CN112922764B - 一种高射流直径比冲击式水轮机及确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种高射流直径比冲击式水轮机及确定方法，属于流体机械领域，高射流直径比冲击式水轮机由圆形机壳、直流喷管、转轮组成。本发明的关键技术是通过喷管数的增加提高射流直径比，减小直流喷管直径和单个水斗尺寸并增加水斗数量。本发明的优点是在机组出力不变的情况下，机组造价成本降低、转轮来流条件得到改善、转轮截面风阻减小，水斗裂纹及断斗现象发生的概率降低。

Description

一种高射流直径比冲击式水轮机及确定方法

技术领域

本发明涉及一种高射流直径比冲击式水轮机及确定方法，属于流体机械领域。

背景技术

冲击式水轮机是利用水的高速射流能量推动转轮旋转做功发电，冲击式水轮机由机壳、喷管、转轮等组成，传统冲击式水轮机喷管数最多为六个、水斗数量一般为18至24个。六喷管冲击式水轮机由于六边形机壳的限制无法布置更多的直流喷管，因此过流能力受到限制，单机出力的增加仅能通过扩大直流喷管直径实现，这样机组尺寸增加、电站建设成本上升；常规冲击式转轮接受六喷管径向射流做功，由于水斗数量有限，每个水斗所受的冲击力较大；由于水斗尺寸大，水斗截面风阻较大，效率水平不高。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种高射流直径比冲击式水轮机，以增加机组出力、降低建设成本、提升运行效率和机组稳定性。本发明的技术方案如下：由圆柱机壳、直流喷管、转轮组成；圆柱机壳高度大于直流喷管的直径；直流喷管内部的翼型板支撑腔体，翼型板焊接在直流喷管内部；所述转轮由n个尺寸相同的水斗组成；所述圆柱机壳内部安装7至12个直流喷管，各个直流喷管按360°圆周均布在圆柱机壳内部。

在上述具有高射流直径比冲击式水轮机中，所述圆柱机壳截面为圆形。

在上述具有高射流直径比冲击式水轮机中，所述腔体在直流喷管进口端为椭球形。

在上述具有高射流直径比冲击式水轮机中，所述腔体在直流喷管出口端为圆锥形。

在上述具有高射流直径比冲击式水轮机中，所述的各个水斗按360°圆周n等分均匀分布。

在上述具有高射流直径比冲击式水轮机中，所述各个直流喷管中心线位于同一水平面并与转轮的对称面共面。

在上述具有高射流直径比冲击式水轮机中，所述7至12个直流喷管中心线与转轮的节圆相切。

在上述具有高射流直径比冲击式水轮机中，所述的射流直径比提高是通过增加直流喷管数量实现减小射流直径。

本发明还提供一种高射流直径比冲击式水轮机确定方法，其使用如前所述高射流直径比冲击式水轮机各部件连接位置关系，其特征在于包含以下步骤：

步骤1：确定单个直流喷管的流量：

Q_N＝Q/N

式中：Q_N为单个直流喷管的流量，单位m³/s；

Q为水轮机的总流量，单位m³/s；

N为直流喷管数量，为7至12个；

步骤2：确定射流速度：

式中：v为喷管射流速度，单位m/s；

为射流速度系数；

g为重力加速度，单位m/s²；

H为机组的水头，单位m；

步骤3：确定射流直径：

式中：d₀为射流直径，单位m；

步骤4：确定高射流直径比冲击式水轮机的射流直径与常规六喷管冲击式水轮机的射流直径关系：

式中：d_0六喷管为常规六喷管冲击式水轮机射流直径，单位m；

d_0多喷管为高射流直径比冲击式水轮机射流直径，单位m；

步骤5：确定高射流直径比冲击式水轮机直流喷管的入口直径与常规六喷管冲击式水轮机的直流喷管入口直径关系：

式中：D_p六喷管为常规六喷管冲击式水轮机直流喷管入口直径，单位m；

D_p多喷管为高射流直径比冲击式水轮机直流喷管入口直径，单位m；

步骤6：确定射流直径比与水斗内宽的关系：

式中：D₁为冲击式转轮节圆直径，单位m；

B₂为冲击式转轮水斗内宽，单位m；

步骤7：确定高射流直径比冲击式水轮机射流直径比与常规六喷管冲击式水轮机射流直径比关系：

m_六喷嘴·B_2六喷嘴＝m_多喷嘴·B_2多喷嘴

式中：m_六喷管为常规六喷管冲击式水轮机射流直径比；

m_多喷管为高射流直径比冲击式水轮机射流直径比；

B_2六喷管为常规六喷管冲击式水轮机水斗内宽，单位m；

B_2多喷管为高射流直径比冲击式水轮机水斗内宽，单位m；

步骤8：确定水斗个数n：

n＝3.5N±(2～5)

步骤9：确定射流直径比与水头的拟合公式：

m＝-0.00000226H²+0.01230748H+5.67855140+0.0775(N-6)。

综上可知，本发明中喷管数为7至12个，在保持与常规六喷管冲击式水轮机相同工况，即总流量、水头、出力不变时；在不改变机组尺寸，即转轮节圆直径D₁不变时，由于增加直流喷管数量，单个直流喷管的流量减少，射流速度不变，冲击式水轮机的射流直径比将增加。

本发明的有益技术效果是：

1.机壳采用圆型结构，以便于在机壳内布置多个直流喷管，提高机壳对直流喷管数量的适应性。

2.在机组出力、水头、总流量不变的情况下，由于直流喷管数量的增加单个直流喷管直径将缩小，使机组的造价成本降低。

3.在水头、直流喷管直径不变的情况下，由于直流喷管数量的增加机组的过流能力提升，使冲击式水轮机的出力范围扩大。

4.由于直流喷管数量的增加，冲击式水轮机转轮来流将由六个射流增加到N个射流，转轮的来流条件更加均匀，受力状态得到改善。

5.由于冲击式水轮机射流直径比的增加，在节圆直径D₁不变的情况下，水斗内宽B₂将减小，即单个水斗尺寸减小，在相同节圆直径下能布置的水斗个数将增多；在总流量不变的情况下，每个水斗接受的流量减少，单个水斗受到的冲击力减小，水斗裂纹及断斗现象发生的概率降低。

6.在节圆直径D₁不变情况下，射流直径比增大后水斗宽度减小，在转速不变时截面风阻减小。截面风阻计算公式如下：

式中：F_w为冲击式水轮机截面风阻；

A为冲击式水轮机水斗截面面积；

C_w为风阻系数；

V为水斗截面平均线速度。

可知冲击式水轮机在转速、节圆直径不变情况下，由于水斗宽度减小，冲击式水轮机截面积减小，转轮的截面风阻减小。

附图说明

图1为直流喷管的工作原理图。

图2为常规六喷管冲击式水轮机示意图。

图3为水斗截面示意图。

图4为八喷管高射流直径比冲击式水轮机示意图。

图5为冲击式水轮机水头、射流直径比统计曲线。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行说明。

如图1所示为直流喷管2的工作原理图，高压水在直流喷2管内从入口向出口流动，由于出口截面积的逐渐缩小，水流流速逐渐增加，在出口处形成射流。喷射到空气中的射流先收缩后发散，射流外径收缩到最小时对应的直径为射流直径，用d₀表示。

如图2所示为常规六喷管冲击式水轮机示意图，D₁表示转轮节圆直径。由此得到冲击式水轮机的重要参数射流直径比m，即m＝D₁/d₀。在冲击式水轮机设计时，水斗4的内宽B₂通常为3倍的射流直径，即B₂≈3d₀。

如图3所示为转轮节圆直径D₁、水斗4内宽B₂、射流直径d₀的对应关系，可知射流直径比的变化取决于转轮节圆直径D₁和射流直径d₀的比值，而射流直径d₀与直流喷管2入口直径D_p、水斗4内宽B₂存在对应关系。

提高射流直径比的方式有两种：扩大转轮节圆直径和减小射流直径。扩大转轮节圆直径将增加机组尺寸，增加机组造价成本；转轮尺寸增大后离心力将增加、应力增加对材料要求提高；在转速不变情况下，增加转轮节圆直径，转轮线速度增加，截面风损与线速度平方成正比，导致转轮截面风损增加。本发明采用减小射流直径的方法提高射流直径比，即增加直流喷管2数量，使直流喷管2数量多于6个。为便于与常规六喷管冲击式水轮机性能进行比较，保证两者工况一致。

如图4所示为八喷管高射流直径比冲击式水轮机的示意图，由圆柱机壳1、直流喷管2、转轮3组成。圆柱机壳1截面为圆形，圆柱机壳1高度大于直流喷管2的直径；直流喷管2截面为圆形，直流喷管2内部的翼型板7支撑腔体6，腔体6在直流喷管2进口端为椭球形，腔体6在直流喷管2出口端为圆锥形，翼型板7焊接在直流喷管2内部；转轮3由n个尺寸相同的水斗4组成，每个水斗4按360°圆周n等分均匀分布；圆柱机壳1内部安装8个直流喷管2，各个直流喷管2按360°圆周均布在圆柱机壳1内部，各个直流喷管2中心线位于同一水平面并与转轮3的对称面共面，各个直流喷管2中心线与转轮3的节圆相切。高射流直径比冲击式水轮机机壳1的直径与常规六喷管冲击式水轮机正六边形机壳内切圆D_s相同，圆形机壳1更利于直流喷管2的布置。高射流直径比冲击式水轮机与常规六喷管冲击式水轮机相比保持出力P、总流量Q、水头H、转轮节圆直径D₁不变，直流喷管2直径D_p、水斗4个数n确定步骤如下：

步骤1：确定单个直流喷管2的流量：

Q_N＝Q/N

式中：Q_N为单个直流喷管(2)的流量，单位m³/s；

Q为水轮机的总流量，单位m³/s；

N为直流喷管数量，为7至12个；

步骤2：确定射流速度：

式中：v为喷管射流速度，单位m/s；

为射流速度系数；

g为重力加速度，单位m/s²；

H为机组的水头，单位m；

可知射流速度在水头不变的情况下保持恒定。

步骤3：确定射流直径：

式中：d₀为射流直径，单位m；

步骤4：确定高射流直径比冲击式水轮机的射流直径与常规六喷管冲击式水轮机的射流直径关系：

式中：d_0六喷管为常规六喷管冲击式水轮机射流直径，单位m；

d_0多喷管为高射流直径比冲击式水轮机射流直径，单位m；

步骤5：确定高射流直径比冲击式水轮机直流喷管2的入口直径与常规六喷管冲击式水轮机的直流喷管入口直径关系：

式中：D_p六喷管为常规六喷管冲击式水轮机直流喷管入口直径，单位m；

D_p多喷管为高射流直径比冲击式水轮机直流喷管入口直径，单位m；

由射流直径计算公式可得，直流喷管2的数量增加后射流直径减小；水斗内宽B₂通常为3倍的射流直径，即B₂≈3d₀；

步骤6：确定射流直径比与水斗内宽的关系：

式中：D₁为冲击式转轮节圆直径，单位m；

B₂为冲击式转轮水斗内宽，单位m；

步骤7：确定高射流直径比冲击式水轮机射流直径比与常规六喷管冲击式水轮机射流直径比关系：

m_六喷嘴·B_2六喷嘴＝m_多喷嘴·B_2多喷嘴

式中：m_六喷管为常规六喷管冲击式水轮机射流直径比；

m_多喷管为高射流直径比冲击式水轮机射流直径比；

B_2六喷管为常规六喷管冲击式水轮机水斗内宽，单位m；

B_2多喷管为高射流直径比冲击式水轮机水斗内宽，单位m；

由此可以求得高射流直径比冲击式水轮机水斗内宽，并按照m_六喷嘴/m_多喷嘴的比例将常规六喷管冲击式转轮水斗缩小后，在转轮节圆直径D₁上均匀排列。

步骤8：确定水斗个数n：

n＝3.5N±(2～5)

具体水斗个数n按公式计算四舍五入取整数。

如图5所示为统计国内外典型冲击电站水头与射流直径比的关系，图中每个散点对应一个冲击电站，实线为各水头下对应最大射流直径比的包络线，此线为冲击式水轮机射流直径比的临界值，高于此值即为高射流直径比。图中分别为按本方法得到的八喷管、十喷管、十二喷管射流直径比与水头的关系曲线。根据图标分别对六喷管、八喷管、十喷管、十二喷管进行多项式拟合。

六喷管射流直径比与水头的拟合公式：

m＝-0.00000226H²+0.01230748H+5.67855140

步骤9：确定射流直径比与水头的拟合公式：

m＝-0.00000226H²+0.01230748H+5.67855140+0.0775(N-6)

显然高射流直径比冲击式水轮机的射流直径比明显高于常规六喷管冲击式水轮机的射流直径比。

经本方法得到的高射流直径比冲击式水轮机与常规六喷管冲击式水轮机相比喷管数多、射流直径比高；在机组出力、总流量、水头不变的情况下，由于喷管数量的增加单个喷管的直径将缩小，即机组的尺寸可以缩小，机组的成本降低。同理，若保证水头、直流喷管直径不变，由于喷管数量的增加机组的总流量将增加，使得冲击式水轮机的出力范围扩大。由于喷管数量的增加，冲击式水轮机转轮的来流将增加到N个射流，转轮的来流更加均匀，受力状态得到改善。

冲击式水轮机射流直径比的增加，在节圆直径不变的情况下水斗内宽将减小，即单个水斗尺寸减小，在相同节圆直径下能布置的水斗个数将增多，每个水斗接受的流量减少，单个水斗受到的冲击力减小，水斗裂纹及断斗现象发生的概率降低。

在节圆直径D₁不变情况下，射流直径比增大后冲击式水轮机水斗内宽减小，风阻计算公式如下：

式中：F_w为冲击式水轮机截面风阻；

A为冲击式水轮机截面面积；

C_w为风阻系数；

V为水斗截面平均线速度。

可知冲击式水轮机在转速、节圆直径不变情况下，由于水斗内宽减小，冲击式水轮机截面积减小，转轮的截面风阻减小。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种高射流直径比冲击式水轮机确定方法，其特征是：高射流直径比冲击式水轮机由圆柱机壳（1）、直流喷管（2）和转轮（3）组成，圆柱机壳（1）高度大于直流喷管（2）的直径；直流喷管（2）内部的翼型板（7）支撑腔体（6），翼型板（7）焊接在直流喷管（2）内部；所述转轮（3）由n个尺寸相同的水斗（4）组成；所述圆柱机壳（1）内部安装7至12个直流喷管（2），各个直流喷管（2）按360°圆周均布在圆柱机壳（1）内部；所述高射流直径比冲击式水轮机确定方法其特征包含以下步骤：

步骤1：确定单个直流喷管（2）的流量：

式中：Q_N为单个直流喷管（2）的流量，单位m³/s；

Q为水轮机的总流量，单位m³/s；

N为直流喷管数量，为7至12个；

步骤2：确定射流速度：

式中：

为喷管射流速度，单位m/s；

为射流速度系数；

g为重力加速度，单位m/s²；

H为机组的水头，单位m；

步骤3：确定射流直径：

式中：d₀为射流直径，单位m；

步骤4：确定高射流直径比冲击式水轮机的射流直径与常规六喷管冲击式水轮机的射流直径关系：

式中：d_0六喷管为常规六喷管冲击式水轮机射流直径，单位m；

d_0多喷管为高射流直径比冲击式水轮机射流直径，单位m；

步骤5：确定高射流直径比冲击式水轮机直流喷管（2）的入口直径与常规六喷管冲击式水轮机的直流喷管入口直径关系：

式中：D_p六喷管为常规六喷管冲击式水轮机直流喷管入口直径，单位m；

D_p多喷管为高射流直径比冲击式水轮机直流喷管入口直径，单位m；

步骤6：确定射流直径比与水斗内宽的关系：

式中：D₁为冲击式转轮节圆直径，单位m；

B₂为冲击式转轮水斗内宽，单位m；

步骤7：确定高射流直径比冲击式水轮机射流直径比与常规六喷管冲击式水轮机射流直径比关系：

式中：m_六喷管为常规六喷管冲击式水轮机射流直径比；

m_多喷管为高射流直径比冲击式水轮机射流直径比；

B_2六喷管为常规六喷管冲击式水轮机水斗内宽，单位m；

B_2多喷管为高射流直径比冲击式水轮机水斗内宽，单位m；

步骤8：确定水斗个数n：

步骤9：确定高射流直径比冲击式水轮机射流直径比与水头的拟合公式：

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