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冷却塔水轮机工作原理

发布日期:2017-01-17   点击数: 665

水轮机冷却塔的工作参数

水轮机的工作参数主要有:水头H (m );流量Q (m 3/h 或m 3/s );出力P (k W );效率η(%);转速n ( r/min );水流速度V (m/s );水的密度γ,γ 值为1000kg/m3 或9810N/m3 等。

1 .水头H (m ):

水轮机的水头(工作水头),是指水轮机进口和出口截面处单位质量的水流能量差。进入冷却塔内水轮机的水头是提升水泵的富余水头H c (也称毛水头),从水轮机进口到出口在转轮中的水头损失为Δh ,则水轮机的工作水头为:

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H 又称水轮机的净水头,是水轮机做功的有效水头。在冷却塔中,水泵是根据冷却水量和需要的扬程选定的,在流量Q 不变的前提下,H 是个不变的定值,不像水电站那样存在最大水头H max ,最小水头H min 和加权平均水头H W 。H 也是水动风机水轮机的设计水头,即水轮机的效率水头。

2 .流量Q (m3/s)

水轮机的流量是单位时间内通过水轮机某一既定断面的水流体积,通常用Q (m3/s )表示。在额定水头下,水轮机以额定转速、额定出力运行时所对应的水流量,称为设计流量,对水动风机水轮机来说,就是冷却塔的设计冷却水量(m3/h )。

3 .转速n (r/min )

水轮机的转速是水轮机转轮在单位时间内旋转的次数,用n 表示,常用单位为r/min 。冷却塔中,水轮机是立轴安装,直接与风机轴连接,水轮机与风机同步旋转,故水轮机与风机的转速是相同的。

4 .出力P (k W )与效率η(%)

水轮机出力是水轮机轴端输出的功率,常用P 表示,单位为k W 。

水轮机的输入功率为单位时间内通过水轮机的水流总能量,即水流的出力,用P n 表示,则P n 为:

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由于水流通过水轮机时存在一定的阻力、摩擦等的能量消耗,所以水轮机出力总是小于水流出力P n 。水轮机的输出功率P (即出力)与输入功率P n (水流出力)之比为水轮机效率,用ηt 表示,因存在能量损耗,故ηt < 1 。

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因此,水轮机的出力P 计算式为:

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这里需要说明的是式(8-6 )、(8-8 )与前述的式(8-3 )、(8-4 )的一致性,这里水轮机的出力(P )实际上是轴功率(常用N 表示),单位均为k W 。水的密度为1000kg/m3 。

式(8-6 )中9810N/m3 ,是用N 表示,故9810/1000 =9.81 。式(8-3 )中如不除以102 ,则有效轴功率为N 效=γ·Q·H·η,其单位为(kg·m )/m3 。1k W =102 (kg·m )/s ,故γ/102 =1000/102 =9.804 ,这就是式(8-4 ),即N 效=9804Q·H·η(k W )。它的误差仅为(9.81 -9.804 )/9.81 =0.06 %,故是一致的,两种计算均可使用。

水轮机是将水能转化为水轮机轴端的出力(轴功率),产生旋转力矩M 用来克服风机的阻抗力矩,并以角速度ω=2πn /60 旋转。水轮机出力P 、旋转力矩M 和角速度ω 之间的关系为:

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式中 ω——水轮机旋转角速度(rad/s );

M——水轮机主轴输出的旋转力矩(N2m );

N——水轮机转速(r/min )。


水轮机冷却塔的水流运动合成与分解

当水轮机处于某一稳定情况时,其工作水头、 流量和转速都不变(用于冷却塔中的水轮机就处在此状态下工作。一般来说,H、Q、V 均是不变),并认为:水流在蜗壳、导水管、尾水管中的流动,以及在转轮中相对于转动叶片的运动,也都是恒定运动,则此时水轮机内的水流运动,可以看作是不随时间而变化的恒定流动,但仍是空间的三元流动,目前还难以用数学公式来精确地描述。

通常,采用速度三角形来分析稳定情况下水轮机内的流动。水流质点在转轮内的复合运动,可分解成两种运动:一种是水流质点从转轮进口沿叶片流道至转轮出口的流动,称水流相对于转轮的相对运动;另一种是水流质点同时随转轮的转动而旋转的圆周运动,称牵连运动。对地球而言,水流在水轮机内的运动是上述两种运动的复合运动,称绝对运动。水轮机中某一点的水流运动情况可用该点的速度三角形来描述。速度三角形是流场中同一点的速度与分速度按平行四边形法则构成的向量三角形。转轮进、出口处的速度三角形,是研究水轮机工作过程和进行转轮水力设计的工具。

转轮中的水流运动可看成上述相对运动与圆周运动(或称牵连运动)的合成。根据这个特点可以用下列速度构成速度三角形:绝对速度V,即在静止地面上看到的水流速度;相对速度W,即随转轮运动时见到的水流速度;圆周速度U,即考察点随转轮转动时的线速度,其值为:

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式中 U——圆周速度(m/s);

D——考察点所在圆周直径(m );

N——水轮机转速(r/min )。

若用速度关系表示,则有:

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构成的速度三角形如图8-8 (a )。

在实际应用中为了分析的方便又常把绝对速度沿圆周速度方向和垂直于圆周速度的方向正交分解,可得到两个分速度[图8-8 (b )]:

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1 .速度的圆周分速度Vu ,即绝对速度按正交分解在圆周速度方向的分速度,称绝对速度圆周分速度。

2 .轴向速度Vm ,即绝对速度按正交分解在轴向平面上的分速度,因Vm 在轴平面上,故Vm 称为轴向速度。若用速度关系表示,则有:

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构成的速度三角形如图8-8 (b )所示。在转轮的水力设计时,或当分析水流在转轮中的流动,常常要应用到这两个速度分量。


水动风机冷却塔水轮机的工作原理

双击式水轮机从喷嘴出来的水流射流,先后两次冲击在转轴叶片上,其工作原理基本上如图8-9 所示。图中绘出了两次冲击的速度三角形的分析。现从力学的动量矩、合力矩及水轮机的功率来分析工作原理。

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根据动量矩原理,在单位时间内,动量矩等于外力的合力矩,按图8-9 所示的速度三角形和力的分析,流量Q 是不变的,C1、C2、C3、C4分别为速度三角形中的绝对速度,L1、 L2、L3、L4分别与绝对速度垂直的距离,则合力矩M 为: M =QC1L1 +QC2L2 +QC3L3+QC4L4 (8-13 )

为获得高的、理想的叶轮效率,设计要求在叶轮的出口处未被利用的能量尽量小,即要求下一个叶片出口处的绝对速度C4 趋向于零,即QC4L4 → 0 ,则式(8-13 )成为: M =QC1L1 +QC2L2+QC3L3 (8-14 )

式(8-14 )中,QC3L3是出口的动量矩,QC2L2是入水口的动量矩,由于能量的转换需要,前者是减小的,后者是增加的。从图8-9 可见:L2 =L3 ,C2 =C3 ,Q 相等,则QC 2L2 =QC3L3 ,即互补为零,则叶轮的实际动量矩是最终剩下来的叶片入口动量矩M =QC1L1 。转轮进口水流绝对速度的方向角为α1 ,根据力学动量矩相等原则得: M =QC1L1 =QC1R1cosα1 (8-15 )

水轮机出力P (即功率)是角速度ω 与动量矩的乘积,则得: P =ωM =ωQC1R1cosα1 (8-16 )

水轮机输入功率为γ·Q·H ,则式(8-16 )成为: P =ωM =ωQC1R1cosα1 =γ·Q·H (8-17 )

水轮机的效率为η,则有效轴功率为: P效=ωMη =ωQC1R1cosα1η=γ·Q·H·η=9.81Q·H·η (8-18 )

式中符号同前。

上述计算式说明质量流量在能量转换前后没有变化,从式(8-18 )可见,水轮机的轴功率与Q·H·η成正比。对冷却塔来说,各种规格的冷却塔其设计的冷却水量(Q )是定值,则P 与H 和η 成正比,故要求新研制的用于驱动冷却塔风机的双击式水轮机效率η要高。同时H 越大,则轴功率也大,但这里的H 是指提升水泵的富余水头,对于在使用的老塔来讲,水泵早已选好,如果水泵的富余水头能达到水轮机的轴功率和设计的转速,则此冷却塔可以改造,用水轮机来驱动风机,替代原来的电动机驱动风机,达到节电节能的目的。反之,则不能改造。

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综合上述,用于冷却塔水动风机的双击式水轮机如图8-10 所示,与用于水力发电的水轮机相比,是很小的水轮机,可称得上是“微型”水轮机,实际上比水电站的模型水轮机还小。水流经过水轮机的阻力损失视水轮机及Q、H、V 的大小有所不同,对于冷却塔中采用槽式、池式配水系统来说,水轮机出水具有自由表面,阻力损失很小,相对来说水轮机效率高;对于冷却塔采用管式配水来说,水轮机出水为压力流,阻力损失一般在0.5m 左右,则水轮机效率相对低些,即出力P 会小些。但只要达到设计的轴功率和转速,就能保证风量和冷却效果。关键是轴功率,即为9.81·Q·H·η值。

水轮机冷却塔的动力分析

根据水轮机工作水头的定义和伯努利能量方程,在水轮机入口立过水断面1-1 ,水轮机出口立过水断面2-2 ,则存在单位质量水体的能量E1和E2 ,得基本能量表达式为:

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式中 E——单位质量水体的能量(m );

Z——相对某一基准的位置高度(m ),称为某截面的水流单位位置势能,即比位能;

P——相对压力(N/m2或Pa ),P/γ称为某截面的水流单位压力势能,即比压能;

γ——水的密度(9810N/m3 );

α——断面动能不均匀系数,计算中常取α1 =α2 =1 ;

g——重力加速度(m/s2 );

V——断面平均流速(m/s ),αv 2/2g 称为某截面的水流单位动能,即比能(m )。αv2/2g、P /γ与Z 的三项之和为某水流截面水的总比能。

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从式(8-22 )可见:水轮机的有效轴功率(出力)与流量的三次方成正比,与效率η成正比,而与水流过水断面积F 的平方成反比。显然,要提高水轮机的有效轴功率P 效,则要增加流量Q、提高效率η,缩小过水断面积F 。冷却塔中的流量Q 基本上是不变的,水轮机的效率η也在有限范围内变化,一般要求达到80 %以上,因此水轮机的冲击能量(动能)主要是靠缩小过水断面积F、提高流速V 来实现的。

水轮机在冷却塔内安装位置见图8-11 (注:标准型逆流式圆形冷却塔中的安装位置)。水轮机立轴安装,与风机轴直接连接,同步旋转。原冷却塔的进、出水管位于塔内的正中,既是进水管又是立柱,承担布水管等重量。现进水管从上部穿过塔体水平进入水轮机,出发点是想减少阻力增加动能,但塔外进水管在某些场合会影响美观,同时中间立管未充分发挥作用。故进水管从何处进入,视具体情况和不同要求而定。从图8-11 可见: 采用水动风机水轮机基本上没有影响原冷却塔的部件和结构;并且减少了原设在风筒顶部的风机支架、电动机及其位置和传动装置系统。

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