冲击式水轮机发展概况与新技术尤瑜策

【摘要】现阶段，伴随科学技术的不断进步，我国水电站冲击式水轮机取得了长足的发展，为我国水电事业的进步奠定了坚实的基础。希望通过文章的阐述，能够使电力系统部门和水电站了解冲击式水轮机的发展历程和技术特征，在日后的生产实践中，变革传统观念，创新工作思路方法，全面提高该项技术的发展步伐，为我国现代化建设贡献更加卓著的力量。

【关键词】冲击式水轮机；发展概况；新技术

1、冲击式水轮机特点

冲击式水轮机具有水头较高、压力钢管比较长、机组运行过程中的力距非常小的特征。所以，在机组运行过程中必须拥有超强自动调节功能的喷针作为保障，必须同时安装折向器，当机组的实际负荷超出规定量时，折向器必须在第一时间内对水流进行阻断，使水流不再进入水轮机，避免水锤压力与机组转数之间产生不可调节的矛盾。

2、新理论概述

2.1水斗内粘性摩擦损失为各损失中最大

首先，水斗内粘性摩擦损失是总损失中的一部分。由于粘性摩擦发生在相对（即旋转）系统中，它对绝大系统中的效率影响是一个复杂的物理过程。一方面，摩擦本身是一种力，直接推动或阻碍水斗的转动。另一方面，粘性摩擦引起水流相对速度减缓，从而导致流水层底部压力下降，水斗推动力折损，最终间接导致水轮机效率损失。这一直接与间接影响的叠加是水斗内粘性摩擦的总效应，即相对运动系中的粘性摩擦导致绝对系中的效率损失。

2.2飞逸速度及其计算方法

在冲击式水轮机的设计阶段，飞逸速度是一个极其重要的设计参数。过高的飞逸速度会导致发电机的设计困难。一直以来，实验室模型试验是确定冲击式水轮机飞逸速度的唯一途径。实验室方法也因此而代价高，费时长。而一些设计手册中给出的参考数据一般为额定转速的1.8～1.9倍。由于该数据过分粗糙，所以常常无法满足需要。从原理上看，由于飞逸速度发生在射流与转动水斗不发生相互作用的情况下，所以归根到底它是一个与射流速度有关的参数。通过几何推导，飞逸速度下转的切向速度与射流速度的比值U1R/C0由下式给出：

（1）

这是一个小于1的值。其中α0是冲击式水轮机水斗的位置特征角。它表示水斗在切入射流轴线时的位置。由推导可得

（2）

该公式中，qn表示冲击式水轮机的比转速（单位1/s）。很显然，比转速是一个与几何有关的参数。由公式（1）计算出的飞逸速度，经与多项试验值比较，其误差均小于1%。此结果证实了公式（1）的准确性与实用性。

考虑到比转速qn的适用范围，即0.06-0.13，公式（1）可简化为

（3）

2.3水轮机完整特性曲线与主方程

在推导冲击式水轮机的特性曲线（即效率曲线）时，人们常常从动量原理出发，假设射流与水斗在直线上做相对运动。由此得出两点：第一，当水斗的运动速度是射流速度的一半时（km=0.5），能量交换效率达最大值。第二，特性曲线的下半段与上半段呈对称分布。尤其是在水斗的运动速度等于射流速度时，水轮机效率为零。实际中的水轮机特性曲线一概偏离这两点虚拟。这是由水轮机的实际转动而非平动所决定的。

大家知道，冲击式水轮机的最大效率常常发生在当水斗的切向速度等于射流速度的约0.47倍时。此外，特性曲线的上半段拥有区别于下半段的特殊地方。由于转子的转动，在转动速度超过一定的值时，部分射流将透过水斗逃逸过去，从而不作任何能量交换。逃逸射流与总射流的比是转子转速的函数，称为射流作用度，用RQ表示。对应于全部射流逃逸水斗的转速称之为转子的飞逸速度。由上节可知，冲击式水轮机的飞逸速度并非额定速度的两倍。这是区别于平动水斗情况的一大方面。

考虑到冲击式水轮机的最大效率发生在速度比km，N，通常有km，N=0.47左右，再考虑到水斗内粘性摩擦的影响以及射流逃逸与转速的关系，冲击式水轮机完整特性曲线可由下式给出：

（4）

该方程亦可称为冲击式水轮机的主方程。其中，β2是水斗出口倾角，通常取170°左右。Cw2是摩擦数。

2.4水斗机械强度与相似定理

冲击式水轮机的水斗受高速射流冲击，水斗根部承受周期性应力变化。为了确保最大机械应力处于允许范围内，除了使用高性能材料之外，再就是优化设计，以求降低最大应力值。对最大应力的可靠计算通常使用有限元法（FEM）。但是，常常有这样的情况，就是人们仅仅需要对可能的应力状况做出初步评估，而不是每次都做复杂的有限元数值计算。事实上，冲击式水轮机水斗造型都相似。假设已知水斗在某给定受力情况下根部应力为已知（如图2所示），比如通过有限元法计算而得，那么，任何水斗在任何其它受力情况下的根部应力都可以通过相似定理而即刻获得。

2.5喷嘴调节模式与水锤效应

冲击式水轮机输出功率的调节是通过喷嘴调节实现的。这个调节过程又统称为过渡过程。这其中还包括喷嘴的开启与关闭。由于每次负荷的调节以及喷嘴开启或关闭都会引起整个水力系统内的水锤效应，即引起压力波和压力升高，所以，喷嘴的开启与关闭模式是决定过渡过程中水锤效应的关键。以喷嘴关闭为例，为了实现最平稳过渡，在给定的时间内（t0N），喷嘴喷针从额定位置（S0N）到完全关闭宜选用下述二次函数模式：

（5）

这一模式确保了在喷针位置趋于s=0时，有ds/dt=0。

结束语：

一百多年来，冲击式水轮机在水力发电领域得到广泛应用。与其同时，该型式水轮机在设计与制造等技术方面也取得了巨大进步与发展。在设计方面，包括喷嘴与转子的设计，冲击式水轮机的效率通常可以达到91%。因此积极探索冲击式水轮机发展概况与新技术具有重要的现实意义。

参考文献：

[1]蒋勇其.冲击式水轮机流固耦合数值模拟研究[D].武汉大学，2017.

[2]杜博然.冲击式水轮机多喷针同步控制系统研究[D].哈尔滨工业大学，2017.