沖擊式水輪機發展概況與新技術尤瑜策

【摘要】現階段，伴隨科學技術的不斷進步，我國水電站沖擊式水輪機取得了長足的發展，為我國水電事業的進步奠定了堅實的基礎。希望通過文章的闡述，能夠使電力系統部門和水電站了解沖擊式水輪機的發展歷程和技術特征，在日后的生產實踐中，變革傳統觀念，創新工作思路方法，全面提高該項技術的發展步伐，為我國現代化建設貢獻更加卓著的力量。

【關鍵詞】沖擊式水輪機；發展概況；新技術

1、沖擊式水輪機特點

沖擊式水輪機具有水頭較高、壓力鋼管比較長、機組運行過程中的力距非常小的特征。所以，在機組運行過程中必須擁有超強自動調節功能的噴針作為保障，必須同時安裝折向器，當機組的實際負荷超出規定量時，折向器必須在第一時間內對水流進行阻斷，使水流不再進入水輪機，避免水錘壓力與機組轉數之間產生不可調節的矛盾。

2、新理論概述

2.1水斗內粘性摩擦損失為各損失中最大

首先，水斗內粘性摩擦損失是總損失中的一部分。由于粘性摩擦發生在相對（即旋轉）系統中，它對絕大系統中的效率影響是一個復雜的物理過程。一方面，摩擦本身是一種力，直接推動或阻礙水斗的轉動。另一方面，粘性摩擦引起水流相對速度減緩，從而導致流水層底部壓力下降，水斗推動力折損，最終間接導致水輪機效率損失。這一直接與間接影響的疊加是水斗內粘性摩擦的總效應，即相對運動系中的粘性摩擦導致絕對系中的效率損失。

2.2飛逸速度及其計算方法

在沖擊式水輪機的設計階段，飛逸速度是一個極其重要的設計參數。過高的飛逸速度會導致發電機的設計困難。一直以來，實驗室模型試驗是確定沖擊式水輪機飛逸速度的唯一途徑。實驗室方法也因此而代價高，費時長。而一些設計手冊中給出的參考數據一般為額定轉速的1.8～1.9倍。由于該數據過分粗糙，所以常常無法滿足需要。從原理上看，由于飛逸速度發生在射流與轉動水斗不發生相互作用的情況下，所以歸根到底它是一個與射流速度有關的參數。通過幾何推導，飛逸速度下轉的切向速度與射流速度的比值U1R/C0由下式給出：

（1）

這是一個小于1的值。其中α0是沖擊式水輪機水斗的位置特征角。它表示水斗在切入射流軸線時的位置。由推導可得

（2）

該公式中，qn表示沖擊式水輪機的比轉速（單位1/s）。很顯然，比轉速是一個與幾何有關的參數。由公式（1）計算出的飛逸速度，經與多項試驗值比較，其誤差均小于1%。此結果證實了公式（1）的準確性與實用性。

考慮到比轉速qn的適用范圍，即0.06-0.13，公式（1）可簡化為

（3）

2.3水輪機完整特性曲線與主方程

在推導沖擊式水輪機的特性曲線（即效率曲線）時，人們常常從動量原理出發，假設射流與水斗在直線上做相對運動。由此得出兩點：第一，當水斗的運動速度是射流速度的一半時（km=0.5），能量交換效率達最大值。第二，特性曲線的下半段與上半段呈對稱分布。尤其是在水斗的運動速度等于射流速度時，水輪機效率為零。實際中的水輪機特性曲線一概偏離這兩點虛擬。這是由水輪機的實際轉動而非平動所決定的。

大家知道，沖擊式水輪機的最大效率常常發生在當水斗的切向速度等于射流速度的約0.47倍時。此外，特性曲線的上半段擁有區別于下半段的特殊地方。由于轉子的轉動，在轉動速度超過一定的值時，部分射流將透過水斗逃逸過去，從而不作任何能量交換。逃逸射流與總射流的比是轉子轉速的函數，稱為射流作用度，用RQ表示。對應于全部射流逃逸水斗的轉速稱之為轉子的飛逸速度。由上節可知，沖擊式水輪機的飛逸速度并非額定速度的兩倍。這是區別于平動水斗情況的一大方面。

考慮到沖擊式水輪機的最大效率發生在速度比km，N，通常有km，N=0.47左右，再考慮到水斗內粘性摩擦的影響以及射流逃逸與轉速的關系，沖擊式水輪機完整特性曲線可由下式給出：

（4）

該方程亦可稱為沖擊式水輪機的主方程。其中，β2是水斗出口傾角，通常取170°左右。Cw2是摩擦數。

2.4水斗機械強度與相似定理

沖擊式水輪機的水斗受高速射流沖擊，水斗根部承受周期性應力變化。為了確保最大機械應力處于允許范圍內，除了使用高性能材料之外，再就是優化設計，以求降低最大應力值。對最大應力的可靠計算通常使用有限元法（FEM）。但是，常常有這樣的情況，就是人們僅僅需要對可能的應力狀況做出初步評估，而不是每次都做復雜的有限元數值計算。事實上，沖擊式水輪機水斗造型都相似。假設已知水斗在某給定受力情況下根部應力為已知（如圖2所示），比如通過有限元法計算而得，那么，任何水斗在任何其它受力情況下的根部應力都可以通過相似定理而即刻獲得。

2.5噴嘴調節模式與水錘效應

沖擊式水輪機輸出功率的調節是通過噴嘴調節實現的。這個調節過程又統稱為過渡過程。這其中還包括噴嘴的開啟與關閉。由于每次負荷的調節以及噴嘴開啟或關閉都會引起整個水力系統內的水錘效應，即引起壓力波和壓力升高，所以，噴嘴的開啟與關閉模式是決定過渡過程中水錘效應的關鍵。以噴嘴關閉為例，為了實現最平穩過渡，在給定的時間內（t0N），噴嘴噴針從額定位置（S0N）到完全關閉宜選用下述二次函數模式：

（5）

這一模式確保了在噴針位置趨于s=0時，有ds/dt=0。

結束語：

一百多年來，沖擊式水輪機在水力發電領域得到廣泛應用。與其同時，該型式水輪機在設計與制造等技術方面也取得了巨大進步與發展。在設計方面，包括噴嘴與轉子的設計，沖擊式水輪機的效率通常可以達到91%。因此積極探索沖擊式水輪機發展概況與新技術具有重要的現實意義。

參考文獻：

[1]蔣勇其.沖擊式水輪機流固耦合數值模擬研究[D].武漢大學，2017.

[2]杜博然.沖擊式水輪機多噴針同步控制系統研究[D].哈爾濱工業大學，2017.