沖擊式水輪機斜擊式水輪機

斜擊式水輪機利用噴嘴把水流的壓力能變成速度能，水流自離開噴嘴，進入轉(zhuǎn)輪直至離開轉(zhuǎn)輪的整個工作過程，不是在一個封閉系統(tǒng)內(nèi)，而是在充滿大氣的機殼中進行形成自由射流，并且同一時刻往往有3-4個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)輪進水平面呈一定的夾角（通常取22.5度）。

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

切擊式水輪機，也叫水斗式水輪機或培爾頓式水輪機；按主軸的布置方式分為臥軸和立軸兩種，無論哪種其轉(zhuǎn)輪始終位于大氣中。這種水輪機適用于高水頭、小流量水電站；大型水斗式水輪機應(yīng)用水頭約300—1700米，小型的也可達到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，單機功率可以達到400MW以上 。

其主要結(jié)構(gòu)包括輸水管、噴流機構(gòu)、轉(zhuǎn)輪、折向器和機殼等切擊式水輪機工作射流中心線與轉(zhuǎn)輪節(jié)圓相切，故名切擊式水輪機。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。切擊式水輪機是目前沖擊式水輪機中應(yīng)用最廣泛的一種機型。其應(yīng)用水頭一般為300-2000m，目前最高應(yīng)用水頭已達到1771.3m（澳大利亞的列塞克-克羅依采克水力蓄能電站，水輪機出力P=22.8MW）。

噴流機構(gòu)主要由噴管、噴嘴、噴針（針閥）和噴針移動機構(gòu)組成；其作用是把水流勢能轉(zhuǎn)化為射流動能，并通過移動噴針來調(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，射流動能轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)機械能；由于承受射流，水頭越高對轉(zhuǎn)輪強度要求也越高。

折向器就是一塊高強度鋼板（和驅(qū)動裝置），機組甩負荷時折向器迅速使射流偏轉(zhuǎn)，避免使機組轉(zhuǎn)速過快。

機殼則主要起支撐水輪機軸承、排水的作用。

值得說明的是水斗水輪機中噴流機構(gòu)和折向器都不只一套，其數(shù)量因型號各異，一般水頭低時選4—6個，水頭高時選2—3個。

隨著水力資源的深入開發(fā)，有許多高落差的流域需要進行開發(fā)，如我國的雅魯藏布江，落差達到兩千多米，同時修筑水壩又不現(xiàn)實（考慮到這時一條國際河流）。因此沖擊式水輪機便成為了首選。沖擊式水輪機主要有以下優(yōu)點 ：

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，在整個運行區(qū)間都有很高的效率。特別是水斗式水輪機現(xiàn)在先進的可以在30%～110%負荷區(qū)間可以平均91%以上的效率。

3.對水頭變化的適應(yīng)能力比較強

4.對管道和水頭比值很大的也很適應(yīng)。

5.開挖量小。

利用沖擊式水輪機發(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無法適用，并且無須建筑水壩，無需建造下游尾水管，建筑經(jīng)費只是其它類型水輪發(fā)電機組2的幾分之一，對自然環(huán)境影響也非常小。由于轉(zhuǎn)輪在大氣壓之下的轉(zhuǎn)輪室中運轉(zhuǎn)，可以省去有壓過流通道的、密封等的苛刻要求，廣泛為工況運行效率高且變化平緩是其具有魅力的另一個原因。由于上述的優(yōu)點，沖擊式水輪機組的開發(fā)主題正在被世界關(guān)注，我國也引起了足夠的重視，我國蘊藏著太多適于沖擊式水輪機組開發(fā)的水力能源。沖擊式水輪機可以充分發(fā)揮其結(jié)構(gòu)簡單、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世紀將會成為選型熱點，大型沖擊式水輪機開發(fā)的成功將創(chuàng)造巨大的經(jīng)濟效益，這一課題有著較強的開創(chuàng)性和應(yīng)用性。

沖擊式水輪機的研究制造主要在歐洲進行，瑞士阿爾卑斯山脈B水電站水頭1883m，單機容量達到42萬kW。大型沖擊式水輪機為了更大限度利用水能，一般可以做到6個噴嘴，6噴嘴射流能量同時供給轉(zhuǎn)輪做功。我國現(xiàn)在沖擊式水3輪機的儲能非常之大，開發(fā)量比例甚少甚少。轉(zhuǎn)輪以早期哈爾濱大電機等的提供為主，但在10數(shù)年前已經(jīng)停止了開發(fā)及試驗。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(幾百萬元人民幣)進口轉(zhuǎn)輪。由于技術(shù)的缺乏，投標(biāo)時苦于手中沒有轉(zhuǎn)輪，對這塊空白地的競爭或束手無策，或是技術(shù)指標(biāo)落后中標(biāo)率低，影響了競爭力及損失了經(jīng)濟利益。隨著國內(nèi)市場的開放這種情況會越來越嚴重 。

其中天湖電站是1992年的當(dāng)時國內(nèi)第一個千米水頭，所以這個電站的名氣很大。長達17年的國內(nèi)最高水頭電站。后續(xù)高水頭的基礎(chǔ)，所以這個電站在國內(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)在的頭銜就是一個國內(nèi)最高水頭電站。

沖擊式水輪機問世后,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?，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1000MW,運行安全可靠的高水頭大出力沖擊式水輪機。沖擊式水輪機的轉(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轉(zhuǎn)輪為發(fā)展趨勢之一。

早在古代，我國就開始使用水車提供生產(chǎn)動力?，F(xiàn)如今，以水車為原型的水輪機——沖擊式水輪機正在成為水輪機領(lǐng)域一個新的熱門領(lǐng)域。在其他各種水輪機都相對成熟了的時候，沖擊式水輪機正在受到越來越多的關(guān)注?，F(xiàn)代沖擊式水輪機是借助于特殊導(dǎo)水機構(gòu)引出具有動能的自由射流，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)換成機械能的一種水力原動機。在沖擊式水輪機中，以工作射流與轉(zhuǎn)輪相對位置和做工次數(shù)的不同，可分為切擊式水輪機、斜擊式水輪機和雙擊式水輪機 。

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，效率最高。這種水輪機在負荷發(fā)生變化時，轉(zhuǎn)輪的進水速度方向不變，加之這類水輪機都用于高水頭電站，水頭變化相對較小，速度變化不大，因而效率受負荷變化的影響較小，效率曲線比較平緩，最高效率超過91%。

雙擊式水輪機 就其原理來講，他是介于反擊式水輪機和沖擊式水輪機之間(因水流在第一次流過葉片時是有壓流動)。水流通過引水管從噴咀流出后,從轉(zhuǎn)輪外周通過徑向葉片進入轉(zhuǎn)輪中心，完成第一次能量交換后(約占總轉(zhuǎn)換能量的70%)，再從轉(zhuǎn)輪中心通過徑向葉片流出轉(zhuǎn)輪，完成第二次能量交換 。

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

與反擊式水輪機工作原理的異同點

沖擊式水輪機的工作原理與反擊式水輪機相同點是，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)釋放出機械能。沖擊式水輪機與反擊式水輪機工作原理顯著的不同點是：

1.在沖擊式水輪機中，噴管（相當(dāng)于反擊式水輪機的導(dǎo)水機構(gòu)）的作用是：引導(dǎo)水流，調(diào)節(jié)流量，并將液體機械能轉(zhuǎn)變?yōu)樯淞鲃幽?。而反擊式水輪機的導(dǎo)水機構(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)速水輪機對轉(zhuǎn)輪前環(huán)量的要求。

2.在沖擊式水輪機中，水流自噴嘴出口直至離開轉(zhuǎn)輪的整個過程，始終在空氣中進行。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那樣，在導(dǎo)水機構(gòu)、工作輪以及轉(zhuǎn)輪后的流道中，水流壓力是變化的。故沖擊式水輪機又稱為無壓水輪機，而反擊式水輪機，稱之為有壓水輪機。

3.在反擊式水輪機中，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。而在沖擊式水輪機中，就不需要設(shè)置密閉的流道。

4.反擊式水輪機必須設(shè)置尾水管，以恢復(fù)壓力，減小轉(zhuǎn)輪出口動能損失和進一步利用轉(zhuǎn)輪至下游水面之間的水流能量。而沖擊式水輪機，水流離開轉(zhuǎn)輪時已流速很小，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，由于沒有尾水管，使沖擊式水輪機比反擊式水輪機少利用了轉(zhuǎn)輪至下游水面之間的這部分水流能量。

5.反擊式水輪機的工作轉(zhuǎn)輪淹沒在水中工作，而沖擊式水輪機的工作輪是暴露在大氣中工作，僅部分水斗與射流接觸，進行能量交換。并且，為保證水輪機穩(wěn)定運行和具有較高效率，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。這樣，可使水流不沿工作輪的整個圓周進入其內(nèi)，而僅在一個或幾個局部的地方，通過一個或幾個噴嘴進入工作輪。由于工作葉片流道僅對著某個噴嘴時被水充滿，而當(dāng)它轉(zhuǎn)到下一個噴嘴之前，該葉片流道中的水已傾盡，故水流沿葉片流動不會發(fā)生紊亂。

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

沖擊式水輪機在高水頭資源豐富的地區(qū)應(yīng)用前景廣泛，其流動干涉現(xiàn)象十分復(fù)雜，至今仍缺乏對其規(guī)律和比尺效應(yīng)的科學(xué)描述與深入研究，仍是水力機械學(xué)科研究的熱點和難點。本申請以高水頭沖擊式水輪機為研究對象，將理論分析、數(shù)值計算與試驗相結(jié)合，旨在揭示機組內(nèi)典型的三維非定常氣液兩相流及流動干涉的水動力學(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)合已有試驗結(jié)果進行評價。探討機組內(nèi)典型流動干涉發(fā)生時的流動規(guī)律，如射流與水斗背面干涉，出流與水斗背面干涉，多噴嘴時水膜流干涉等，定量分析流動干涉對機組水動力特性的影響，進而提出改善流動干涉的方法。在易發(fā)流動干涉工況區(qū)，結(jié)合模型試驗和現(xiàn)場實測，分別對模型與真機進行流動干涉特性的數(shù)值計算，定量分析流動干涉與比尺效應(yīng)之間的關(guān)系，完善沖擊式水輪機的比尺效應(yīng)換算理論。研究可為沖擊式水輪機的性能換算、優(yōu)化設(shè)計與安全穩(wěn)定運行提供理論基礎(chǔ)。

我國水電開發(fā)主戰(zhàn)場已轉(zhuǎn)向西南高原河流，僅雅江大拐彎一處的可開發(fā)水能裝機容量就占全國的10%，目前正依托其梯級開發(fā)，研制50萬千瓦級、1000米以上超高水頭大型沖擊式水輪發(fā)電機組，而沖擊式水輪機內(nèi)部多態(tài)、多相流動特性、流動干涉、比尺效應(yīng)等的準確研究仍不夠深入。本項目開展的流動干涉特性及其對比尺效應(yīng)影響研究具有重要理論意義和工程應(yīng)用價值。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，基于均質(zhì)多相流模型、SST k-omega雙方程模型描述多相流場，深入探討了CFL條件和網(wǎng)格收斂因子等對射流/水膜計算精度的影響，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)合試驗數(shù)據(jù)驗證了計算的準確，研究成果在ISROMAC 2016國際會議分會場做了特邀報告。 基于該方法，系統(tǒng)分析了沖擊式水輪機中的幾種典型流動干涉及其對水力性能定量影響規(guī)律。水斗切割射流對射流的破壞導(dǎo)致水斗背面與射流接觸位置會出現(xiàn)負壓，該負壓與背面擠壓聯(lián)合作用，引起水斗背面與射流間的干涉。在計算的低水頭工況，流動干涉使轉(zhuǎn)輪的水力效率降低約4%。此類干涉隨運行水頭的降低而加劇，適當(dāng)減薄水斗缺口厚度可改善。對出流與水斗背面干涉，計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)兩股水膜流動干涉現(xiàn)象產(chǎn)生機理及其對水力性能的影響。結(jié)果顯示，噴嘴數(shù)增加使相鄰射流進入同一水斗的時間間隔縮短，水斗先后接受的兩股射流會在水斗表面碰撞，使此工況下機組水力效率降低10.91%，同時水斗內(nèi)表面壓力波動的幅值加劇，也會對水斗的安全性能造成極大威脅。 結(jié)合模型試驗數(shù)據(jù)，對模型與真機的非定常流動特性進行了數(shù)值計算，比較了三組單位流量工況下，真機與模型機中流動干涉是否發(fā)生；根據(jù)IEC標(biāo)準和模型試驗結(jié)果，對比計算的原型、模型機水力效率，量化的分析了沖擊式水輪機中影響比尺效應(yīng)的主要因素，發(fā)現(xiàn)雷諾數(shù)的影響相對較大，而弗勞德數(shù)和韋伯?dāng)?shù)的影響也不可忽略。 2100433B