线

2．水泵水轮机全特性曲线的特点

通过对不同水泵水轮机的全特性分析可以看出，水泵水轮机全特性有着下述的规律与特点：

（1）在水泵工况，大开度等导叶开度曲线汇集成一簇很窄的交叉曲线，说明在此区域水泵扬程与导叶开度的关系不大，开度的改变不会造成单位转速及单位力矩的很大的变化。当导叶开度较小区域时随着导叶开度的减小其流量曲线及力矩曲线则加速分又，说明此时的导水机构可看作是节流装置，水头损失急剧增大，从而对水泵的力矩及流量产生较大的影响。在水泵实际运行中导叶开度将随着扬程的变化而沿各导叶开度特性曲线的外包络线变化，使得水力损失最小，也即使得水泵的效率在此工况最高。此外，随着单位转速的增大，也即水泵扬程的减小，水泵的流量及水力矩将快速增大，所以在水泵及电动机设计时应充分考虑此时水泵的力矩特性，电动机容量应根据可能的正常运行最低扬程工况进行设计，并留有一定的裕量；同时根据导叶小开度区域力矩分散的特性，在异常低扬程起动时（如初次向上水库异常低扬程充水时）可采取关小导叶开度来限制其水力矩，即限制水泵的入力在一定范围以内。

（2）水泵制动区力矩随单位转速的减小而逐渐增大，其中沿大导叶开度线要比小导叶开度线要明显得多；另外，各导叶开度线与单位转速坐标轴的交点集中，表明水泵水轮机冰泵的零流量点与导叶开度关系不大，同时各导叶开度线的切线基本为正斜率，表明随着水泵工况反向流量的增大其制动水力矩不断增大，但水力矩的增速逐渐变缓，同时单位转速减小，转速减小的速度逐渐加快，这主要是机组转动部件及水体有着惯性力矩的抑制作用。由于在该区力矩随着单位转速的减小而增大，尤其是对低比转速的水泵水轮机在大导叶开度断电而导叶拒动时，水力矩有可能达到除正常水泵工况及反水泵工况外的最大值，故在机组设计时应对此过渡工况产生的水力矩进行详细计算；同时由于小导叶开度线较大导叶开度线平缓得多，因此建议在水泵断电时宜快速关闭导叶至小开度。

（3）水轮机工况区不同导叶开度线在小单位转速区较为平缓，并且向零力矩线（飞逸线）方向及向大导叶开度方向逐渐变得密集，并在大单位转速区变化快速加剧。一方面说明机组转速在小单位转速区域对流量的影响不大，流量主要由导叶开度来决定，并且在相同水头下，大开度区导叶开度对流量的影响要小于小开度区导叶开度对流量的影响。同时，不同导叶开度飞逸工况下的流量随开度的减小而减小，且减小的速度逐渐变缓，在小开度区不同导叶开度飞逸工况下的流量变化最小。另外一方面在大单位转速区流量变化剧烈，沿等导叶开度线单位流量及单位力矩快速下降，说明随着机组转速的上升，离心制动作用迅速加大，使得水轮机方向流量及力矩迅速减小。

（4）水轮机制动区不同导叶开度线变得密集，斜率大，基本上与单位转速坐标轴垂直，在比转速小的机组甚至出现明显的反弯现象，即“S”特征明显，此时等单位转速线与等导叶开度线有两个或两个以上的交点，即同一个转速下对应着多个不同流量的运行工况，从而在飞逸工况下出现不稳定现象，在多个工况间来回摆动。这是由于随着比转速的减小，转轮的流道变得长而窄，转轮内水体的离心力增大，随着转速的上升，当离心力产生的力矩接近和大于水力矩与机组阻力矩之和时，便产生制动力矩，转速开始下降，使得离心力矩减小，当水力矩大于离心力矩与机组阻力矩之和时，机组又开始加速，于是使机组的运行产生来回震荡。另外，“S”特征随着导叶开度增大而越来越明显，说明随着水头的降低，其空载飞逸越来越靠近或深入“S”区。

（5）反水泵区的等导叶开度线随着单位转速的增大出现交叉，导叶开度对机组的流量及力矩影响不大。反水泵区的流量不大，但随着流量的增加，机组的转速和力矩均快速增加，从而使扬程也快速增加。因此在事故情况下应尽量避免进入反水泵区太深（如甩负荷时快速关闭导叶，机组有可能进入反水泵工况区）。而对于“S ”特征明显的低比转速机组，应对额定水头及最小水头工况下甩负荷导叶拒动时可能进人反水泵工况区而产生的力矩进行详细计算。

（6）不同比转速的水泵水轮机有着不同的特点，如图3-9及图3-10所示为比转速，

st n =120的混流式水泵水轮机四象限特性曲线，图3-11及图3-12所示为st n =232的斜流式水

泵水轮机的四象限特性曲线。

图3-9 比转速st n =120的 图3-10 比转速st n =120的 混流式水泵水轮机流量特性曲线 混流式水泵水轮机力矩特性曲线

图3-11 比转速st n =232的 图3-12 比转速st n =232的 斜流式水泵水轮机流量特性曲线 斜流式水泵水轮机力矩特性曲线

① 低比转速水泵水轮机“S ”区明显；高比转速水泵水轮机“S ”区不明显，有的甚至没有“S ”区。

② 低比转速水泵水轮机大导叶开度线在正流量区的特性比高比转速水泵水轮机的大导叶开度线平缓。

③ 随着比转速的增大，零力矩线（飞逸线）的斜率越来越大。

④ 各比转速水泵水轮机流量特性在反水泵工况均较平缓，但高比转速机组的力矩特性较低比转速机组的变化要剧烈得多，也即在等单位转速变化的情况下高比转速机组的反水泵工况扬程变化比低比转速机组的要大得多。

“S”特性

中，高比转速水轮机在Q11~ n11曲线上的开度线在高转速区略呈向下弯曲的形状，如图1虚线，和飞逸线（M11=0）的交角较大，故这种水轮机在到达飞逸后容易保持稳定，一般不会越过飞逸线而进入制动区。但是可逆式水泵水轮机和低比转速水轮机因为转轮直径较大，离心力作用大，水的进流很快下降，开度线显著地向下弯曲，如图1中实线。这些线和M11=0线交角很小，故这种机组达到飞逸以后有可能直接进入制动区。比转速特别小的水泵水轮机在受到其自身惯性驱动而进入制动区后，由于水流对转轮的阻挡作用，在流量减小的同时转速也略下降，故开度线出现向小n11值的反弯现象，如图2。如果惯性力矩仍不消失，转轮离心力将使水向反方向流出，即进入反水泵区。此时转速将再增大，使开度线向大n11方向弯曲，总的形成一个S形，这段曲线通称为“S”特性曲线。中比转速水泵水轮机的“S”特性不甚明显，而低比转速水泵水轮机则很突出。在“S”区域内机组在同一单位转速下可以有三个不同单位流量，其中一个还是负值，所以“S”区域是个不稳定区，运行中要尽量避免进入这一区域。