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冷却塔水轮机的选型

发布日期:2017-01-17   点击数: 712

水轮机冷却塔概述

水轮机是一种把水流能量转换成旋转机械能的动力机械。在水力发电中利用水电站的水头和流量作功,即水轮机通过主轴带动发电机将旋转机械能转换成电能。水轮机的基本工作参数为水头H、流量Q、出力P、效率η、转速n 。

按水流对转轮作用方式的不同,水轮机可分为反击式水轮机和冲击式水轮机两大类,每类又分为若干形式,各种水轮机及其应用水头范围见表8-1 。

1. 反击式水轮机 反击式水轮机转动区内的水流在通过转轮叶片通道时,始终是连续充满整个转轮的有压流动,并在转轮空间曲面形叶片的约束下连续不断地改变流速的大小和方向,从而对转轮叶片产生一个反作用力驱动转轮旋转。当水流通过水轮机后,其动能和势能大部分被转换成转轮的旋转机械能。

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1 )混流式水轮机(见图8-1 )

混流式水轮机的水流从四周沿径向进入转轮,然后近似以轴向流出转轮。混流式水轮机应用水头范围较广,约为20~700m 。结构简单,运行稳定且效率高,是现代应用最广泛的一种水轮机。

2 )轴流式水轮机(见图8-2 )

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轴流式水轮机的水流在导叶与转轮之间由径向流动转变为轴向流动,而在转轮区内水流保持轴向流动,轴流式水轮机的常用水头约为3~50m 。轴流式在中低水头、大流量场合中得到广泛应用。根据转轮叶片在运行中能否转动,又可分为轴流定桨式(水轮机的转动叶片是固定不动的)和轴流转桨式(叶片可根据运行的改变而转动)两种。前者结构简单、造价较低,但在偏离设计工况运行时效率会急剧下降,故一般用于水头较低、出力较小及水头变化幅度较小的场合;后者扩大了高效率区的范围,提高了运行的稳定性。但需要一个操作叶片转动的机构。因而结构较复杂,造价较高,一般用于水头、出力均有较大变化幅度的场合。

3 )斜流式水轮机(见图8-3 )

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斜流式水轮机水流在转轮区内沿着与主轴成某一角度的方向流动。斜流式水轮机的转轮叶片大多做成可转动的形式,具有较宽的高效率区,适用于水头在轴流式与混流式水轮机之间,约为40~200m 。斜流式水轮机是在轴流转桨式水轮机基础上改进而来,其结构形式及性能特征与轴流转桨式 水轮机类似,但由于其倾斜桨叶操作机构的结构特别复杂,加工工艺要求和造价均较高,一般在大中型场合使用,但应用不普遍。

(4 )贯流式水轮机(见图8-4 )

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贯流式水轮机是一种流道近似为直筒式的卧轴式水轮机,它不设引水蜗壳,叶片可做成固定的和可转动的两种。它的优点是流道平直、过流量大、效率高。但由于转动叶片外缘的线速度大、周线长,因而旋转密封困难。目前这种机型已很少使用。

2. 冲击式水轮机

冲击式水轮机的转轴始终处于大气中,来自压力钢管的高压水流在进入水轮机之前已转变成高速自由射流,该射流冲击转轮的部分轮叶,并在轮叶的约束下发生流速大小和方向的改变,从而将其动能大部分传递给轮叶,驱动转轮旋转。在射流冲击轮叶的整个过程中,射流内的压力基本不变,近似为大气压。冲击式水轮机按射流冲击转轮的方式不同可分为水斗式、斜击式和双击式三种。

1 )水斗式水轮机(见图8-5 )

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水斗式水轮机亦称切击式水轮机。从喷嘴出来的高速自由射流沿转轮圆周切线方向垂直冲击轮叶。这种水轮机适用于高水头、小流量的场合,特别是当水头超过400m 时,由于结构强度和气蚀等条件的限制,混流式水轮机已不太适用,则常采用水斗式水轮机。

2 )斜击式水轮机(图8-6 )

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从喷嘴出来的自由射流沿着与转轮旋转平面成一角度的方向,从转轮的一侧进入轮叶再从另一侧流出轮叶。与水斗式相比,其过流量较大,但效率较低,因此这种水轮机一般多用于中小型场合,适用水头20~300m 。

(3 )双击式水轮机(图8-7 )

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从喷嘴出来的射流先后两次冲击在转轮叶片上。这种水轮机结构简单、制作方便,但效率较低,转轮叶片强度差,适用于单机出力小于1000k W 场合,适用水头为5~100m 。

双击式水轮机的转轮由两个圆盘和一定数量的叶片组成。

叶片形状为圆弧形或渐开线形,后者效率高,但制造工艺较复杂。水轮机的效率与叶片数目有关,在一定范围内,叶片越多,效率越高,负荷变化时效率变化也越小。

双击式水轮机转轮直径是指转轮于射流中心线相切处的节圆直径。其过流量主要与转轮宽度有关,可按照流量的变化,来选定相应的转轮宽度。因此,转轮的直径和转速,可在较大的范围内进行选择,这样就能制造直径小、转速高、成本低的双击式水轮机。

水动风机冷却塔水轮机选型

1 .选型要求 用于冷却塔内推动风机转动的水轮机,由于冷却塔本身要求和条件的限制,不是上述介绍的水轮机均可适用,而应根据要求进行分析研究后选型。用于冷却塔水轮机的基本要求为:

1 )水头(H )低、流量(Q )小。

冷却塔的大小是由循环冷却水量来决定的,一般在100~3000t/h ,再小的有50~30t/h 等,再大的有4000t/h 。这按秒流量计一般为0.0278~0.833t/s 。与水力发电的水量相比,是很小的流量;从水头来看,用于冷却塔的水轮机水头是利用提升水泵的富余水头,其可利用水头的范围为H =4~20m ,通常为5~15m ,这与水力发电的峡谷、库区等水位小得多。

因此,用于水动风机冷却塔的水轮机,应是低水头、小流量的水轮机才能符合要求。高水头大流量的肯定不适用。

2 )体积小,阻力少

冷却塔中风机的轴功率等于风经过冷却塔各部分阻力的总和。风机设在风筒下部始端,原用电动机带动风机时,风机由设在风筒顶端的支架固定。现采用水轮机驱动风机,水轮机设在冷却塔配水管以上由中间进水管顶端,水轮机立轴与风机相连接,省去了原来的风机支架,水轮机、风机的重量均由中间进水管承受。省去了风机支架,减少了支架的通风阻力,但增设了水轮机,则增加了水轮机的阻力,如水轮机体积大,则阻力也增大,故要求水轮机体积尽可能小,以减小阻力,有利于驱动水轮机。

3 )能耗省、效率高

水泵的剩余(富余)水头是有限的,要用来推动水轮机驱动风机转动,达到设计的转速和风量,这就要求充分地利用富余水头的能量,水轮机的转轮要轻,阻力要小,能耗要省。同时要求水轮机的效率要高,尽可能达到80 %以上,以提高水轮机的有效轴功率。

4 )立轴式安装

风机叶片处在同一水平面,风机轴与叶片垂直,而水轮机必须是立轴式布置,而且应是小型水轮机。立轴布置还可以降低进水管水头损失,提高水轮机效率。

5 )便于安装维护

水轮机是金属体,有一定的重量,又安装在冷却塔内上部正中,因此有一定的难度。小塔的水轮机可能人工就位安装,但大塔的水轮机必须用机械吊装就位,故要求水轮机重量轻、便于安装。同时水轮机位于塔内上部,投入运行后维护修理很不方便,所以维护修理要少、工作量要小。

还有其他方面的要求,不多论述了。

2 .水轮机选型

根据上述要求,对照表821 中水轮机形式和适用的水头范围,只有反击式中的轴流式、 贯流式和冲击式中双击式符合水动风机水轮机选型范围,故其他形式一律不予考虑。

反击式水轮机的水流始终是连续充满整个转轮的有压流动。轴流式水轮机的常用水头范围为3~50m ,符合水动风机水轮机的要求,但它适用于大流量,在大型水电站中使用,其模型水轮机流量为0.835m3/s 和1.236m3/s 。而3000t/h 冷却塔的流量为0.833m3/s ,轴流式水轮机在实际应用中的流量均> 10m3/s ,因此不宜用作水动风机水轮机。

贯流式水轮机的适应水头为2~30m ,很适用于水动风机水轮机,但是贯流式水轮机的主轴都采用卧轴布置形式,如要布置成立轴式,则增加结构的复杂性,而在冷却塔内安装则要求简单、体积小,故基本上不考虑。

这样只剩下冲击式中的双击式水轮机(见图8-7 ),其适应水头为5~100m ,水动风机水轮机的水头在此范围内。其比转速n s =35~150 ,甚至更高,比转速也称比速,其含义是:在1m 水头下,产生1k W 功率时的水轮机转速。比转速n s 是一个综合性参数,它集中反映了水轮机的转速n、水头H 和出力N 之间的关系,表示一个水轮机系列的特征。

在水头和出力相同的情况下,n s 愈大,转速n 愈大,则机组尺寸愈小,机组造价低;在水头和转轮直径相同的情况下,n s 大的水轮机可发出更多的出力(即出力大)。在冲击式水轮机中,单喷嘴水斗式水轮机比转速≤ 30 ;斜击式水轮机n s =30~70 ;而双击式水轮机n s 为最高。而且适用于发电量1000k W 以下,即流量(Q )小,适应冷却塔的水流量。

同时双击式水轮机两次冲击转轮上叶片转动叶轮,结构也简单,便于制作。综合上述,选用冲击式中的双击式水轮机作为水动风机水轮机,但根据冷却塔的特点和需要,在现双击式水轮机基础上进行适当而必要的改进和提高,如各种类型的冷却塔,其冷却水量和富余水头基本上是不变的;双击式水轮机的转轮始终处于大气中,在喷嘴射流冲击轮叶的整个过程中,射流内的压力基本不变,近似为大气压。这对于冷却塔中槽式、池式配水系统来说是符合的,但对管式配水系统来说,配水管内也是有压的,即水流通过转轮叶片流道及进口与出口始终是连续的有压流动,这又是反击式水轮机的特性,故对双击式水轮机用于冷却塔水动风机中需进行改进和重新设计。

结合图8-7 ,因水泵富余水头H 和冷却水量Q 基本上是不变的,不存在流量和压力的调节,故可取消调节闸板3 和舵轮4 ;喷嘴为矩形过水断面,断面的大小决定于流速V 的大小,有利于高速射流的动能传递给轮叶,驱动转轮按设计转速n 转动;为提高效率,应适当增加叶片,并把叶片形状做成渐开线形等。







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