水泵水轮机第一象限特性曲线理论预测方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于水力机械特性研宄领域，涉及一种水泵水轮机第一象限特性曲线的理 论计算方法，特别涉水泵水轮机反" S "区特性曲线预测方法。
【背景技术】
[0002] 随着我国经济和社会的快速发展，电力负荷迅速增长，峰谷差不断加大，用户对电 力供应的量与质的期望越来越高。抽水蓄能电站以其调峰填谷的独特运行方式，发挥着调 节负荷、促进电力系统节能和维护电网安全稳定运行的功能，成为电网运行控制的重要工 具。水泵水轮机是抽水蓄能电站的核心设备，因其双向运行，起停和工况转换频繁，特殊的 反"S"特性常导致机组并网困难、空载不稳定，甚至水力系统的自激振荡，威胁电站运行安 全。随着抽水蓄能技术的发展和节能减排的要求，可逆式水泵水轮机正向高水头，大容量方 向发展，比转速更低，转轮直径更大，反" S "特性更加明显。
[0003] 在水泵水轮机转轮设计阶段，主要基于设计经验设计转轮，并不明确反"S"特性形 成的根源；对反"S"特性的评估和改善，主要基于大量的三维数值模拟和水力学模型试验， 此类方法周期长，成本大。同时在抽水蓄能设计阶段，水泵水轮机模型试验定型前，特性曲 线无法确定，转轮的调节保证计算一般套用其他类似参数的水泵水轮机特性曲线。若开发 抽水蓄能电站无可参考的相似比转速水泵水轮机，现有特性曲线难以满足电站设计需求。
【发明内容】
[0004] 本发明所要解决的技术问题是，提供一种基于水泵水轮机几何体型参数，计算水 泵水轮机在第一象限特性的特性曲线，并预测转轮的反"S"特性弯曲程度的计算方法。
[0005] 本发明的技术方案是：一种水泵水轮机在水轮机工况及水泵制动区特性曲线及反 "S"特性弯曲程度趋势的理论计算方法，步骤1 :基于旋转机械中欧拉能量转换方程，通过 水轮机进口与出口速度三角形，得到水轮机基本方程：
[0007] 其中，为水轮机有效利用水头，单位m ;
[0008] n h为水轮机效率；
[0009] H水轮机工作水头，单位m ;
[0012] vul为转轮进口绝对速度周向分量；
[0013] Vu2为转轮出口绝对速度周向分量；
[0014] 为转轮进口圆周速度系数，
[0015] 巾2为转轮进口圆周速度系数，
[0016] U水轮机进口轴面流速系数，
[0017] 水轮机出口轴面流速系数，
[0018] Di为转轮进口等效直径，单位m ;
[0019] D2为转轮出口等效直径，单位m ;
[0020] 为转轮进口高度；
[0021] 82为转轮出口等效长度；
[0022] 0 2为转轮出口水流相对速度出口角角度，单位：度；
[0023] a i为转轮叶片进口水流速度角角度，单位：度；
[0024] n为水轮机转速，单位r/min ;
[0025] Q为流量，单位m3/s;
[0026] g为重力加速度，单位m/s2。
[0027] 步骤2 :基于水轮机机组内的水力损失与有效利用水头qhH形成了水轮机内部的 能量平衡，主要水力损失为蜗壳中损失h。，导叶内损失h g，水轮机进口冲击损失hs，转轮内 部损失hf，尾水管内损失h d及动量交换产生的粘性耗散损失h 得到考虑流动损失的一般 完整形式水轮机方程为：
[0028] hc+hg+hs+hf+h d+he+ n hH = H
[0029] 式中，
[0033] 其中，H水轮机工作水头，单位m ;
[0034] 6 s为撞击损失系数；
[0035] 6與轮内流动损失系数；
[0036] Wi转轮进口相对流速；
[0037] w2转轮出口相对流速；
[0038] h。蜗壳中水力损失；
[0039] hg导叶内水力损失；
[0040] he粘性耗散损损失；
[0042] 0 lb为转轮叶片进□安装角角度，单位：度；
[0043] 0 :为转轮入口水流相对速度进口角角度，单位：度；
[0044] 0 2为转轮出口水流相对速度出口角角度，单位：度；
[0045]ai为转轮叶片进口水流速度角角度，单位：度；
[0046] G u为圆周速度分量损失系数；
[0047] G m为轴面速度分量损失系数。
[0048] 上述h。、hg、he的数量很小，对结果的影响很小，可忽略不计。
[0049] 步骤3:-般完整形式的水轮机程整理后得到：
[0054]步骤4:在步骤3中水轮机方程中加入离心力作用项e<i>i+dU，得到水泵水轮机方 程：
[0062]式中，
[0063] t为转轮进口圆周速度系数，
[0064] n为水轮机转速，r/min ;
[0065] U水轮机进口轴面流速系数，
[0066] Di为转轮进口等效直径，单位m;
[0067] D2为转轮出口等效直径，单位m;
[0068] 0lb为转轮叶片进□安装角角度，单位：度；
[0069] 0 :为转轮入口水流相对速度进口角角度，单位：度；
[0070] 0 2为转轮出口水流相对速度出口角角度，单位：度；
[0071] ai为转轮叶片进口水流速度角角度，单位：度；
[0072] an为设计额定工况导叶出口角度角度，单位：度；
[0073] Q为流量，单位m3/s;
[0074] g为重力加速度，单位m/s2;
[0075] H水轮机工作水头，单位m;
[0076] 为转轮进口高度；
[0077] 转轮出口等效长度；
[0078] #为额定工况点的设计参数。
[0079] 6s为撞击损失系数，取值0. 95-1之间，取值优选1 ;
[0080] 为圆周速度分量损失系数，取值〇. 95-1之间，尾水管出口圆周速度分量为主， 取值优选1 ;
[0081] Gm为轴面速度分量损失系数，取值0-0. 1之间，尾水管轴面速度分量损失相对圆 周速度分量损失较小，取值优选0 ;
[0082] ef转轮内流动损失系数，由于转轮流动损失较小，取值0 ;
[0083] 上述步骤1-4中所有相同字符表述的含义均一致。
[0084] 所述水泵水轮机为单级可逆混流式水泵水轮机；
[0085] 此方法可在水轮机设计过程中分析设计参数对反"S"区曲线弯曲程度的影响。
[0086] 此计算方法应用范围不局限于第一象限运行区域，还可用于水泵水轮机全特性预 测。
[0087] 所述水泵水轮机为单级混流式水泵水轮机，在步骤3中得到的水泵水轮机方程， 带入相应的转轮参数，即可以得到水泵水轮在水轮机和制动工况区的特性曲线，步骤4中 的离心力项，为本发明新提出的。低比转速水泵水轮机设计一般基于优先满足水泵工况运 行的准则，因此水泵水轮机有着较大的转轮进出口直径比Di/%、细长的流道及前倾式叶片， 几何形状上与水泵更一致。转轮在水轮机工况偏离高效点的部分负荷运行时，较强的离心 力使水泵效应明显显现，换句话说，水泵水轮机在水轮机转速增大时有更大的节流效应。因 此，转速上升时，流量下降的速率更大。在不同导叶开度下，不考虑水泵效应项的水轮机方 程在零流量点对应的转速是相同的；而在水轮机基本方程中加入水泵效应项后，不同开度 下的零流量点对应的单位转速不同。考虑水泵效应后，不同导叶开度下在零流量点对应的 转速不同，表明转轮在不同开度下的节流效应不同。导叶开度越大时，到达零流量点所需的 转速越大。随着开度由小增大，转速的增加速率逐渐减小，这与实际转轮特性曲线规律一 致。
[0088] 本发明的有益效果是：通过本发明中考虑水泵效应的水泵水轮机方程，可以在仅 知道水轮机基本几何参数和设计工况过流