水泵水轮机原理及工作方式

二、水泵水轮机的基本原理

（一）水力机械的可逆性

叶片式水力机械具有可逆性，可以以水泵或水轮机双向旋转，即在一种情况下作水轮机运行，另一种情况下作水泵运行。

在水泵工况下，转轮将电动机输出的机械能转换为水流能量，泵的出口能量高于进口能量，即转轮对水流做功。在水轮机工况下，转轮将水流能量转换为机械能，水轮机进口能量高于出口能量，即水流对转轮作功。图2-1-1所示为常规的混流式水轮机在水泵工况运行时的特性，图中下标T代表水轮机，P代表水泵。由图可知，普通的混流式水轮机反转作泵运行时，其性能是不理想的，主要是泵工况的效率太低。图2-1-2所示为普通的离心泵作水轮机运行时的特性，由图可知，在两个工况运行时的性能均相当好，效率相差不多。因此，离心泵叶轮比水轮机转轮的可逆性能好，两种工况的效率特性相近。

如果在离心泵的叶轮四周装上和水轮机一样的活动导叶，则离心泵作水轮机运行时的耗水量就会降低，效率将有所提高，两种工况的水头也会接近些。因此，目前抽水蓄能电站中广泛使用的混流可逆式水泵水轮机，就是以一个离心泵或混流泵型的转轮为基础，配以近似水轮机型的活动导叶和固定导叶而综合研究开发出来的。

图2-1-1　混流式水轮机的双向运行特性

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图2-1-2　离心泵的双向运行特性

（二）水泵水轮机工作原理

在水轮机工况时，水流传递给转轮的功率为

P＝ρgQH_TηhT

式中：ρ——水的密度；g——重力加速度；Q——通过转轮的水流流量；H_T——水轮机工作水头；ηhT——水轮机的水力效率。

在水泵工况运行时，由于叶轮流道为扩散型，除考虑水力效率之外，还要考虑有限叶片数的修正，则可得水泵的基本方程式

P_P·out＝9.81QH_PηhP

式中：H_P——水泵扬程；ηhP——水泵的水力效率。

上述水轮机和水泵的两个基本方程式实质上是水流能量与机械能相互转换的能量平衡方程式。为了达到充分进行能量转换从而提高效率的目的，必须正确设计转轮叶片的形状、进出口角度以及流道的几何参数。