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冷卻塔水輪機的選型

發布日期:2017-01-17   點擊數: 1640

水輪機冷卻塔概述

水輪機是一種把水流能量轉換成旋轉機械能的動力機械。在水力發電中利用水電站的水頭和流量作功,即水輪機通過主軸帶動發電機將旋轉機械能轉換成電能。水輪機的基本工作參數為水頭H、流量Q、出力P、效率η、轉速n 。

按水流對轉輪作用方式的不同,水輪機可分為反擊式水輪機和沖擊式水輪機兩大類,每類又分為若干形式,各種水輪機及其應用水頭范圍見表8-1 。

1. 反擊式水輪機 反擊式水輪機轉動區內的水流在通過轉輪葉片通道時,始終是連續充滿整個轉輪的有壓流動,并在轉輪空間曲面形葉片的約束下連續不斷地改變流速的大小和方向,從而對轉輪葉片產生一個反作用力驅動轉輪旋轉。當水流通過水輪機后,其動能和勢能大部分被轉換成轉輪的旋轉機械能。

1 )混流式水輪機(見圖8-1 )

混流式水輪機的水流從四周沿徑向進入轉輪,然后近似以軸向流出轉輪;炝魇剿啓C應用水頭范圍較廣,約為20~700m 。結構簡單,運行穩定且效率高,是現代應用最廣泛的一種水輪機。

2 )軸流式水輪機(見圖8-2 )

軸流式水輪機的水流在導葉與轉輪之間由徑向流動轉變為軸向流動,而在轉輪區內水流保持軸向流動,軸流式水輪機的常用水頭約為3~50m 。軸流式在中低水頭、大流量場合中得到廣泛應用。根據轉輪葉片在運行中能否轉動,又可分為軸流定槳式(水輪機的轉動葉片是固定不動的)和軸流轉槳式(葉片可根據運行的改變而轉動)兩種。前者結構簡單、造價較低,但在偏離設計工況運行時效率會急劇下降,故一般用于水頭較低、出力較小及水頭變化幅度較小的場合;后者擴大了高效率區的范圍,提高了運行的穩定性。但需要一個操作葉片轉動的機構。因而結構較復雜,造價較高,一般用于水頭、出力均有較大變化幅度的場合。

3 )斜流式水輪機(見圖8-3 )

斜流式水輪機水流在轉輪區內沿著與主軸成某一角度的方向流動。斜流式水輪機的轉輪葉片大多做成可轉動的形式,具有較寬的高效率區,適用于水頭在軸流式與混流式水輪機之間,約為40~200m 。斜流式水輪機是在軸流轉槳式水輪機基礎上改進而來,其結構形式及性能特征與軸流轉槳式 水輪機類似,但由于其傾斜槳葉操作機構的結構特別復雜,加工工藝要求和造價均較高,一般在大中型場合使用,但應用不普遍。

(4 )貫流式水輪機(見圖8-4 )

貫流式水輪機是一種流道近似為直筒式的臥軸式水輪機,它不設引水蝸殼,葉片可做成固定的和可轉動的兩種。它的優點是流道平直、過流量大、效率高。但由于轉動葉片外緣的線速度大、周線長,因而旋轉密封困難。目前這種機型已很少使用。

2. 沖擊式水輪機

沖擊式水輪機的轉軸始終處于大氣中,來自壓力鋼管的高壓水流在進入水輪機之前已轉變成高速自由射流,該射流沖擊轉輪的部分輪葉,并在輪葉的約束下發生流速大小和方向的改變,從而將其動能大部分傳遞給輪葉,驅動轉輪旋轉。在射流沖擊輪葉的整個過程中,射流內的壓力基本不變,近似為大氣壓。沖擊式水輪機按射流沖擊轉輪的方式不同可分為水斗式、斜擊式和雙擊式三種。

1 )水斗式水輪機(見圖8-5 )

水斗式水輪機亦稱切擊式水輪機。從噴嘴出來的高速自由射流沿轉輪圓周切線方向垂直沖擊輪葉。這種水輪機適用于高水頭、小流量的場合,特別是當水頭超過400m 時,由于結構強度和氣蝕等條件的限制,混流式水輪機已不太適用,則常采用水斗式水輪機。

2 )斜擊式水輪機(圖8-6 )

從噴嘴出來的自由射流沿著與轉輪旋轉平面成一角度的方向,從轉輪的一側進入輪葉再從另一側流出輪葉。與水斗式相比,其過流量較大,但效率較低,因此這種水輪機一般多用于中小型場合,適用水頭20~300m 。

(3 )雙擊式水輪機(圖8-7 )

從噴嘴出來的射流先后兩次沖擊在轉輪葉片上。這種水輪機結構簡單、制作方便,但效率較低,轉輪葉片強度差,適用于單機出力小于1000k W 場合,適用水頭為5~100m 。

雙擊式水輪機的轉輪由兩個圓盤和一定數量的葉片組成。

葉片形狀為圓弧形或漸開線形,后者效率高,但制造工藝較復雜。水輪機的效率與葉片數目有關,在一定范圍內,葉片越多,效率越高,負荷變化時效率變化也越小。

雙擊式水輪機轉輪直徑是指轉輪于射流中心線相切處的節圓直徑。其過流量主要與轉輪寬度有關,可按照流量的變化,來選定相應的轉輪寬度。因此,轉輪的直徑和轉速,可在較大的范圍內進行選擇,這樣就能制造直徑小、轉速高、成本低的雙擊式水輪機。

水動風機冷卻塔水輪機選型

1 .選型要求 用于冷卻塔內推動風機轉動的水輪機,由于冷卻塔本身要求和條件的限制,不是上述介紹的水輪機均可適用,而應根據要求進行分析研究后選型。用于冷卻塔水輪機的基本要求為:

1 )水頭(H )低、流量(Q )小。

冷卻塔的大小是由循環冷卻水量來決定的,一般在100~3000t/h ,再小的有50~30t/h 等,再大的有4000t/h 。這按秒流量計一般為0.0278~0.833t/s 。與水力發電的水量相比,是很小的流量;從水頭來看,用于冷卻塔的水輪機水頭是利用提升水泵的富余水頭,其可利用水頭的范圍為H =4~20m ,通常為5~15m ,這與水力發電的峽谷、庫區等水位小得多。

因此,用于水動風機冷卻塔的水輪機,應是低水頭、小流量的水輪機才能符合要求。高水頭大流量的肯定不適用。

2 )體積小,阻力少

冷卻塔中風機的軸功率等于風經過冷卻塔各部分阻力的總和。風機設在風筒下部始端,原用電動機帶動風機時,風機由設在風筒頂端的支架固定,F采用水輪機驅動風機,水輪機設在冷卻塔配水管以上由中間進水管頂端,水輪機立軸與風機相連接,省去了原來的風機支架,水輪機、風機的重量均由中間進水管承受。省去了風機支架,減少了支架的通風阻力,但增設了水輪機,則增加了水輪機的阻力,如水輪機體積大,則阻力也增大,故要求水輪機體積盡可能小,以減小阻力,有利于驅動水輪機。

3 )能耗省、效率高

水泵的剩余(富余)水頭是有限的,要用來推動水輪機驅動風機轉動,達到設計的轉速和風量,這就要求充分地利用富余水頭的能量,水輪機的轉輪要輕,阻力要小,能耗要省。同時要求水輪機的效率要高,盡可能達到80 %以上,以提高水輪機的有效軸功率。

4 )立軸式安裝

風機葉片處在同一水平面,風機軸與葉片垂直,而水輪機必須是立軸式布置,而且應是小型水輪機。立軸布置還可以降低進水管水頭損失,提高水輪機效率。

5 )便于安裝維護

水輪機是金屬體,有一定的重量,又安裝在冷卻塔內上部正中,因此有一定的難度。小塔的水輪機可能人工就位安裝,但大塔的水輪機必須用機械吊裝就位,故要求水輪機重量輕、便于安裝。同時水輪機位于塔內上部,投入運行后維護修理很不方便,所以維護修理要少、工作量要小。

還有其他方面的要求,不多論述了。

2 .水輪機選型

根據上述要求,對照表821 中水輪機形式和適用的水頭范圍,只有反擊式中的軸流式、 貫流式和沖擊式中雙擊式符合水動風機水輪機選型范圍,故其他形式一律不予考慮。

反擊式水輪機的水流始終是連續充滿整個轉輪的有壓流動。軸流式水輪機的常用水頭范圍為3~50m ,符合水動風機水輪機的要求,但它適用于大流量,在大型水電站中使用,其模型水輪機流量為0.835m3/s 和1.236m3/s 。而3000t/h 冷卻塔的流量為0.833m3/s ,軸流式水輪機在實際應用中的流量均> 10m3/s ,因此不宜用作水動風機水輪機。

貫流式水輪機的適應水頭為2~30m ,很適用于水動風機水輪機,但是貫流式水輪機的主軸都采用臥軸布置形式,如要布置成立軸式,則增加結構的復雜性,而在冷卻塔內安裝則要求簡單、體積小,故基本上不考慮。

這樣只剩下沖擊式中的雙擊式水輪機(見圖8-7 ),其適應水頭為5~100m ,水動風機水輪機的水頭在此范圍內。其比轉速n s =35~150 ,甚至更高,比轉速也稱比速,其含義是:在1m 水頭下,產生1k W 功率時的水輪機轉速。比轉速n s 是一個綜合性參數,它集中反映了水輪機的轉速n、水頭H 和出力N 之間的關系,表示一個水輪機系列的特征。

在水頭和出力相同的情況下,n s 愈大,轉速n 愈大,則機組尺寸愈小,機組造價低;在水頭和轉輪直徑相同的情況下,n s 大的水輪機可發出更多的出力(即出力大)。在沖擊式水輪機中,單噴嘴水斗式水輪機比轉速≤ 30 ;斜擊式水輪機n s =30~70 ;而雙擊式水輪機n s 為最高。而且適用于發電量1000k W 以下,即流量(Q )小,適應冷卻塔的水流量。

同時雙擊式水輪機兩次沖擊轉輪上葉片轉動葉輪,結構也簡單,便于制作。綜合上述,選用沖擊式中的雙擊式水輪機作為水動風機水輪機,但根據冷卻塔的特點和需要,在現雙擊式水輪機基礎上進行適當而必要的改進和提高,如各種類型的冷卻塔,其冷卻水量和富余水頭基本上是不變的;雙擊式水輪機的轉輪始終處于大氣中,在噴嘴射流沖擊輪葉的整個過程中,射流內的壓力基本不變,近似為大氣壓。這對于冷卻塔中槽式、池式配水系統來說是符合的,但對管式配水系統來說,配水管內也是有壓的,即水流通過轉輪葉片流道及進口與出口始終是連續的有壓流動,這又是反擊式水輪機的特性,故對雙擊式水輪機用于冷卻塔水動風機中需進行改進和重新設計。

結合圖8-7 ,因水泵富余水頭H 和冷卻水量Q 基本上是不變的,不存在流量和壓力的調節,故可取消調節閘板3 和舵輪4 ;噴嘴為矩形過水斷面,斷面的大小決定于流速V 的大小,有利于高速射流的動能傳遞給輪葉,驅動轉輪按設計轉速n 轉動;為提高效率,應適當增加葉片,并把葉片形狀做成漸開線形等。







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