沖擊式水輪機效率優化措施

蘇永發

摘? 要：目前沖擊式水輪機世界最高效率是91%，比反擊式混流機同水頭同用水量低3%左右，沖擊式水輪機導水機構噴嘴口（固定內徑）有2個缺陷，降低了水輪機總效率。解決的方法：固定內徑時用混合型噴嘴口，由原單一內錐角，變為3個不同內角，將流經導水機構流通部件產生流態變化的急變流，在約束邊界內轉為緩變流再噴出，水機總效率大于93%;噴嘴口變徑裝置比用單個固定混合型噴嘴口每年發電量多4%。

關鍵詞：噴嘴口;能量補給;噴嘴水力效率;噴嘴口變徑

中圖分類號：TK735? ? ? ? ? ? ? 文獻標志碼：A

目前，世界沖擊式水輪機最高效率是91%，在同水頭、同流量的情況下，最高效率比反擊式的混流機低3%左右，主要原因是導水機構的固定內徑噴嘴口噴出的射流達不到平均速度，造成噴嘴水力效率下降，最終導致水機總效率降低。筆者分析了水斗式水輪機和斜擊式水輪機2個設備，斜擊機2個電站，為了提高射流應有速度，得到應有的動能，對用固定內徑的噴嘴口經多年改進，目前2個電站運行情況是每臺水輪機總效率都超過93%，希望通過筆者的實踐體會為同行提供參考。

1 設計缺陷

造成目前沖擊式水輪機效率低的原因：沖擊式水輪機導水機構噴嘴口（又稱襯環、管嘴，噴管）有2個設計缺陷，導致噴嘴水力效率下降，降低了水機總效率。其表現為導水機構的組件，從彎管到噴嘴口的流通部件，由于其結構、形態、部件間配合和位移等，在流體加速過程中，受流線運動特性（不能相交、轉折）的影響，導致部分流態變化急變流，沒有經過轉化為緩變流即噴出，其射流截面速度分布呈不均勻狀態，平均速度下降，造成動能減少的噴嘴水力效率降低，導致水機總效率降低。

1.1 導水機構內產生急變流的工況

導水機構內產生急變流的工況有3種。1）來流沖（碰）撞彎管、導水柵板、噴嘴、噴嘴口迎水面，產生能量損失的急變流。2）來流繞過噴針軸、噴針大頭至錐尖以及噴針錐尖在最大供水工作時，留在噴嘴口外都產生了急變流。第一種情況是在主流外環，第2種情況是在主流中心，內、外2種急變流變為小旋渦，噴嘴口不具有完善旋渦轉化功能即噴出，造成射流截面速度分布不均勻。3）固定內徑的噴嘴口，無變徑功能，當需要少供流量要求位移噴針，用噴針阻力減少出流。

1.2 現噴嘴口存在缺陷

現噴嘴口存在的缺陷有4個。1）單一內錐角角度大，迎水面受沖撞產生的急變流多。2）內錐角大，中心長度設計太短，且內錐角與配合的噴針外錐角角度差異大（常用3種噴嘴口內錐角與噴針外錐角的比值為620/450、800/530、850/600），流體受內錐角收縮、噴針體在中間，又受到自由出流的壓差作用，出口前出現壓強升、降急劇變化的情況，出流不暢，流速下降;太短的噴嘴口對不利流態1）～2）產生的急變流，因沒有約束邊界與主流來不及進行動量交換，得不到能量補給，不能轉化為緩變流，射流截面速度分布呈不均勻射出，平均流速下降。3）噴嘴口太短，供水量最大時噴針尖是在噴嘴口外，堵塞出流截面，出流量減少，水機效率失真。4）選擇大錐角的圓錐內縮型噴嘴口，噴出射流有縮頸，造成主流束截面減少。

1.3 噴嘴口缺陷二

增加物體阻力只能使流速減慢。噴嘴口內徑固定不變，無變徑功能，供水量減少時平均流速再減慢，造成二次損失。1）用噴針位移減少供水，即縮短噴針與噴嘴口兩錐面間隙距離，增加噴針阻力減少供水。2）大小不同的流量，在同單位時間內過流同一內徑，流量小的流速較慢，造成射流平均流速減慢，噴嘴水力效率更低。

2 解決方法

改變噴嘴口單一內錐角結構以及噴嘴口采用動態變徑。

2.1 固定內徑噴嘴口，用混合型噴嘴口（備注1）

混合型噴嘴口是加長約束邊界，將上述1）～2）急變流轉化為緩變流，且水機在最大功率工作時噴針尖留在出水口端面內。第一種情況包括了管嘴的幾種優點，利用流體運動另一個特性：“管內流體在繼續動量交換中得到能量補給”，使急變流與主流在約束邊界繼續進行動量交換，將流線不能相交、轉折的特性，造成的急變流轉化為緩變流。第二種情況是噴嘴口內徑是3個不同內角、內角交接點用流線型連接、提高出流系數、避免射流縮頸。①噴嘴口由大、小同向2個內錐角、加尾段直管組成，有利于流體動量交換和提高出流速度，減少射流的縮頸。②大內錐角與小內錐角加直管的中心長度有一定的比例，控制噴嘴口總長，減少流量系數和增加摩擦阻力。③有內角交角處以圓弧平滑過渡。④直管內徑與外端面不倒角。混合型噴嘴口采用流線型內部連接，并采用接近流速系數最大的小內錐角，流速系數最大，流動損失最少。使原不利流態1）～2）的急變流，從噴嘴內錐角大頭到噴嘴口出口前的這段長度連續與主流動量交換，獲得能量補給，轉化為緩變流;得到能量補給的次流束、付出部分能量的主流束，在動量交換過程中同時提速，使射流截面速度分布比較均勻后噴出，恢復射流在工作水頭應有的速度，噴嘴的水力效率得到提高，增加了水機總效率。

2.2 用噴嘴口變徑裝置（備注2），減少噴針阻力，保持減少流量后的射流流速

根據混合型噴嘴口結構要求，對出口內徑采用梯級變徑（用不同內徑3～6個外噴嘴口）裝置，可以通過手動和電動兩用機械操作。用變徑裝置有3個優點。1）可調整電站原設計與實際施工、安裝的工作水頭誤差;可以適當增加內徑超10%負荷，在豐水期搶峰。2）來水減少或降低負荷，少供水用較小內徑噴嘴口，不會造成流速水頭減少。3）在有庫容不溢流的情況下，更換為較小內徑外噴嘴口，避免管損保持最高水頭發電。具體做法有8個。1）噴嘴口分為2個，裝在噴嘴內為內噴嘴口，在噴嘴端面外為外噴嘴口，用內噴嘴口外徑和端面與外噴嘴口內徑密封對接。階梯式不同內徑外噴嘴口固定在轉盤內，轉盤在噴嘴和轉輪外徑空間活動、工作。2）噴嘴出水端面外固定一個連接板，轉盤固定的中心軸在連接板軸套內旋轉和直線往復運動，旋轉是選擇換轉盤內的外噴嘴口，或用連接板來的高壓清水沖洗轉盤與連接兩貼緊面污垢;直線運動是內、外2個噴嘴口對接或分離。3）轉盤外徑有等份槽，機座兩側板有磁吸器控制的軸銷，銷入槽拆、裝外噴嘴口定位，和轉盤直線運動限位，銷退出槽內，轉盤可旋轉。4）轉盤中心軸和另外2條輔助壓緊轉盤端面的軸，3條軸另一端有螺紋，一齊穿過機座、噴嘴連接耳、三級壓板套與電動板手套筒內螺母連接，電動板手正、反轉，螺母驅動軸往復直線運動;中心軸齒輪有行程開關觸盤、限制轉盤直線行程距離。5）中心軸齒輪是帶有刻度的被動齒輪，刻度指示功率，被動齒輪受伺服電機或分割器的主動齒輪驅動，中心軸帶動轉盤旋轉，軸旋轉電動板手電機空轉，軸旋轉或停止與磁吸限位銷同步工作。6）油壓甩水器，用雙向活塞帶動甩水板工作，甩水器裝在噴嘴頂部。7）操作換外噴嘴口機械裝置在地面機座旁邊，有電控箱、油泵、油箱及清污來水截伐。8）換外噴嘴口或轉盤旋轉，水機需停機，要關閉伸縮節前截伐。

3 解決兩缺陷后提高水機效率的數據和分析

3.1 改用混合型噴嘴口，水機效率超過93%

將固定內徑的混合型噴嘴口，在2003年開始發電，未換過舊轉輪的斜擊機逕流電站運行，水機效率超過93%。1）改造前該電站4臺XJA-W-50/1X13（銘牌）機組，4臺水機實際噴嘴口內徑都是Φ165.5 mm，其中1#～3#機組配置發電機630 kW，4#機組發電機500 kW，4臺機最大負荷同時滿發時工作水頭129.6 m（0.25精度壓力表測量數據），按順序1#～4#滿發時有功電度表為530 kW、580 kW、

580 kW、570 kW，24 h最多發54 000度電（收電費的高壓計量讀數），其中1#水機因射流中心偏移4 mm影響出力。2）改用混合型噴嘴口后：：1#～3#機噴嘴口內徑是154.5 mm，4#機148 mm，4臺機同時滿發高壓計量24 h讀數是61 000度電左右，有功電度表1～4#分別為620 kW、680 kW、678 kW、

598 kW。3）效率同比依據和按同截面積比較的機組實際效率。①同比依據。浙江省樂清機械廠資料（免去效率的復雜計算）：XjA-W-50/1×12.5機組，工作水頭130 m，噴嘴口內徑153.5 mm（常規按射流直徑公式12.5×12.28計算），電機效率92%，水機效率83.5%，機組功率582.8 kW。②用混合型噴嘴口與“依據”噴嘴口相同截面積的實際效率比較和修正。a）同射流直徑的水機效率。Φ154.5比Φ153.5截面積大1.307%，680×（1-0.01307）=671.227kW，效率按依據計算為98.65%。b）減去增加截面積多的流量后的效率。現噴針尖在噴嘴內，比原噴針錐尖伸出噴嘴口外長42 mm，直徑34.8 mm，出流多5.07%截面積用水的效率，修正后與噴針錐尖留在噴嘴外的同截面積效率為93.57%。c）另一電站3臺cj-w-70/1×7配500 kW發電機機組，舊轉輪分水刃曾磨穿，補焊后未打磨，在250 m工作水頭分別發電560.550.540 kW，水機效率同樣超過93%。

3.2 噴嘴口變徑保證了不同流量的水力效率

噴嘴口變徑保證了不同流量的水力效率，機械變徑裝置有設計方案，但尚未實施，經用單個手動換外噴嘴口簡易裝置，最枯水期在單臺水機用2個大、小不同截面積內徑的噴嘴口的發電量比較，結果是以單臺機組電站計算，年發電量可多4%左右（①計算以逕流電站豐水期25%電量不用變徑，電量計入總量。②其余預期用機械變徑裝置發電，超負荷電量不列入）。

3.2.1 比較方法和結果

比較方法和結果冬天最旱時在斜擊機4#機組，手動簡易換外噴嘴口的截面積是內徑φ148的50%，當用148 mm 內徑噴嘴口最大功率發600 kW，最旱發120 kW穩定后。換50%小噴嘴口，即發電功率是143 kW，穩定3天后來流下降。

3.2.2 效率評估

效率評估內容如下。1）用50%小噴嘴口比100%大噴嘴口效率已經提高了19%。2）如果用25%小噴嘴口效率可提高到27.5%。3）平均負荷每降低100 kW，提高6%的效率。

3.2.3 機械變徑裝置在沖擊式2種水輪機舊機適應說明

機械變徑裝置在沖擊式2種水輪機舊機適應說明機械變徑裝置是根據水斗機內部結構設計的，筆者從事液壓機械制造20多年，認為機械變徑裝置設計在材料、結構、零件配合、傳動和密封等設計中無明顯失誤。斜擊機用機械變徑裝置需要調整機座局設計。

4 結語

綜上所述，沖擊式水輪機解決了2個設計缺陷，提高了水輪機效率：用相同截面固定一個內徑的混合型噴嘴口時，水輪機總效率超過了當前世界最高91%效率的水平，并與混流機效率基本一致。首先，其流體力學理論依據是利用動量交換獲得能量補給的流線特性，轉化流線不能相交、轉折的流線特性，在過流流通部件的流動損失;其次，采用提高流速系數較大的內錐角，出口前的射流可以均勻提速;再次，加長的混合型噴嘴口離噴針大頭和噴嘴收縮區域的距離及受動水加速擾動相對較少，使噴嘴口的效率有明顯提高;用噴嘴口變徑裝置，減少了物體阻力，保證不同流量的射流速度，使水利資源在沖擊式水輪機中得到了充分的利用。

2個技術對沖擊式水輪機舊機改造，或者在新機制造中，成本不高，發電效益高;對沖擊式水輪機發展起到了積極的作用。

參考文獻

[1]孔瓏. 工程流體力學 第二版[M].北京：水利電力出版社， 1979.

[2]張征驥.沖擊式水輪機發展慨況與新技術[J].大機電技術，2017（4）：1-6.