水輪機冷卻塔的工作參數

水輪機的工作參數主要有：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 ）：

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

H 又稱水輪機的凈水頭，是水輪機做功的有效水頭。在冷卻塔中，水泵是根據冷卻水量和需要的揚程選定的，在流量Q 不變的前提下，H 是個不變的定值，不像水電站那樣存在最大水頭H max ，最小水頭H min 和加權平均水頭H W 。H 也是水動風機水輪機的設計水頭，即水輪機的效率水頭。

2 .流量Q （m3／s）

水輪機的流量是單位時間內通過水輪機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，水輪機以額定轉速、額定出力運行時所對應的水流量，稱為設計流量，對水動風機水輪機來說，就是冷卻塔的設計冷卻水量（m3／h ）。

3 .轉速n （r／min ）

水輪機的轉速是水輪機轉輪在單位時間內旋轉的次數，用n 表示，常用單位為r／min 。冷卻塔中，水輪機是立軸安裝，直接與風機軸連接，水輪機與風機同步旋轉，故水輪機與風機的轉速是相同的。

4 .出力P （k W ）與效率η（%）

水輪機出力是水輪機軸端輸出的功率，常用P 表示，單位為k W 。

水輪機的輸入功率為單位時間內通過水輪機的水流總能量，即水流的出力，用P n 表示，則P n 為：

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

因此，水輪機的出力P 計算式為：

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，這里水輪機的出力（P ）實際上是軸功率（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，兩種計算均可使用。

水輪機是將水能轉化為水輪機軸端的出力（軸功率），產生旋轉力矩M 用來克服風機的阻抗力矩，并以角速度ω=2πn ／60 旋轉。水輪機出力P 、旋轉力矩M 和角速度ω 之間的關系為：

式中 ω——水輪機旋轉角速度（rad／s ）；

M——水輪機主軸輸出的旋轉力矩（N2m ）；

N——水輪機轉速（r／min ）。

水輪機冷卻塔的水流運動合成與分解

當水輪機處于某一穩定情況時，其工作水頭、流量和轉速都不變（用于冷卻塔中的水輪機就處在此狀態下工作。一般來說，H、Q、V 均是不變），并認為：水流在蝸殼、導水管、尾水管中的流動，以及在轉輪中相對于轉動葉片的運動，也都是恒定運動，則此時水輪機內的水流運動，可以看作是不隨時間而變化的恒定流動，但仍是空間的三元流動，目前還難以用數學公式來精確地描述。

通常，采用速度三角形來分析穩定情況下水輪機內的流動。水流質點在轉輪內的復合運動，可分解成兩種運動：一種是水流質點從轉輪進口沿葉片流道至轉輪出口的流動，稱水流相對于轉輪的相對運動；另一種是水流質點同時隨轉輪的轉動而旋轉的圓周運動，稱牽連運動。對地球而言，水流在水輪機內的運動是上述兩種運動的復合運動，稱絕對運動。水輪機中某一點的水流運動情況可用該點的速度三角形來描述。速度三角形是流場中同一點的速度與分速度按平行四邊形法則構成的向量三角形。轉輪進、出口處的速度三角形，是研究水輪機工作過程和進行轉輪水力設計的工具。

轉輪中的水流運動可看成上述相對運動與圓周運動（或稱牽連運動）的合成。根據這個特點可以用下列速度構成速度三角形：絕對速度V，即在靜止地面上看到的水流速度；相對速度W，即隨轉輪運動時見到的水流速度；圓周速度U，即考察點隨轉輪轉動時的線速度，其值為：

式中 U——圓周速度（m／s）；

D——考察點所在圓周直徑（m ）；

N——水輪機轉速（r／min ）。

若用速度關系表示，則有：

構成的速度三角形如圖8-8 （a ）。

在實際應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。若用速度關系表示，則有：

構成的速度三角形如圖8-8 （b ）所示。在轉輪的水力設計時，或當分析水流在轉輪中的流動，常常要應用到這兩個速度分量。

水動風機冷卻塔水輪機的工作原理

雙擊式水輪機從噴嘴出來的水流射流，先后兩次沖擊在轉軸葉片上，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。現從力學的動量矩、合力矩及水輪機的功率來分析工作原理。

根據動量矩原理，在單位時間內，動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，設計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是出口的動量矩，QC2L2是入水口的動量矩，由于能量的轉換需要，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 ，即互補為零，則葉輪的實際動量矩是最終剩下來的葉片入口動量矩M =QC1L1 。轉輪進口水流絕對速度的方向角為α1 ，根據力學動量矩相等原則得： M =QC1L1 =QC1R1cosα1 （8-15 ）

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

水輪機輸入功率為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。

上述計算式說明質量流量在能量轉換前后沒有變化，從式（8-18 ）可見，水輪機的軸功率與Q·H·η成正比。對冷卻塔來說，各種規格的冷卻塔其設計的冷卻水量（Q ）是定值，則P 與H 和η 成正比，故要求新研制的用于驅動冷卻塔風機的雙擊式水輪機效率η要高。同時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到水輪機的軸功率和設計的轉速，則此冷卻塔可以改造，用水輪機來驅動風機，替代原來的電動機驅動風機，達到節電節能的目的。反之，則不能改造。

綜合上述，用于冷卻塔水動風機的雙擊式水輪機如圖8-10 所示，與用于水力發電的水輪機相比，是很小的水輪機，可稱得上是“微型”水輪機，實際上比水電站的模型水輪機還小。水流經過水輪機的阻力損失視水輪機及Q、H、V 的大小有所不同，對于冷卻塔中采用槽式、池式配水系統來說，水輪機出水具有自由表面，阻力損失很小，相對來說水輪機效率高；對于冷卻塔采用管式配水來說，水輪機出水為壓力流，阻力損失一般在0.5m 左右，則水輪機效率相對低些，即出力P 會小些。但只要達到設計的軸功率和轉速，就能保證風量和冷卻效果。關鍵是軸功率，即為9.81·Q·H·η值。

水輪機冷卻塔的動力分析

根據水輪機工作水頭的定義和伯努利能量方程，在水輪機入口立過水斷面1-1 ，水輪機出口立過水斷面2-2 ，則存在單位質量水體的能量E1和E2 ，得基本能量表達式為：

式中 E——單位質量水體的能量（m ）；

Z——相對某一基準的位置高度（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——斷面動能不均勻系數，計算中常取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能，即比能（m ）。αv2／2g、P ／γ與Z 的三項之和為某水流截面水的總比能。

從式（8-22 ）可見：水輪機的有效軸功率（出力）與流量的三次方成正比，與效率η成正比，而與水流過水斷面積F 的平方成反比。顯然，要提高水輪機的有效軸功率P 效，則要增加流量Q、提高效率η，縮小過水斷面積F 。冷卻塔中的流量Q 基本上是不變的，水輪機的效率η也在有限范圍內變化，一般要求達到80 %以上，因此水輪機的沖擊能量（動能）主要是靠縮小過水斷面積F、提高流速V 來實現的。

水輪機在冷卻塔內安裝位置見圖8-11 （注：標準型逆流式圓形冷卻塔中的安裝位置）。水輪機立軸安裝，與風機軸直接連接，同步旋轉。原冷卻塔的進、出水管位于塔內的正中，既是進水管又是立柱，承擔布水管等重量。現進水管從上部穿過塔體水平進入水輪機，出發點是想減少阻力增加動能，但塔外進水管在某些場合會影響美觀，同時中間立管未充分發揮作用。故進水管從何處進入，視具體情況和不同要求而定。從圖8-11 可見： 采用水動風機水輪機基本上沒有影響原冷卻塔的部件和結構；并且減少了原設在風筒頂部的風機支架、電動機及其位置和傳動裝置系統。