摘要：主要讲述工业冷却塔风扇动力改造。研究开发高效率低速（200～350）r/min水轮机，替代原冷却塔电机配减速箱组合，为冷却塔风扇动力改造提供依据。
关键词：低速；水轮机；冷却塔；研究；应用
1 概述
水轮机除了广泛应用于水力发电之外，在其它的工业、农业、航空、化工、检测等领域也得到很多的应用。
许多大型空调和化工行业都在使用各种各样的冷却塔，通常冷却塔的风扇转速为（200～350）r/min，均采用电机配减速箱组合带动，由于电机与减速箱重量比较大，所占空间尺寸也相对比较庞大。使整个冷却塔的安装和维护比较困难，也因整个电机减速箱组都是露天布置，长期在水汽混合物等恶劣环境中工作，容易产生锈蚀和各种机械故障，维修费用很高。
冷却塔的循环水进塔水头一般为（5～8）m，大型塔的进塔水头常超过 10m。这为采用水轮机取代电机配减速箱组合带动风扇提供了可行条件，若进塔水头8m，100吨冷却塔的水流量为100m3/h，水轮机功率按效率为0.85计算，P=9.81×8×100/3600×0.85=1.85 kW，这样基本可以代替原来配用的2.2 kW的电机使用，如果冷却塔的循环水泵扬程富余量较大，就完全可以采用水轮机替代电机作为冷却风扇的动力。
2 高效低速水轮机的研发
2.1研发的关键技术
研发的关键技术攻关点是合理设计低速水轮机的结构形式，尽可能使水轮机的尺寸最小，结构比较紧凑，效率达到最高，安装布置也比较方便，以满足冷却塔的使用要求和冷却效果。即研究开发高效率低速（200～350）r/min新型水轮机。
2.2研发的意义
很多行业尤其是化工厂与食品（如海天酱油）加工行业使用冷却塔的数量很多，传统使用的冷却塔都是采用电机配减速箱组合驱动冷却风扇。多数冷却塔基本上都是全天连续工作24小时，累计起来，一年所消耗的电量也非常庞大，如果能采用水轮机带动风扇，不但能节省大量的电能，而且冷却塔的整机重量也减轻、结构布置非常紧凑，维护保养更加容易，维修费用很少，甚至长期不用维修，具有较高的经济效益和社会效益。如果不采用水轮机带动，冷却塔的进塔水头也是会白白地被浪费了。
2.3研发过程
2.3.1亟待解决的问题
通常用于发电的小型水轮机转速均在1000r/min以上，现需要研发水轮机转速为（200～350）r/min，因此低速水轮机的研发成为亟待解决的问题。
2.3.2水轮机结构形式的确定
首先确定水轮机的安装形式应为立式，从侧面进水，为了安装方便，并使结构布置紧凑，出水可根据不同的冷却塔结构形式进行确定。圆形逆流式冷却塔可设计为从下面圆形法兰出水，方形横流式冷却塔则设计成分两侧对称共同出水。按流量100 m3/h，水头8m，转速300r/min，效率0.85，计算水轮机的比转速：
（1）ns =3.13n（Qη）1/2/H3/4
=3.13×300×（100/3600×0.85）1/2/83/4
=30
由比转速知，小型冷却塔（＜500t），水轮机采用冲击式转轮较好，而500t以上的大型冷却塔，水轮机宜采用混流式转轮较佳。
经过大量的试制和反复试验与比较，小型塔的水轮机，最终选择采用双击式转轮比较好。双击式转轮是冲击式水轮机中的一种。选用双击式转轮是由于它结构简单，工艺方便，转轮的叶片是纯圆弧形的，无扭曲形状，制造起来比混流式转轮简单容易得多。双击式转轮前后水流压差很小，其工作原理是将具有进塔水头的水流能量在转轮进口喷嘴处，全部转换成速度能，集中对叶片进行两次冲击，能量的转换效率较高。
在我国的水轮机系列型谱中，只有寥寥几个双击式转轮型谱，所介绍的性能参数也比较简单，而型谱中的双击式转轮结构形式均为卧式，且使用功率范围在12 kW 至 100 kW，不适用于冷却塔使用。
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2.3.3设计计算分析
水轮机的输出轴功率计算公式：
（2） P = 9.81QHη（kW）
其中：
Ｑ —— 水流量（m3/s）
Ｈ —— 水头（m）
η —— 水轮机的效率，小型水轮机计算取0.85
水轮机的净水头由下式计算：
Ｈ =（Ｚ1-Ｚ2）＋（p1- p2）+（Ｖ12-V22）/（2g） （3）
其中：
Z1、Z2 —— 水轮机的进出水位（m）
p1、p2 —— 水轮机的进出口压力（m）
V1、V2 —— 进出口的水流速度 （m/s）
g —— 重力加速度9.81（m/s2）
由于冷却塔专用水轮机采用立轴形式，水轮机转轮是平放的，它的进出水位在同一水平上，所以：Ｚ1-Ｚ2 =０。
冲击式水轮机均为开放式，进出水与大气接触，所以其进出口的压力差极小，可以忽略不计，即：p1- p2 =０。
从上面的公式中可以看出，为了充分利用水流能量，应尽可能的将出水口的流速V2趋向于零。这样，冷却塔专用的双击式水轮机净水头就可以按下式计算：
（4）Ｈ=Ｖ12/（2g） 由于水流的速度Ｖ1是单位面积上的过水量。即：
Ｖ1=Ｑ/Ｓ
其中：Ｓ——过流断面积（m2）
水头公式又可以用：Ｈ=Ｑ2/（2gＳ2）来计算。
综上所述，冷却塔专用双击式水轮机的轴功率：
（5）P = 9.81Ｑ3/（2gＳ2）×0.85 = 0.42Ｑ3/Ｓ2
冷却塔循环泵的流量Ｑ在系统安装时已经确定，最终决定水轮机出力的关键是过流断面Ｓ，即进水口的断面越小越好，但是，断面太小，又会造成水流堵塞，流量减少。
经过大量的试验，我们采用24个叶片的转轮，最终得到一个比较理想的系数，使水轮机的功率达到最大值。
设计通常按 8 m水头计算，由此得水轮机功率
P= 9.81×8×Q×0.85 = 66.7Ｑ（kW）
因流量已经确定，所以能确切地计算出水轮机的轴功率，若与风扇轴功率相差不大，即可应用于电机冷却塔的改造。
3结语
随着制造工艺水平的不断提高，低速水轮机的设计和制造仍有提高的空间，中国水力机械行业的发展，势必让更多的水轮机产品，逐渐运用于不同的领域，对我国的节能技术，产生显著影响。
参考文献：
[1]大型混流式水轮机的应用现状与技术发展[J].唐澍，潘罗平.水利水电技术.2009（08）
[2]长短叶片水轮机内三维粘性流动数值研究[J].李高峰，刘小兵，王宏伟.水电能源科学.2010（11）
[3]基于CFD的水轮机叶片对转轮流场的影响分析（英文）[J].胡秀成，张思青，李长臻，张晓旭，曹芳滨.昆明理工大学学报（理工版）.2010（06）
论文作者:钟政干
论文发表刊物:《电力设备》2017年第8期
论文发表时间:2017/7/19
标签：水轮机论文; 冷却塔论文; 转轮论文; 水头论文; 双击论文; 水流论文; 风扇论文; 《电力设备》2017年第8期论文;