冲击式水轮机的选择
孙红伟 2007-8-6 14:10:00
[摘 要]主要介绍冲击式水轮机及其辅助设备的选型方法及计算程序，并提出用最优直径比检查选型及效率修正方面的一些看法，内容的重点在中小型机组。表5个。
[关键词]冲击式水轮机 选型 最优直径比 1 引 言
众所周知，冲击式水轮机适用于高水头、小流量的水力条件，其应用的最高水头已接近1 800m。与混流式水轮机相比，特别是在水头大于200m的场合，其优势不容忽视。由于早期选择的冲击式机组出现的问题不少，目前关于冲击式机组的选型资料又相对较少，因此，冲击式机组的选型受到不少专业人员的关注。
冲击式水轮机主要分为水斗式和斜击式，斜击式的比转速ns=30～70m·kW，是介于混流式和水斗式之间的品种，目前中小型范围内已做到转轮直径D1=100cm、发电机容量Ng=2500kW，虽斜击式效率相对偏低些，但设备价格优势不能忽视，所以仍得到广泛应用。
2 装置型式的选择
2．1 转轮及喷嘴数目的选择
按水头和出力查水轮机应用范围图，小机组一般均用单轮单喷嘴；小型卧式双喷嘴一般在D1=90～140cm，射流直径d0在7～14m中使用；斜击双喷嘴目前还没有使用。
2．2 布置方式的选择
大中型机组立式、卧式均有使用，小型机组一般用卧式。卧式布置拆卸方便，但每个转轮只能布置1～2个喷嘴，当喷嘴数目多时，必须增加转轮数；立式布置可在同一转轮上布置2～6个喷嘴，但当喷嘴数多如用3个以上时，转速不宜选得太高，以避免各射流间相互影响，而降低水轮机的效率。
3 改变比速法选择冲击式水轮机
冲击式水轮机的选择方法，有固定比速法和改变比速法二种。
由于这些年来各制造厂开发的新品种越来越多，可选择的D1和d0也越来越多，选型者可不必受固定比速法关于D1／d0的限制，不同的D1可以搭配不同的d0，喷针机构已成系列可以装在不同的D1的机体上，因此这种选择方法已经代替固定比速法，越来越被广泛使用。改变比速法选择的程序和方法如下所述。
3．1 转速n的确定
式中：ns为比转速(m·kW)；Hr为设计水头(m)；Nr为出力(kW)。
比转速可在有关手册中方便查得。框算时，对水斗式单喷嘴暂取25(多喷嘴ns=25√Z0，Z0为喷嘴数)；对斜击式取50。计算出转速n后，向上取发电机同期转速。
3．2 确定转轮直径D1
式中：u为转轮节圆周速(m／s)；φ为转轮周速系数，按比转速ns值从表1查取；g为重力加速度9．8m／s2。
表1 ns～φ值表
2)求出转轮直径D1，并取规格值 D1=60u／π n(m)
现在可供选择的规格值越来越多，并且还有增加的趋势，表2列出目前的规格值。
表2 D1规格值
其中：卧式单喷嘴D1=45～140； 卧式双喷嘴D1=90～140； 立式双喷嘴D1=925～275； 立式四喷嘴D1=140～275。 框算D1时，可用下式：
3．3 确定射流直径d0并靠取规格值
式中：K为转轮数；Z0为喷嘴数；Q为水轮机设计流量(m3／s)；Hr为设计水头(m) d0规格值列于表3供选择。
表3 d0规格值
其中：卧式单喷嘴d0=4．5～14； 卧式双喷嘴d0=7～16； 立式双喷嘴d0=9～24； 立式四喷嘴d0=9～24。
3．4 斜击式D1／d0的配套品种。
用改变比速法选配的斜击式品种由表4列出，供选择。
表4 斜击式D1／d0配套值
对小型机组，D1还有37，46，53可供选择。 3．5 水轮机效率的估算及额定出力的验算
1)大中型机组：原型水轮机的D1／d0与模型水轮机的相同或D1／d0=10～20时，可不作效率修正；如D1／d0与模型的差别较大时，可参照相应预期效率表估算原型水轮机效率值。 2)中小型机组：原型水轮机的D1／d0与模型的相同或D1／d0=8～10时，效率可不作修正；如D1／d0与模型的差别较大时，可参照预期效率表估算原型水轮机效率值。效率的保证值=预期效率-1％，如1个转轮2个喷嘴，在100％的负荷下应增加0．5％。
3)若计算出来的d0值不向上靠取规格值，则效率可不作修正，否则需扣除1％。 4)斜击机组目前还没有公式计算，只能按预期效率确定，一般可按机型大小取△η=0．005～+0．015，具体数值参见各制造厂提供的保证值。
5)效率及出力验算
①由于射流直径取了标准值，必须重新计算水轮机设计流量：
式中：Z0为喷嘴数；Hr为设计水头(m)。
②由Q计算单位流量Q1，并计算参数取标准值后的单位转速n1：
式中：dn为喷嘴出口直径(m)；dnM为模型转轮出口直径(m)；D1M为模型转轮直径(m)。
为应用方便对常用的2种机型可简化为：
③在综合特性曲线上查取模型效率并修正为原型机效率ηr。
④验算出力Nt=9．81HQηr，额定水头必须能发到额定出力。 4 最优直径比D1／d0的检查
最优直径比m=D1／d0，是设计水斗式水轮机的重要参数。水斗上的应力与工作水头成正比，与直径比m的平方成反比。因此，当直径比m减小时，会引起斗叶上的应力急剧增大。一般当水头H>1 000m时，要求直径比m≮15，m下限值≮8～9。根据现有资料，为使水轮机具有较高效率，应使m=10～18，高水头取高值、低水头取低值。对接触较多的中小型水斗式机组，直径比统计值m=7．78～15．7，中小型斜击式m=3．57～7．15；对大中型水斗式m=10～23，高效区为10～18，其统计方程为m=D1／d0=4+0．01H(H为工作水头)。
若选出来的D1／d0过小，会导致效率下降，强度计算难以通过；若选出来的D1／d0过大，将使比转速下降，能量指标降低，又会使转轮的风损等损失增大，也会使效率下降。因此，若选出来的D1／d0过小或过大，必须采用改变转速、转轮数及喷嘴数等办法重新选择，使其处于合理的范围。对小型水斗式水轮机，可选择较小的m值。这样，水轮机的效率虽然会下降一些，但比转速增加了，使机组转速n也增加，使发电机尺寸相应减小，可降低电站造价。
经样本统计，对常用小型机组，水斗式m≥7．78，斜击式m≥3．57，当m小于上列数值应重新确定转速来选择D1。
5 主阀的选择 5．1 直径的确定
主阀的内径一般与喷管内径一致，可由产品样本直接查取。表5收集了一部分制造厂的统计资料供选择时参考。1个品种在表中出现不同的配套阀门，应以各厂的配套表为准，因为使用的水头段不同。
表5 部分制造厂主阀内径统计资料
注：斜击不带A、B者，H≤100m，带A，H=100～160m，带B，H≥160m；球阀直径规格φ300，400，500，600，650，800，1 000，1200，1 600。表中Dn为球阀或闸阀的公称直径，即内径；XJ代表斜击式，CJ代表水斗式。
5．2 主阀型号的确定
冲击式机组一般配用闸阀，对高水头大中型机组也有选用球阀。
主阀的压力等级关系到价格，因此不宜选得太高。由于冲击式水轮机具有折向器机构，喷针关闭时间比混流式导叶关闭时间慢得多，升压相对较小，一般升压≤0．15(指相对升压≤15％)，因此对中小型机组可直接按设计水头选择，等于或略大于设计水头即可。常用闸阀的压力规格有6kg/cm
2、10kg／cm
2、16kg／cm
2、25kg／cm
2、40kg／cm
2、64kg／cm2等，选用时应向规格值靠，一般压力≥16kg／cm2。阀体、阀盖、闸板的材料需用碳钢，尾部符号为C，不标C者为铸铁。同样的直径、阀门的密封面材料也有不同，关系到造价，因此，应按压力等级选择密封面材料：通常6～10kg/cm2用铜(T)，显然选择铜密封面价格要低些。闸阀有电动或手动之分：电动由φ300mm起，φ350mm及以上无电动闸阀。闸阀还有明杆和暗杆的区别，5为暗杆、1为明杆。一般暗杆用于6～10/cm2的压力，直径范围为φ300～1 600mm。 常用闸阀示例如下：
Z941H－16C Dn=800 Z—闸阀；9—电动；4—法兰联结；1—明杆；H—合金钢密封面；16—压力等级；C—碳钢阀体；Dn—公称直径；
Z41T-10 Dn=250 Z—闸阀；4—法兰联接；1—明杆；T—铜密封面；10—压力等级；Dn—公称直径。
6 调速器的初步选择 6．1 调速功计算
调速功分喷针调速功和折向器调速功二部分，若二者联动，总调速功为二者调速功之和；若折向器不联动，则按喷针调速功选择调速器容量。
喷针调速功A1=Z0(d0+d03Hmax/6000)(kg·m) 式中：Z0为喷嘴数；d0为射流直径(cm)；Hmax为最大水头(m) 1个折向器调速功A2=0.11×10-3d0Hmax或 A2=Z0(d0+d03Hmax/6000)(kg·m) 式中：Z0为折向器数；d0为射流直径(cm)；Hmax为最大水头(m)。 总调速功A=A1+A2=2A1 6．2 调速器容量的选择
AP=(1．3～2)A1，系数1．3～2是考虑加工装配量及润滑等因素。 6．3 调速器类型的选择 一般按下列原则选配调速器：
水斗式：
D1≤70cm，Ng≤800kW，配手动或电动调速器；
D1≥70cm，Ng＞800kW～2 500kW，配手动或自动调速器； D1≥125cm，Ng>2 500kW，配自动调速器。 斜击式：
D1=40～80cm，Ng≤2 500kW，配手动、电动调速器及自动调速器； 大中型斜击机组(1 000kW以上)，多数配自动调速器。
冲击式机组选配调速器类型无规定，可综合电站实际情况选择。此外，小型调速器常用非自动调节的操作器来取代，特点是能满足关闭时间的要求，关闭时间可在2～12s内整定。若选择自动调速器，由于冲击机组需快速关闭折向器，缓慢关闭喷针机构，宜选择专用的冲击式CJ型自动调速器，它无接力器缸及转臂，调速器本体上设有喷嘴及折向器的进出油孔。
来源：小水电
