1、沖擊式水輪機的選擇孫紅偉 2007-8-6 14:10:00摘 要主要介紹沖擊式水輪機及其輔助設備的選型方法及計算程序，并提出用最優直徑比檢查選型及效率修正方面的一些看法，內容的重點在中小型機組。表5個。關鍵詞沖擊式水輪機選型最優直徑比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，其應用的最高水頭 已接近1 800m。與混流式水輪機相比，特別是在水頭大于200m的場合，其優勢不容忽視。由于早期選擇的沖擊式機組出現的問題不少，目前關于沖擊式機組的選型資料 又相對較少，因此，沖擊式機組的選型受到不少專業人員的關注。沖擊式水輪機主要分為水斗式和斜擊式，斜擊式的比轉速ns=3070m W

2、，是介于混流式和水斗式之間的品種，目前中小型范圍內已做到轉輪直徑Di=100cm、發電機容量Ng=2500kW，雖斜擊式效率相對偏低些，但設備價格優勢不能忽視，所以仍 得到廣泛應用。2裝置型式的選擇2 . 1轉輪及噴嘴數目的選擇按水頭和出力查水輪機應用范圍圖，小機組一般均用單輪單噴嘴；小型臥式雙噴 嘴一般在D1=90140cm，射流直徑d°在714m中使用；斜擊雙噴嘴目前還沒有使 用。2 . 2布置方式的選擇大中型機組立式、臥式均有使用，小型機組一般用臥式。臥式布置拆卸方便，但 每個轉輪只能布置12個噴嘴，當噴嘴數目多時，必須增加轉輪數；立式布置可在同一轉輪上布置26個噴嘴，但當噴嘴

3、數多如用 3個以上時，轉速不宜選得太高， 以避免各射流間相互影響，而降低水輪機的效率。3改變比速法選擇沖擊式水輪機沖擊式水輪機的選擇方法，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的新品種越來越多，可選擇的Di和do也越來越多，選型者可不必受固定比速法關于Di/do的限制，不同的 Di可以搭配不同的do,噴針機構已成系列可以裝在不同的Di的機體上，因此這種選擇方法已經代替固定比速法，越來越被廣泛使用。改變比速法選擇的程序和方法如下所述。3. 1轉速n的確定死=足乩山門167 Jg （r/min）式中：壓為比轉速（mkW） ; Hr為設計水頭（m）; Nr為出力（kW）。比轉速可在有

4、關手冊中方便查得。框算時，對水斗式單噴嘴暫取25（多噴嘴ns=25 VZ）, Zo為噴嘴數）；對斜擊式取50。計算出轉速n后，向上取發電機同期轉速。3. 2確定轉輪直徑 Di式中：u為轉輪節圓周速（m/s）; $為轉輪周速系數，按比轉速ns值從表i查取;2g為重力加速度 9. 8m/s。表1 ns$值表斗4 <76.212.41173U.S 17.7510.4 22H3M27.S 3135 54044.7*0.470 470,470*15 0曲CL峻0*55 Q.4&50*0.455 QMS0.4S0 442) 求出轉輪直徑D1，并取規格值Di=60u / n n(m)現在可供選

5、擇的規格值越來越多，并且還有增加的趨勢，表2列出目前的規格值。表2 D i規格值水斗式 D| (cm)25t 32, J7. 40. 42* 45, 46. 50* 53, 55, 60* 2、6St 70、SO. 90. 92. l00t 110. 125. 140, 150. 160. 170* 180, 200, 21Sf 225* 250, 275斜擊式Di (emJ20, 25. 32. 40, 46, 50, 63. 65, 80、100其中：臥式單噴嘴 Di=45140;臥式雙噴嘴 Di=90140;立式雙噴嘴D i=925275;立式四噴嘴D i=i40275。框算Di時，可用

6、下式：- 41 JUj(m)3. 3確定射流直徑d0并靠取規格值=0.545 /p/ (KZq JH.) (m)式中：K為轉輪數；Z0為噴嘴數；Q為水輪機設計流量(m3/s); Hr為設計水頭(m)d0規格值列于表3供選擇。表3 do規格值水斗式4.5, 5, 5 5. 6.5, 7.88 気 11.£ (cm)12.5, )4, 15,5, I6t 18 19, 20. 22* 24斜擊式 牡 4 5, 5.5. 6« 6,5t 7 7,5. 8. 8.S, 9,心(cm) 9.5, Kb HL5, IL II* 12.5, 16其中：臥式單噴嘴 do=4. 514;臥式

7、雙噴嘴do=716;立式雙噴嘴do=924 ；立式四噴嘴do=924。3. 4斜擊式Di/do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Di/do配套值<4(on)9J0, 12J2.5> 12.5 J4r16JSr20,227Q111416 JS(cm)2532d寧40506380對小型機組，Di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）大中型機組：原型水輪機的Di/do與模型水輪機的相同或Di/do=1020時，可不作效率修正；如 D1 /d0與模型的差別較大時，可參照相應預期效率表估算原型水 輪機效率值。2）中小

8、型機組：原型水輪機的Di/d°與模型的相同或 Di/d°=810時，效率可不作修正；如Di/ do與模型的差別較大時，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）若計算出來的d0值不向上靠取規格值，則效率可不作修正，否則需扣除1%。4）斜擊機組目前還沒有公式計算，只能按預期效率確定，一般可按機型大小取厶n =0 005+0. 015，具體數值參見各制造廠提供的保證值。5）效率及出力驗算 由于射流直徑取了標準值，必須重新計算水輪機設計流量：式中：Z0為噴嘴數；Hr為設計水頭（m）。 由Q計

9、算單位流量 Q1，并計算參數取標準值后的單位轉速門仁厲=" 此加丿W皿】n,丿丿人（r/min）式中：dn為噴嘴出口直徑（m）; dnM為模型轉輪出口直徑（m）; D1M為模型轉輪直 徑（m）。為應用方便對常用的 2種機型可簡化為：A237 0 = Q/ （I30.4942 舟）5%）XJ02 Ql = Q/（16.75 何）（曲小 在綜合特性曲線上查取模型效率并修正為原型機效率n。 驗算出力Nt=9 . 81HQr,額定水頭必須能發到額定出力。4 最優直徑比 D1 d0 的檢查最優直徑比m=Di/d。，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

10、方成反比。因此，當直徑比 m 減小時，會引起斗葉上的 應力急劇增大。一般當水頭H>1 000m時，要求直徑比 m< 15, m下限值玄89。根據現有資料，為使水輪機具有較高效率，應使m=1018,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 . 7815.乙中小型斜擊式m=3 . 577. 15;對大中型水斗式 m=1023,高效區為1018,其統計方程 為 m=D1d0=4+001H（H 為工作水頭 ）。若選出來的D/d。過小，會導致效率下降，強度計算難以通過；若選出來的D/d0過大，將使比轉速下降，能量指標降低，又會使轉輪的風損等損失增大，也會使

11、效 率下降。因此，若選出來的D1/d°過小或過大，必須采用改變轉速、轉輪數及噴嘴數等辦法重新選擇，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，但比轉速增加了，使機組轉速n 也增加，使發電機尺寸相應減小，可降低電站造價。經樣本統計，對常用小型機組，水斗式m>7. 78，斜擊式m>3 . 57，當m小于上列數值應重新確定轉速來選擇 D1。5 主閥的選擇51 直徑的確定主閥的內徑一般與噴管內徑一致，可由產品樣本直接查取。表5 收集了一部分制造廠的統計資料供選擇時參考。 1 個品種在表中出現不同的配套閥門，應以各廠的配 套表為準，

12、因為使用的水頭段不同。表 5 部分制造廠主閥內徑統計資料XJCJteoo25/1 m 6 - 745/1x4-4.532/1*第扎“/55/1 x-1.5770/1 KB0/1 k590/1)c4b5-5,5 110/1 <5.3-?*300呻7- 1142?1 n 11 刃山 */1 >=49,550A/1 x 1050/1 x8* 1370/1 Q"W/1110/1 x79125/1 70B/1X5J注：斜擊不帶 A、B者，H< 100m,帶A , H=100160m,帶B, H> 160m；球閥 直徑規格 0 300 400, 500, 600, 650

13、, 800, 1 000, 1200, 1 600。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主閥型號的確定沖擊式機組一般配用閘閥，對高水頭大中型機組也有選用球閥。主閥的壓力等級關系到價格，因此不宜選得太高。由于沖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< 1% )，因此對中小型機組可直接按設計水頭選擇，等于或略大于設計水頭 即可。常用閘閥的壓力規格有6kg/cm2、10kg/ cm2、16kg /cm2、25kg/ cm2、40kg/cm2、64kg/cm2等，選用

14、時應向規格值靠，一般壓力> 16k/cm2。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。同樣的直徑、閥門的密封面材料也有不同，關系到造價，因此，應按壓力等級選擇密封面材料：通常610kg/cm2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0 300mm起，0 350mm及以上無電動閘閥。閘閥還有明桿和暗桿的區別，5為暗桿、1為明桿。一般暗桿用于 610/cm2的壓力，直徑范圍為0 301 600mm。常用閘閥示例如下：Z941H 16C Dn=800Z 閘閥；9電動；4法蘭聯結；1 明桿；H 合金鋼密封面；16壓力等級;C 碳鋼閥體；Dn 公稱直

15、徑；Z41T-10Dn=250Z 閘閥；4 法蘭聯接；1明桿；T 銅密封面；10壓力等級；Dn 公稱直 徑。6 調速器的初步選擇6 1 調速功計算調速功分噴針調速功和折向器調速功二部分，若二者聯動，總調速功為二者調速 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=Zo(do+doHmax/6OOO)(kg m)式中： Z0 為噴嘴數； d0 為射流直徑 (cm)； Hmax 為最大水頭 (m)-31個折向器調速功 A2=0.11 MO doHmax或3A 2=Z 0(d0+d 0 Hmax/6000)(kg m)式中：Z0為折向器數；d0為射流直徑(cm) ； Hmax為最大水頭(m)。總調速功 A=A 1+A2=2A16 2 調速器容量的選擇AP=(1 . 32)A1，系數1. 32是考慮加工裝配量及潤滑等因素。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：Di< 70cm NgW 800kW配手動或電動調速器；Di> 70cm Ng>800kW2 500kW，配手動或自動調速器；Di> 125cm Ng>2 500kW，配自動調速