沖擊式水輪機(jī)

隨著水力資源的深入開(kāi)發(fā)，有許多高落差的流域需要進(jìn)行開(kāi)發(fā)，如我國(guó)的雅魯藏布江，落差達(dá)到兩千多米，同時(shí)修筑水壩又不現(xiàn)實(shí)（考慮到這時(shí)一條國(guó)際河流）。因此沖擊式水輪機(jī)便成為了首選。沖擊式水輪機(jī)主要有以下優(yōu)點(diǎn) ：

1.適應(yīng)流量和水頭比值比較小的情況。

2.加權(quán)平均效率很高，在整個(gè)運(yùn)行區(qū)間都有很高的效率。特別是水斗式水輪機(jī)現(xiàn)在先進(jìn)的可以在30%～110%負(fù)荷區(qū)間可以平均91%以上的效率。

3.對(duì)水頭變化的適應(yīng)能力比較強(qiáng)

4.對(duì)管道和水頭比值很大的也很適應(yīng)。

5.開(kāi)挖量小。

利用沖擊式水輪機(jī)發(fā)電，出力范圍可從50kW到500MW，可以適用于30米至3000米較大的水頭范圍，特別是高水頭范圍其它類型水輪機(jī)無(wú)法適用，并且無(wú)須建筑水壩，無(wú)需建造下游尾水管，建筑經(jīng)費(fèi)只是其它類型水輪發(fā)電機(jī)組2的幾分之一，對(duì)自然環(huán)境影響也非常小。由于轉(zhuǎn)輪在大氣壓之下的轉(zhuǎn)輪室中運(yùn)轉(zhuǎn)，可以省去有壓過(guò)流通道的、密封等的苛刻要求，廣泛為工況運(yùn)行效率高且變化平緩是其具有魅力的另一個(gè)原因。由于上述的優(yōu)點(diǎn)，沖擊式水輪機(jī)組的開(kāi)發(fā)主題正在被世界關(guān)注，我國(guó)也引起了足夠的重視，我國(guó)蘊(yùn)藏著太多適于沖擊式水輪機(jī)組開(kāi)發(fā)的水力能源。沖擊式水輪機(jī)可以充分發(fā)揮其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、轉(zhuǎn)輪直徑小、效率高的優(yōu)越性，大大減少電站投資和二次資源的節(jié)省，21世紀(jì)將會(huì)成為選型熱點(diǎn)，大型沖擊式水輪機(jī)開(kāi)發(fā)的成功將創(chuàng)造巨大的經(jīng)濟(jì)效益，這一課題有著較強(qiáng)的開(kāi)創(chuàng)性和應(yīng)用性。

切擊式水輪機(jī)，也叫水斗式水輪機(jī)或培爾頓式水輪機(jī)；按主軸的布置方式分為臥軸和立軸兩種，無(wú)論哪種其轉(zhuǎn)輪始終位于大氣中。這種水輪機(jī)適用于高水頭、小流量水電站；大型水斗式水輪機(jī)應(yīng)用水頭約300—1700米，小型的也可達(dá)到40—250米；目前世界上水頭高于1000米的電站均采用水斗式水輪機(jī)，單機(jī)功率可以達(dá)到400MW以上 。

其主要結(jié)構(gòu)包括輸水管、噴流機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)輪、折向器和機(jī)殼等切擊式水輪機(jī)工作射流中心線與轉(zhuǎn)輪節(jié)圓相切，故名切擊式水輪機(jī)。其轉(zhuǎn)輪葉片均由一系列呈雙碗狀水斗組成，故又稱水斗式水輪機(jī)。切擊式水輪機(jī)是目前沖擊式水輪機(jī)中應(yīng)用最廣泛的一種機(jī)型。其應(yīng)用水頭一般為300-2000m，目前最高應(yīng)用水頭已達(dá)到1771.3m（澳大利亞的列塞克-克羅依采克水力蓄能電站，水輪機(jī)出力P=22.8MW）。

噴流機(jī)構(gòu)主要由噴管、噴嘴、噴針（針閥）和噴針移動(dòng)機(jī)構(gòu)組成；其作用是把水流勢(shì)能轉(zhuǎn)化為射流動(dòng)能，并通過(guò)移動(dòng)噴針來(lái)調(diào)節(jié)流量。

轉(zhuǎn)輪由圓盤和固定在它上面的水斗組成，射流沖向水斗，水斗與射流相互作用，射流動(dòng)能轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)機(jī)械能；由于承受射流，水頭越高對(duì)轉(zhuǎn)輪強(qiáng)度要求也越高。

折向器就是一塊高強(qiáng)度鋼板（和驅(qū)動(dòng)裝置），機(jī)組甩負(fù)荷時(shí)折向器迅速使射流偏轉(zhuǎn)，避免使機(jī)組轉(zhuǎn)速過(guò)快。

機(jī)殼則主要起支撐水輪機(jī)軸承、排水的作用。

值得說(shuō)明的是水斗水輪機(jī)中噴流機(jī)構(gòu)和折向器都不只一套，其數(shù)量因型號(hào)各異，一般水頭低時(shí)選4—6個(gè)，水頭高時(shí)選2—3個(gè)。

早在古代，我國(guó)就開(kāi)始使用水車提供生產(chǎn)動(dòng)力?，F(xiàn)如今，以水車為原型的水輪機(jī)——沖擊式水輪機(jī)正在成為水輪機(jī)領(lǐng)域一個(gè)新的熱門領(lǐng)域。在其他各種水輪機(jī)都相對(duì)成熟了的時(shí)候，沖擊式水輪機(jī)正在受到越來(lái)越多的關(guān)注。現(xiàn)代沖擊式水輪機(jī)是借助于特殊導(dǎo)水機(jī)構(gòu)引出具有動(dòng)能的自由射流，沖向轉(zhuǎn)輪水斗，使轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)做功，從而完成講水能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的一種水力原動(dòng)機(jī)。在沖擊式水輪機(jī)中，以工作射流與轉(zhuǎn)輪相對(duì)位置和做工次數(shù)的不同，可分為切擊式水輪機(jī)、斜擊式水輪機(jī)和雙擊式水輪機(jī) 。

理論分析證明，當(dāng)水斗節(jié)圓處的圓周速度約為射流速度的一半時(shí)，效率最高。這種水輪機(jī)在負(fù)荷發(fā)生變化時(shí)，轉(zhuǎn)輪的進(jìn)水速度方向不變，加之這類水輪機(jī)都用于高水頭電站，水頭變化相對(duì)較小，速度變化不大，因而效率受負(fù)荷變化的影響較小，效率曲線比較平緩，最高效率超過(guò)91%。

沖擊式水輪機(jī)的研究制造主要在歐洲進(jìn)行，瑞士阿爾卑斯山脈B水電站水頭1883m，單機(jī)容量達(dá)到42萬(wàn)kW。大型沖擊式水輪機(jī)為了更大限度利用水能，一般可以做到6個(gè)噴嘴，6噴嘴射流能量同時(shí)供給轉(zhuǎn)輪做功。我國(guó)現(xiàn)在沖擊式水3輪機(jī)的儲(chǔ)能非常之大，開(kāi)發(fā)量比例甚少甚少。轉(zhuǎn)輪以早期哈爾濱大電機(jī)等的提供為主，但在10數(shù)年前已經(jīng)停止了開(kāi)發(fā)及試驗(yàn)。近年各廠家要么繼續(xù)使用舊型轉(zhuǎn)輪或加以一些改造，要么花高價(jià)(幾百萬(wàn)元人民幣)進(jìn)口轉(zhuǎn)輪。由于技術(shù)的缺乏，投標(biāo)時(shí)苦于手中沒(méi)有轉(zhuǎn)輪，對(duì)這塊空白地的競(jìng)爭(zhēng)或束手無(wú)策，或是技術(shù)指標(biāo)落后中標(biāo)率低，影響了競(jìng)爭(zhēng)力及損失了經(jīng)濟(jì)利益。隨著國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的開(kāi)放這種情況會(huì)越來(lái)越嚴(yán)重 。

其中天湖電站是1992年的當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)第一個(gè)千米水頭，所以這個(gè)電站的名氣很大。長(zhǎng)達(dá)17年的國(guó)內(nèi)最高水頭電站。后續(xù)高水頭的基礎(chǔ)，所以這個(gè)電站在國(guó)內(nèi)水斗式高水頭歷史上具有重要地位。蘇巴姑雖然高了150米，但是畢竟是后續(xù)電站，現(xiàn)在的頭銜就是一個(gè)國(guó)內(nèi)最高水頭電站。

沖擊式水輪機(jī)問(wèn)世后,為了提高其效率和輸出功率又研制出了立式多射流型沖擊式水輪機(jī)?，F(xiàn)階段隨著新材料及新技術(shù)的應(yīng)用,已能制造出使用水頭在1000～2000m,輸出功率高達(dá)1000MW,運(yùn)行安全可靠的高水頭大出力沖擊式水輪機(jī)。沖擊式水輪機(jī)的轉(zhuǎn)輪為鑄件,因此提高轉(zhuǎn)輪的鑄造質(zhì)量并在大型轉(zhuǎn)輪鑄造較為困難的情況下,采用鑄焊工藝生產(chǎn)能夠安全地用于高水頭大出力電站的沖擊式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪為發(fā)展趨勢(shì)之一。

斜擊式水輪機(jī)利用噴嘴把水流的壓力能變成速度能，水流自離開(kāi)噴嘴，進(jìn)入轉(zhuǎn)輪直至離開(kāi)轉(zhuǎn)輪的整個(gè)工作過(guò)程，不是在一個(gè)封閉系統(tǒng)內(nèi)，而是在充滿大氣的機(jī)殼中進(jìn)行形成自由射流，并且同一時(shí)刻往往有3-4個(gè)斗葉在接受同一噴嘴流量大小不等的這種自由射流。噴嘴出口射流中心與轉(zhuǎn)輪進(jìn)水平面呈一定的夾角（通常取22.5度）。

斜擊式水輪機(jī)主要工作部件和切擊式水輪機(jī)基本相同，只是工作射流與轉(zhuǎn)輪進(jìn)口平面呈某一角度α，射流斜著射向轉(zhuǎn)輪。斜擊式水輪機(jī)適用于水頭在35-350m、軸功率為10-500kW、比轉(zhuǎn)速為18-45的中小型水電站 。

雙擊式水輪機(jī) 就其原理來(lái)講，他是介于反擊式水輪機(jī)和沖擊式水輪機(jī)之間(因水流在第一次流過(guò)葉片時(shí)是有壓流動(dòng))。水流通過(guò)引水管從噴咀流出后,從轉(zhuǎn)輪外周通過(guò)徑向葉片進(jìn)入轉(zhuǎn)輪中心，完成第一次能量交換后(約占總轉(zhuǎn)換能量的70%)，再?gòu)霓D(zhuǎn)輪中心通過(guò)徑向葉片流出轉(zhuǎn)輪，完成第二次能量交換 。

雙擊式水輪機(jī)水流先從轉(zhuǎn)輪外周進(jìn)入部分葉片流道，消耗了大約70%-80%的動(dòng)能，然后離開(kāi)葉道，穿過(guò)轉(zhuǎn)輪中心部分的空間，又一次進(jìn)入轉(zhuǎn)輪另一部分葉道消耗余下大約20%-30%的動(dòng)能。這種水輪機(jī)效率低，一般適用于H<60m，N<150kW的小型水電站。

與反擊式水輪機(jī)工作原理的異同點(diǎn)

沖擊式水輪機(jī)的工作原理與反擊式水輪機(jī)相同點(diǎn)是，均是利用水流與轉(zhuǎn)輪葉片的作用力和反作用力原理將水流能量傳給轉(zhuǎn)輪，使轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)釋放出機(jī)械能。沖擊式水輪機(jī)與反擊式水輪機(jī)工作原理顯著的不同點(diǎn)是：

1.在沖擊式水輪機(jī)中，噴管（相當(dāng)于反擊式水輪機(jī)的導(dǎo)水機(jī)構(gòu)）的作用是：引導(dǎo)水流，調(diào)節(jié)流量，并將液體機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)樯淞鲃?dòng)能。而反擊式水輪機(jī)的導(dǎo)水機(jī)構(gòu)，除引導(dǎo)水流，調(diào)節(jié)流量外，在轉(zhuǎn)輪前形成一定的旋轉(zhuǎn)水流，以滿足不同比轉(zhuǎn)速水輪機(jī)對(duì)轉(zhuǎn)輪前環(huán)量的要求。

2.在沖擊式水輪機(jī)中，水流自噴嘴出口直至離開(kāi)轉(zhuǎn)輪的整個(gè)過(guò)程，始終在空氣中進(jìn)行。則位于各部分的水流壓力保持不變（均等于大氣壓力）。它不像反擊式水輪機(jī)那樣，在導(dǎo)水機(jī)構(gòu)、工作輪以及轉(zhuǎn)輪后的流道中，水流壓力是變化的。故沖擊式水輪機(jī)又稱為無(wú)壓水輪機(jī)，而反擊式水輪機(jī)，稱之為有壓水輪機(jī)。

3.在反擊式水輪機(jī)中，由于各處水流壓力不等，并且不等于大氣壓力。故在導(dǎo)水機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)輪及轉(zhuǎn)輪后的區(qū)域內(nèi)，均需有密閉的流道。而在沖擊式水輪機(jī)中，就不需要設(shè)置密閉的流道。

4.反擊式水輪機(jī)必須設(shè)置尾水管，以恢復(fù)壓力，減小轉(zhuǎn)輪出口動(dòng)能損失和進(jìn)一步利用轉(zhuǎn)輪至下游水面之間的水流能量。而沖擊式水輪機(jī)，水流離開(kāi)轉(zhuǎn)輪時(shí)已流速很小，又通常處在大氣壓力下,因此它不需要尾水管。從另一方面講，由于沒(méi)有尾水管，使沖擊式水輪機(jī)比反擊式水輪機(jī)少利用了轉(zhuǎn)輪至下游水面之間的這部分水流能量。

5.反擊式水輪機(jī)的工作轉(zhuǎn)輪淹沒(méi)在水中工作，而沖擊式水輪機(jī)的工作輪是暴露在大氣中工作，僅部分水斗與射流接觸，進(jìn)行能量交換。并且，為保證水輪機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行和具有較高效率，工作輪水斗必須距下游水面有足夠的距離（即足夠的排水高度和通氣高度）。

6.在沖擊式水輪機(jī)中，因工作輪內(nèi)的水壓力不變，故有可能將工作輪流道適當(dāng)加寬，使水流緊貼轉(zhuǎn)輪葉片正面，并由空氣層把水流與葉片的背面隔開(kāi)。這樣，可使水流不沿工作輪的整個(gè)圓周進(jìn)入其內(nèi)，而僅在一個(gè)或幾個(gè)局部的地方，通過(guò)一個(gè)或幾個(gè)噴嘴進(jìn)入工作輪。由于工作葉片流道僅對(duì)著某個(gè)噴嘴時(shí)被水充滿，而當(dāng)它轉(zhuǎn)到下一個(gè)噴嘴之前，該葉片流道中的水已傾盡，故水流沿葉片流動(dòng)不會(huì)發(fā)生紊亂。

7.沖擊式水輪機(jī)的工作輪僅部分過(guò)水，部分水斗工作，故水輪機(jī)過(guò)流量較小，因而在一定水頭和工作輪直徑條件下，沖擊式水輪機(jī)的出力比較小。另外，充實(shí)水輪機(jī)的轉(zhuǎn)速相對(duì)比較低（這是由于轉(zhuǎn)輪進(jìn)口絕對(duì)速度大，圓周速度?。?、出力小，導(dǎo)致了較低的比轉(zhuǎn)速，故沖擊式水輪機(jī)適用于高水頭小流量的場(chǎng)合。2100433B

沖擊式水輪機(jī)在高水頭資源豐富的地區(qū)應(yīng)用前景廣泛，其流動(dòng)干涉現(xiàn)象十分復(fù)雜，至今仍缺乏對(duì)其規(guī)律和比尺效應(yīng)的科學(xué)描述與深入研究，仍是水力機(jī)械學(xué)科研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。本申請(qǐng)以高水頭沖擊式水輪機(jī)為研究對(duì)象，將理論分析、數(shù)值計(jì)算與試驗(yàn)相結(jié)合，旨在揭示機(jī)組內(nèi)典型的三維非定常氣液兩相流及流動(dòng)干涉的水動(dòng)力學(xué)特性。探討適合自由射流、水膜流等多流態(tài)的數(shù)學(xué)模型和數(shù)值方法，結(jié)合已有試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)。探討機(jī)組內(nèi)典型流動(dòng)干涉發(fā)生時(shí)的流動(dòng)規(guī)律，如射流與水斗背面干涉，出流與水斗背面干涉，多噴嘴時(shí)水膜流干涉等，定量分析流動(dòng)干涉對(duì)機(jī)組水動(dòng)力特性的影響，進(jìn)而提出改善流動(dòng)干涉的方法。在易發(fā)流動(dòng)干涉工況區(qū)，結(jié)合模型試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，分別對(duì)模型與真機(jī)進(jìn)行流動(dòng)干涉特性的數(shù)值計(jì)算，定量分析流動(dòng)干涉與比尺效應(yīng)之間的關(guān)系，完善沖擊式水輪機(jī)的比尺效應(yīng)換算理論。研究可為沖擊式水輪機(jī)的性能換算、優(yōu)化設(shè)計(jì)與安全穩(wěn)定運(yùn)行提供理論基礎(chǔ)。

我國(guó)水電開(kāi)發(fā)主戰(zhàn)場(chǎng)已轉(zhuǎn)向西南高原河流，僅雅江大拐彎一處的可開(kāi)發(fā)水能裝機(jī)容量就占全國(guó)的10%，目前正依托其梯級(jí)開(kāi)發(fā)，研制50萬(wàn)千瓦級(jí)、1000米以上超高水頭大型沖擊式水輪發(fā)電機(jī)組，而沖擊式水輪機(jī)內(nèi)部多態(tài)、多相流動(dòng)特性、流動(dòng)干涉、比尺效應(yīng)等的準(zhǔn)確研究仍不夠深入。本項(xiàng)目開(kāi)展的流動(dòng)干涉特性及其對(duì)比尺效應(yīng)影響研究具有重要理論意義和工程應(yīng)用價(jià)值。發(fā)表論文33篇，其中SCI檢索13篇，另EI檢索論文16篇。 選取兩套沖擊式水輪機(jī)，基于均質(zhì)多相流模型、SST k-omega雙方程模型描述多相流場(chǎng)，深入探討了CFL條件和網(wǎng)格收斂因子等對(duì)射流/水膜計(jì)算精度的影響，指出了精確模擬整體流道多種流態(tài)轉(zhuǎn)換過(guò)程所需滿足的離散關(guān)系，發(fā)展了包含管內(nèi)流、噴嘴射流及水斗水膜流多種流態(tài)和流態(tài)轉(zhuǎn)換的整體流道非定常多相流數(shù)值模擬方法，結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了計(jì)算的準(zhǔn)確，研究成果在ISROMAC 2016國(guó)際會(huì)議分會(huì)場(chǎng)做了特邀報(bào)告。 基于該方法，系統(tǒng)分析了沖擊式水輪機(jī)中的幾種典型流動(dòng)干涉及其對(duì)水力性能定量影響規(guī)律。水斗切割射流對(duì)射流的破壞導(dǎo)致水斗背面與射流接觸位置會(huì)出現(xiàn)負(fù)壓，該負(fù)壓與背面擠壓聯(lián)合作用，引起水斗背面與射流間的干涉。在計(jì)算的低水頭工況，流動(dòng)干涉使轉(zhuǎn)輪的水力效率降低約4%。此類干涉隨運(yùn)行水頭的降低而加劇，適當(dāng)減薄水斗缺口厚度可改善。對(duì)出流與水斗背面干涉，計(jì)算了水斗出流角和水頭變化的影響。水斗在出水邊出流角過(guò)大和高水頭工況，更容易發(fā)生出流與水斗背面干涉。為避免對(duì)水斗背面的破壞，可適當(dāng)減小水斗出流角或減薄水斗出水邊的厚度。若將噴嘴數(shù)增至六，運(yùn)行工況參數(shù)都不變，數(shù)值分析了水斗內(nèi)兩股水膜流動(dòng)干涉現(xiàn)象產(chǎn)生機(jī)理及其對(duì)水力性能的影響。結(jié)果顯示，噴嘴數(shù)增加使相鄰射流進(jìn)入同一水斗的時(shí)間間隔縮短，水斗先后接受的兩股射流會(huì)在水斗表面碰撞，使此工況下機(jī)組水力效率降低10.91%，同時(shí)水斗內(nèi)表面壓力波動(dòng)的幅值加劇，也會(huì)對(duì)水斗的安全性能造成極大威脅。 結(jié)合模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)模型與真機(jī)的非定常流動(dòng)特性進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，比較了三組單位流量工況下，真機(jī)與模型機(jī)中流動(dòng)干涉是否發(fā)生；根據(jù)IEC標(biāo)準(zhǔn)和模型試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)比計(jì)算的原型、模型機(jī)水力效率，量化的分析了沖擊式水輪機(jī)中影響比尺效應(yīng)的主要因素，發(fā)現(xiàn)雷諾數(shù)的影響相對(duì)較大，而弗勞德數(shù)和韋伯?dāng)?shù)的影響也不可忽略。 2100433B