[科普中国]-双击式水轮机

双击式水轮机是一种很有优势的小水电水轮机机型。虽然他的制造和使用己经有了很长的历史(20世纪初),但是引起世界上许多国家（包括西德、日本、美国、英国和澳大利亚等）的重新重视是在七十年代末，八十年代初世界石油危机的冲击以后。现世界上生产双击式水轮机的已有九个国家近16家厂商。 双击式水轮机之所以引起世界上如此多国家的重新重视和开发是因其具有特有的优点。

双击式水轮机双击式水轮机1就其原理来讲，他是介于反击式水轮机和冲击式水轮机之间(因水流在第一次流过叶片时是有压流动)。水流通过引水管从喷咀流出后,从转轮外周通过径向叶片进入转轮中心，完成第一次能量交换后(约占总转换能量的70%)，再从转轮中心通过径向叶片流出转轮，完成第二次能量交换。

冲击式水轮机理论分析证明，当水斗节圆处的圆周速度约为射流速度的一半时，效率最高。这种水轮机在负荷发生变化时，转轮的进水速度方向不变，加之这类水轮机都用于高水头电站，水头变化相对较小，速度变化不大，因而效率受负荷变化的影响较小，效率曲线比较平缓，最高效率超过91%。

切击式水轮机切击式水轮机工作射流中心线与转轮节圆相切，故名切击式水轮机。其转轮叶片均由一系列呈双碗状水斗组成，故又称水斗式水轮机。切击式水轮机是目前冲击式水轮机中应用最广泛的一种机型。其应用水头一般为300-2000m，目前最高应用水头已达到1771.3m（澳大利亚的列塞克-克罗依采克水力蓄能电站，水轮机出力P=22.8MW）。

斜击式水轮机斜击式水轮机主要工作部件和切击式水轮机基本相同，只是工作射流与转轮进口平面呈某一角度α，射流斜着射向转轮。斜击式水轮机适用于水头在35-350m、轴功率为10-500kW、比转速为18-45的中小型水电站。

关于冲击式水轮机规定1 大型冲击式水轮机应优先采用竖轴式结构。
2 冲击式水轮机转轮、喷嘴和喷针宜采用不锈钢制造，在高速水流作用的部件表面宜采用高硬，耐磨材料制造。
3 竖轴冲击式水轮机的转轮和喷管应满足从上经发电机定子中心和向下自机壳内拆装运出。
4多喷嘴冲击式水轮机应根据输出功率的大小自动投入或切除相应数目的喷嘴，改变喷嘴数时水轮机应能正常安全稳定运行，各射流间应无干扰。
5 冲击式水轮机的每个喷嘴和折向器均应有单独的操作接力器。各喷针应有单独的电气回复机构和开度指示，折向器应有单独的开、关位置指示信号。
6 冲击式水轮机应有制动喷嘴及相应的自动化元件。
7 冲击式水轮机可采用反向水斗装置，以抑制其飞逸转速。
8 冲击式水轮机的排水高度应满足水轮机安全稳定运行和效率不受影响。在设计最高尾水位时，尾水渠水面以上应有足够的通气高度。
9 水电站尾水位变幅很大时，允许冲击式水轮机在高尾水位，即在排出高度小于设计要求甚至负值的情况下运行，但必须有压低转轮室水位的压缩空气装置和保压设施。其补气量和补气位置应通过模型试验确定。
10 冲击式水轮机转轮应采用整体铸造、铸焊、锻造加微铸结构，并应进行必要的热处理和多种探伤检查。
11 冲击式水轮机的机壳上应有必要的补气、隔音或消音措施。

选择[摘要]主要介绍冲击式水轮机及其辅助装备的选型方式及计较法式，并提出用最优直径比检查选型及效率批改方面的一些看法，内容的重点在中小型机组。表5个。

[关头词]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，其运用的最高水头已接近1800m。与混流式水轮机相比，出格是在水头年夜于200m的场所，其优势不容轻忽。由于早期选择的冲击式机组泛起的问题很多，今朝关于冲击式机组的选型资料又相对较少，是以，冲击式机组的选型遭到很多专业人员的关注。

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，今朝中小型范围内已做到转轮直径D1=100cm、发机电容量Ng=2500kW，虽斜击式效率相对偏低些，但装备价格优势不能轻忽，所以仍获得普遍运用。

2装配型式的选择

2．1转轮及喷嘴数目的选择

按水头和出力查水轮机运用范围图，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；斜击双喷嘴今朝还没有使用。

2．2安插方式的选择

年夜中型机组立式、卧式均有使用，小型机组一般用卧式。卧式安插拆卸利便，但每一个转轮只能安插1～2个喷嘴，当喷嘴数目多时，必需增加转轮数；立式安插可在统一转轮上安插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，以免各射流间相互影响，而下降水轮机的效率。

3改变比速法选择冲击式水轮机

冲击式水轮机的选择方式，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，选型者可没必要受固定比速法关于D1/d0的限制，分歧的D1可以搭配分歧的d0，喷针机构已成系列可以装在分歧的D1的机体上，是以这类选择方式已取代固定比速法，越来越被普遍使用。改变比速法选择的法式和方式以下所述。

3．1转速n简直定

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利便查得。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。计较出转速n后，向上取发机电同期转速。

3．2肯定转轮直径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/s。

表1ns～φ值表

2)求出转轮直径D1，并取规格值

D1=60u/πn(m)

现在可供选择的规格值越来越多，而且还有增加的趋向，表2列出今朝的规格值。

表2D1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肯定射流直径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/s)；Hr为设计水头(m)

d0规格值列于表3供选择。

表3d0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)年夜中型机组：原型水轮机的D1/d0与模子水轮机的不异或D1/d0=10～20时，可不作效率批改；如D1/d0与模子的差异较年夜时，可参照响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与模子的不异或D1/d0=8～10时，效率可不作批改；如D1/d0与模子的差异较年夜时，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)若计较出来的d0值不向上靠取规格值，则效率可不作批改，否则需扣除1%。

4)斜击机组今朝还没有公式计较，只能按预期效率肯定，一般可按机型年夜小取△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由于射流直径取了尺度值，必需重新计较水轮机设计流量：

式中：Z0为喷嘴数；Hr为设计水头(m)。

②由Q计较单元流量Q1，并计较参数取尺度值后的单元转速n1：

式中：dn为喷嘴出口直径(m)；dnM为模子转轮出口直径(m)；D1M为模子转轮直径(m)。

为运用利便对经常使用的2种机型可简化为：

③在综合特征曲线上查取模子效率并批改为原型机效率ηr。

④验算出力Nt=9．81HQηr，额定水头必需能发到额定出力。

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。是以，当直径比m减小时，会引发斗叶上的应力急剧增年夜。一般当水头H>1000m时，要求直径比m≮15，m下限值≮8～9。凭据现有资料，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；对年夜中型水斗式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太小，会致使效率下降，强度计较难以经由过程；若选出来的D1/d0过年夜，将使比转速下降，能量指标下降，又会使转轮的风损等损失增年夜，也会使效率下降。是以，若选出来的D1/d0太小或过年夜，必需采用改变转速、转轮数及喷嘴数等法子重新选择，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，使发机电尺寸响应减小，可下降电站造价。

经样本统计，对经常使用小型机组，水斗式m≥7．78，斜击式m≥3．57，当m小于上列数值应重新肯定转速来选择D1。

5 主阀的选择

5．1直径简直定

主阀的内径一般与喷管内径一致，可由产物样本直接查取。表5收集了一部门制造厂的统计资料供选择时参考。1个品种在表中泛起分歧的配套阀门，应以各厂的配套表为准，由于使用的水头段分歧。

表5部门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φ300，400，500，600，650，800，1000，1200，1600。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主阀型号简直定

冲击式机组一般配用闸阀，对高水头年夜中型机组也有选用球阀。

主阀的压力品级关系到价格，是以不宜选得太高。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%)，是以对中小型机组可直接按设计水头选择，等于或略年夜于设计水头即可。经常使用闸阀的压力规格有6kg/cm、10kg/cm、16kg/cm、25kg/cm、40kg/cm、64kg/cm等，选用时应向规格值靠，一般压力≥16kg/cm。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。一样的直径、阀门的密封面材料也有分歧，关系到造价，是以，应按压力品级选择密封面材料：凡是6～10kg/cm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分，5为暗杆、1为明杆。一般暗杆用于6～10/cm的压力，直径范围为φ300～1600mm。

经常使用闸阀示例以下：

Z941H－16CDn=800

Z—闸阀；9—电动；4—法兰联络；1—明杆；H—合金钢密封面；16—压力品级；C—碳钢阀体；Dn—公称直径；

Z41T-10Dn=250

Z—闸阀；4—法兰联接；1—明杆；T—铜密封面；10—压力品级；Dn—公称直径。

6 调速器的初步选择

6．1 调速功计较

调速功分喷针调速功和折向器调速功二部门，若两者联动，总调速功为两者调速功之和；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(d0d0Hmax/6000)(kg·m)

式中：Z0为喷嘴数；d0为射流直径(cm)；Hmax为最年夜水头(m)

1个折向器调速功A2=0.11×10d0Hmax或

A2=Z0(d0d0Hmax/6000)(kg·m)

式中：Z0为折向器数；d0为射流直径(cm)；Hmax为最年夜水头(m)。

总调速功A=A1A2=2A1

6．2 调速器容量的选择

AP=(1．3～2)A1，系数1．3～2是斟酌加工装配量及润滑等身分。

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～2500kW，配手动或自动调速器；

D1≥125cm，Ng>2500kW，配自动调速器。

斜击式：

D1=40～80cm，Ng≤2500kW，配手动、电动调速器及自动调速器；

年夜中型斜击机组(1000kW以上)，大都配自动调速器。

冲击式机组选配调速器类型无划定，可综合电站现实情况选择。此外，小型调速器经常使用非自动调理的操作器来取代，特点是能知足关闭时间的要求，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2。

本词条内容贡献者为:

李雪梅 - 副教授 - 西南大学