冲击式水轮机调速功计算

1、冲击式水轮机的选择孙红伟 2007-8-6 14:10:00摘 要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1 800m。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=3070m k

2、W ,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Di=i00cm、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01=90140cm,射流直径d0在714m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12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26个喷嘴，但当喷嘴数多如用

3、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Di和d0也越来越多，选型者可不必受固定比速法关于Di/do的限制，不同的 Di可以搭配不同的d°,喷针机构已成系列可以装在不同的Di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的确定凤=167 J Nt （ r/min）式中：ns为比转速（mkW） ; Hr为设计水头（m）; N为出力（kW）。比转速可在有关

4、手册中方便查得。框算时，对水斗式单喷嘴暂取25（多喷嘴ns=25vX Zo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 DiI） u = §函T式中：u为转轮节圆周速（m/s）; 4为转轮周速系数，按比转速ns值从表i查取;2g为重力加速度 9. 8m/s。表1 ns4值表A4 <76.2如12.4IkHU.S 17.7510.4 W而27.S 3135 54044.70.470 47Q.470*55 Q.4&50.455 QMS0.4S0 442)求出转轮直径D1 ,并取规格值Di=60u /兀 n(m)现在可供选择的规格值越

5、来越多，并且还有增加的趋势， 表2列出目前的规格值。表2 D i规格值25. 32, J7* 40, 42 45, 46. 50, 53, 55, 水耳式60, 66, 68, 70. 80. 90. 92. 100, 110*Di (on) 125, 140,】50 160, 170. 180, 200. 215.225. 250. 275, *20, 25, 32, 40, 46, 50, 63. 65, 80. 100cmj其中：卧式单喷嘴 Di=45140;卧式双喷嘴Di=90140;立式双喷嘴D i=925275;立式四喷嘴Di=i40275。框算Di时，可用下式：D - 41 J瓦

6、/I (m)3. 3确定射流直径d0并靠取规格值d。=0.545 而/ (KZq JH.) (m)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3 d0规格值水斗式4.5» 5, 5,5* 6.5L8.8. % 1L& (cm)12.5, 14, 15.5, 16*18.19, 20. 22. 24斜击式4, 4,St 5.5 6, 6.5. 7.7.5, 8,目.5, 9,& cm)9.乳 10, 10.5> IL U.5.1X5. 16其中：卧式单喷嘴 d0=4. 514;卧式双喷嘴do=7

7、16;立式双喷嘴do=924;立式四喷嘴do=924。3. 4斜击式Di/do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Di/do配套值妃CW)556,7.8,9,10,12J2.5,12,5J4,16,155,79111416.1820,22以,(cm)253240506380对小型机组，Di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Di/do与模型水轮机的相同或 Di/do=l020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

8、水轮机的Di/do与模型的相同或 D1/do=810时，效率可不作修正；如Di/do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do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门=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 由于射流直径取了标准值，必须重新计算水轮机设计流量：。=（侦）.545尸冬、胡,（的$）式中：Z。为喷嘴数；Hr为设计水头（m）。 由Q计算单

9、位流量 Q1,并计算参数取标准值后的单位转速m：Ol Q/（dWGSL 面（HE； n, rd）、/J（p/min）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：A237 Qt = Q/ （130.491妒屈）（盘/$）XJ02 Q. = Q/ （16.75出依）（m'/s） 在综合特性曲线上查取模型效率并修正为原型机效率Y f 验算出力Nt=9 . 81HQr,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=Di/d°,是设计水斗式水轮机的重要参数。水斗上的应

10、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>1 000m时，要求直径比 m< 15, m下限值< 89。根据现有资料，为使水轮机具有较高效率，应使 m=1018,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. 7815. 7,中小型斜击式m=3 . 577. 15;对大中型水斗式 m=1023,高效区为1018,其统计方程 为 m=D/d°=4+0. 01H（H 为工作水头）。若选出来的D"d0过小，会导致效率下降，强度计算难以通过；若选出来的DUd0过

11、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D1/d0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，水斗式伦7. 78,斜击式 伦3. 57,当m小于上列数值应重新确定转速来选择D。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

12、门，应以各厂的配套表为准，因为使用的水头段不同。表5部分制造厂主阀内径统计资料知5XJCJ25/1 m 6 - 745/1x4-4.5咨W5"* "E55/1 U)70/1£0/1x590/1)c4b5-5,5110/1300*7- 1142?1 心一11 对 n/lZ-45 5OA/1 x 0 50/1混 * 13,70/1 国9115 x79 125/1 70B/lx5J注：斜击不带 A、B者，HK 100m,带A , H=100160m,带B, HA 160m；球阀 直径规格()300 400, 500, 600, 650, 800, 1 000, 1200

13、, 1 600。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 1% ),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16k(cm2。阀体、

14、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610kg/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 力300mm 起，力350mm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 610/cm2的压力，直径范围为力30S 1 600mm。常用闸阀示例如下:Z941H 16C Dn=800Z 一闸阀；9电动；4法兰联结；1 一明杆；H 一合金钢密封面；16压力等级; C 一碳钢阀体；Dn 一公称直径；Z41T-10 Dn=250Z 一闸阀

15、；4 法兰联接；1一明杆；T 一铜密封面；10压力等级；Dn 一公称直 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)一，一一' -3卜1个折向器倜速功 A2=0.11 M0 d0Hmax或A2=Z 0(d0+d 03Hmax/6000)(kg m)式中：Zo为折向器数；d0为射流直径(cm); Hmax为最大水头(m)。总调速功A=A i+A2=2Ai6. 2调速器容量的选择AP=(1 . 32)Ai,系数1. 32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：Di< 70cm Ng< 800kW 配手动或电动调速器；Di> 70cm Ng>800kW2 500kW ,配手动或自动调速器；Di A 125cm Ng>2 500kW ,配