摘要:我国水能资源丰富，中高水头段的水能源已得到充分地开发，冲击式水轮机因其结构简单、适用水头高、对流量变化不敏感等优点,在水头高、流量小的地区应用普遍。为了提高冲击式水轮机的出力与比转速，在设计时往往采取增加喷嘴数的方式，因冲击式水轮机特殊的结构形式和能量转换形式，在不同的喷嘴数的情况下其流动干涉和机械动力存在完全不同的差异。因此要对水轮机内部关键部件进行在不同喷嘴数下时的水力性能和机械性能分析研究，保证水轮机在水利和机械综合最优的条件下运行。
关键字：冲击式水轮机 喷嘴 水力性能 机械性能
一、我国水利发展趋势及冲击式水轮机的应用
1.1.我国水利现状
我国疆域辽阔，水能资源丰富，落差大的河流众多，为我国水能开发提供了良好的自然条件[1]。水力发电凭借其成本低、效率高、能源可再生、基本无污染等优势在我国发电系统中占据着越来越重要的地位。在我国的水力资源的开发中，中高水头段的水能资源已得到充分开发，如何对于水头高、流量小的水能资源的利用是亟待解决的问题。
1.2.水轮机的分类
水轮机是把水流的能量转换为旋转机械能的动力机械，是水利发电行业必不可少的水利设备。按其工作原理，可分为冲击式水轮机和反击式水轮机两大类。其中冲击式水轮机按水流的流向可分为水斗式、切击式和斜击式水轮机，其原理均为转轮受到水流的冲击而旋转，工作过程中水流压力不变，主要是动能的转换。
1.3.冲击式水轮机的应用
冲击式水轮机具有结构简单、适用水头高、安装高程不受空蚀条件限制、对流量变化不敏感等优点，在河川上游、山区等水头高、流量小的地区应用普遍。对于那些高水头资源的开发，我们通常选择立轴布置的多喷嘴冲击式水轮机。
二、影响冲击式水轮机性能的因素
2.1.射流与比转速的关系
冲击式水轮机比转速的提高依赖于单个射流比转速的提高和射流数的增加。因此，为了提高冲击式水轮机的出力与比转速，在设计时往往采取增加喷嘴数的方式，但喷嘴数的增加会引起转轮内部流动的互相干涉，从而降低水轮机的水力效率，破坏机组运行的稳定性。
2.2冲击式转轮的破坏形式
冲击式水轮机的主要破坏形式是疲劳裂纹和空蚀，疲劳裂纹一般由水斗根部产生并快速扩展于内部，从而产生重大破坏事故；空蚀通过破坏水斗局部表面使降低转轮效率和出力大大降低，并引起振动和噪声，迫使机组频繁大修。尽管目前已有很多新的工艺、新的材料应用于冲击式转轮的制造以增强水斗的强度，但随着水轮机出力与效率的提高以及应用水头的增加，使得水轮机根部的工作应力增加，由水轮机的疲劳裂纹和空蚀引发的事故也在频繁发生[2]。
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三、探究喷嘴数对水轮机综合性能的影响的方法
因冲击式水轮机特殊的结构形式和能量转换形式，在不同的喷嘴数的情况下其流动干涉和机械动力存在完全不同的差异。为减少冲击式水轮机安全事故的发生，保证水轮机在水力和机械综合最优条件下运行，因此，结合水力性能和机械性能对冲击式水轮机的综合性能评估很有必要。
3.1.喷嘴数对水力性能影响的研究方法
UG是Unigraphics的缩写，是一个交互式CAD/CAM(计算机辅助设计与计算机辅助制造)系统，功能强大，可以轻松实现各种复杂实体及造型的建构。CFD技术基本原理则是数值求解控制流体流动的微分方程，得出流体流动的流场在连续区域上的离散分布，从而近似模拟流体流动情况。Fluent软件可用来模拟从不可压缩到高度可压缩范围内的复杂流动。
其研究过程为：采用UG软件建立关键零部件——转轮斗叶、配水环管及喷嘴等的三维模型，然后对三维模型进行网格划分。根据不同喷嘴数的采用不用的设计工况，利用CFD对其进行边界条件的设计，经过计算就可得到不同个数喷嘴运行时单个斗叶压力分布、速度分布、射流绕流轨迹分布和不同喷嘴数下水利效率计算结果。
3.2.关键部件的机械性能分析
进行强度分析的目的旨在校正水轮机一些部件的静力学强度，为技术设计提供理论依据。水利机械结构的刚强度分析方法主要有两种：一是与流场无交接面的部件通过直接或间接方法获得载荷并施加集中载荷。与流场无关的载荷可直接施加；与流场相关的载荷可通过流场计算获得，并施加集中载荷。二是与流场存在交界面部件可通过流场的计算获得载荷分布，并施加在计算域对应部位。这一类型就是数值分析中的流固耦合分析，通过流场的计算将流场的产生的载荷计算出来，并施加在流固交接面，完成载荷施加。其中刚强度分析的直接方法其分析基本流程如下：（1）建立分析对象三维模型；（2）对分析对象的三维模型进行网格划分；（3）在分析对象的相应部位施加载荷；（4）对施加特定载荷后的零部件计算域进行求解。刚强度常用的数值分析方法主要有：有限元法、有限差分法、有限体积法，其中有限元法与有限差分法都广泛应用于流体动力学数值计算中。为了解各工况下典型部件的机械性能，对主要的部件进行强度数值分析。通过对不同方案的数值分析，了解每个方案在不同工况下机械能的差异和对其可靠性进行评估。
总结
在不同的喷嘴数的情况下冲击式水轮机内部流动干涉和机械动力存在完全不同的差异，通过软件技术对其水力性能和机械性能进行分析，进而对冲击式水轮机的综合性能进行评估，保证水轮机在水力和机械综合最优条件下运行。
参考文献：
[1].马一太. 我国水力发电的现状和前景[J]. 能源工程,2003,(04):1-4.
[2].宋文武,符杰,周敏,姚文革,杨佐卫. 多喷嘴冲击式水轮机内部流动及部件振形的研究[J].大电机技术,2008,(06):41-45.
【作者信息】:
1.刘舒娜（1996-10），女，山东济宁人，中共预备党员，本科，西华大学能源与动力工程学院能源与动力工程专业在读。
2.宿科（1995－04），男，四川乐山人，中共党员，本科， 西华大学能源与动力工程学院能源与动力工程专业在读。
论文作者:刘舒娜, 宿科, 石建伟, 袁婷, 魏永华, 梁翔
论文发表刊物:《科技中国》2017年3期
论文发表时间:2017/5/31
标签：水轮机论文; 喷嘴论文; 载荷论文; 水头论文; 水力论文; 机械性能论文; 转轮论文; 《科技中国》2017年3期论文;