[科普中國]-雙擊式水輪機

雙擊式水輪機是一種很有優(yōu)勢的小水電水輪機機型。雖然他的制造和使用己經(jīng)有了很長的歷史(20世紀初),但是引起世界上許多國家（包括西德、日本、美國、英國和澳大利亞等）的重新重視是在七十年代末，八十年代初世界石油危機的沖擊以后?，F(xiàn)世界上生產(chǎn)雙擊式水輪機的已有九個國家近16家廠商。 雙擊式水輪機之所以引起世界上如此多國家的重新重視和開發(fā)是因其具有特有的優(yōu)點。

雙擊式水輪機雙擊式水輪機1就其原理來講，他是介于反擊式水輪機和沖擊式水輪機之間(因水流在第一次流過葉片時是有壓流動)。水流通過引水管從噴咀流出后,從轉(zhuǎn)輪外周通過徑向葉片進入轉(zhuǎn)輪中心，完成第一次能量交換后(約占總轉(zhuǎn)換能量的70%)，再從轉(zhuǎn)輪中心通過徑向葉片流出轉(zhuǎn)輪，完成第二次能量交換。

沖擊式水輪機理論分析證明，當(dāng)水斗節(jié)圓處的圓周速度約為射流速度的一半時，效率最高。這種水輪機在負荷發(fā)生變化時，轉(zhuǎn)輪的進水速度方向不變，加之這類水輪機都用于高水頭電站，水頭變化相對較小，速度變化不大，因而效率受負荷變化的影響較小，效率曲線比較平緩，最高效率超過91%。

切擊式水輪機切擊式水輪機工作射流中心線與轉(zhuǎn)輪節(jié)圓相切，故名切擊式水輪機。其轉(zhuǎn)輪葉片均由一系列呈雙碗狀水斗組成，故又稱水斗式水輪機。切擊式水輪機是目前沖擊式水輪機中應(yīng)用最廣泛的一種機型。其應(yīng)用水頭一般為300-2000m，目前最高應(yīng)用水頭已達到1771.3m（澳大利亞的列塞克-克羅依采克水力蓄能電站，水輪機出力P=22.8MW）。

斜擊式水輪機斜擊式水輪機主要工作部件和切擊式水輪機基本相同，只是工作射流與轉(zhuǎn)輪進口平面呈某一角度α，射流斜著射向轉(zhuǎn)輪。斜擊式水輪機適用于水頭在35-350m、軸功率為10-500kW、比轉(zhuǎn)速為18-45的中小型水電站。

關(guān)于沖擊式水輪機規(guī)定1 大型沖擊式水輪機應(yīng)優(yōu)先采用豎軸式結(jié)構(gòu)。
2 沖擊式水輪機轉(zhuǎn)輪、噴嘴和噴針宜采用不銹鋼制造，在高速水流作用的部件表面宜采用高硬，耐磨材料制造。
3 豎軸沖擊式水輪機的轉(zhuǎn)輪和噴管應(yīng)滿足從上經(jīng)發(fā)電機定子中心和向下自機殼內(nèi)拆裝運出。
4多噴嘴沖擊式水輪機應(yīng)根據(jù)輸出功率的大小自動投入或切除相應(yīng)數(shù)目的噴嘴，改變噴嘴數(shù)時水輪機應(yīng)能正常安全穩(wěn)定運行，各射流間應(yīng)無干擾。
5 沖擊式水輪機的每個噴嘴和折向器均應(yīng)有單獨的操作接力器。各噴針應(yīng)有單獨的電氣回復(fù)機構(gòu)和開度指示，折向器應(yīng)有單獨的開、關(guān)位置指示信號。
6 沖擊式水輪機應(yīng)有制動噴嘴及相應(yīng)的自動化元件。
7 沖擊式水輪機可采用反向水斗裝置，以抑制其飛逸轉(zhuǎn)速。
8 沖擊式水輪機的排水高度應(yīng)滿足水輪機安全穩(wěn)定運行和效率不受影響。在設(shè)計最高尾水位時，尾水渠水面以上應(yīng)有足夠的通氣高度。
9 水電站尾水位變幅很大時，允許沖擊式水輪機在高尾水位，即在排出高度小于設(shè)計要求甚至負值的情況下運行，但必須有壓低轉(zhuǎn)輪室水位的壓縮空氣裝置和保壓設(shè)施。其補氣量和補氣位置應(yīng)通過模型試驗確定。
10 沖擊式水輪機轉(zhuǎn)輪應(yīng)采用整體鑄造、鑄焊、鍛造加微鑄結(jié)構(gòu)，并應(yīng)進行必要的熱處理和多種探傷檢查。
11 沖擊式水輪機的機殼上應(yīng)有必要的補氣、隔音或消音措施。

選擇[摘要]主要介紹沖擊式水輪機及其輔助裝備的選型方式及計較法式，并提出用最優(yōu)直徑比檢查選型及效率批改方面的一些看法，內(nèi)容的重點在中小型機組。表5個。

[關(guān)頭詞]沖擊式水輪機選型最優(yōu)直徑比

1引言

眾所周知，沖擊式水輪機適用于高水頭、小流量的水力條件，其運用的最高水頭已接近1800m。與混流式水輪機相比，出格是在水頭年夜于200m的場所，其優(yōu)勢不容輕忽。由于早期選擇的沖擊式機組泛起的問題很多，今朝關(guān)于沖擊式機組的選型資料又相對較少，是以，沖擊式機組的選型遭到很多專業(yè)人員的關(guān)注。

沖擊式水輪機主要分為水斗式和斜擊式，斜擊式的比轉(zhuǎn)速ns=30～70m·kW，是介于混流式和水斗式之間的品種，今朝中小型范圍內(nèi)已做到轉(zhuǎn)輪直徑D1=100cm、發(fā)機電容量Ng=2500kW，雖斜擊式效率相對偏低些，但裝備價格優(yōu)勢不能輕忽，所以仍獲得普遍運用。

2裝配型式的選擇

2．1轉(zhuǎn)輪及噴嘴數(shù)目的選擇

按水頭和出力查水輪機運用范圍圖，小機組一般均用單輪單噴嘴；小型臥式雙噴嘴一般在D1=90～140cm，射流直徑d0在7～14m中使用；斜擊雙噴嘴今朝還沒有使用。

2．2安插方式的選擇

年夜中型機組立式、臥式均有使用，小型機組一般用臥式。臥式安插拆卸利便，但每一個轉(zhuǎn)輪只能安插1～2個噴嘴，當(dāng)噴嘴數(shù)目多時，必需增加轉(zhuǎn)輪數(shù)；立式安插可在統(tǒng)一轉(zhuǎn)輪上安插2～6個噴嘴，但當(dāng)噴嘴數(shù)多如用3個以上時，轉(zhuǎn)速不宜選得太高，以免各射流間相互影響，而下降水輪機的效率。

3改變比速法選擇沖擊式水輪機

沖擊式水輪機的選擇方式，有固定比速法和改變比速法二種。

由于這些年來各制造廠開發(fā)的新品種越來越多，可選擇的D1和d0也越來越多，選型者可沒必要受固定比速法關(guān)于D1/d0的限制，分歧的D1可以搭配分歧的d0，噴針機構(gòu)已成系列可以裝在分歧的D1的機體上，是以這類選擇方式已取代固定比速法，越來越被普遍使用。改變比速法選擇的法式和方式以下所述。

3．1轉(zhuǎn)速n簡直定

式中：ns為比轉(zhuǎn)速(m·kW)；Hr為設(shè)計水頭(m)；Nr為出力(kW)。

比轉(zhuǎn)速可在有關(guān)手冊中利便查得?？蛩銜r，對水斗式單噴嘴暫取25(多噴嘴ns=25√Z0，Z0為噴嘴數(shù))；對斜擊式取50。計較出轉(zhuǎn)速n后，向上取發(fā)機電同期轉(zhuǎn)速。

3．2肯定轉(zhuǎn)輪直徑D1

式中：u為轉(zhuǎn)輪節(jié)圓周速(m/s)；φ為轉(zhuǎn)輪周速系數(shù)，按比轉(zhuǎn)速ns值從表1查?。籫為重力加速度9．8m/s。

表1ns～φ值表

2)求出轉(zhuǎn)輪直徑D1，并取規(guī)格值

D1=60u/πn(m)

現(xiàn)在可供選擇的規(guī)格值越來越多，而且還有增加的趨向，表2列出今朝的規(guī)格值。

表2D1規(guī)格值

其中：臥式單噴嘴D1=45～140；

臥式雙噴嘴D1=90～140；

立式雙噴嘴D1=925～275；

立式四噴嘴D1=140～275。

框算D1時，可用下式：

3．3肯定射流直徑d0并靠取規(guī)格值

式中：K為轉(zhuǎn)輪數(shù)；Z0為噴嘴數(shù)；Q為水輪機設(shè)計流量(m/s)；Hr為設(shè)計水頭(m)

d0規(guī)格值列于表3供選擇。

表3d0規(guī)格值

其中：臥式單噴嘴d0=4．5～14；

臥式雙噴嘴d0=7～16；

立式雙噴嘴d0=9～24；

立式四噴嘴d0=9～24。

3．4斜擊式D1/d0的配套品種。

用改變比速法選配的斜擊式品種由表4列出，供選擇。

表4斜擊式D1/d0配套值

對小型機組，D1還有37，46，53可供選擇。

3．5水輪機效率的估算及額定出力的驗算

1)年夜中型機組：原型水輪機的D1/d0與模子水輪機的不異或D1/d0=10～20時，可不作效率批改；如D1/d0與模子的差異較年夜時，可參照響應(yīng)預(yù)期效率表估算原型水輪機效率值。

2)中小型機組：原型水輪機的D1/d0與模子的不異或D1/d0=8～10時，效率可不作批改；如D1/d0與模子的差異較年夜時，可參照預(yù)期效率表估算原型水輪機效率值。效率的保證值=預(yù)期效率-1%，如1個轉(zhuǎn)輪2個噴嘴，在100%的負荷下應(yīng)增加0．5%。

3)若計較出來的d0值不向上靠取規(guī)格值，則效率可不作批改，否則需扣除1%。

4)斜擊機組今朝還沒有公式計較，只能按預(yù)期效率肯定，一般可按機型年夜小取△η=0．005～ 0．015，具體數(shù)值參見各制造廠提供的保證值。

5)效率及出力驗算

①由于射流直徑取了尺度值，必需重新計較水輪機設(shè)計流量：

式中：Z0為噴嘴數(shù)；Hr為設(shè)計水頭(m)。

②由Q計較單元流量Q1，并計較參數(shù)取尺度值后的單元轉(zhuǎn)速n1：

式中：dn為噴嘴出口直徑(m)；dnM為模子轉(zhuǎn)輪出口直徑(m)；D1M為模子轉(zhuǎn)輪直徑(m)。

為運用利便對經(jīng)常使用的2種機型可簡化為：

③在綜合特征曲線上查取模子效率并批改為原型機效率ηr。

④驗算出力Nt=9．81HQηr，額定水頭必需能發(fā)到額定出力。

4最優(yōu)直徑比D1/d0的檢查

最優(yōu)直徑比m=D1/d0，是設(shè)計水斗式水輪機的重要參數(shù)。水斗上的應(yīng)力與工作水頭成正比，與直徑比m的平方成反比。是以，當(dāng)直徑比m減小時，會引發(fā)斗葉上的應(yīng)力急劇增年夜。一般當(dāng)水頭H>1000m時，要求直徑比m≮15，m下限值≮8～9。憑據(jù)現(xiàn)有資料，為使水輪機具有較高效率，應(yīng)使m=10～18，高水頭取高值、低水頭取低值。對接觸較多的中小型水斗式機組，直徑比統(tǒng)計值m=7．78～15．7，中小型斜擊式m=3．57～7．15；對年夜中型水斗式m=10～23，高效區(qū)為10～18，其統(tǒng)計方程為m=D1/d0=4 0．01H(H為工作水頭)。

若選出來的D1/d0太小，會致使效率下降，強度計較難以經(jīng)由過程；若選出來的D1/d0過年夜，將使比轉(zhuǎn)速下降，能量指標下降，又會使轉(zhuǎn)輪的風(fēng)損等損失增年夜，也會使效率下降。是以，若選出來的D1/d0太小或過年夜，必需采用改變轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)輪數(shù)及噴嘴數(shù)等法子重新選擇，使其處于合理的范圍。對小型水斗式水輪機，可選擇較小的m值。這樣，水輪機的效率雖然會下降一些，但比轉(zhuǎn)速增加了，使機組轉(zhuǎn)速n也增加，使發(fā)機電尺寸響應(yīng)減小，可下降電站造價。

經(jīng)樣本統(tǒng)計，對經(jīng)常使用小型機組，水斗式m≥7．78，斜擊式m≥3．57，當(dāng)m小于上列數(shù)值應(yīng)重新肯定轉(zhuǎn)速來選擇D1。

5 主閥的選擇

5．1直徑簡直定

主閥的內(nèi)徑一般與噴管內(nèi)徑一致，可由產(chǎn)物樣本直接查取。表5收集了一部門制造廠的統(tǒng)計資料供選擇時參考。1個品種在表中泛起分歧的配套閥門，應(yīng)以各廠的配套表為準，由于使用的水頭段分歧。

表5部門制造廠主閥內(nèi)徑統(tǒng)計資料

注：斜擊不帶A、B者，H≤100m，帶A，H=100～160m，帶B，H≥160m；球閥直徑規(guī)格φ300，400，500，600，650，800，1000，1200，1600。表中Dn為球閥或閘閥的公稱直徑，即內(nèi)徑；XJ代表斜擊式，CJ代表水斗式。

5．2主閥型號簡直定

沖擊式機組一般配用閘閥，對高水頭年夜中型機組也有選用球閥。

主閥的壓力品級關(guān)系到價格，是以不宜選得太高。由于沖擊式水輪機具有折向器機構(gòu)，噴針關(guān)閉時間比混流式導(dǎo)葉關(guān)閉時間慢得多，升壓相對較小，一般升壓≤0．15(指相對升壓≤15%)，是以對中小型機組可直接按設(shè)計水頭選擇，等于或略年夜于設(shè)計水頭即可。經(jīng)常使用閘閥的壓力規(guī)格有6kg/cm、10kg/cm、16kg/cm、25kg/cm、40kg/cm、64kg/cm等，選用時應(yīng)向規(guī)格值靠，一般壓力≥16kg/cm。閥體、閥蓋、閘板的材料需用碳鋼，尾部符號為C，不標C者為鑄鐵。一樣的直徑、閥門的密封面材料也有分歧，關(guān)系到造價，是以，應(yīng)按壓力品級選擇密封面材料：凡是6～10kg/cm用銅(T)，顯然選擇銅密封面價格要低些。閘閥有電動或手動之分：電動由φ300mm起，φ350mm及以上無電動閘閥。閘閥還有明桿和暗桿的區(qū)分，5為暗桿、1為明桿。一般暗桿用于6～10/cm的壓力，直徑范圍為φ300～1600mm。

經(jīng)常使用閘閥示例以下：

Z941H－16CDn=800

Z—閘閥；9—電動；4—法蘭聯(lián)絡(luò)；1—明桿；H—合金鋼密封面；16—壓力品級；C—碳鋼閥體；Dn—公稱直徑；

Z41T-10Dn=250

Z—閘閥；4—法蘭聯(lián)接；1—明桿；T—銅密封面；10—壓力品級；Dn—公稱直徑。

6 調(diào)速器的初步選擇

6．1 調(diào)速功計較

調(diào)速功分噴針調(diào)速功和折向器調(diào)速功二部門，若兩者聯(lián)動，總調(diào)速功為兩者調(diào)速功之和；若折向器不聯(lián)動，則按噴針調(diào)速功選擇調(diào)速器容量。

噴針調(diào)速功A1=Z0(d0d0Hmax/6000)(kg·m)

式中：Z0為噴嘴數(shù)；d0為射流直徑(cm)；Hmax為最年夜水頭(m)

1個折向器調(diào)速功A2=0.11×10d0Hmax或

A2=Z0(d0d0Hmax/6000)(kg·m)

式中：Z0為折向器數(shù)；d0為射流直徑(cm)；Hmax為最年夜水頭(m)。

總調(diào)速功A=A1A2=2A1

6．2 調(diào)速器容量的選擇

AP=(1．3～2)A1，系數(shù)1．3～2是斟酌加工裝配量及潤滑等身分。

6．3調(diào)速器類型的選擇

一般按下列原則選配調(diào)速器：

水斗式：

D1≤70cm，Ng≤800kW，配手動或電動調(diào)速器；

D1≥70cm，Ng>800kW～2500kW，配手動或自動調(diào)速器；

D1≥125cm，Ng>2500kW，配自動調(diào)速器。

斜擊式：

D1=40～80cm，Ng≤2500kW，配手動、電動調(diào)速器及自動調(diào)速器；

年夜中型斜擊機組(1000kW以上)，大都配自動調(diào)速器。

沖擊式機組選配調(diào)速器類型無劃定，可綜合電站現(xiàn)實情況選擇。此外，小型調(diào)速器經(jīng)常使用非自動調(diào)理的操作器來取代，特點是能知足關(guān)閉時間的要求，關(guān)閉時間可在2～12s內(nèi)整定。若選擇自動調(diào)速器，由于沖擊機組需快速關(guān)閉折向器，緩慢關(guān)閉噴針機構(gòu)，宜選擇專用的沖擊式CJ型自動調(diào)速器，它無接力器缸及轉(zhuǎn)臂，調(diào)速器本體上設(shè)有噴嘴及折向器的進出油孔2。

本詞條內(nèi)容貢獻者為:

李雪梅 - 副教授 - 西南大學(xué)