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沖擊式水輪機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，機(jī)組安裝高程不受空蝕條件的限制，因而在國內(nèi)外高水頭電站中得到了較為普遍的應(yīng)用。在總結(jié)有關(guān)資料的基礎(chǔ)上，概述了高水頭沖擊式機(jī)組的有關(guān)問題，并對機(jī)組運(yùn)行中的影響因素、設(shè)計(jì)過程中的考慮要點(diǎn)和今后設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢進(jìn)行了說明。
 1．3 泥沙磨損 除了空蝕和疲勞問題之外，磨損也是高水頭沖擊式水輪機(jī)設(shè)計(jì)中應(yīng)重視的問題。設(shè)計(jì)中在考慮磨損影響時(shí)，應(yīng)注意以下3點(diǎn)：①沙粒的加速度受水斗曲率半徑的影響，對于中型水斗高水頭水輪機(jī)沙粒的加速度可高達(dá)50 000 m／s2；②接觸水斗的沙量與水斗的體積和射流的大小成反比；③轉(zhuǎn)輪的整體泥沙磨損量與噴嘴數(shù)目成正比。 根據(jù)上述經(jīng)驗(yàn)，對于工作在含沙量較大的水中的沖擊式水輪機(jī)，在轉(zhuǎn)速恒定的條件下，則水輪機(jī)的相對使用壽命與其噴嘴數(shù)目大致成正比函數(shù)關(guān)系，而射流的體積與噴嘴數(shù)目的大致成反比函數(shù)關(guān)系。這樣，轉(zhuǎn)輪的使用壽命就因噴嘴數(shù)目不同而有所差別。在相同轉(zhuǎn)速下，4噴嘴與6噴嘴的水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的使用壽命之差別可以用兩者的噴嘴數(shù)目之比來近似表示。但泥沙磨損對噴嘴和閥針的作用大小只與水斗曲率半徑大致成正比函數(shù)關(guān)系。 這樣在設(shè)計(jì)時(shí)，如果預(yù)料到有泥沙存在，就應(yīng)該選擇噴嘴數(shù)目最少而單位射流量較大的水輪機(jī)。 1．4 疲勞問題 沖擊式水輪機(jī)的疲勞問題，是其能否在使用壽命期間正常運(yùn)行的關(guān)鍵。關(guān)于疲勞問題，可以用斷裂力學(xué)的理論進(jìn)行定量的分析，因疲勞壽命與交變應(yīng)力幅值和轉(zhuǎn)輪材料中允許存在的缺陷尺度在工程上成一定的函數(shù)關(guān)系。 可以采用有限元法分析和應(yīng)變測量的方法來確定轉(zhuǎn)輪的最大應(yīng)力。設(shè)計(jì)上對于工作在高于1 000m水頭段的沖擊式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪，其最大允許應(yīng)力幅值一般不得超過45 MPa。設(shè)計(jì)階段可以通過有限元分析來確定可以預(yù)見的最大應(yīng)力值，并在真機(jī)上采用應(yīng)變片測量法進(jìn)行驗(yàn)證。關(guān)于轉(zhuǎn)輪材料中允許存在的缺陷尺寸，如果制造標(biāo)準(zhǔn)要求表面缺陷尺寸小于或等于2 mm×2 mm，則需要在技術(shù)條件完備并且質(zhì)量控制嚴(yán)格的制造廠家才能得以實(shí)現(xiàn)。 圖2表示了以材料中裂縫狀缺陷擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)結(jié)果為基礎(chǔ)的帕里斯曲線，依此可確定轉(zhuǎn)輪使用壽命。  2 沖擊式水輪機(jī)的發(fā)展趨勢 沖擊式水輪機(jī)問世后，為了提高其效率和輸出功率又研制出了立式多射流型沖擊式水輪機(jī)?，F(xiàn)階段隨著新材料及新技術(shù)的應(yīng)用，已能制造出使用水頭在1 000～2 000 m，輸出功率高達(dá)1 000 MW，運(yùn)行安全可靠的高水頭大出力沖擊式水輪機(jī)。 沖擊式水輪機(jī)的轉(zhuǎn)輪為鑄件，因此提高轉(zhuǎn)輪的鑄造質(zhì)量并在大型轉(zhuǎn)輪鑄造較為困難的情況下，采用鑄焊工藝生產(chǎn)能夠安全地用于高水頭大出力電站的沖擊式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪為發(fā)展趨勢之一。 除了保證大型沖擊式轉(zhuǎn)輪的制造質(zhì)量外，采用適合的設(shè)計(jì)方案及工藝措施來制造大型高性能偏流器也是發(fā)展中亟待解決的問題。這方面的發(fā)展應(yīng)達(dá)到下列6項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)：①必須限制偏流器制造過程中的焊接應(yīng)力，并在設(shè)計(jì)上設(shè)法使材料的焊接缺陷易于被常規(guī)探測法發(fā)現(xiàn)；②應(yīng)采用壓力循環(huán)次數(shù)從疲勞壽命的角度進(jìn)行計(jì)算并控制缺陷尺寸的大??；③根據(jù)斷裂力學(xué)理論，最大工作應(yīng)力應(yīng)限制在150～200MPa，下層表面的裂縫允許尺寸為6 mm×6 mm；④采取適當(dāng)?shù)墓に嚭蜋z測措施以確保在50 000次循環(huán)負(fù)載作用后，裂縫不超過臨界裂縫尺寸；⑤研制并采用新型材料，使其對疲勞裂縫的擴(kuò)展具有足夠的惰性；⑥在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上應(yīng)該根據(jù)材料的韌性來限制最大工作應(yīng)力，進(jìn)而滿足機(jī)組使用壽命的要求。 3 實(shí) 例 這里介紹一個(gè)采用上述設(shè)計(jì)措施設(shè)計(jì)建造的電站的實(shí)例。 Tafjord電站在機(jī)組布置上采用了背壓式運(yùn)行的特有布置，除此之外還采用了大約750 m高水頭無襯砌壓力隧洞，該電站還設(shè)有空氣調(diào)壓室，盡管巖石裂縫引起過供氣系統(tǒng)的漏氣，但由于該電站設(shè)有截面積為9 m2，長8 km的引水渠道，所以可以在不采用空氣調(diào)壓的情況下，借助于引水管道摩擦阻力進(jìn)行獨(dú)立荷載的運(yùn)行（見圖3）。Hmax＝810 m；Hmin＝675 m；P＝80 MW Tafjord電站的豎井采用的是一種不接觸的迷宮式封口。即使在關(guān)閉供水開關(guān)時(shí)，少量的漏水也足以使空壓機(jī)安全運(yùn)行。因?yàn)樵诨炷梁蛶r石之間可能有漏氣現(xiàn)象發(fā)生，則需要增大空壓機(jī)容量作為對應(yīng)措施。該電站的315 MW機(jī)組到目前也仍然是效率很高的沖擊式水輪機(jī)。  4 結(jié) 語 對于小型沖擊式水輪機(jī)，在設(shè)計(jì)上采用控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行安全穩(wěn)定的立式多噴嘴沖擊式水輪機(jī)效益最好。 對于高水頭大型沖擊式水輪機(jī)，為保證其使用壽命和運(yùn)行的安全可靠，在設(shè)計(jì)中須注意以下5點(diǎn)：①盡可能降低水斗中水流的加速度；②在電站布局上盡量采用地下式廠房，以使高壓引水管獲得巖石的輔助支撐；③但同時(shí)引水管管壁必須在無巖石支撐狀態(tài)下能單獨(dú)承受水的壓力；④在滿足要求的情況下設(shè)計(jì)上要盡可能選擇低的水輪機(jī)比轉(zhuǎn)速；⑤為減少轉(zhuǎn)輪的泥沙磨損應(yīng)盡量使水中的硬質(zhì)泥沙含量減少。 沖擊式水輪機(jī)未來的發(fā)展趨勢是在提高效率的同時(shí)向高水頭、大容量的方向發(fā)展；傳統(tǒng)的小型臥式機(jī)組將逐漸被結(jié)構(gòu)和控制簡單的立式多噴嘴高轉(zhuǎn)速機(jī)組取代。 |
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