沖擊式水輪機(jī)效率優(yōu)化措施

蘇永發(fā)

摘? 要：目前沖擊式水輪機(jī)世界最高效率是91%，比反擊式混流機(jī)同水頭同用水量低3%左右，沖擊式水輪機(jī)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)噴嘴口（固定內(nèi)徑）有2個(gè)缺陷，降低了水輪機(jī)總效率。解決的方法：固定內(nèi)徑時(shí)用混合型噴嘴口，由原單一內(nèi)錐角，變?yōu)?個(gè)不同內(nèi)角，將流經(jīng)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)流通部件產(chǎn)生流態(tài)變化的急變流，在約束邊界內(nèi)轉(zhuǎn)為緩變流再?lài)姵觯畽C(jī)總效率大于93%;噴嘴口變徑裝置比用單個(gè)固定混合型噴嘴口每年發(fā)電量多4%。

關(guān)鍵詞：噴嘴口;能量補(bǔ)給;噴嘴水力效率;噴嘴口變徑

中圖分類(lèi)號(hào)：TK735? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

目前，世界沖擊式水輪機(jī)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(jī)低3%左右，主要原因是導(dǎo)水機(jī)構(gòu)的固定內(nèi)徑噴嘴口噴出的射流達(dá)不到平均速度，造成噴嘴水力效率下降，最終導(dǎo)致水機(jī)總效率降低。筆者分析了水斗式水輪機(jī)和斜擊式水輪機(jī)2個(gè)設(shè)備，斜擊機(jī)2個(gè)電站，為了提高射流應(yīng)有速度，得到應(yīng)有的動(dòng)能，對(duì)用固定內(nèi)徑的噴嘴口經(jīng)多年改進(jìn)，目前2個(gè)電站運(yùn)行情況是每臺(tái)水輪機(jī)總效率都超過(guò)93%，希望通過(guò)筆者的實(shí)踐體會(huì)為同行提供參考。

1 設(shè)計(jì)缺陷

造成目前沖擊式水輪機(jī)效率低的原因：沖擊式水輪機(jī)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)噴嘴口（又稱(chēng)襯環(huán)、管嘴，噴管）有2個(gè)設(shè)計(jì)缺陷，導(dǎo)致噴嘴水力效率下降，降低了水機(jī)總效率。其表現(xiàn)為導(dǎo)水機(jī)構(gòu)的組件，從彎管到噴嘴口的流通部件，由于其結(jié)構(gòu)、形態(tài)、部件間配合和位移等，在流體加速過(guò)程中，受流線(xiàn)運(yùn)動(dòng)特性（不能相交、轉(zhuǎn)折）的影響，導(dǎo)致部分流態(tài)變化急變流，沒(méi)有經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)化為緩變流即噴出，其射流截面速度分布呈不均勻狀態(tài)，平均速度下降，造成動(dòng)能減少的噴嘴水力效率降低，導(dǎo)致水機(jī)總效率降低。

1.1 導(dǎo)水機(jī)構(gòu)內(nèi)產(chǎn)生急變流的工況

導(dǎo)水機(jī)構(gòu)內(nèi)產(chǎn)生急變流的工況有3種。1）來(lái)流沖（碰）撞彎管、導(dǎo)水柵板、噴嘴、噴嘴口迎水面，產(chǎn)生能量損失的急變流。2）來(lái)流繞過(guò)噴針軸、噴針大頭至錐尖以及噴針錐尖在最大供水工作時(shí)，留在噴嘴口外都產(chǎn)生了急變流。第一種情況是在主流外環(huán)，第2種情況是在主流中心，內(nèi)、外2種急變流變?yōu)樾⌒郎u，噴嘴口不具有完善旋渦轉(zhuǎn)化功能即噴出，造成射流截面速度分布不均勻。3）固定內(nèi)徑的噴嘴口，無(wú)變徑功能，當(dāng)需要少供流量要求位移噴針，用噴針阻力減少出流。

1.2 現(xiàn)噴嘴口存在缺陷

現(xiàn)噴嘴口存在的缺陷有4個(gè)。1）單一內(nèi)錐角角度大，迎水面受沖撞產(chǎn)生的急變流多。2）內(nèi)錐角大，中心長(zhǎng)度設(shè)計(jì)太短，且內(nèi)錐角與配合的噴針外錐角角度差異大（常用3種噴嘴口內(nèi)錐角與噴針外錐角的比值為620/450、800/530、850/600），流體受內(nèi)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(xiàn)壓強(qiáng)升、降急劇變化的情況，出流不暢，流速下降;太短的噴嘴口對(duì)不利流態(tài)1）～2）產(chǎn)生的急變流，因沒(méi)有約束邊界與主流來(lái)不及進(jìn)行動(dòng)量交換，得不到能量補(bǔ)給，不能轉(zhuǎn)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(shí)噴針尖是在噴嘴口外，堵塞出流截面，出流量減少，水機(jī)效率失真。4）選擇大錐角的圓錐內(nèi)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(nèi)徑固定不變，無(wú)變徑功能，供水量減少時(shí)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(shí)間內(nèi)過(guò)流同一內(nèi)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(nèi)錐角結(jié)構(gòu)以及噴嘴口采用動(dòng)態(tài)變徑。

2.1 固定內(nèi)徑噴嘴口，用混合型噴嘴口（備注1）

混合型噴嘴口是加長(zhǎng)約束邊界，將上述1）～2）急變流轉(zhuǎn)化為緩變流，且水機(jī)在最大功率工作時(shí)噴針尖留在出水口端面內(nèi)。第一種情況包括了管嘴的幾種優(yōu)點(diǎn)，利用流體運(yùn)動(dòng)另一個(gè)特性：“管內(nèi)流體在繼續(xù)動(dòng)量交換中得到能量補(bǔ)給”，使急變流與主流在約束邊界繼續(xù)進(jìn)行動(dòng)量交換，將流線(xiàn)不能相交、轉(zhuǎn)折的特性，造成的急變流轉(zhuǎn)化為緩變流。第二種情況是噴嘴口內(nèi)徑是3個(gè)不同內(nèi)角、內(nèi)角交接點(diǎn)用流線(xiàn)型連接、提高出流系數(shù)、避免射流縮頸。①?lài)娮炜谟纱?、小同?個(gè)內(nèi)錐角、加尾段直管組成，有利于流體動(dòng)量交換和提高出流速度，減少射流的縮頸。②大內(nèi)錐角與小內(nèi)錐角加直管的中心長(zhǎng)度有一定的比例，控制噴嘴口總長(zhǎng)，減少流量系數(shù)和增加摩擦阻力。③有內(nèi)角交角處以圓弧平滑過(guò)渡。④直管內(nèi)徑與外端面不倒角。混合型噴嘴口采用流線(xiàn)型內(nèi)部連接，并采用接近流速系數(shù)最大的小內(nèi)錐角，流速系數(shù)最大，流動(dòng)損失最少。使原不利流態(tài)1）～2）的急變流，從噴嘴內(nèi)錐角大頭到噴嘴口出口前的這段長(zhǎng)度連續(xù)與主流動(dòng)量交換，獲得能量補(bǔ)給，轉(zhuǎn)化為緩變流;得到能量補(bǔ)給的次流束、付出部分能量的主流束，在動(dòng)量交換過(guò)程中同時(shí)提速，使射流截面速度分布比較均勻后噴出，恢復(fù)射流在工作水頭應(yīng)有的速度，噴嘴的水力效率得到提高，增加了水機(jī)總效率。

2.2 用噴嘴口變徑裝置（備注2），減少?lài)娽樧枇?，保持減少流量后的射流流速

根據(jù)混合型噴嘴口結(jié)構(gòu)要求，對(duì)出口內(nèi)徑采用梯級(jí)變徑（用不同內(nèi)徑3～6個(gè)外噴嘴口）裝置，可以通過(guò)手動(dòng)和電動(dòng)兩用機(jī)械操作。用變徑裝置有3個(gè)優(yōu)點(diǎn)。1）可調(diào)整電站原設(shè)計(jì)與實(shí)際施工、安裝的工作水頭誤差;可以適當(dāng)增加內(nèi)徑超10%負(fù)荷，在豐水期搶峰。2）來(lái)水減少或降低負(fù)荷，少供水用較小內(nèi)徑噴嘴口，不會(huì)造成流速水頭減少。3）在有庫(kù)容不溢流的情況下，更換為較小內(nèi)徑外噴嘴口，避免管損保持最高水頭發(fā)電。具體做法有8個(gè)。1）噴嘴口分為2個(gè)，裝在噴嘴內(nèi)為內(nèi)噴嘴口，在噴嘴端面外為外噴嘴口，用內(nèi)噴嘴口外徑和端面與外噴嘴口內(nèi)徑密封對(duì)接。階梯式不同內(nèi)徑外噴嘴口固定在轉(zhuǎn)盤(pán)內(nèi)，轉(zhuǎn)盤(pán)在噴嘴和轉(zhuǎn)輪外徑空間活動(dòng)、工作。2）噴嘴出水端面外固定一個(gè)連接板，轉(zhuǎn)盤(pán)固定的中心軸在連接板軸套內(nèi)旋轉(zhuǎn)和直線(xiàn)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，旋轉(zhuǎn)是選擇換轉(zhuǎn)盤(pán)內(nèi)的外噴嘴口，或用連接板來(lái)的高壓清水沖洗轉(zhuǎn)盤(pán)與連接兩貼緊面污垢;直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)是內(nèi)、外2個(gè)噴嘴口對(duì)接或分離。3）轉(zhuǎn)盤(pán)外徑有等份槽，機(jī)座兩側(cè)板有磁吸器控制的軸銷(xiāo)，銷(xiāo)入槽拆、裝外噴嘴口定位，和轉(zhuǎn)盤(pán)直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)限位，銷(xiāo)退出槽內(nèi)，轉(zhuǎn)盤(pán)可旋轉(zhuǎn)。4）轉(zhuǎn)盤(pán)中心軸和另外2條輔助壓緊轉(zhuǎn)盤(pán)端面的軸，3條軸另一端有螺紋，一齊穿過(guò)機(jī)座、噴嘴連接耳、三級(jí)壓板套與電動(dòng)板手套筒內(nèi)螺母連接，電動(dòng)板手正、反轉(zhuǎn)，螺母驅(qū)動(dòng)軸往復(fù)直線(xiàn)運(yùn)動(dòng);中心軸齒輪有行程開(kāi)關(guān)觸盤(pán)、限制轉(zhuǎn)盤(pán)直線(xiàn)行程距離。5）中心軸齒輪是帶有刻度的被動(dòng)齒輪，刻度指示功率，被動(dòng)齒輪受伺服電機(jī)或分割器的主動(dòng)齒輪驅(qū)動(dòng)，中心軸帶動(dòng)轉(zhuǎn)盤(pán)旋轉(zhuǎn)，軸旋轉(zhuǎn)電動(dòng)板手電機(jī)空轉(zhuǎn)，軸旋轉(zhuǎn)或停止與磁吸限位銷(xiāo)同步工作。6）油壓甩水器，用雙向活塞帶動(dòng)甩水板工作，甩水器裝在噴嘴頂部。7）操作換外噴嘴口機(jī)械裝置在地面機(jī)座旁邊，有電控箱、油泵、油箱及清污來(lái)水截伐。8）換外噴嘴口或轉(zhuǎn)盤(pán)旋轉(zhuǎn)，水機(jī)需停機(jī)，要關(guān)閉伸縮節(jié)前截伐。

3 解決兩缺陷后提高水機(jī)效率的數(shù)據(jù)和分析

3.1 改用混合型噴嘴口，水機(jī)效率超過(guò)93%

將固定內(nèi)徑的混合型噴嘴口，在2003年開(kāi)始發(fā)電，未換過(guò)舊轉(zhuǎn)輪的斜擊機(jī)逕流電站運(yùn)行，水機(jī)效率超過(guò)93%。1）改造前該電站4臺(tái)XJA-W-50/1X13（銘牌）機(jī)組，4臺(tái)水機(jī)實(shí)際噴嘴口內(nèi)徑都是Φ165.5 mm，其中1#～3#機(jī)組配置發(fā)電機(jī)630 kW，4#機(jī)組發(fā)電機(jī)500 kW，4臺(tái)機(jī)最大負(fù)荷同時(shí)滿(mǎn)發(fā)時(shí)工作水頭129.6 m（0.25精度壓力表測(cè)量數(shù)據(jù)），按順序1#～4#滿(mǎn)發(fā)時(shí)有功電度表為530 kW、580 kW、

580 kW、570 kW，24 h最多發(fā)54 000度電（收電費(fèi)的高壓計(jì)量讀數(shù)），其中1#水機(jī)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(jī)噴嘴口內(nèi)徑是154.5 mm，4#機(jī)148 mm，4臺(tái)機(jī)同時(shí)滿(mǎn)發(fā)高壓計(jì)量24 h讀數(shù)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(jù)和按同截面積比較的機(jī)組實(shí)際效率。①同比依據(jù)。浙江省樂(lè)清機(jī)械廠(chǎng)資料（免去效率的復(fù)雜計(jì)算）：XjA-W-50/1×12.5機(jī)組，工作水頭130 m，噴嘴口內(nèi)徑153.5 mm（常規(guī)按射流直徑公式12.5×12.28計(jì)算），電機(jī)效率92%，水機(jī)效率83.5%，機(jī)組功率582.8 kW。②用混合型噴嘴口與“依據(jù)”噴嘴口相同截面積的實(shí)際效率比較和修正。a）同射流直徑的水機(jī)效率。Φ154.5比Φ153.5截面積大1.307%，680×（1-0.01307）=671.227kW，效率按依據(jù)計(jì)算為98.65%。b）減去增加截面積多的流量后的效率。現(xiàn)噴針尖在噴嘴內(nèi)，比原噴針錐尖伸出噴嘴口外長(zhǎng)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(tái)cj-w-70/1×7配500 kW發(fā)電機(jī)機(jī)組，舊轉(zhuǎn)輪分水刃曾磨穿，補(bǔ)焊后未打磨，在250 m工作水頭分別發(fā)電560.550.540 kW，水機(jī)效率同樣超過(guò)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(jī)械變徑裝置有設(shè)計(jì)方案，但尚未實(shí)施，經(jīng)用單個(gè)手動(dòng)換外噴嘴口簡(jiǎn)易裝置，最枯水期在單臺(tái)水機(jī)用2個(gè)大、小不同截面積內(nèi)徑的噴嘴口的發(fā)電量比較，結(jié)果是以單臺(tái)機(jī)組電站計(jì)算，年發(fā)電量可多4%左右（①計(jì)算以逕流電站豐水期25%電量不用變徑，電量計(jì)入總量。②其余預(yù)期用機(jī)械變徑裝置發(fā)電，超負(fù)荷電量不列入）。

3.2.1 比較方法和結(jié)果

比較方法和結(jié)果冬天最旱時(shí)在斜擊機(jī)4#機(jī)組，手動(dòng)簡(jiǎn)易換外噴嘴口的截面積是內(nèi)徑φ148的50%，當(dāng)用148 mm 內(nèi)徑噴嘴口最大功率發(fā)600 kW，最旱發(fā)120 kW穩(wěn)定后。換50%小噴嘴口，即發(fā)電功率是143 kW，穩(wěn)定3天后來(lái)流下降。

3.2.2 效率評(píng)估

效率評(píng)估內(nèi)容如下。1）用50%小噴嘴口比100%大噴嘴口效率已經(jīng)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(fù)荷每降低100 kW，提高6%的效率。

3.2.3 機(jī)械變徑裝置在沖擊式2種水輪機(jī)舊機(jī)適應(yīng)說(shuō)明

機(jī)械變徑裝置在沖擊式2種水輪機(jī)舊機(jī)適應(yīng)說(shuō)明機(jī)械變徑裝置是根據(jù)水斗機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的，筆者從事液壓機(jī)械制造20多年，認(rèn)為機(jī)械變徑裝置設(shè)計(jì)在材料、結(jié)構(gòu)、零件配合、傳動(dòng)和密封等設(shè)計(jì)中無(wú)明顯失誤。斜擊機(jī)用機(jī)械變徑裝置需要調(diào)整機(jī)座局設(shè)計(jì)。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，沖擊式水輪機(jī)解決了2個(gè)設(shè)計(jì)缺陷，提高了水輪機(jī)效率：用相同截面固定一個(gè)內(nèi)徑的混合型噴嘴口時(shí)，水輪機(jī)總效率超過(guò)了當(dāng)前世界最高91%效率的水平，并與混流機(jī)效率基本一致。首先，其流體力學(xué)理論依據(jù)是利用動(dòng)量交換獲得能量補(bǔ)給的流線(xiàn)特性，轉(zhuǎn)化流線(xiàn)不能相交、轉(zhuǎn)折的流線(xiàn)特性，在過(guò)流流通部件的流動(dòng)損失;其次，采用提高流速系數(shù)較大的內(nèi)錐角，出口前的射流可以均勻提速;再次，加長(zhǎng)的混合型噴嘴口離噴針大頭和噴嘴收縮區(qū)域的距離及受動(dòng)水加速擾動(dòng)相對(duì)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(jī)中得到了充分的利用。

2個(gè)技術(shù)對(duì)沖擊式水輪機(jī)舊機(jī)改造，或者在新機(jī)制造中，成本不高，發(fā)電效益高;對(duì)沖擊式水輪機(jī)發(fā)展起到了積極的作用。

參考文獻(xiàn)

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

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