沖擊式水輪機(jī)調(diào)速功計(jì)算

1、沖擊式水輪機(jī)的選擇孫紅偉2007-8-6 14:10:00摘  要主要介紹沖擊式水輪機(jī)及其輔助設(shè)備的選型方法及計(jì)算程序，并提出用最優(yōu)直徑比檢查選型及效率修正方面的一些看法，內(nèi)容的重點(diǎn)在中小型機(jī)組。表5個(gè)。關(guān)鍵詞沖擊式水輪機(jī)  選型  最優(yōu)直徑比1  引  言眾所周知，沖擊式水輪機(jī)適用于高水頭、小流量的水力條件，其應(yīng)用的最高水頭已接近1 800m。與混流式水輪機(jī)相比，特別是在水頭大于200m的場(chǎng)合，其優(yōu)勢(shì)不容忽視。由于早期選擇的沖擊式機(jī)組出現(xiàn)的問題不少，目前關(guān)于沖擊式機(jī)組的選型資料又相對(duì)較少，因此，沖擊式機(jī)組的選型受到不少專業(yè)人員的關(guān)注。沖擊式水

2、輪機(jī)主要分為水斗式和斜擊式，斜擊式的比轉(zhuǎn)速ns=3070m·kW，是介于混流式和水斗式之間的品種，目前中小型范圍內(nèi)已做到轉(zhuǎn)輪直徑D1=100cm、發(fā)電機(jī)容量Ng=2500kW，雖斜擊式效率相對(duì)偏低些，但設(shè)備價(jià)格優(yōu)勢(shì)不能忽視，所以仍得到廣泛應(yīng)用。2 裝置型式的選擇21  轉(zhuǎn)輪及噴嘴數(shù)目的選擇按水頭和出力查水輪機(jī)應(yīng)用范圍圖，小機(jī)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d0在714m中使用；斜擊雙噴嘴目前還沒有使用。22  布置方式的選擇大中型機(jī)組立式、臥式均有使用，小型機(jī)組一般用臥式。臥式布置拆卸方便，但每個(gè)轉(zhuǎn)輪只能布置12個(gè)噴嘴，當(dāng)噴

3、嘴數(shù)目多時(shí)，必須增加轉(zhuǎn)輪數(shù)；立式布置可在同一轉(zhuǎn)輪上布置26個(gè)噴嘴，但當(dāng)噴嘴數(shù)多如用3個(gè)以上時(shí)，轉(zhuǎn)速不宜選得太高，以避免各射流間相互影響，而降低水輪機(jī)的效率。3  改變比速法選擇沖擊式水輪機(jī)沖擊式水輪機(jī)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(lái)各制造廠開發(fā)的新品種越來(lái)越多，可選擇的D1和d0也越來(lái)越多，選型者可不必受固定比速法關(guān)于D1d0的限制，不同的D1可以搭配不同的d0，噴針機(jī)構(gòu)已成系列可以裝在不同的D1的機(jī)體上，因此這種選擇方法已經(jīng)代替固定比速法，越來(lái)越被廣泛使用。改變比速法選擇的程序和方法如下所述。31  轉(zhuǎn)速n的確定式中：ns為比轉(zhuǎn)速(m·kW

4、)；Hr為設(shè)計(jì)水頭(m)；Nr為出力(kW)。比轉(zhuǎn)速可在有關(guān)手冊(cè)中方便查得。框算時(shí)，對(duì)水斗式單噴嘴暫取25(多噴嘴ns=25Z0，Z0為噴嘴數(shù))；對(duì)斜擊式取50。計(jì)算出轉(zhuǎn)速n后，向上取發(fā)電機(jī)同期轉(zhuǎn)速。32  確定轉(zhuǎn)輪直徑D1式中：u為轉(zhuǎn)輪節(jié)圓周速(ms)；為轉(zhuǎn)輪周速系數(shù)，按比轉(zhuǎn)速ns值從表1查?。籫為重力加速度98ms2。表1 ns值表2)求出轉(zhuǎn)輪直徑D1，并取規(guī)格值D1=60u n(m)現(xiàn)在可供選擇的規(guī)格值越來(lái)越多，并且還有增加的趨勢(shì)，表2列出目前的規(guī)格值。表2  D1規(guī)格值其中：臥式單噴嘴D1=45140；臥式雙噴嘴D1=90140；立式雙噴嘴D1=925275；立式四

5、噴嘴D1=140275?？蛩鉊1時(shí)，可用下式：33  確定射流直徑d0并靠取規(guī)格值式中：K為轉(zhuǎn)輪數(shù)；Z0為噴嘴數(shù)；Q為水輪機(jī)設(shè)計(jì)流量(m3s)；Hr為設(shè)計(jì)水頭(m)d0規(guī)格值列于表3供選擇。表3  d0規(guī)格值其中：臥式單噴嘴d0=4514；臥式雙噴嘴d0=716；立式雙噴嘴d0=924；立式四噴嘴d0=924。34  斜擊式D1d0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D1d0配套值對(duì)小型機(jī)組，D1還有37，46，53可供選擇。35  水輪機(jī)效率的估算及額定出力的驗(yàn)算1)大中型機(jī)組：原型水輪機(jī)的D1d0與模型水輪機(jī)的相同

6、或D1d0=1020時(shí)，可不作效率修正；如D1d0與模型的差別較大時(shí)，可參照相應(yīng)預(yù)期效率表估算原型水輪機(jī)效率值。2)中小型機(jī)組：原型水輪機(jī)的D1d0與模型的相同或D1d0=810時(shí)，效率可不作修正；如D1d0與模型的差別較大時(shí)，可參照預(yù)期效率表估算原型水輪機(jī)效率值。效率的保證值=預(yù)期效率-1，如1個(gè)轉(zhuǎn)輪2個(gè)噴嘴，在100的負(fù)荷下應(yīng)增加05。3)若計(jì)算出來(lái)的d0值不向上靠取規(guī)格值，則效率可不作修正，否則需扣除1。4)斜擊機(jī)組目前還沒有公式計(jì)算，只能按預(yù)期效率確定，一般可按機(jī)型大小取=0005+0015，具體數(shù)值參見各制造廠提供的保證值。5)效率及出力驗(yàn)算由于射流直徑取了標(biāo)準(zhǔn)值，必須重新計(jì)算水輪機(jī)

7、設(shè)計(jì)流量：式中：Z0為噴嘴數(shù)；Hr為設(shè)計(jì)水頭(m)。由Q計(jì)算單位流量Q1，并計(jì)算參數(shù)取標(biāo)準(zhǔn)值后的單位轉(zhuǎn)速n1：式中：dn為噴嘴出口直徑(m)；dnM為模型轉(zhuǎn)輪出口直徑(m)；D1M為模型轉(zhuǎn)輪直徑(m)。為應(yīng)用方便對(duì)常用的2種機(jī)型可簡(jiǎn)化為：在綜合特性曲線上查取模型效率并修正為原型機(jī)效率r。驗(yàn)算出力Nt=981HQr，額定水頭必須能發(fā)到額定出力。4  最優(yōu)直徑比D1d0的檢查最優(yōu)直徑比m=D1d0，是設(shè)計(jì)水斗式水輪機(jī)的重要參數(shù)。水斗上的應(yīng)力與工作水頭成正比，與直徑比m的平方成反比。因此，當(dāng)直徑比m減小時(shí)，會(huì)引起斗葉上的應(yīng)力急劇增大。一般當(dāng)水頭H>1 000m時(shí)，要求直徑比m15，m

8、下限值89。根據(jù)現(xiàn)有資料，為使水輪機(jī)具有較高效率，應(yīng)使m=1018，高水頭取高值、低水頭取低值。對(duì)接觸較多的中小型水斗式機(jī)組，直徑比統(tǒng)計(jì)值m=778157，中小型斜擊式m=357715；對(duì)大中型水斗式m=1023，高效區(qū)為1018，其統(tǒng)計(jì)方程為m=D1d0=4+001H(H為工作水頭)。若選出來(lái)的D1d0過(guò)小，會(huì)導(dǎo)致效率下降，強(qiáng)度計(jì)算難以通過(guò)；若選出來(lái)的D1d0過(guò)大，將使比轉(zhuǎn)速下降，能量指標(biāo)降低，又會(huì)使轉(zhuǎn)輪的風(fēng)損等損失增大，也會(huì)使效率下降。因此，若選出來(lái)的D1d0過(guò)小或過(guò)大，必須采用改變轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)輪數(shù)及噴嘴數(shù)等辦法重新選擇，使其處于合理的范圍。對(duì)小型水斗式水輪機(jī)，可選擇較小的m值。這樣，水輪機(jī)的

9、效率雖然會(huì)下降一些，但比轉(zhuǎn)速增加了，使機(jī)組轉(zhuǎn)速n也增加，使發(fā)電機(jī)尺寸相應(yīng)減小，可降低電站造價(jià)。經(jīng)樣本統(tǒng)計(jì)，對(duì)常用小型機(jī)組，水斗式m778，斜擊式m357，當(dāng)m小于上列數(shù)值應(yīng)重新確定轉(zhuǎn)速來(lái)選擇D1。5主閥的選擇51  直徑的確定主閥的內(nèi)徑一般與噴管內(nèi)徑一致，可由產(chǎn)品樣本直接查取。表5收集了一部分制造廠的統(tǒng)計(jì)資料供選擇時(shí)參考。1個(gè)品種在表中出現(xiàn)不同的配套閥門，應(yīng)以各廠的配套表為準(zhǔn)，因?yàn)槭褂玫乃^段不同。表5  部分制造廠主閥內(nèi)徑統(tǒng)計(jì)資料注：斜擊不帶A、B者，H100m，帶A，H=100160m，帶B，H160m；球閥直徑規(guī)格300，400，500，600，650，800，1 0

10、00，1200，1 600。表中Dn為球閥或閘閥的公稱直徑，即內(nèi)徑；XJ代表斜擊式，CJ代表水斗式。52  主閥型號(hào)的確定沖擊式機(jī)組一般配用閘閥，對(duì)高水頭大中型機(jī)組也有選用球閥。主閥的壓力等級(jí)關(guān)系到價(jià)格，因此不宜選得太高。由于沖擊式水輪機(jī)具有折向器機(jī)構(gòu)，噴針關(guān)閉時(shí)間比混流式導(dǎo)葉關(guān)閉時(shí)間慢得多，升壓相對(duì)較小，一般升壓015(指相對(duì)升壓15)，因此對(duì)中小型機(jī)組可直接按設(shè)計(jì)水頭選擇，等于或略大于設(shè)計(jì)水頭即可。常用閘閥的壓力規(guī)格有6kg/cm2、10kgcm2、16kgcm2、25kgcm2、40kgcm2、64kgcm2等，選用時(shí)應(yīng)向規(guī)格值靠，一般壓力16kgcm2。閥體、閥蓋、閘板的材料

11、需用碳鋼，尾部符號(hào)為C，不標(biāo)C者為鑄鐵。同樣的直徑、閥門的密封面材料也有不同，關(guān)系到造價(jià)，因此，應(yīng)按壓力等級(jí)選擇密封面材料：通常610kg/cm2用銅(T)，顯然選擇銅密封面價(jià)格要低些。閘閥有電動(dòng)或手動(dòng)之分：電動(dòng)由300mm起，350mm及以上無(wú)電動(dòng)閘閥。閘閥還有明桿和暗桿的區(qū)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3001 600mm。常用閘閥示例如下：Z941H16C    Dn=800Z閘閥；9電動(dòng)；4法蘭聯(lián)結(jié)；1明桿；H合金鋼密封面；16壓力等級(jí)；C碳鋼閥體；Dn公稱直徑；Z41T-10    Dn

12、=250Z閘閥；4法蘭聯(lián)接；1明桿；T銅密封面；10壓力等級(jí)；Dn公稱直徑。6調(diào)速器的初步選擇61調(diào)速功計(jì)算調(diào)速功分噴針調(diào)速功和折向器調(diào)速功二部分，若二者聯(lián)動(dòng)，總調(diào)速功為二者調(diào)速功之和；若折向器不聯(lián)動(dòng)，則按噴針調(diào)速功選擇調(diào)速器容量。噴針調(diào)速功A1=Z0(d0+d03Hmax/6000)(kg·m)式中：Z0為噴嘴數(shù)；d0為射流直徑(cm)；Hmax為最大水頭(m)1個(gè)折向器調(diào)速功A2=0.11×10-3d0Hmax或A2=Z0(d0+d03Hmax/6000)(kg·m)式中：Z0為折向器數(shù)；d0為射流直徑(cm)；Hmax為最大水頭(m)?？傉{(diào)速功A=A1+A2=2A162調(diào)速器容量的選擇AP=(132)A1，系數(shù)132是考慮加工裝配量及潤(rùn)滑等因素。63  調(diào)速器類型的選擇一般按下列原則選配調(diào)速器：水斗式：D170cm，Ng800kW，配手動(dòng)或電動(dòng)調(diào)速器；D170cm，Ng800kW2 500kW，配手動(dòng)或自動(dòng)調(diào)速器；D1125cm，Ng>2 500kW，配自動(dòng)調(diào)速器。斜擊式：D1=4080cm，Ng2 500kW，配手動(dòng)、電動(dòng)調(diào)速器及自