冲击式水轮机效率优化措施

苏永发

摘  要：目前冲击式水轮机世界最高效率是91%，比反击式混流机同水头同用水量低3%左右，冲击式水轮机导水机构喷嘴口（固定内径）有2个缺陷，降低了水轮机总效率。解决的方法：固定内径时用混合型喷嘴口，由原单一内锥角，变为3个不同内角，将流经导水机构流通部件产生流态变化的急变流，在约束边界内转为缓变流再喷出，水机总效率大于93%;喷嘴口变径装置比用单个固定混合型喷嘴口每年发电量多4%。

关键词：喷嘴口;能量补给;喷嘴水力效率;喷嘴口变径

中图分类号：TK735              文献标志码：A

目前，世界冲击式水轮机最高效率是91%，在同水头、同流量的情况下，最高效率比反击式的混流机低3%左右，主要原因是导水机构的固定内径喷嘴口喷出的射流达不到平均速度，造成喷嘴水力效率下降，最终导致水机总效率降低。笔者分析了水斗式水轮机和斜击式水轮机2个设备，斜击机2个电站，为了提高射流应有速度，得到应有的动能，对用固定内径的喷嘴口经多年改进，目前2个电站运行情况是每台水轮机总效率都超过93%，希望通过笔者的实践体会为同行提供参考。

1 设计缺陷

造成目前冲击式水轮机效率低的原因：冲击式水轮机导水机构喷嘴口（又称衬环、管嘴，喷管）有2个设计缺陷，导致喷嘴水力效率下降，降低了水机总效率。其表现为导水机构的组件，从弯管到喷嘴口的流通部件，由于其结构、形态、部件间配合和位移等，在流体加速过程中，受流线运动特性（不能相交、转折）的影响，导致部分流态变化急变流，没有经过转化为缓变流即喷出，其射流截面速度分布呈不均匀状态，平均速度下降，造成动能减少的喷嘴水力效率降低，导致水机总效率降低。

1.1 导水机构内产生急变流的工况

导水机构内产生急变流的工况有3种。1）来流冲（碰）撞弯管、导水栅板、喷嘴、喷嘴口迎水面，产生能量损失的急变流。2）来流绕过喷针轴、喷针大头至锥尖以及喷针锥尖在最大供水工作时，留在喷嘴口外都产生了急变流。第一种情况是在主流外环，第2种情况是在主流中心，内、外2种急变流变为小旋涡，喷嘴口不具有完善旋涡转化功能即喷出，造成射流截面速度分布不均匀。3）固定内径的喷嘴口，无变径功能，当需要少供流量要求位移喷针，用喷针阻力减少出流。

1.2 现喷嘴口存在缺陷

现喷嘴口存在的缺陷有4个。1）单一内锥角角度大，迎水面受冲撞产生的急变流多。2）内锥角大，中心长度设计太短，且内锥角与配合的喷针外锥角角度差异大（常用3种喷嘴口内锥角与喷针外锥角的比值为620/450、800/530、850/600），流体受内锥角收缩、喷针体在中间，又受到自由出流的压差作用，出口前出现压强升、降急剧变化的情况，出流不畅，流速下降;太短的喷嘴口对不利流态1）～2）产生的急变流，因没有约束边界与主流来不及进行动量交换，得不到能量补给，不能转化为缓变流，射流截面速度分布呈不均匀射出，平均流速下降。3）喷嘴口太短，供水量最大时喷针尖是在喷嘴口外，堵塞出流截面，出流量减少，水机效率失真。4）选择大锥角的圆锥内缩型喷嘴口，喷出射流有缩颈，造成主流束截面减少。

1.3 喷嘴口缺陷二

增加物体阻力只能使流速减慢。喷嘴口内径固定不变，无变径功能，供水量减少时平均流速再減慢，造成二次损失。1）用喷针位移减少供水，即缩短喷针与喷嘴口两锥面间隙距离，增加喷针阻力减少供水。2）大小不同的流量，在同单位时间内过流同一内径，流量小的流速较慢，造成射流平均流速减慢，喷嘴水力效率更低。

2 解决方法

改变喷嘴口单一内锥角结构以及喷嘴口采用动态变径。

2.1 固定内径喷嘴口，用混合型喷嘴口（备注1）

混合型喷嘴口是加长约束边界，将上述1）～2）急变流转化为缓变流，且水机在最大功率工作时喷针尖留在出水口端面内。第一种情况包括了管嘴的几种优点，利用流体运动另一个特性：“管内流体在继续动量交换中得到能量补给”，使急变流与主流在约束边界继续进行动量交换，将流线不能相交、转折的特性，造成的急变流转化为缓变流。第二种情况是喷嘴口内径是3个不同内角、内角交接点用流线型连接、提高出流系数、避免射流缩颈。①喷嘴口由大、小同向2个内锥角、加尾段直管组成，有利于流体动量交换和提高出流速度，减少射流的缩颈。②大内锥角与小内锥角加直管的中心长度有一定的比例，控制喷嘴口总长，减少流量系数和增加摩擦阻力。③有内角交角处以圆弧平滑过渡。④直管内径与外端面不倒角。混合型喷嘴口采用流线型内部连接，并采用接近流速系数最大的小内锥角，流速系数最大，流动损失最少。使原不利流态1）～2）的急变流，从喷嘴内锥角大头到喷嘴口出口前的这段长度连续与主流动量交换，获得能量补给，转化为缓变流;得到能量补给的次流束、付出部分能量的主流束，在动量交换过程中同时提速，使射流截面速度分布比较均匀后喷出，恢复射流在工作水头应有的速度，喷嘴的水力效率得到提高，增加了水機总效率。

2.2 用喷嘴口变径装置（备注2），减少喷针阻力，保持减少流量后的射流流速

根据混合型喷嘴口结构要求，对出口内径采用梯级变径（用不同内径3～6个外喷嘴口）装置，可以通过手动和电动两用机械操作。用变径装置有3个优点。1）可调整电站原设计与实际施工、安装的工作水头误差;可以适当增加内径超10%负荷，在丰水期抢峰。2）来水减少或降低负荷，少供水用较小内径喷嘴口，不会造成流速水头减少。3）在有库容不溢流的情况下，更换为较小内径外喷嘴口，避免管损保持最高水头发电。具体做法有8个。1）喷嘴口分为2个，装在喷嘴内为内喷嘴口，在喷嘴端面外为外喷嘴口，用内喷嘴口外径和端面与外喷嘴口内径密封对接。阶梯式不同内径外喷嘴口固定在转盘内，转盘在喷嘴和转轮外径空间活动、工作。2）喷嘴出水端面外固定一个连接板，转盘固定的中心轴在连接板轴套内旋转和直线往复运动，旋转是选择换转盘内的外喷嘴口，或用连接板来的高压清水冲洗转盘与连接两贴紧面污垢;直线运动是内、外2个喷嘴口对接或分离。3）转盘外径有等份槽，机座两侧板有磁吸器控制的轴销，销入槽拆、装外喷嘴口定位，和转盘直线运动限位，销退出槽内，转盘可旋转。4）转盘中心轴和另外2条辅助压紧转盘端面的轴，3条轴另一端有螺纹，一齐穿过机座、喷嘴连接耳、三级压板套与电动板手套筒内螺母连接，电动板手正、反转，螺母驱动轴往复直线运动;中心轴齿轮有行程开关触盘、限制转盘直线行程距离。5）中心轴齿轮是带有刻度的被动齿轮，刻度指示功率，被动齿轮受伺服电机或分割器的主动齿轮驱动，中心轴带动转盘旋转，轴旋转电动板手电机空转，轴旋转或停止与磁吸限位销同步工作。6）油压甩水器，用双向活塞带动甩水板工作，甩水器装在喷嘴顶部。7）操作换外喷嘴口机械装置在地面机座旁边，有电控箱、油泵、油箱及清污来水截伐。8）换外喷嘴口或转盘旋转，水机需停机，要关闭伸缩节前截伐。

3 解决两缺陷后提高水机效率的数据和分析

3.1 改用混合型喷嘴口，水机效率超过93%

将固定内径的混合型喷嘴口，在2003年开始发电，未换过旧转轮的斜击机迳流电站运行，水机效率超过93%。1）改造前该电站4台XJA-W-50/1X13（铭牌）机组，4台水机实际喷嘴口内径都是Φ165.5 mm，其中1#～3#机组配置发电机630 kW，4#机组发电机500 kW，4台机最大负荷同时满发时工作水头129.6 m（0.25精度压力表测量数据），按顺序1#～4#满发时有功电度表为530 kW、580 kW、

580 kW、570 kW，24 h最多发54 000度电（收电费的高压计量读数），其中1#水机因射流中心偏移4 mm影响出力。2）改用混合型喷嘴口后：：1#～3#机喷嘴口内径是154.5 mm，4#机148 mm，4台机同时满发高压计量24 h读数是61 000度电左右，有功电度表1～4#分别为620 kW、680 kW、678 kW、

598 kW。3）效率同比依据和按同截面积比较的机组实际效率。①同比依据。浙江省乐清机械厂资料（免去效率的复杂计算）：XjA-W-50/1×12.5机组，工作水头130 m，喷嘴口内径153.5 mm（常规按射流直径公式12.5×12.28计算），电机效率92%，水机效率83.5%，机组功率582.8 kW。②用混合型喷嘴口与“依据”喷嘴口相同截面积的实际效率比较和修正。a）同射流直径的水机效率。Φ154.5比Φ153.5截面积大1.307%，680×（1-0.01307）=671.227kW，效率按依据计算为98.65%。b）减去增加截面积多的流量后的效率。现喷针尖在喷嘴内，比原喷针锥尖伸出喷嘴口外长42 mm，直径34.8 mm，出流多5.07%截面积用水的效率，修正后与喷针锥尖留在喷嘴外的同截面积效率为93.57%。c）另一电站3台cj-w-70/1×7配500 kW发电机机组，旧转轮分水刃曾磨穿，补焊后未打磨，在250 m工作水头分别发电560.550.540 kW，水机效率同样超过93%。

3.2 喷嘴口变径保证了不同流量的水力效率

喷嘴口变径保证了不同流量的水力效率，机械变径装置有设计方案，但尚未实施，经用单个手动换外喷嘴口简易装置，最枯水期在单台水机用2个大、小不同截面积内径的喷嘴口的发电量比较，结果是以单台机组电站计算，年发电量可多4%左右（①计算以迳流电站丰水期25%电量不用变径，电量计入总量。②其余预期用机械变径装置发电，超负荷电量不列入）。

3.2.1 比较方法和结果

比较方法和结果冬天最旱时在斜击机4#机组，手动简易换外喷嘴口的截面积是内径φ148的50%，当用148 mm 内径喷嘴口最大功率发600 kW，最旱发120 kW稳定后。换50%小喷嘴口，即发电功率是143 kW，稳定3天后来流下降。

3.2.2 效率评估

效率评估内容如下。1）用50%小喷嘴口比100%大喷嘴口效率已经提高了19%。2）如果用25%小喷嘴口效率可提高到27.5%。3）平均负荷每降低100 kW，提高6%的效率。

3.2.3 机械变径装置在冲击式2种水轮机旧机适应说明

机械变径装置在冲击式2种水轮机旧机适应说明机械变径装置是根据水斗机内部结構设计的，笔者从事液压机械制造20多年，认为机械变径装置设计在材料、结构、零件配合、传动和密封等设计中无明显失误。斜击机用机械变径装置需要调整机座局设计。

4 结语

综上所述，冲击式水轮机解决了2个设计缺陷，提高了水轮机效率：用相同截面固定一个内径的混合型喷嘴口时，水轮机总效率超过了当前世界最高91%效率的水平，并与混流机效率基本一致。首先，其流体力学理论依据是利用动量交换获得能量补给的流线特性，转化流线不能相交、转折的流线特性，在过流流通部件的流动损失;其次，采用提高流速系数较大的内锥角，出口前的射流可以均匀提速;再次，加长的混合型喷嘴口离喷针大头和喷嘴收缩区域的距离及受动水加速扰动相对较少，使喷嘴口的效率有明显提高;用喷嘴口变径装置，减少了物体阻力，保证不同流量的射流速度，使水利资源在冲击式水轮机中得到了充分的利用。

2个技术对冲击式水轮机旧机改造，或者在新机制造中，成本不高，发电效益高;对冲击式水轮机发展起到了积极的作用。

参考文献

[1]孔珑. 工程流体力学 第二版[M].北京：水利电力出版社， 1979.

[2]张征骥.冲击式水轮机发展慨况与新技术[J].大机电技术，2017（4）：1-6.