高水头冲击式水轮机的设计与发展趋势的探讨

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，因而在国内外高水头电站中得到了较为普遍的应用。在总结有关资料的基础上，概述了高水头冲击式机组的有关问题，并对机组运行中的影响因素、设计过程中的考虑要点和今后设计的发展趋势进行了说明。

1　冲击式水轮机的设计
1．1　设计选择
　　疲劳问题决定着机组的寿命，是冲击式水轮机设计中面临的一个重要问题。设计上一般应保证机组使用寿命大于20 a，检修间隔不少于1 a。高水头电站的立轴冲击式水轮机设计时，要在考虑高压引水管道布置形式的基础上来决定机组的布置形式。近年来，空气式缓冲调压室、隧洞式排水斜面及综合竖井系统已在引水管道中被普遍采用，为机组布置形式的选择提供了更为广泛的空间。
　　对于地下式电站，为减少电站建设时土石方挖掘的工作量，在机组形式的选择上通常采用立式多喷嘴水轮机。这时在决定水轮机喷嘴数目时要综合考虑以下4个方面的问题：①水轮机效率；②水轮机抗空蚀性能；③转轮的寿命和疲劳问题；④机组价格和运行后维护保养等方面的问题。
1．2　效率与空蚀
　　对于冲击式水轮机，从模型试验到真机的效率换算，目前还没有统一的效率换算公式。这是因为即使比转速相同，不同的设计水头其效率修正值也是不相同的。这就需要针对具体项目的设计条件，采用雷诺定律、弗汝德定律或韦伯定律为基础提出具体的效率修正公式。一般不做效率修正。
　　冲击式水轮机效率的重要影响因素之一是水斗射流入口处的形状。对于多喷嘴冲击式水轮机，水斗射流入口向上弯曲，这样增加入口直径可得到较高的效率和出力，并可减少水斗入口处的无效泄水量；
　　冲击式水轮机水斗出流处的形状与其抗空蚀性能和效率也有极大的关系。如果水斗出流处和射流之间的夹角过大，就会使转轮的抗空蚀能力下降。设计上在考虑该夹角的允许值时，应以水斗射流入口边缘与分水器中心间的夹角为重要参考，并应考虑到该值随着设计水头的增加而减少。
　　冲击式水轮机转轮水斗的形状是以设计水头为依据进行设计的，当运行水头偏离设计水头较大时将增加空蚀的可能性，同时水轮机的效率也将明显降低。
　　冲击式水轮机的效率还受转轮直径与水斗宽之比（D／B）的影响，并随该比值（D／B）的减少而增加。通过对冲击式水轮机水斗流态的分析可知，D／B比值的减少使水斗入流和出流条件得到改善，从而使效率得以提高。
　　出力及转速确定后，提高效率的另一有效措施是增加喷嘴数目（见图1），这是由于喷嘴数目的增加使得机组的摩擦损失相对减少。实践经验可知，对于高比转速转轮（D／B＜3．5），当喷嘴数目增加至6个时磨阻损失效率一般不超过0．5％。但伴随喷嘴数目的增加，引水管道中弯头和双叉管的数量也相应增加。如果设计不好，射流中产生旋转水流也会导致效率的间接损失。为了在使水流加速的同时获得无旋涡的射流，在设计上要适当控制分水器中的流速，对于大型冲击式水轮机，应增加引水管入口速度以减少分水器盘的厚度。在采取上述措施的基础上，还必须仔细设计弯头和双叉管以尽量减少水力损失。

1．3　泥沙磨损
　　除了空蚀和疲劳问题之外，磨损也是高水头冲击式水轮机设计中应重视的问题。设计中在考虑磨损影响时，应注意以下3点：①沙粒的加速度受水斗曲率半径的影响，对于中型水斗高水头水轮机沙粒的加速度可高达50 000 m／s2；②接触水斗的沙量与水斗的体积和射流的大小成反比；③转轮的整体泥沙磨损量与喷嘴数目成正比。
　　根据上述经验，对于工作在含沙量较大的水中的冲击式水轮机，在转速恒定的条件下，则水轮机的相对使用寿命与其喷嘴数目大致成正比函数关系，而射流的体积与喷嘴数目的大致成反比函数关系。这样，转轮的使用寿命就因喷嘴数目不同而有所差别。在相同转速下，4喷嘴与6喷嘴的水轮机转轮的使用寿命之差别可以用两者的喷嘴数目之比来近似表示。但泥沙磨损对喷嘴和阀针的作用大小只与水斗曲率半径大致成正比函数关系。
　　这样在设计时，如果预料到有泥沙存在，就应该选择喷嘴数目最少而单位射流量较大的水轮机。
1．4　疲劳问题
　　冲击式水轮机的疲劳问题，是其能否在使用寿命期间正常运行的关键。关于疲劳问题，可以用断裂力学的理论进行定量的分析，因疲劳寿命与交变应力幅值和转轮材料中允许存在的缺陷尺度在工程上成一定的函数关系。
　　可以采用有限元法分析和应变测量的方法来确定转轮的最大应力。设计上对于工作在高于1 000m水头段的冲击式水轮机转轮，其最大允许应力幅值一般不得超过45 MPa。设计阶段可以通过有限元分析来确定可以预见的最大应力值，并在真机上采用应变片测量法进行验证。关于转轮材料中允许存在的缺陷尺寸，如果制造标准要求表面缺陷尺寸小于或等于2 mm×2 mm，则需要在技术条件完备并且质量控制严格的制造厂家才能得以实现。
　　图2表示了以材料中裂缝状缺陷扩展实验结果为基础的帕里斯曲线，依此可确定转轮使用寿命。

该曲线是用含铬13％，镍4％的奥氏／马氏体材料试件试验测得的，但在PH值为6的中性水中其疲劳寿命与含铬16％、镍5％的不锈钢和通常使用的含铬13％，镍1％的不锈钢几乎没有差别。这是因为冲击式水轮机转轮的大部分材料缺陷和最大应力通常都发生在水斗的根部，而在水中该部的腐蚀是稳定的。
2　冲击式水轮机的发展趋势
　　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1 000～2 000 m，输出功率高达1 000 MW，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6 mm×6 mm；④采取适当的工艺和检测措施以确保在50 000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。
3　实　例
　　这里介绍一个采用上述设计措施设计建造的电站的实例。
　　Tafjord电站在机组布置上采用了背压式运行的特有布置，除此之外还采用了大约750 m高水头无衬砌压力隧洞，该电站还设有空气调压室，尽管岩石裂缝引起过供气系统的漏气，但由于该电站设有截面积为9 m2，长8 km的引水渠道，所以可以在不采用空气调压的情况下，借助于引水管道摩擦阻力进行独立荷载的运行（见图3）。Hmax＝810 m；Hmin＝675 m；P＝80 MW　　Tafjord电站的竖井采用的是一种不接触的迷宫式封口。即使在关闭供水开关时，少量的漏水也足以使空压机安全运行。因为在混凝土和岩石之间可能有漏气现象发生，则需要增大空压机容量作为对应措施。该电站的315 MW机组到目前也仍然是效率很高的冲击式水轮机。

4　结　语
　　对于小型冲击式水轮机，在设计上采用控制系统结构简单、运行安全稳定的立式多喷嘴冲击式水轮机效益最好。
　　对于高水头大型冲击式水轮机，为保证其使用寿命和运行的安全可靠，在设计中须注意以下5点：①尽可能降低水斗中水流的加速度；②在电站布局上尽量采用地下式厂房，以使高压引水管获得岩石的辅助支撑；③但同时引水管管壁必须在无岩石支撑状态下能单独承受水的压力；④在满足要求的情况下设计上要尽可能选择低的水轮机比转速；⑤为减少转轮的泥沙磨损应尽量使水中的硬质泥沙含量减少。
　　冲击式水轮机未来的发展趋势是在提高效率的同时向高水头、大容量的方向发展；传统的小型卧式机组将逐渐被结构和控制简单的立式多喷嘴高转速机组取代。