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冲击式水轮机的选择
                             2011/9/20
主要介绍冲击式水轮机及其辅助设备的选型方法及计算程序,并提出用最优直径比检查选型及效率修正方面的一些看法,内容的重点在中小型机组。表5个。

[关键词]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,其应用的最高水头已接近1800m。与混流式水轮机相比,特别是在水头大于200m的场合,其优势不容忽视。由于早期选择的冲击式机组出现的问题不少,目前关于冲击式机组的选型资料又相对较少,因此,冲击式机组的选型受到不少专业人员的关注。

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,目前中小型范围内已做到转轮直径D1=100cm、发电机容量Ng=2500kW,虽斜击式效率相对偏低些,但设备价格优势不能忽视,所以仍得到广泛应用。

2装置型式的选择

2.1转轮及喷嘴数目的选择

按水头和出力查水轮机应用范围图,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;斜击双喷嘴目前还没有使用。

2.2布置方式的选择

大中型机组立式、卧式均有使用,小型机组一般用卧式。卧式布置拆卸方便,但每个转轮只能布置1~2个喷嘴,当喷嘴数目多时,必须增加转轮数;立式布置可在同一转轮上布置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,以避免各射流间相互影响,而降低水轮机的效率。

3改变比速法选择冲击式水轮机

冲击式水轮机的选择方法,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,选型者可不必受固定比速法关于D1/d0的限制,不同的D1可以搭配不同的d0,喷针机构已成系列可以装在不同的D1的机体上,因此这种选择方法已经代替固定比速法,越来越被广泛使用。改变比速法选择的程序和方法如下所述。

3.1转速n的确定

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方便查得。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。计算出转速n后,向上取发电机同期转速。

3.2确定转轮直径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/s2

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,并且还有增加的趋势,表2列出目前的规格值。

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确定射流直径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(m3/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)大中型机组:原型水轮机的D1d0与模型水轮机的相同或D1d0=10~20时,可不作效率修正;如D1/d0与模型的差别较大时,可参照相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D1d0与模型的相同或D1d0=8~10时,效率可不作修正;如D1d0与模型的差别较大时,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)若计算出来的d0值不向上靠取规格值,则效率可不作修正,否则需扣除1%。

4)斜击机组目前还没有公式计算,只能按预期效率确定,一般可按机型大小取△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由于射流直径取了标准值,必须重新计算水轮机设计流量:

式中:Z0为喷嘴数;Hr为设计水头(m)。

②由Q计算单位流量Q1,并计算参数取标准值后的单位转速n1

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

为应用方便对常用的2种机型可简化为:

③在综合特性曲线上查取模型效率并修正为原型机效率ηr。

④验算出力Nt=9.81HQηr,额定水头必须能发到额定出力。

4最优直径比D1/d0的检查

最优直径比m=D1d0,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。因此,当直径比m减小时,会引起斗叶上的应力急剧增大。一般当水头H>1000m时,要求直径比m≮15,m下限值≮8~9。根据现有资料,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;对大中型水斗式m=10~23,高效区为10~18,其统计方程为m=D1d0=4 0.01H(H为工作水头)。

若选出来的D1d0过小,会导致效率下降,强度计算难以通过;若选出来的D1d0过大,将使比转速下降,能量指标降低,又会使转轮的风损等损失增大,也会使效率下降。因此,若选出来的D1d0过小或过大,必须采用改变转速、转轮数及喷嘴数等办法重新选择,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,使发电机尺寸相应减小,可降低电站造价。

经样本统计,对常用小型机组,水斗式m≥7.78,斜击式m≥3.57,当m小于上列数值应重新确定转速来选择D1

5 主阀的选择

5.1直径的确定

主阀的内径一般与喷管内径一致,可由产品样本直接查取。表5收集了一部分制造厂的统计资料供选择时参考。1个品种在表中出现不同的配套阀门,应以各厂的配套表为准,因为使用的水头段不同。

表5部分峨眉山东电水轮机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主阀型号的确定

冲击式机组一般配用闸阀,对高水头大中型机组也有选用球阀。

主阀的压力等级关系到价格,因此不宜选得太高。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%),因此对中小型机组可直接按设计水头选择,等于或略大于设计水头即可。常用闸阀的压力规格有6kg/cm2、10kg/cm2、16kg/cm2、25kg/cm2、40kg/cm2、64kg/cm2等,选用时应向规格值靠,一般压力≥16kg/cm2。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。同样的直径、阀门的密封面材料也有不同,关系到造价,因此,应按压力等级选择密封面材料:通常6~10kg/cm2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别,5为暗杆、1为明杆。一般暗杆用于6~10/cm2的压力,直径范围为φ300~1600mm。

常用闸阀示例如下:

Z941H-16CDn=800

Z—闸阀;9—电动;4—法兰联结;1—明杆;H—合金钢密封面;16—压力等级;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—压力等级;Dn—公称直径。

6 调速器的初步选择

6.1 调速功计算

调速功分喷针调速功和折向器调速功二部分,若二者联动,总调速功为二者调速功之和;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(d0 d03Hmax/6000)(kg·m)

式中:Z0为喷嘴数;d0为射流直径(cm);Hmax为最大水头(m)

1个折向器调速功A2=0.11×10-3d0Hmax或

A2=Z0(d0 d03Hmax/6000)(kg·m)

式中:Z0为折向器数;d0为射流直径(cm);Hmax为最大水头(m)。

总调速功A=A1 A2=2A1

6.2 调速器容量的选择

AP=(1.3~2)A1,系数1.3~2是考虑加工装配量及润滑等因素。

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;

大中型斜击机组(1000kW以上),多数配自动调速器。

冲击式机组选配调速器类型无规定,可综合电站实际情况选择。此外,小型调速器常用非自动调节的操作器来取代,特点是能满足关闭时间的要求,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。

来源:四川省峨眉山市东电水轮机制造有限公司


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