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=3070mkW，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21 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=90140cm ，射流直径 d0 在 714m 中使用；斜击双喷嘴目前还没有使用。22 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 12 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 26 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 D1d 0 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。31 转速 n 的确定式中：n s 为比转速(mkW)；H r 为设计水头(m)；N r 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=25Z0，Z 0 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。32 确定转轮直径 D1式中：u 为转轮节圆周速(ms) ； 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 98ms 2。表 1 ns 值表2)求出转轮直径 D1，并取规格值D1=60u 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=45140；卧式双喷嘴 D1=90140；立式双喷嘴 D1=925275；立式四喷嘴 D1=140275。框算 D1 时，可用下式：33 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(m 3s)；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=4514；卧式双喷嘴 d0=716；立式双喷嘴 d0=924；立式四喷嘴 d0=924。34 斜击式 D1d 0 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 D1d 0 配套值对小型机组，D 1 还有 37，46 ，53 可供选择。35 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 D1d 0 与模型水轮机的相同或 D1d 0=1020 时，可不作效率修正；如 D1d0 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 D1d 0 与模型的相同或 D1d 0=810 时，效率可不作修正；如 D1d 0 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05。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=0005 +0015，具体数值参见各制造厂提供的保证值。5)效率及出力验算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：Z 0 为喷嘴数；H r 为设计水头(m)。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：d n 为喷嘴出口直径(m)；d nM 为模型转轮出口直径(m)；D 1M 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：在综合特性曲线上查取模型效率并修正为原型机效率 r。验算出力 Nt=981HQr，额定水头必须能发到额定出力。4 最优直径比 D1d0 的检查最优直径比 m=D1d 0，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 H1 000m 时，要求直径比 m15，m 下限值89。根据现有资料，为使水轮机具有较高效率，应使 m=1018，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=778157，中小型斜击式 m=3577 15；对大中型水斗式 m=10 23，高效区为 1018，其统计方程为 m=D1d 0=4+0 01H(H 为工作水头) 。若选出来的 D1d 0 过小，会导致效率下降，强度计算难以通过；若选出来的D1d 0 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 D1d 0 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 m778，斜击式 m357，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51 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，H100m，带 A，H=100160m，带 B，H160m；球阀直径规格 300，400，500，600，650，800，1 000，1200，1 600。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。52 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/cm2、10kg cm 2、16kgcm 2、25kgcm 2、40kgcm 2、64kgcm 2 等，选用时应向规格值靠，一般压力16kgcm 2。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 610kg/cm 2 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 300mm起，350mm 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610/cm 2 的压力，直径范围为 3001 600mm 。常用闸阀示例如下：Z941H16C D n=800Z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=250Z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61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)(kgm)式中：Z 0 为喷嘴数；d 0 为射流直径(cm)；Hmax 为最大水头 (m)1 个折向器调速功 A2=0.1110-3d0Hmax 或A2=Z0(d0+d03Hmax/6000)(kgm)式中：Z 0 为折向器数；d 0 为射流直径(cm)；Hmax 为最大水头 (m)。总调速功 A=A1+A2=2A162调速器容量的选择AP=(132)A 1，系数 132 是考虑加工装配量及润滑等因素。63 调速器类型的选择一般按下列原则选配调速器：水斗式：D170cm，N g800kW，配手动或电动调速器；D170cm，N g800kW2 500kW，配手动或自动调速器；D1125cm，N g2 500kW，配自动调速器。斜击式：D1=40 80cm，N g2 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 212s 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