本发明专利技术提出一种水泵水轮机第一象限特性曲线理论预测方法，基于水轮机欧拉方程，利用水泵水轮机转轮进出口直径、转入叶片进出口安放角及导叶开度等几何体型参数，考虑转轮进口的撞击损失、转轮内及尾水管水头损失和离心力作用项，得到水泵水轮机反“S”的特性及水轮机区特性曲线。本发明专利技术可适用于抽水蓄能电站中水泵水轮机前期开发设计，为水泵水轮机几何参数对转轮的反“S”特性影响提供预测和指导方向；使转轮在水力模型试验之前，为电站前期调节保证设计提供水轮机区初步特性曲线，进行调节保证的部分计算评估，节省了人力、财力，提高设计效率。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术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。
技术介绍
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。 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。
技术实现思路
本专利技术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。 本专利技术的技术方案是：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： 其中，为水轮机有效利用水头，单位m ; n h为水轮机效率； H水轮机工作水头，单位m ; vul为转轮进口绝对速度周向分量； Vu2为转轮出口绝对速度周向分量； 为转轮进口圆周速度系数， 巾2为转轮进口圆周速度系数， U水轮机进口轴面流速系数， 水轮机出口轴面流速系数， Di为转轮进口等效直径，单位m ; D2为转轮出口等效直径，单位m ; 为转轮进口高度； 82为转轮出口等效长度； 0 2为转轮出口水流相对速度出口角角度，单位：度； a i为转轮叶片进口水流速度角角度，单位：度； n为水轮机转速，单位r/min ; Q为流量，单位m3/s; g为重力加速度，单位m/s2。 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： hc+hg+hs+hf+h d+he+ n hH = H 式中， 其中，H水轮机工作水头，单位m ; 6 s为撞击损失系数； 6與轮内流动损失系数； Wi转轮进口相对流速； w2转轮出口相对流速； h。蜗壳中水力损失； hg导叶内水力损失； he粘性耗散损损失； 0 lb为转轮叶片进□安装角角度，单位：度； 0 :为转轮入口水流相对速度进口角角度，单位：度； 0 2为转轮出口水流相对速度出口角角度，单位：度；ai为转轮叶片进口水流速度角角度，单位：度； G u为圆周速度分量损失系数； G m为轴面速度分量损失系数。 上述h。、hg、he的数量很小，对结果的影响很小，可忽略不计。 步骤3:-般完整形式的水轮机程整理后得到：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：式中， t为转轮进口圆周速度系数， n为水轮机转速，r/min ; U水轮机进口轴面流速系数， Di为转轮进口等效直径，单位m; D2为转轮出口等效直径，单位m; 0lb为转轮叶片进□安装角角度，单位：度； 0 :为转轮入口水流相对速度进口角角度，单位：度； 0 2为转轮出口水流相对速度出口角角度，单位：度； ai为转轮叶片进口水流速度角角度，单位：度； an为设计额定工况导叶出口角度角度，单位：度； Q为流量，单位m3/s; g为重力加速度，单位m/s2; H水轮机工作水头，单位m; 为转轮进口高度； 转轮出口等效长度； #为额定工况点的设计参数。 6s为撞击损失系数，取值0. 95-1之间，取值优选1 ; 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 ; 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 ; ef转轮内流动损失系数，由于转轮流动损失较小，取值0 ; 上述步骤1-4中所有相同字符表述的含义均一致。 所述水泵水轮机为单级可逆混流式水泵水轮机； 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。 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。 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，为本专利技术新提出的。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。 本专利技术的有益效果是：通过本专利技术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当前第1页1 2 本文档来自技高网...
【技术保护点】
水泵水轮机第一象限特性曲线理论预测方法，其特征在于：步骤如下：步骤1：基于旋转机械中欧拉能量转换方程，通过水轮机基本几何参数及流量参数得到转轮进口速度三角形与出口速度三角形，推导得到理想水轮机方程，并在方程中考虑主要流动损失和离心力作用项，得到水泵水轮机方程：aφ12-2bφ1km1+ckm12+eφ1+dkm1-f=0]]>式中，a=ζs+(ζu-2)(D1D2)2;]]>b=ζs(cotα1+cotβ1b)+(ζu-1)B1B2cotβ2-cotα1;]]>c=ζs(cotα1+cotβ1b)2+(ζucot2β2+ζfcsec2β2+ζm)(D1B1D2B2)2;]]>e=km1nsinβ1b(cotα1+B1B1cotβ2);]]>d=φ1nsin(αn-α1)sinβ1b(cotα1+B1B2cotβ2);]]>f=sinβ1b(sin(αn-α1)+1)(cotα1+B1B2cotβ2)φ1nkm1n+1;]]>式中，φ1为转轮进口圆周速度系数，n为水轮机转速，r/min；km1水轮机进口轴面流速系数，ζs为撞击损失系数，取值0.95‑1之间；ζu为圆周速度分量损失系数，取值0.95‑1之间；ζm为轴面速度分量损失系数，取值0‑0.1之间；ζf转轮内流动损失系数,由于转轮流动损失较小，取值0；D1为转轮进口等效直径，单位m；D2为转轮出口等效直径，单位m；β1b为转轮叶片进口安装角角度，单位：度；β1为转轮入口水流相对速度进口角角度，单位：度；β2为转轮出口水流相对速度出口角角度，单位：度；α1为转轮叶片进口水流速度角角度，单位：度；αn为设计额定工况导叶出口角度,单位：度；Q为流量，单位m3/s；g为重力加速度，单位m/s2；H水轮机工作水头，单位m；B1为转轮进口高度；B2为转轮出口等效长度；为额定工况点的设计参数。...
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：夏林生，程永光，张春泽，张晓曦，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42
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