王重洋 王阳 李博
陕西省水利电力勘测设计研究院 陕西 西安 710001
摘要：由于冲击式水轮机结构简单，机组安装高程不受空蚀条件的限制，因此冲击式水轮机的应用越来越广泛。本文详细探讨了冲击式水轮机的设计及其发展趋势。
关键词：冲击式水轮机；设计；发展趋势
随着社会的快速发展，冲击式水轮机的使用范围会越来越广，特别是在高水头条件下会体现出其独特的使用价值。因此，必须对冲击式水轮机设计给予高度重视，通过对其进行深层次探讨发现其存在的问题，具有针对性的处理各项问题，从而为其有更长远的发展奠定基础。
一、冲击式水轮机介绍
1、概述。冲击式水轮机是借助于特殊导水机构引出具有动能的自由射流，冲向转轮水斗，使转轮旋转做功，从而完成将水能转换成机械能的一种水力原动机。冲击式水轮机适用于高水头、小流量的电站，它将来自压力管道的水，经喷嘴后转换为高速射流，切向冲击转轮，推动转轮旋转，从而带动发电机转子转动发电。在冲击式水轮机中，以工作射流与转轮相对位置和做工次数的不同，可分为切击式水轮机、斜击式水轮机和双击式水轮机。
2、优点。1）适应流量和水头比值比较小的情况。2）加权平均效率很高，在整个运行区间都有很高的效率。3）对水头变化的适应能力比较强。4）对管道和水头比值很大的也很适应。5）开挖量小。
二、冲击式水轮机设计的探讨
1、设计选择方面。疲劳问题是影响机组使用期限的关键因素，是冲击式水轮机设计过程中亟待解决的难题。设计上应确保机组使用期限至少为2O年，检修间隔不超过1年。在设计高水头电站的立轴冲击式时，对高压引水管道的线路铺设应高度重视，应将机组的布置形式为前提。随着工程施工条件的复杂程度提升，引水管道布置与其他系统结合度越来越高，逐渐走向完整化、规范化、统一化，使机组使用领域日益增多。
对地下室水电站，尽量减少电站建设时地基的开挖量，在机组种类的选用上一般倾向于立式多喷嘴水轮机。水轮机喷嘴数目要全面考虑以下问题：①水轮机效率；②转轮的服务年限；③水轮机的实用性；④机组成本与后期维护费用。
2、效率与空蚀
1）从模型到真机的效率换算。对冲击式水轮机，目前还没有统一的从模型到真机的效率换算公式。这是因即使比转速相同，不同的设计水头其效率修正值也不同。这就需要根据具体的设计条件，以雷诺定律或韦伯定律为基础提出具体的效率修正公式进行换算。
2）水斗对效率和空蚀的影响。冲击式水轮机水斗的几何形状对效率和空蚀性能有很大的影响。确定水斗几何形状的依据是设计水头，当运行水头偏离设计水头较大时，水轮机的效率明显下降，同时也将增加产生空蚀的可能性。
①水斗的射流入口形状是影响冲击式水轮机效率的重要因素之一。多喷嘴水斗的射流入口呈向上弯曲的形状，以增加射流入口直径，更好地适应射流入射，并减少射流损失来获得较高的效率和出力；同时，水斗背面的空蚀破坏和根部交变应力幅值均相应增加，这会给转轮的使用寿命带来负面影响。因而设计水斗射流入口形状时，需要同时兼顾效率和使用寿命两方面的因素来寻求最佳解决方案。
②水斗的泄流出口形状对效率和抗空蚀性能也有极大的影响。冲击式水轮机的高速射流冲向水斗中央的分水刃后，向水斗两边散开并将其携带的动能传递给水斗推动其转动，然后水流以很小的速度离开水斗的泄流出口排向下游。这样就希望水斗泄流出口处与射流之间的夹角平稳变化，因为该夹角的急剧变化将破坏水流的平稳流动甚至产生飞溅，使效率和抗空蚀能力下降，并有可能造成机组的振动。设计上在考虑该夹角的允许值时，应参考水斗射流入口边缘与分水刃中心间的夹角，并应考虑到该值随设计水头的增加而减少。
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③水斗的宽度也影响着冲击式水轮机的效率，在设计上通常采用转轮直径与水斗宽度的比值(D/B)来考察水斗宽度对效率的影响。通过对水斗流态的分析可知，D/B比值的减少能使水斗的宽度相对增大，改善水斗入流和出流条件，从而使效率得以提高。
3、疲劳损害方面。疲劳问题存在于冲击式水轮机使用的全过程，它决定了水轮机在服务年限内能否正常运行。为了深刻认识疲劳问题，应结合断裂力学理论对其定量研究，由于疲劳问题和交变应力幅值或转轮材料中的缺陷存在特殊关系。因此，当冲击式水轮机解决疲劳问题时，应将有限元法与应变量的方法结合，确定转轮的最合理应力范围值。在方案设计时，要根据水头的高度来确定水轮机的工作高度，对超过一千米水头段的工作面要想采用冲击式水轮机，一定严格界定转轮最大允许应力幅值。设计期间利用有限元法来分析应力变化情况，从而准确预见最大应力值，而且要进行实际测量实验来验证预见最大应力是否满足需要。由于转轮材料中存在允许的缺陷尺寸，如果水轮机设计要求不高可忽略不计，但在特殊要求的情况下必须给以其高度重视，比如要求表面缺陷尺寸不超过最小允许值条件下，不但需要技术条件较高，而且要选择高质量的生产商。
4、磨蚀损耗。冲击式水轮机的高速射流中携带的磨粒会造成喷嘴、喷针和水斗等部件的严重磨蚀，影响机组的正常运行甚至缩短使用寿命，因此设计时需要对磨蚀损耗问题给予足够重视。①磨蚀损耗量与磨粒发生碰撞时的速度改变量(即磨粒的加速度)成正比，并与发生碰撞的磨粒密度也成正比；②当磨粒以30°左右的冲角与冲击式水轮机常采用的低合金钢或不锈钢材料发生碰撞时，造成的磨蚀损耗最为明显；③采用高硬度高韧性的材料或涂层可明显降低磨蚀损耗量。
根据以上观点，若冲击式水轮机运行在磨粒含量较高的水流中，设计上应在可行的范围内采取以下措施来减小磨蚀损耗的发生：①减小引水管、喷嘴、喷针和水斗的曲率，以避免磨粒产生过大的加速度；②避免上述部件与来流方向形成30°左右的冲角，而使磨蚀损耗增加：③增加喷嘴数量、增大射流直径和水斗体积，以降低单位时间内接受的射流中携带的磨粒密度，从而降低磨蚀损耗；④对易发生磨蚀的部件采用不锈钢等材料，并采用抗磨涂层保护。
三、冲击式水轮机的发展方向
目前，在科学技术及新材料开发的驱动下，冲击式水轮机快速发展，运行安全性能显著提高，大功率冲击式水轮机已被广泛应用于高水头生产。由于冲击式水轮机的转轮是铸件，如何在大型转轮铸造艰难的条件下采用有效的方法保证铸件的高质量，这是冲击式水轮机未来发展研究的重点课题。
不但要确保大型冲击式转轮机的制造质量，还应优化设计方案及采取合理的措施，切实提高成产大型冲击式转轮机的运行性能，这也是未来发展的必然趋势。在此方面的发展应遵照以下原则：①对冲击式水轮机重要结构连接处的焊接应力必须严格控制，并针对设计中易于出现焊接缺陷处提前做好处理方案。②在控制缺陷相关数据确定时，应将压力循环次数及使用寿命作为关键的考虑因素。③采取最佳的工艺与检测技术，保证设备调试期间快速发现问题。④开发新型材料，使设备机构自身能够应对疲劳裂缝。
四、结语
综上所述，冲击式水轮机凭借其优越性能在高水头条件下推广应用，它在结构方面相对于传统的水轮机做出了重大改进，从而使结构简单但不缺少整体性，机组安装高程将影响因素降到最低，实际运行状态稳定。然而，冲击式水轮机设计中仍存在一定的问题，要想真正达到高效生产，就必须在其设计方面进行研究。
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论文作者:王重洋,王阳,李博
论文发表刊物:《防护工程》2018年第25期
论文发表时间:2018/12/5
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