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循环水泵全性能曲线的程序求解
张康年;付学锋;陈利文
【期刊名称】《江西电力职业技术学院学报》
【年(卷),期】2011(024)004
【摘要】利用一些实测全性能曲线资料,编写出求解任意比转速的通用全性能曲线程序,并结合实例对某电厂循环水泵的全性能曲线应用程序进行求解.程序操作简便,计算快速准确,能够满足循环水系统水锤分析的需要.
【总页数】3页(P41-43)
【作者】张康年;付学锋;陈利文
【作者单位】江西省电力设计院,江西南昌 330096;江西省电力设计院,江西南昌330096;江西省水电工程局,江西南昌 330029
【正文语种】中文
【中图分类】TK262
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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。
可逆式水泵水轮机全特性曲线处理新方法
王林锁;索丽生;刘德有
【期刊名称】《水力发电学报》
【年(卷),期】2000()3
【摘要】在 Suter全性能曲线的基础上 ,将可逆式水泵水轮机的全特性曲线表示为以相对流动角x和导叶开度 y为自变量的曲面函数 ,用矩形域最小二乘曲面拟合数学模型和计算机仿真拟合曲面方程 ,并提出了实用可靠的曲面分层拟合方法计算任一导叶开度和相对流动角下的WH(x、y)和 WB(x、y)值 ,为抽水蓄能电站过渡过程计算提供了一种新的全特性曲线处理方法。
【总页数】7页(P68-74)
【关键词】可逆式;水泵水轮机;全特性曲线;处理方法
【作者】王林锁;索丽生;刘德有
【作者单位】河海大学水利水电工程学院
【正文语种】中文
【中图分类】TK734.02
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叶片式水力机械的全特性（Q ~H 坐标）（1）转速为正（n >0）时轴流式机组特性曲线。
如图3-3（a ）所示，曲线AB 段的H 、Q 、n 、M 均为正值，则QH >0，ωM P =>0，由工况定义知，AB 为水泵工况。
BC 段的Q 、n 、M 为正，H 为负，则QH <0，水流经过转轮后能量减少，ωM P =>0，转轮输入功率，此为制动工况。
C 点M =0，亦即P =0，QH <0，为飞逸工况，水流流经转轮减少的能量用于克服飞逸时的机械损耗。
C 点以下的Q 、n 为正，H 、M 为负，则QH <0，水流能量减少，ωM P =<0，转轮向外输出功率，此为水轮机工况。
不过这时的水流由尾水管流向蜗壳，是倒冲式水轮机工况，一般称为反水轮机工况。
A 点以左，Q 为负值，其它参数均为正值，则QH <0，ωM P =>0，亦为制动工况。
所以n 为某一正值时，水力机组自左至右经历了制动工况、水泵工况、制动工况及反水轮机工况四个工作状态。
图3-3 三种转速下水力机组的全特性曲线（2）转速为零（n =0）时轴流式机组的特性曲线。
此时水力机组在循环管道上实际上就成为局部阻力，因此，不管流量是正还是负，水流流经转轮后能量总是减少的，也不管扭矩是正还是负，因为转速为零，所以功率也必为零。
故当转速为零时，整个特性曲线上的工况均为制动工况，转轮处的局部损失222KQ gv h ==∆ζ，所以()Q f H =曲线亦为抛物线，又因QH <0，则H 为正时，Q 必为负，反之亦然，故()Q f H =曲线贯穿于Ⅱ、Ⅳ象限，如图3-3（b ）所示，但此抛物线不是水力机组相似工况点的抛物线。
水流对转轮的作用力矩等于水流进出转轮的动量（mv ）的变化量，由此可知，力矩的大小与流量的平方成正比，所以()Q f M =亦是一抛物线，其方向当n =0时，水头为正，力矩也为正，反之，水头为负，力矩亦为负。
可逆式水泵水轮机“S”特性与内流诱导机理研究可逆式水泵水轮机“S”特性与内流诱导机理研究一、引言可逆式水泵水轮机是一种能够实现水的同时流向两个方向的设备。
其特点是在一定的调节条件下，可以将水流向水泵或者水轮机，实现液体的供水或者能量的回收。
在过去的研究中，可逆式水泵水轮机的性能研究主要集中在“S”特性和内流诱导机理方面。
本文将探讨可逆式水泵水轮机的“S”特性及其内流诱导机理，旨在深入了解可逆式水泵水轮机的工作原理和性能特点。
二、可逆式水泵水轮机的“S”特性1. “S”特性的定义“S”特性是指可逆式水泵水轮机在不同工况下的流量-扬程曲线，其形状类似英文字母“S”，故得名“S”特性。
该特性曲线反映了水泵水轮机在不同流量下的效率和功率特性。
2. 形成“S”特性的原因可逆式水泵水轮机的“S”特性形成的原因主要有两个方面。
首先，可逆式水泵水轮机是一个多功能设备，根据工况的不同需要，可以实现液体的供水或者能量的回收。
其次，可逆式水泵水轮机内部的流动过程是一个复杂的动态过程，涉及到水流的流动和能量转换的过程，因此形成了“S”特性。
3. “S”特性的影响因素“S”特性的形成受到多种因素的影响，如可逆式水泵水轮机的结构参数、工况条件、内部流动特性等。
其中，结构参数是决定“S”特性的关键因素之一。
根据不同的结构参数，可逆式水泵水轮机的“S”特性表现出不同的形状和参数。
此外，工况条件也会对“S”特性产生一定的影响。
例如，当流量增大时，可逆式水泵水轮机的“S”特性曲线向右上方平移，表示其输出功率和效率的增加。
三、内流诱导机理的研究1. 内流诱导机理的定义内流诱导机理是指在可逆式水泵水轮机内部，通过一系列的流道和叶轮结构，将水流引导到相应的位置和方向，从而实现液体的供水或者能量的回收。
内流诱导机理是可逆式水泵水轮机实现工作的基础。
2. 内流诱导机理的工作原理内流诱导机理的工作原理可以分为导流、引导和转换三个阶段。
首先，在可逆式水泵水轮机的导流系统中，通过导叶将流体引导到正确的位置。
国内图书分类号：TK124学校代码：10079 国际图书分类号：621.1 密级：公开硕士学位论文原型可逆式水泵水轮机在水轮机工况下的压力脉动特性的试验研究及分析硕士研究生：刘涛导师：杜小泽教授张宇宁副教授（副导师）申请学位：工学硕士学科：动力工程及工程热物理专业：热能工程所在学院：能源动力与机械工程学院答辩日期：2017年3 月授予学位单位：华北电力大学Classified Index:TK124U.D.C: 621.1Thesis for the Master Degree Experimental Study and Analysis of Characteristics of Pressure Fluctuation in Prototype Reversible PumpTurbine in Generating ModeCandidate：Tao LiuSupervisor：Prof. Xiaoze DuA.P．Yuning Zhang (assistant supervisor) Academic Degree Applied for：Master of EngineeringSpeciality：Thermal EngineeringSchool：School of Energy, power and MechanicalEngineeringDate of Defence：March, 2017Degree-Conferring-Institution：North China Electric Power University本学位论文的研究得到以下项目的支持1、国家自然科学基金（编号：51506051）2、清华大学水沙科学与水利水电工程国家重点实验室2015年度开放基金项目（编号：sklhse-2015-E-01）3、武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室开放研究基金项目 (编号：2014SDG01)4、中央高校基本科研业务费专项资金资助（编号：JB2015RCY04）摘要可逆式水泵水轮机集合了水泵与水轮机两种功能，并广泛应用于抽水蓄能电站。
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。
第１８卷第６期２０２０年１２月水利与建筑工程学报ＪｏｕｒｎａｌｏｆＷａｔｅｒＲｅｓｏｕｒｃｅｓａｎｄＡｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＶｏｌ．１８Ｎｏ．６Ｄｅｃ．，２０２０ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７２－１１４４．２０２０．０６．００１收稿日期：２０２０ ０８ １０ 修稿日期：２０２０ ０９ ０２基金项目：国家自然科学基金项目（５１９０９２２２）；西北农林科技大学科研启动基金项目（Ｚ１０９０２１８１３）作者简介：毛秀丽（１９９１—），女，甘肃甘谷人，博士，讲师，主要从事水力机械及其系统、抽水蓄能及新能源技术研究工作。
Ｅ ｍａｉｌ：ｍａｏｘｌ＠ｎｗａｆｕ．ｅｄｕ．ｃｎ可逆式水泵水轮机内流研究综述毛秀丽１，陆家豪１，刘宝熙１，王 博２（１．西北农林科技大学水利与建筑工程学院，陕西杨凌７１２１００；２．陕西省引汉济渭工程建设有限公司，陕西西安７１００００）摘 要：可逆式水泵水轮机广泛应用于抽水蓄能电站，其可在发电工况与抽水工况之间安全稳定切换运行，从而使得抽水蓄能电站成为当下清洁能源中提高电网质量的首选，更为新能源的发展保驾护航。
本文以国内外学者关于水泵水轮机的研究为主线，具体综述方向包含水泵水轮机内流场演变研究及内流对系统外特性影响研究，从内流求解方法、工况分析、振动及噪声等方面分析了当下研究现状。
并基于此探讨在满足工程实况需求与学科发展需要的前提下，给出了可进一步深入研究水泵水轮机内流的部分参考方向，以期为可逆式水泵水轮机的研究提供一定的借鉴。
关键词：可逆式水泵水轮机；安全稳定运行；振动特性；流动诱导噪声中图分类号：ＴＶ７４３ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７２—１１４４（２０２０）０６—０００１—０６ＡＲｅｖｉｅｗｏｆＩｎｔｅｒｎａｌＦｌｕｉｄｏｆＲｅｖｅｒｓｉｂｌｅＰｕｍｐＴｕｒｂｉｎｅＲｅｓｅａｒｃｈＭＡＯＸｉｕｌｉ１，ＬＵＪｉａｈａｏ１，ＬＩＵＢａｏｘｉ１，ＷＡＮＧＢｏ２（１．ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＷａｔｅｒＲｅｓｏｕｒｃｅｓａｎｄＡｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＮｏｒｔｈｗｅｓｔＡ＆ＦＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｙａｎｇｌｉｎｇ，Ｓｈａａｎｘｉ７１２１００，Ｃｈｉｎａ；２．Ｈａｎｊｉａｎｇ－ｔｏ－ＷｅｉｈｅＲｉｖｅｒＶａｌｌｅｙＷａｔｅｒＤｉｖｅｒｓｉｏｎＰｒｏｊｅｃｔＣｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎＣｏ．，Ｌｔｄ．，Ｘｉ’ａｎ，Ｓｈａａｎｘｉ７１００００，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｒｅｖｅｒｓｉｂｌｅｐｕｍｐｔｕｒｂｉｎｅｈａｓｂｅｅｎｗｉｄｅｌｙｕｓｅｄｉｎｐｕｍｐｅｄｓｔｏｒａｇｅｐｌａｎｔｓ（ＰＳＰｓ）ａｌｌｏｖｅｒｔｈｅｗｏｒｌｄ，ｗｈｉｃｈｃａｎｏｐｅｒａｔｅｕｎｄｅｒｐｕｍｐｉｎｇｍｏｄｅａｎｄｇｅｎｅｒａｔｉｎｇｍｏｄｅｓａｆｅｌｙａｎｄｓｔａｂｌｙ．Ｃｏｎｓｅｑｕｅｎｔｌｙ，ＰＳＰｓｈａｖｅｂｅｃｏｍｅｔｈｅｆｉｒｓｔｃｈｏｉｃｅｆｏｒｉｍｐｒｏｖｉｎｇｔｈｅｑｕａｌｉｔｙｏｆｐｏｗｅｒｇｒｉｄｆｏｒｃｌｅａｎｅｎｅｒｇｙ，ｗｈｉｃｈｍａｋｅｓａｇｒｅａｔｃｏｎｔｒｉｂｕｔｉｏｎｔｏｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｒｅｎｅｗａｂｌｅｅｎｅｒｇｙａｓｗｅｌｌ．Ｔｈｅｍａｉｎｌｉｎｅｏｆｔｈｉｓｐａｐｅｒｉｓｔｈｅｐｕｂｌｉｓｈｅｄｒｅｓｅａｒｃｈａｂｏｕｔｐｕｍｐｔｕｒｂｉｎｅｆｒｏｍｔｈｅｒｅｌａｔｉｖｅｓｃｈｏｌａｒｓａｌｌｏｖｅｒｔｈｅｗｏｒｌｄ．Ｂｏｔｈｔｈｅｅｖｏｌｕｔｉｏｎｏｆｉｎｔｅｒｎａｌｆｌｕｉｄｏｆｐｕｍｐｔｕｒｂｉｎｅａｎｄｉｔｓｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｎｔｈｅｅｘｔｅｒｎａｌｃｈａｒａｃ ｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｓｙｓｔｅｍａｒｅｃｏｎｓｉｄｅｒｅｄ．Ｔｈｅｃｕｒｒｅｎｔｒｅｓｅａｒｃｈｓｔａｔｕｓｉｓａｎａｌｙｚｅｄｆｒｏｍｔｈｅｆｏｌｌｏｗｉｎｇａｓｐｅｃｔｓ．Ｔｈｅｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｓｔｏｉｎｔｅｒｎａｌｆｌｕｉｄ，ｔｈｅａｎａｌｙｓｉｓｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔｕｎｉｔｏｐｅｒａｔｉｏｎｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ，ｔｈｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｓｔｒｕｃｔｕｒｅｖｉｂｒａｔｉｏｎ，ｔｈｅｆｌｏｗ ｉｎｄｕｃｅｄｎｏｉｓｅａｎｄｓｏｏｎ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓｉｎｆｉｅｌｄａｎｄｔｈｅｓｕｂｊｅｃｔｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ，ｓｏｍｅｒｅｆｅｒｅｎｃｅｄｉｒｅｃｔｉｏｎｓｏｆｐｕｍｐｔｕｒｂｉｎｅａｒｅｄｉｓｃｕｓｓｅｄｗｈｉｃｈｎｅｅｄｆｕｒｔｈｅｒｉｎ ｄｅｐｔｈｓｔｕｄｙ．Ｔｈｉｓｗｏｒｋｐｒｏｖｉｄｅｓａｒｅｆｅｒ ｅｎｃｅｆｏｒｔｈｅｆｕｔｕｒｅｒｅｓｅａｒｃｈｏｆｒｅｖｅｒｓｉｂｌｅｐｕｍｐｔｕｒｂｉｎｅ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｒｅｖｅｒｓｉｂｌｅｐｕｍｐｔｕｒｂｉｎｅ；ｓａｆｅａｎｄｓｔａｂｌｅｏｐｅｒａｔｉｏｎ；ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｏｆｖｉｂｒａｔｉｏｎ；ｆｌｏｗ ｉｎｄｕｃｅｄｎｏｉｓｅ 国家“十三五”规划中，在能源和电力规划方面强调加快抽水蓄能电站建设，到２０２０年我国抽水蓄能电站建设规模将超过７０００万ｋＷ［１－２］。
可逆式水泵水轮机“S”特性与内流诱导机理研究可逆式水泵水轮机是能源互联网实现分布式能源存储和调节的核心装备之一。
随着抽水蓄能机组在我国电力系统中所占比重的逐年增加以及单机容量的不断增大,抽水蓄能电站和机组的可靠性对系统的安全运行越来越重要。
可逆式水泵水轮机“S”特性区引起的机组运行不稳定问题,已经成为当前可逆式水泵水轮机设计、运行环节中最重要的问题,直接影响可逆式水泵水轮机发电工况空载启动时的稳定性,如果处理不好,甚至会引起整个电力系统的崩溃,带来巨大的经济损失。
本研究以某抽水蓄能电站可逆式水泵水轮机为研究对象,依托国内某研究所工程中心水轮机试验平台,针对可逆式水泵水轮机“S”特性与内流诱导机理开展了模型试验研究、全流场三维非定常数值模拟,探讨了非同步导叶(MGV)改善“S”特性及其内流诱导机理,主要研究内容如下。
1、开展了可逆式水泵水轮机模型试验研究,阐述了试验台基本系统,进行了试验台综合误差分析,结合抽水蓄能电站参数做了一定计算分析;开展了可逆式水泵水轮机水轮机工况模型试验和水泵工况模型试验,得出模型试验各项指标均符合IEC60193—1999(《水轮机、蓄能泵和水泵水轮机模型验收试验规程》)要求,测试得出的各项性能完全满足设计时给定的保证值要求,测试结果为数值分析计算提供了依据及所需基础参数。
2、以模型可逆式水泵水轮机为研究对象,建立了计算模型,进行了网格划分,运用能够有效捕捉近壁区以及远壁区流动特征的SST k-ω湍流模型,进行了可逆式水泵水轮机全流场三维湍流数值模拟。
数值模拟结果与模型试验结果对比得到综合特性曲线基本趋势一致,吻合度较高,表明三维全流道非定常数值计算的可信、可靠;针对可逆式水泵水轮机的“S”特性区域特殊流动问题,围绕机组内部流动特征、湍流结构的时空演变机制,着重分析计算了水泵水轮机水轮机工况同步启动过渡过程中的内流特性及其演化过程,得出了“S”特性内流诱导机理,探讨了“S”特性改善的内流控制方法。
