【摘要】現(xiàn)階段，伴隨科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，我國水電站沖擊式水輪機(jī)取得了長足的發(fā)展，為我國水電事業(yè)的進(jìn)步奠定了堅實(shí)的基礎(chǔ)。希望通過文章的闡述，能夠使電力系統(tǒng)部門和水電站了解沖擊式水輪機(jī)的發(fā)展歷程和技術(shù)特征，在日后的生產(chǎn)實(shí)踐中，變革傳統(tǒng)觀念，創(chuàng)新工作思路方法，全面提高該項技術(shù)的發(fā)展步伐，為我國現(xiàn)代化建設(shè)貢獻(xiàn)更加卓著的力量。

【關(guān)鍵詞】沖擊式水輪機(jī)；發(fā)展概況；新技術(shù)

1、沖擊式水輪機(jī)特點(diǎn)

沖擊式水輪機(jī)具有水頭較高、壓力鋼管比較長、機(jī)組運(yùn)行過程中的力距非常小的特征。所以，在機(jī)組運(yùn)行過程中必須擁有超強(qiáng)自動調(diào)節(jié)功能的噴針作為保障，必須同時安裝折向器，當(dāng)機(jī)組的實(shí)際負(fù)荷超出規(guī)定量時，折向器必須在第一時間內(nèi)對水流進(jìn)行阻斷，使水流不再進(jìn)入水輪機(jī)，避免水錘壓力與機(jī)組轉(zhuǎn)數(shù)之間產(chǎn)生不可調(diào)節(jié)的矛盾。

2、新理論概述

2.1水斗內(nèi)粘性摩擦損失為各損失中最大

首先，水斗內(nèi)粘性摩擦損失是總損失中的一部分。由于粘性摩擦發(fā)生在相對（即旋轉(zhuǎn)）系統(tǒng)中，它對絕大系統(tǒng)中的效率影響是一個復(fù)雜的物理過程。一方面，摩擦本身是一種力，直接推動或阻礙水斗的轉(zhuǎn)動。另一方面，粘性摩擦引起水流相對速度減緩，從而導(dǎo)致流水層底部壓力下降，水斗推動力折損，最終間接導(dǎo)致水輪機(jī)效率損失。這一直接與間接影響的疊加是水斗內(nèi)粘性摩擦的總效應(yīng)，即相對運(yùn)動系中的粘性摩擦導(dǎo)致絕對系中的效率損失。

2.2飛逸速度及其計算方法

在沖擊式水輪機(jī)的設(shè)計階段，飛逸速度是一個極其重要的設(shè)計參數(shù)。過高的飛逸速度會導(dǎo)致發(fā)電機(jī)的設(shè)計困難。一直以來，實(shí)驗室模型試驗是確定沖擊式水輪機(jī)飛逸速度的唯一途徑。實(shí)驗室方法也因此而代價高，費(fèi)時長。而一些設(shè)計手冊中給出的參考數(shù)據(jù)一般為額定轉(zhuǎn)速的1.8～1.9倍。由于該數(shù)據(jù)過分粗糙，所以常常無法滿足需要。從原理上看，由于飛逸速度發(fā)生在射流與轉(zhuǎn)動水斗不發(fā)生相互作用的情況下，所以歸根到底它是一個與射流速度有關(guān)的參數(shù)。通過幾何推導(dǎo)，飛逸速度下轉(zhuǎn)的切向速度與射流速度的比值U1R/C0由下式給出：

（1）

這是一個小于1的值。其中α0是沖擊式水輪機(jī)水斗的位置特征角。它表示水斗在切入射流軸線時的位置。由推導(dǎo)可得

（2）

該公式中，qn表示沖擊式水輪機(jī)的比轉(zhuǎn)速（單位1/s）。很顯然，比轉(zhuǎn)速是一個與幾何有關(guān)的參數(shù)。由公式（1）計算出的飛逸速度，經(jīng)與多項試驗值比較，其誤差均小于1%。此結(jié)果證實(shí)了公式（1）的準(zhǔn)確性與實(shí)用性。

考慮到比轉(zhuǎn)速qn的適用范圍，即0.06-0.13，公式（1）可簡化為

（3）

2.3水輪機(jī)完整特性曲線與主方程

在推導(dǎo)沖擊式水輪機(jī)的特性曲線（即效率曲線）時，人們常常從動量原理出發(fā)，假設(shè)射流與水斗在直線上做相對運(yùn)動。由此得出兩點(diǎn)：第一，當(dāng)水斗的運(yùn)動速度是射流速度的一半時（km=0.5），能量交換效率達(dá)最大值。第二，特性曲線的下半段與上半段呈對稱分布。尤其是在水斗的運(yùn)動速度等于射流速度時，水輪機(jī)效率為零。實(shí)際中的水輪機(jī)特性曲線一概偏離這兩點(diǎn)虛擬。這是由水輪機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)動而非平動所決定的。

大家知道，沖擊式水輪機(jī)的最大效率常常發(fā)生在當(dāng)水斗的切向速度等于射流速度的約0.47倍時。此外，特性曲線的上半段擁有區(qū)別于下半段的特殊地方。由于轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動，在轉(zhuǎn)動速度超過一定的值時，部分射流將透過水斗逃逸過去，從而不作任何能量交換。逃逸射流與總射流的比是轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的函數(shù)，稱為射流作用度，用RQ表示。對應(yīng)于全部射流逃逸水斗的轉(zhuǎn)速稱之為轉(zhuǎn)子的飛逸速度。由上節(jié)可知，沖擊式水輪機(jī)的飛逸速度并非額定速度的兩倍。這是區(qū)別于平動水斗情況的一大方面。

考慮到?jīng)_擊式水輪機(jī)的最大效率發(fā)生在速度比km，N，通常有km，N=0.47左右，再考慮到水斗內(nèi)粘性摩擦的影響以及射流逃逸與轉(zhuǎn)速的關(guān)系，沖擊式水輪機(jī)完整特性曲線可由下式給出：

（4）

該方程亦可稱為沖擊式水輪機(jī)的主方程。其中，β2是水斗出口傾角，通常取170°左右。Cw2是摩擦數(shù)。

2.4水斗機(jī)械強(qiáng)度與相似定理

沖擊式水輪機(jī)的水斗受高速射流沖擊，水斗根部承受周期性應(yīng)力變化。為了確保最大機(jī)械應(yīng)力處于允許范圍內(nèi)，除了使用高性能材料之外，再就是優(yōu)化設(shè)計，以求降低最大應(yīng)力值。對最大應(yīng)力的可靠計算通常使用有限元法（FEM）。但是，常常有這樣的情況，就是人們僅僅需要對可能的應(yīng)力狀況做出初步評估，而不是每次都做復(fù)雜的有限元數(shù)值計算。事實(shí)上，沖擊式水輪機(jī)水斗造型都相似。假設(shè)已知水斗在某給定受力情況下根部應(yīng)力為已知（如圖2所示），比如通過有限元法計算而得，那么，任何水斗在任何其它受力情況下的根部應(yīng)力都可以通過相似定理而即刻獲得。

2.5噴嘴調(diào)節(jié)模式與水錘效應(yīng)

沖擊式水輪機(jī)輸出功率的調(diào)節(jié)是通過噴嘴調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)的。這個調(diào)節(jié)過程又統(tǒng)稱為過渡過程。這其中還包括噴嘴的開啟與關(guān)閉。由于每次負(fù)荷的調(diào)節(jié)以及噴嘴開啟或關(guān)閉都會引起整個水力系統(tǒng)內(nèi)的水錘效應(yīng)，即引起壓力波和壓力升高，所以，噴嘴的開啟與關(guān)閉模式是決定過渡過程中水錘效應(yīng)的關(guān)鍵。以噴嘴關(guān)閉為例，為了實(shí)現(xiàn)最平穩(wěn)過渡，在給定的時間內(nèi)（t0N），噴嘴噴針從額定位置（S0N）到完全關(guān)閉宜選用下述二次函數(shù)模式：

（5）

這一模式確保了在噴針位置趨于s=0時，有ds/dt=0。

結(jié)束語：

一百多年來，沖擊式水輪機(jī)在水力發(fā)電領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。與其同時，該型式水輪機(jī)在設(shè)計與制造等技術(shù)方面也取得了巨大進(jìn)步與發(fā)展。在設(shè)計方面，包括噴嘴與轉(zhuǎn)子的設(shè)計，沖擊式水輪機(jī)的效率通?？梢赃_(dá)到91%。因此積極探索沖擊式水輪機(jī)發(fā)展概況與新技術(shù)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]蔣勇其.沖擊式水輪機(jī)流固耦合數(shù)值模擬研究[D].武漢大學(xué)，2017.

[2]杜博然.沖擊式水輪機(jī)多噴針同步控制系統(tǒng)研究[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2017.