[发明专利]水泵水轮机第一象限特性曲线理论预测方法

说明书

技术领域

本发明属于水力机械特性研究领域，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

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。

发明内容

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。

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：

其中，H_e为水轮机有效利用水头，单位m；

η_h为水轮机效率；

H水轮机工作水头，单位m；

v_u1为转轮进口绝对速度周向分量；

v_u2为转轮出口绝对速度周向分量；

φ₁为转轮进口圆周速度系数，

φ₂为转轮进口圆周速度系数，

k_m1水轮机进口轴面流速系数，

k_m2水轮机出口轴面流速系数，

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；

B₁为转轮进口高度；

B₂为转轮出口等效长度；

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；

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η_hH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_c，导叶内损失h_g，水轮机进口冲击损失h_s，转轮内部损失h_f，尾水管内损失h_d及动量交换产生的粘性耗散损失h_e，得到考虑流动损失的一般完整形式水轮机方程为：

h_c+h_g+h_s+h_f+h_d+h_e+η_hH＝H

式中，

其中，H水轮机工作水头，单位m；

ζ_s为撞击损失系数；

ζ_f转轮内流动损失系数；

w₁转轮进口相对流速；

w₂转轮出口相对流速；

h_c蜗壳中水力损失；

h_g导叶内水力损失；

h_e粘性耗散损损失；