冲击式水轮机

水轮机课程总结

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浅谈冲击式水轮机

早在古代，我国就开始使用水车提供生产动力。现如今，以水车为原型的水轮机——冲击式水轮机正在成为水轮机领域一个新的热门领域。在其他各种水轮机都相对成熟了的时候，冲击式水轮机正在受到越来越多的关注。现代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，从而完成讲水能转换成机械能的一种水力原动机。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。

切击式水轮机工作射流中心线与转轮节圆相切，故名切击式水轮机。其转轮叶片均由一系列呈双碗状水斗组成，故又称水斗式水轮机。切击式水轮机是目前冲击式水轮机中应用最广泛的一种机型。其应用水头一般为300-2000m，目前最高应用水头已达到1771.3m（澳大利亚的列塞克-克罗依采克水力蓄能电站，水轮机出力P=22.8MW）。

斜击式水轮机主要工作部件和切击式水轮机基本相同，只是工作射流与转轮进口平面呈某一角度α，射流斜着射向转轮。斜击式水轮机适用于水头在

35-350m、轴功率为10-500kW、比转速为18-45的中小型水电站。

双击式水轮机水流先从转轮外周进入部分叶片流道，消耗了大约70%-80%的动能，然后离开叶道，穿过转轮中心部分的空间，又一次进入转轮另一部分叶道消耗余下大约20%-30%的动能。这种水轮机效率低，一般适用于H<60m，N<150kW 的小型水电站。

随着水力资源的深入开发，有许多高落差的流域需要进行开发，如我国的雅鲁藏布江，落差达到两千多米，同时修筑水坝又不现实（考虑到这时一条国际河流）。因此冲击式水轮机便成为了首选。冲击式水轮机主要有以下优点：

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。特别是水斗式水轮机现在先进的可以在30％～110％负荷区间可以平均91％以上的效率。

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。

利用冲击式水轮机发电，出力范围可从50kW到500MW，可以适用于30米至3000米较大的水头范围，特别是高水头范围其它类型水轮机无法适用，并且无须建筑水坝，无需建造下游尾水管，建筑经费只是其它类型水轮发电机组2的几分之一，对自然环境影响也非常小。由于转轮在大气压之下的转轮室中运转，可以省去有压过流通道的、密封等的苛刻要求，广泛为工况运行效率高且变化平缓是其具有魅力的另一个原因。由于上述的优点，冲击式水轮机组的开发主题正在被世界关注，我国也引起了足够的重视，我国蕴藏着太多适于冲击式水轮机组开发的水力能源。冲击式水轮机可以充分发挥其结构简单、转轮直径小、效率高的优越性，大大减少电站投资和二次资源的节省，21世纪将会成为选型热点，大型冲击式水轮机开发的成功将创造巨大的经济效益，这一课题有着较强的开创性和应用性。

冲击式水轮机的研究制造主要在欧洲进行，瑞士阿尔卑斯山脉B水电站水头1883m，单机容量达到42万kW。大型冲击式水轮机为了更大限度利用水能，一般可以做到6个喷嘴，6喷嘴射流能量同时供给转轮做功。我国现在冲击式水

3轮机的储能非常之大，开发量比例甚少甚少。转轮以早期哈尔滨大电机等的提供为主，但在10数年前已经停止了开发及试验。近年各厂家要么继续使用旧型转轮或加以一些改造，要么花高价(几百万元人民币)进口转轮。由于技术的缺乏，投标时苦于手中没有转轮，对这块空白地的竞争或束手无策，或是技术指标落后中标率低，影响了竞争力及损失了经济利益。随着国内市场的开放这种情况会越来越严重。

我国目前采用冲击式水轮机的主要有以下这些电站：

其中天湖电站是1992年的当时国内第一个千米水头，所以这个电站的名气很大。长达17年的国内最高水头电站。后续高水头的基础，所以这个电站在国内水斗式高水头历史上具有重要地位。苏巴姑虽然高了150米，但是毕竟是后续电站，现在的头衔就是一个国内最高水头电站。

冲击式水轮机问世后,为了提高其效率和输出功率又研制出了立式多射流型冲击式水轮机。现阶段随着新材料及新技术的应用,已能制造出使用水头在1000～2000m,输出功率高达1000MW,运行安全可靠的高水头大出力冲击式水轮机。冲击式水轮机的转轮为铸件,因此提高转轮的铸造质量并在大型转轮铸造较为困难的情况下,采用铸焊工艺生产能够安全地用于高水头大出力电站的冲击式水轮机转轮为发展趋势之一。除了保证大型冲击式转轮的制造质量外,采用适合的设计方案及工艺措施来制造大型高性能偏流器也是发展中亟待解决的问题。这方面的发展应达到下列6项标准:①必须限制偏流器制造过程中的焊接应力,并在设计上设法使材料的焊接缺陷易于被常规探测法发现;②应采用压力循环次数从疲劳寿命的角度进行计算并控制缺陷尺寸的大小;③根据断裂力学理论,最大工作应力应限制在150～200MPa,下层表面的裂缝允许尺寸为6mm×6mm;④采取

适当的工艺和检测措施以确保在50000次循环负载作用后,裂缝不超过临界裂缝尺寸;⑤研制并采用新型材料,使其对疲劳裂缝的扩展具有足够的惰性;⑥在结构设计上应该根据材料的韧性来限制最大工作应力,进而满足机组使用寿命的要求冲击式水轮机前景是广阔的，但仍然有很多问题需要解决，相信中国的工程师一定能拿下这个新的制高点。