沖擊式水輪機設計的探討和發展探究

摘 要：隨著材料科學技術的日益創新，沖擊式水輪機設計的理論及方法越來越成熟，更多高性能的沖擊式水輪機被廣泛應用于高水條件下，并且取得了令人滿意的效果。沖擊式水輪機結構簡單，機組使用環境自由以及耐腐蝕等優點，因此受到了高水電站的青睞。然而，沖擊式水輪機在實際使用中仍有不足，作者認為加強對其設計探討和發展研究具有現實意義。

關鍵詞：沖擊式水輪機；設計；發展探究

1 前言

沖擊式水輪機憑借優越性能在高水頭條件下推廣應用，其在結構方面相對于傳統的水輪機做出了重大改進，使得結構簡單但不缺少整體性，機組安裝高程將影響因素降到最低，實際運行狀態穩定。盡管我們看到其存在諸多優勢，但我們并不能滿足于此，這是因為沖擊式水輪機設計中仍有問題，要想真正達到高效生產就必須在其設計方面進行研究。作者結合實踐經驗，對沖擊式水輪機存在的不足進行了簡要分析，并針對其未來的發展趨勢展開探究。

2 沖擊式水輪機簡述

沖擊式水輪機的工作原理是利用特殊倒水噴管引出具有動能的自由射流，使轉輪水斗受到沖擊力，轉輪就會運動，進而實現水能轉換成機械能的目標，即水力原動機，尤其在高水頭小流量環境下使用效果更突出。根據沖擊式水輪機中心線與轉輪偏離的相對位置和做工次數的差異，一般分為切擊式水輪機、斜擊式水輪機與雙擊式水輪機。其中切擊式水輪機的應用領域最廣，無論哪種類型的沖擊式水輪機其工作原理大同小異，都是完成水能到機械能轉化的一種特殊工具。

3 沖擊式水輪機設計的探討

3.1 設計選擇方面

疲勞問題是影響機組使用期限的關鍵因素，是沖擊式水輪機設計過程中亟待解決的難題。設計上應確保機組使用期限至少為20年，檢修間隔不超過1年。在設計高水頭電站的立軸沖擊式時，對高壓引水管道的線路鋪設應該高度重視，應當將機組的布置形式為前提。隨著工程施工條件的復雜程度提升，引水管道布置與其他系統結合度越來越高，逐漸走向完整化、規范化、統一化，使機組使用領域日益增多。

對于地下室水電站，盡量減少電站建早時地基的開挖量，在機組種類的選用上一般傾向于立式多噴嘴水輪機。水輪機噴嘴數目是要全面考慮下面幾個問題：第一，水輪機效率。第二，轉輪的服務年限；第三，水輪機的實用性；第四，機組成本與后期維護費用。

3.2 水輪機效率方面

目前，還沒有計算水輪機效率的公式，水輪機其效率計算比較復雜，即使是相同的參考數據獲取的答案也有很大差異。因此，要針對水輪機實際的應用條件，采用各種定律對其效率做出修正。

水斗射流入口處的形狀決定了沖擊式水輪機效率。一般情況下，多噴嘴沖擊式水輪機的水斗流入口會向上彎曲，如果對其直徑適合理調整能提高水輪機效率，并可降低水量損失。然而，在此過程中，在水斗背面的交變應力的數值會增加，減少轉輪機的服務年限。所以在水輪機設計中要將效率與壽命共同抓，探索出最合理的設計方案。

沖擊式水輪機轉斗的形狀應該按照設計水頭為前提，若實際水頭位置與設計水頭錯位超出允許值，那么水輪機周圍空隙就會有水溢出，導致水輪機被侵蝕，使用壽命縮短，同時水輪機的實際效率也會與設計效率相差甚遠。

沖擊式水輪機的效率與轉輪直徑和水斗比例有關系，通常是二者的比值越大其效率會越小。結合沖擊水輪機水斗動態研究發現，如果減小轉輪直徑和水斗比例，就能改善水斗水流情況，進而提高水輪機效率。當水輪機轉速及功率確定后，可以通過鄭家噴嘴數目的手段來提高水輪機工作效率。

3.3 疲勞損害方面

疲勞問題存在于沖擊式水輪機使用的全過程，它決定了水輪機在服務年限內能否正常運行。為了深刻認識疲勞問題，應結合斷裂力學理論對其定量研究，由于疲勞問題和交變應力幅值或轉輪材料中的缺陷存在特殊關系。因此，當沖擊式水輪機解決疲勞問題時，應該將有限元法與應變量的方法結合，確定轉輪的最合理的應力范圍值。在方案設計時，要根據水頭的高度來確定水輪機的工作高度，對超過一千米水頭段的工作面要想采用沖擊式水輪機，一定嚴格界定轉輪最大允許應力幅值。設計期間利用有限元法來分析應力變化情況，從而準確預見最大應力值，而且要進行實際測量實驗來驗證預見最大應力是否滿足需要。由于轉輪材料中存在允許的缺陷尺寸，如果水輪機設計要求不高可以忽略不計，但是在特殊要求的情況下必須給以其高度重視，例如要求表面缺陷尺寸不超過最小允許值條件下，不但需要技術條件較高，而且要選擇高質量的生產商。

3.4 磨蝕破壞方面

沖擊式水輪機的的射流速度快，在水流中摻雜的顆粒會導致噴嘴或者水斗等重要部件被腐蝕，使得機組不能穩定運行，如果不及時采取有效措施處理，甚至減少設備的服務年限。由此可見，必須在設計環節給予腐蝕破壞問題已高度關注。作者認為要想理解此問題，必須從以下三個主要方面來說明：其一，腐蝕破壞程度和顆粒相互碰撞的速度以及顆粒大小有直接關系關系，通常是腐蝕破壞程度與二者存在正比例函數關系。其二，當顆粒與沖擊式水輪機底板材料呈三十度角時引起的磨蝕最嚴重。其三，在水輪機水流口處涂抹特殊的材料能有效降低磨損破壞程度。

針對上述問題，通過采取妥善的處理策略能減少磨蝕破壞程度，主要針對含顆粒較多的高水流采用以下措施：首先，在滿足工程需要的前提下，應當盡量減少水輪機重要結構部分的曲率，這樣有利于降低水流中顆粒的加速度不至于過高。其次，防止水輪機各結構和來留方向出現三十度的交角，降低磨蝕破壞程度。再次，適當調整噴嘴數量、射流直徑以及水斗容量。避免顆粒在短時間內積聚對水輪結構造成破壞。最后，在經常出現磨蝕的結構要盡量選用抗磨蝕材料或涂抹隔離層。

4 沖擊式水輪機的發展方向探究

目前，在科學技術及新材料開發的驅動下，沖擊式水輪機快速發展，運行安全性能顯著提高，大功率沖擊式水輪機已經被廣泛應用與高水頭生產。由于沖擊式水輪機的轉輪是鑄件，如何在大型轉輪鑄造艱難的條件下采用有效的方法保證鑄件的高質量，這是沖擊式水輪機未來發展研究的重點課題。

不但要確保大型沖擊式轉輪機的制造質量，還應該優化設計方案及采取合理的措施切實提高成產大型沖擊式轉輪機的運行性能，這也是未來發展的必然趨勢。在此方面的發展應遵照以下幾條原則：第一，對沖擊式水輪機重要結構連接處的焊接應力必須嚴格控制，并針對設計中易于出現焊接缺陷處提前做好處理方案。第二，在控制缺陷相關數據確定時，應該將壓力循環次數及使用壽命作為關鍵的考慮因素。第三，采取最佳的工藝與檢測技術，保證設備調試期間快速發現問題。第四，開發新型材料，使得設備機構自身寧夠應對疲勞裂縫。

5 結束語

隨著社會的快速發展，沖擊式水輪機的使用范圍會越來越廣，特別是在高水頭條件下會體現出其獨特的使用價值。我們必須對沖擊式水輪機設計給予高度重視，通過對其進行深層次探討發現其存在的問題，具有針對性的處理各項問題，從而為其有更長遠的發展奠定基礎。

參考文獻

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