水輪機(jī)冷卻塔的工作參數(shù)

水輪機(jī)的工作參數(shù)主要有：水頭H （m ）；流量Q （m 3／h 或m 3／s ）；出力P （k W ）；效率η（%）；轉(zhuǎn)速n （ r／min ）；水流速度V （m／s ）；水的密度γ，γ 值為1000kg／m3 或9810N／m3 等。

1 .水頭H （m ）：

水輪機(jī)的水頭（工作水頭），是指水輪機(jī)進(jìn)口和出口截面處單位質(zhì)量的水流能量差。進(jìn)入冷卻塔內(nèi)水輪機(jī)的水頭是提升水泵的富余水頭H c （也稱毛水頭），從水輪機(jī)進(jìn)口到出口在轉(zhuǎn)輪中的水頭損失為Δh ，則水輪機(jī)的工作水頭為：

H 又稱水輪機(jī)的凈水頭，是水輪機(jī)做功的有效水頭。在冷卻塔中，水泵是根據(jù)冷卻水量和需要的揚(yáng)程選定的，在流量Q 不變的前提下，H 是個(gè)不變的定值，不像水電站那樣存在最大水頭H max ，最小水頭H min 和加權(quán)平均水頭H W 。H 也是水動(dòng)風(fēng)機(jī)水輪機(jī)的設(shè)計(jì)水頭，即水輪機(jī)的效率水頭。

2 .流量Q （m3／s）

水輪機(jī)的流量是單位時(shí)間內(nèi)通過水輪機(jī)某一既定斷面的水流體積，通常用Q （m3／s ）表示。在額定水頭下，水輪機(jī)以額定轉(zhuǎn)速、額定出力運(yùn)行時(shí)所對應(yīng)的水流量，稱為設(shè)計(jì)流量，對水動(dòng)風(fēng)機(jī)水輪機(jī)來說，就是冷卻塔的設(shè)計(jì)冷卻水量（m3／h ）。

3 .轉(zhuǎn)速n （r／min ）

水輪機(jī)的轉(zhuǎn)速是水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪在單位時(shí)間內(nèi)旋轉(zhuǎn)的次數(shù)，用n 表示，常用單位為r／min 。冷卻塔中，水輪機(jī)是立軸安裝，直接與風(fēng)機(jī)軸連接，水輪機(jī)與風(fēng)機(jī)同步旋轉(zhuǎn)，故水輪機(jī)與風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速是相同的。

4 .出力P （k W ）與效率η（%）

水輪機(jī)出力是水輪機(jī)軸端輸出的功率，常用P 表示，單位為k W 。

水輪機(jī)的輸入功率為單位時(shí)間內(nèi)通過水輪機(jī)的水流總能量，即水流的出力，用P n 表示，則P n 為：

由于水流通過水輪機(jī)時(shí)存在一定的阻力、摩擦等的能量消耗，所以水輪機(jī)出力總是小于水流出力P n 。水輪機(jī)的輸出功率P （即出力）與輸入功率P n （水流出力）之比為水輪機(jī)效率，用ηt 表示，因存在能量損耗，故ηt ＜ 1 。

因此，水輪機(jī)的出力P 計(jì)算式為：

這里需要說明的是式（8-6 ）、（8-8 ）與前述的式（8-3 ）、（8-4 ）的一致性，這里水輪機(jī)的出力（P ）實(shí)際上是軸功率（常用N 表示），單位均為k W 。水的密度為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 ，則有效軸功率為N 效=γ·Q·H·η，其單位為（kg·m ）／m3 。1k W =102 （kg·m ）／s ，故γ／102 =1000／102 =9.804 ，這就是式（8-4 ），即N 效=9804Q·H·η（k W ）。它的誤差僅為（9.81 -9.804 ）／9.81 =0.06 %，故是一致的，兩種計(jì)算均可使用。

水輪機(jī)是將水能轉(zhuǎn)化為水輪機(jī)軸端的出力（軸功率），產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力矩M 用來克服風(fēng)機(jī)的阻抗力矩，并以角速度ω=2πn ／60 旋轉(zhuǎn)。水輪機(jī)出力P 、旋轉(zhuǎn)力矩M 和角速度ω 之間的關(guān)系為：

式中 ω——水輪機(jī)旋轉(zhuǎn)角速度（rad／s ）；

M——水輪機(jī)主軸輸出的旋轉(zhuǎn)力矩（N2m ）；

N——水輪機(jī)轉(zhuǎn)速（r／min ）。

水輪機(jī)冷卻塔的水流運(yùn)動(dòng)合成與分解

當(dāng)水輪機(jī)處于某一穩(wěn)定情況時(shí)，其工作水頭、流量和轉(zhuǎn)速都不變（用于冷卻塔中的水輪機(jī)就處在此狀態(tài)下工作。一般來說，H、Q、V 均是不變），并認(rèn)為：水流在蝸殼、導(dǎo)水管、尾水管中的流動(dòng)，以及在轉(zhuǎn)輪中相對于轉(zhuǎn)動(dòng)葉片的運(yùn)動(dòng)，也都是恒定運(yùn)動(dòng)，則此時(shí)水輪機(jī)內(nèi)的水流運(yùn)動(dòng)，可以看作是不隨時(shí)間而變化的恒定流動(dòng)，但仍是空間的三元流動(dòng)，目前還難以用數(shù)學(xué)公式來精確地描述。

通常，采用速度三角形來分析穩(wěn)定情況下水輪機(jī)內(nèi)的流動(dòng)。水流質(zhì)點(diǎn)在轉(zhuǎn)輪內(nèi)的復(fù)合運(yùn)動(dòng)，可分解成兩種運(yùn)動(dòng)：一種是水流質(zhì)點(diǎn)從轉(zhuǎn)輪進(jìn)口沿葉片流道至轉(zhuǎn)輪出口的流動(dòng)，稱水流相對于轉(zhuǎn)輪的相對運(yùn)動(dòng)；另一種是水流質(zhì)點(diǎn)同時(shí)隨轉(zhuǎn)輪的轉(zhuǎn)動(dòng)而旋轉(zhuǎn)的圓周運(yùn)動(dòng)，稱牽連運(yùn)動(dòng)。對地球而言，水流在水輪機(jī)內(nèi)的運(yùn)動(dòng)是上述兩種運(yùn)動(dòng)的復(fù)合運(yùn)動(dòng)，稱絕對運(yùn)動(dòng)。水輪機(jī)中某一點(diǎn)的水流運(yùn)動(dòng)情況可用該點(diǎn)的速度三角形來描述。速度三角形是流場中同一點(diǎn)的速度與分速度按平行四邊形法則構(gòu)成的向量三角形。轉(zhuǎn)輪進(jìn)、出口處的速度三角形，是研究水輪機(jī)工作過程和進(jìn)行轉(zhuǎn)輪水力設(shè)計(jì)的工具。

轉(zhuǎn)輪中的水流運(yùn)動(dòng)可看成上述相對運(yùn)動(dòng)與圓周運(yùn)動(dòng)（或稱牽連運(yùn)動(dòng)）的合成。根據(jù)這個(gè)特點(diǎn)可以用下列速度構(gòu)成速度三角形：絕對速度V，即在靜止地面上看到的水流速度；相對速度W，即隨轉(zhuǎn)輪運(yùn)動(dòng)時(shí)見到的水流速度；圓周速度U，即考察點(diǎn)隨轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的線速度，其值為：

式中 U——圓周速度（m／s）；

D——考察點(diǎn)所在圓周直徑（m ）；

N——水輪機(jī)轉(zhuǎn)速（r／min ）。

若用速度關(guān)系表示，則有：

構(gòu)成的速度三角形如圖8-8 （a ）。

在實(shí)際應(yīng)用中為了分析的方便又常把絕對速度沿圓周速度方向和垂直于圓周速度的方向正交分解，可得到兩個(gè)分速度［圖8-8 （b ）］：

1 .速度的圓周分速度Vu ，即絕對速度按正交分解在圓周速度方向的分速度，稱絕對速度圓周分速度。

2 .軸向速度Vm ，即絕對速度按正交分解在軸向平面上的分速度，因Vm 在軸平面上，故Vm 稱為軸向速度。若用速度關(guān)系表示，則有：

構(gòu)成的速度三角形如圖8-8 （b ）所示。在轉(zhuǎn)輪的水力設(shè)計(jì)時(shí)，或當(dāng)分析水流在轉(zhuǎn)輪中的流動(dòng)，常常要應(yīng)用到這兩個(gè)速度分量。

水動(dòng)風(fēng)機(jī)冷卻塔水輪機(jī)的工作原理

雙擊式水輪機(jī)從噴嘴出來的水流射流，先后兩次沖擊在轉(zhuǎn)軸葉片上，其工作原理基本上如圖8-9 所示。圖中繪出了兩次沖擊的速度三角形的分析。現(xiàn)從力學(xué)的動(dòng)量矩、合力矩及水輪機(jī)的功率來分析工作原理。

根據(jù)動(dòng)量矩原理，在單位時(shí)間內(nèi)，動(dòng)量矩等于外力的合力矩，按圖8-9 所示的速度三角形和力的分析，流量Q 是不變的，C1、C2、C3、C4分別為速度三角形中的絕對速度，L1、 L2、L3、L4分別與絕對速度垂直的距離，則合力矩M 為： M =QC1L1 +QC2L2 +QC3L3+QC4L4 （8-13 ）

為獲得高的、理想的葉輪效率，設(shè)計(jì)要求在葉輪的出口處未被利用的能量盡量小，即要求下一個(gè)葉片出口處的絕對速度C4 趨向于零，即QC4L4 → 0 ，則式（8-13 ）成為： M =QC1L1 +QC2L2+QC3L3 （8-14 ）

式（8-14 ）中，QC3L3是出口的動(dòng)量矩，QC2L2是入水口的動(dòng)量矩，由于能量的轉(zhuǎn)換需要，前者是減小的，后者是增加的。從圖8-9 可見：L2 =L3 ，C2 =C3 ，Q 相等，則QC 2L2 =QC3L3 ，即互補(bǔ)為零，則葉輪的實(shí)際動(dòng)量矩是最終剩下來的葉片入口動(dòng)量矩M =QC1L1 。轉(zhuǎn)輪進(jìn)口水流絕對速度的方向角為α1 ，根據(jù)力學(xué)動(dòng)量矩相等原則得： M =QC1L1 =QC1R1cosα1 （8-15 ）

水輪機(jī)出力P （即功率）是角速度ω 與動(dòng)量矩的乘積，則得： P =ωM =ωQC1R1cosα1 （8-16 ）

水輪機(jī)輸入功率為γ·Q·H ，則式（8-16 ）成為： P =ωM =ωQC1R1cosα1 =γ·Q·H （8-17 ）

水輪機(jī)的效率為η，則有效軸功率為： P效=ωMη =ωQC1R1cosα1η=γ·Q·H·η=9.81Q·H·η （8-18 ）

式中符號同前。

上述計(jì)算式說明質(zhì)量流量在能量轉(zhuǎn)換前后沒有變化，從式（8-18 ）可見，水輪機(jī)的軸功率與Q·H·η成正比。對冷卻塔來說，各種規(guī)格的冷卻塔其設(shè)計(jì)的冷卻水量（Q ）是定值，則P 與H 和η 成正比，故要求新研制的用于驅(qū)動(dòng)冷卻塔風(fēng)機(jī)的雙擊式水輪機(jī)效率η要高。同時(shí)H 越大，則軸功率也大，但這里的H 是指提升水泵的富余水頭，對于在使用的老塔來講，水泵早已選好，如果水泵的富余水頭能達(dá)到水輪機(jī)的軸功率和設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)速，則此冷卻塔可以改造，用水輪機(jī)來驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)，替代原來的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)，達(dá)到節(jié)電節(jié)能的目的。反之，則不能改造。

綜合上述，用于冷卻塔水動(dòng)風(fēng)機(jī)的雙擊式水輪機(jī)如圖8-10 所示，與用于水力發(fā)電的水輪機(jī)相比，是很小的水輪機(jī)，可稱得上是“微型”水輪機(jī)，實(shí)際上比水電站的模型水輪機(jī)還小。水流經(jīng)過水輪機(jī)的阻力損失視水輪機(jī)及Q、H、V 的大小有所不同，對于冷卻塔中采用槽式、池式配水系統(tǒng)來說，水輪機(jī)出水具有自由表面，阻力損失很小，相對來說水輪機(jī)效率高；對于冷卻塔采用管式配水來說，水輪機(jī)出水為壓力流，阻力損失一般在0.5m 左右，則水輪機(jī)效率相對低些，即出力P 會小些。但只要達(dá)到設(shè)計(jì)的軸功率和轉(zhuǎn)速，就能保證風(fēng)量和冷卻效果。關(guān)鍵是軸功率，即為9.81·Q·H·η值。

水輪機(jī)冷卻塔的動(dòng)力分析

根據(jù)水輪機(jī)工作水頭的定義和伯努利能量方程，在水輪機(jī)入口立過水?dāng)嗝?-1 ，水輪機(jī)出口立過水?dāng)嗝?-2 ，則存在單位質(zhì)量水體的能量E1和E2 ，得基本能量表達(dá)式為：

式中 E——單位質(zhì)量水體的能量（m ）；

Z——相對某一基準(zhǔn)的位置高度（m ），稱為某截面的水流單位位置勢能，即比位能；

P——相對壓力（N／m2或Pa ），P／γ稱為某截面的水流單位壓力勢能，即比壓能；

γ——水的密度（9810N／m3 ）；

α——斷面動(dòng)能不均勻系數(shù)，計(jì)算中常取α1 =α2 =1 ；

g——重力加速度（m／s2 ）；

V——斷面平均流速（m／s ），αv 2／2g 稱為某截面的水流單位動(dòng)能，即比能（m ）。αv2／2g、P ／γ與Z 的三項(xiàng)之和為某水流截面水的總比能。

從式（8-22 ）可見：水輪機(jī)的有效軸功率（出力）與流量的三次方成正比，與效率η成正比，而與水流過水?dāng)嗝娣eF 的平方成反比。顯然，要提高水輪機(jī)的有效軸功率P 效，則要增加流量Q、提高效率η，縮小過水?dāng)嗝娣eF 。冷卻塔中的流量Q 基本上是不變的，水輪機(jī)的效率η也在有限范圍內(nèi)變化，一般要求達(dá)到80 %以上，因此水輪機(jī)的沖擊能量（動(dòng)能）主要是靠縮小過水?dāng)嗝娣eF、提高流速V 來實(shí)現(xiàn)的。

水輪機(jī)在冷卻塔內(nèi)安裝位置見圖8-11 （注：標(biāo)準(zhǔn)型逆流式圓形冷卻塔中的安裝位置）。水輪機(jī)立軸安裝，與風(fēng)機(jī)軸直接連接，同步旋轉(zhuǎn)。原冷卻塔的進(jìn)、出水管位于塔內(nèi)的正中，既是進(jìn)水管又是立柱，承擔(dān)布水管等重量。現(xiàn)進(jìn)水管從上部穿過塔體水平進(jìn)入水輪機(jī)，出發(fā)點(diǎn)是想減少阻力增加動(dòng)能，但塔外進(jìn)水管在某些場合會影響美觀，同時(shí)中間立管未充分發(fā)揮作用。故進(jìn)水管從何處進(jìn)入，視具體情況和不同要求而定。從圖8-11 可見： 采用水動(dòng)風(fēng)機(jī)水輪機(jī)基本上沒有影響原冷卻塔的部件和結(jié)構(gòu)；并且減少了原設(shè)在風(fēng)筒頂部的風(fēng)機(jī)支架、電動(dòng)機(jī)及其位置和傳動(dòng)裝置系統(tǒng)。