雙擊式水輪機

雙擊式水輪機 ^[1]  就其原理來講，他是介於反擊式水輪機和衝擊式水輪機之間(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後,從轉輪外周通過徑向葉片進入轉輪中心，完成第一次能量交換後(約佔總轉換能量的70%)，再從轉輪中心通過徑向葉片流出轉輪，完成第二次能量交換。

理論分析證明，當水斗節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生變化時，轉輪的進水速度方向不變，加之這類水輪機都用於高水頭電站，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%。

切擊式水輪機工作射流中心線與轉輪節圓相切，故名切擊式水輪機。其轉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衝擊式水輪機中應用最廣泛的一種機型。其應用水頭一般為300-2000m，目前最高應用水頭已達到1771.3m（澳大利亞的列塞克-克羅依採克水力蓄能電站，水輪機出力P=22.8MW）。

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

1 大型衝擊式水輪機應優先採用豎軸式結構。

2 衝擊式水輪機轉輪、噴嘴和噴針宜採用不鏽鋼製造，在高速水流作用的部件表面宜採用高硬，耐磨材料製造。

3 豎軸衝擊式水輪機的轉輪和噴管應滿足從上經發電機定子中心和向下自機殼內拆裝運出。

4多噴嘴衝擊式水輪機應根據輸出功率的大小自動投入或切除相應數目的噴嘴，改變噴嘴數時水輪機應能正常安全穩定運行，各射流間應無干擾。

5 衝擊式水輪機的每個噴嘴和折向器均應有單獨的操作接力器。各噴針應有單獨的電氣回覆機構和開度指示，折向器應有單獨的開、關位置指示信號。

6 衝擊式水輪機應有制動噴嘴及相應的自動化元件。

7 衝擊式水輪機可採用反向水斗裝置，以抑制其飛逸轉速。

8 衝擊式水輪機的排水高度應滿足水輪機安全穩定運行和效率不受影響。在設計最高尾水位時，尾水渠水面以上應有足夠的通氣高度。

9 水電站尾水位變幅很大時，允許衝擊式水輪機在高尾水位，即在排出高度小於設計要求甚至負值的情況下運行，但必須有壓低轉輪室水位的壓縮空氣裝置和保壓設施。其補氣量和補氣位置應通過模型試驗確定。

10 衝擊式水輪機轉輪應採用整體鑄造、鑄焊、鍛造加微鑄結構，並應進行必要的熱處理和多種探傷檢查。

11 衝擊式水輪機的機殼上應有必要的補氣、隔音或消音措施。

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

[關頭詞]衝擊式水輪機選型最優直徑比

1引言

眾所周知，衝擊式水輪機適用於高水頭、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，出格是在水頭年夜於200m的場所，其優勢不容輕忽。由於早期選擇的衝擊式機組泛起的問題很多，今朝關於衝擊式機組的選型資料又相對較少，是以，衝擊式機組的選型遭到很多專業人員的關注。

衝擊式水輪機主要分為水斗式和斜擊式，斜擊式的比轉速n_s=30～70m·kW，是介於混流式和水斗式之間的品種，今朝中小型範圍內已做到轉輪直徑D₁=100cm、發機電容量N_g=2500kW，雖斜擊式效率相對偏低些，但裝備價格優勢不能輕忽，所以仍獲得普遍運用。

2裝配型式的選擇

2．1轉輪及噴嘴數目的選擇

按水頭和出力查水輪機運用範圍圖，小機組一般均用單輪單噴嘴；小型卧式雙噴嘴一般在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、卧式均有使用，小型機組一般用卧式。卧式安插拆卸利便，但每一個轉輪只能安插1～2個噴嘴，當噴嘴數目多時，必需增加轉輪數；立式安插可在統一轉輪上安插2～6個噴嘴，但當噴嘴數多如用3個以上時，轉速不宜選得太高，以免各射流間相互影響，而下降水輪機的效率。

3改變比速法選擇衝擊式水輪機

衝擊式水輪機的選擇方式，有固定比速法和改變比速法二種。

由於這些年來各製造廠開發的新品種越來越多，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於D₁/d₀的限制，分歧的D₁可以搭配分歧的d₀，噴針機構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轉速n簡直定

式中：n_s為比轉速(m·kW)；H_r為設計水頭(m)；N_r為出力(kW)。

比轉速可在有關手冊中利便查得。框算時，對水斗式單噴嘴暫取25(多噴嘴n_s=25√Z₀，Z₀為噴嘴數)；對斜擊式取50。計較出轉速n後，向上取發機電同期轉速。

3．2肯定轉輪直徑D₁

式中：u為轉輪節圓周速(m/s)；φ為轉輪周速係數，按比轉速ns值從表1查取；g為重力加速度9．8m/s。

表1ns～φ值表

2)求出轉輪直徑D1，並取規格值

D₁=60u/πn(m)

現在可供選擇的規格值越來越多，而且還有增加的趨向，表2列出今朝的規格值。

表2D₁規格值

其中：卧式單噴嘴D₁=45～140；

卧式雙噴嘴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並靠取規格值

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

d₀規格值列於表3供選擇。

表3d₀規格值

其中：卧式單噴嘴d₀=4．5～14；

卧式雙噴嘴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，可參照響應預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，可參照預期效率表估算原型水輪機效率值。效率的保證值=預期效率-1%，如1個轉輪2個噴嘴，在100%的負荷下應增加0．5%。

3)若計較出來的d₀值不向上靠取規格值，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，只能按預期效率肯定，一般可按機型年夜小取△η=0．005～ 0．015，具體數值參見各製造廠提供的保證值。

5)效率及出力驗算

①由於射流直徑取了尺度值，必需重新計較水輪機設計流量：

式中：Z₀為噴嘴數；H_r為設計水頭(m)。

②由Q計較單元流量Q₁，並計較參數取尺度值後的單元轉速n₁：

式中：d_n為噴嘴出口直徑(m)；d_nM為模子轉輪出口直徑(m)；D₁M為模子轉輪直徑(m)。

為運用利便對經常使用的2種機型可簡化為：

③在綜合特徵曲線上查取模子效率並批改為原型機效率ηr。

④驗算出力Nt=9．81HQηr，額定水頭必需能發到額定出力。

4最優直徑比D1/d0的檢查

最優直徑比m=D₁/d₀，是設計水斗式水輪機的重要參數。水斗上的應力與工作水頭成正比，與直徑比m的平方成反比。是以，當直徑比m減小時，會引發鬥葉上的應力急劇增年夜。一般當水頭H>1000m時，要求直徑比m≮15，m下限值≮8～9。憑據現有資料，為使水輪機具有較高效率，應使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，高效區為10～18，其統計方程為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，強度計較難以經由過程；若選出來的D₁/d₀過年夜，將使比轉速下降，能量指標下降，又會使轉輪的風損等損失增年夜，也會使效率下降。是以，若選出來的D₁/d₀太小或過年夜，必需採用改變轉速、轉輪數及噴嘴數等法子重新選擇，使其處於合理的範圍。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，但比轉速增加了，使機組轉速n也增加，使發機電尺寸響應減小，可下降電站造價。

經樣本統計，對經常使用小型機組，水斗式m≥7．78，斜擊式m≥3．57，當m小於上列數值應重新肯定轉速來選擇D₁。

5　主閥的選擇

5．1直徑簡直定

主閥的內徑一般與噴管內徑一致，可由產物樣本直接查取。表5收集了一部門製造廠的統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，應以各廠的配套表為準，由於使用的水頭段分歧。

表5部門製造廠主閥內徑統計資料

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，即內徑；XJ代表斜擊式，CJ代表水斗式。

5．2主閥型號簡直定

衝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。

主閥的壓力品級關係到價格，是以不宜選得太高。由於衝擊式水輪機具有折向器機構，噴針關閉時間比混流式導葉關閉時間慢得多，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計水頭選擇，等於或略年夜於設計水頭即可。經常使用閘閥的壓力規格有6kg/cm、10kg/cm、16kg/cm、25kg/cm、40kg/cm、64kg/cm等，選用時應向規格值靠，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，關係到造價，是以，應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。閘閥還有明杆和暗杆的區分，5為暗杆、1為明杆。一般暗杆用於6～10/cm的壓力，直徑範圍為φ300～1600mm。

經常使用閘閥示例以下：

Z941H－16CD_n=800

Z—閘閥；9—電動；4—法蘭聯絡；1—明杆；H—合金鋼密封面；16—壓力品級；C—碳鋼閥體；Dn—公稱直徑；

Z41T-10D_n=250

Z—閘閥；4—法蘭聯接；1—明杆；T—銅密封面；10—壓力品級；Dn—公稱直徑。

6　調速器的初步選擇

6．1　調速功計較

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

噴針調速功A₁=Z₀(d₀d₀Hmax/6000)(kg·m)

式中：Z₀為噴嘴數；d₀為射流直徑(cm)；Hmax為最年夜水頭(m)

1個折向器調速功A₂=0.11×10d₀Hmax或

A₂=Z₀(d₀d₀Hmax/6000)(kg·m)

式中：Z₀為折向器數；d₀為射流直徑(cm)；Hmax為最年夜水頭(m)。

總調速功A=A₁A₂=2A₁

6．2　調速器容量的選擇

AP=(1．3～2)A₁，係數1．3～2是斟酌加工裝配量及潤滑等身分。

6．3調速器類型的選擇

一般按下列原則選配調速器：

水斗式：

D₁≤70cm，N_g≤800kW，配手動或電動調速器；

D₁≥70cm，N_g>800kW～2500kW，配手動或自動調速器；

D₁≥125cm，N_g>2500kW，配自動調速器。

斜擊式：

D₁=40～80cm，N_g≤2500kW，配手動、電動調速器及自動調速器；

年夜中型斜擊機組(1000kW以上)，大都配自動調速器。

衝擊式機組選配調速器類型無劃定，可綜合電站現實情況選擇。此外，小型調速器經常使用非自動調理的操作器來取代，特點是能知足關閉時間的要求，關閉時間可在2～12s內整定。若選擇自動調速器，由於衝擊機組需快速關閉折向器，緩慢關閉噴針機構，宜選擇專用的衝擊式CJ型自動調速器，它無接力器缸及轉臂，調速器本體上設有噴嘴及折向器的進出油孔 ^[2]  。