根據(jù)動量矩定理，在單位時間內(nèi)，動量矩的變化等于外力的合力矩。按圖1所示，合力矩 M = QC1L1+ QC2L2+ QC3L3+ QC4L4

　　 M = QC1L1+ QC2L2+ QC3L3

　　 上式的后兩項中的一項是出水口的動量矩，另一項是入水口的動量矩，由于轉(zhuǎn)換的需要，一個減少，一個增加，互補為零，***終剩下初始葉片的入口動量矩為這個葉輪的實際動量矩。

　　 M = QC1L1= QC1COSα1R

　　 葉輪旋轉(zhuǎn)的功為角速度（ω）與動量矩的乘積。

　　 P = ωM = ωQC1COSα1R

　　 葉**的原始動能是流量（Q）與揚程(H)的乘積，要使水流的能量轉(zhuǎn)換為葉輪的能量，只有令兩式相等才能實現(xiàn)。

　　 ωQC1COSα1R = QH

　　 上式說明質(zhì)量流量在能量轉(zhuǎn)換前后沒有變化，水流的揚程就是水輪機的能量，揚程越高，動量越大。凡冷卻塔一定具有進塔水壓，進塔水壓即為可轉(zhuǎn)換的能量，可滿足風葉的實際軸功率。冷卻循環(huán)水泵的揚程在系統(tǒng)中是一個定值，在改造時加上水輪機，阻力增加，不會增加泵的電流，反而會減少電流。水輪機的阻力很小，只相應地減少趨零的電流。

　　 在我國的技術(shù)標準中只有JB/T 7640—1994的機械行業(yè)標準“雙擊式水輪機系列型譜”較簡單地介紹了一些性能參數(shù)，但該標準的結(jié)構(gòu)形式規(guī)定均為臥式，且使用范圍功率12kW至100Kw，水頭大于8m , 流量大于0.1m3/s , 為了適用于冷卻塔，只得另辟蹊徑，創(chuàng)新一種立軸帶有尾水管的微型水輪機，如圖2。2003年1月8日獲***權(quán)。2003年10月8日發(fā)明***公告。

　　冷卻塔匹配的電機電耗，國家標準規(guī)定為標準塔小于0.04kW/t 、中溫塔小于0.06kW/t 推算。改用水輪機驅(qū)風，不用再考慮電機匹配，只考慮進塔水流的能量是否達到風葉的軸功率。表2列示水頭功率，是減去水輪機阻力0.5m以后，與相應的氣水比空氣量和風葉軸功率的統(tǒng)計表，達到對應值即可達到冷卻效果。風葉的風量是在多少軸功率轉(zhuǎn)速情況下產(chǎn)出，關(guān)鍵是軸功率，只要軸功率達到風葉的額定值，轉(zhuǎn)速自然達到，風量自然也達到。

注：風葉軸功率等于水輪機輸出軸功率，按每3.3•104m3/h風量1kW計算。國家標準匹配電機功率為標準塔小于0.04kW/t,中溫塔小于0.06kW/t。

三 測試2003年8月1日由上海交通大學、上海節(jié)能中心聯(lián)合對模型水輪機進行測試，測試數(shù)據(jù)如下：

　　 流 量： 94m3/h

　　 水 頭： 4m

　　 傳感器顯示功率： 0.9Kw

　　 轉(zhuǎn) 速： 326r/min

　　 計算得水輪機的效率為0.88，JB/T標準為0.82。

　　 2003年8月5日又對上海乳制品研究所的200t/h塔經(jīng)水輪機改造后去掉風機電機使用3年的塔進行對比性測試。

　　 泵IS—150—125—250 3臺，其中1臺為備泵，揚程20m, 流量200t/h, 塔兩臺，距地面14m, 風機電機軸功率3.9Kw, 制冷機8FS10, Q = 134400kcal/h 2臺。1臺泵供1臺塔1臺制冷機。用戶長期使用該塔，完全節(jié)約了5.5kW的電機，節(jié)電100％，3年來節(jié)省了大量的電費。用戶反映極為滿意。

四 水輪機的動力分析

　　水動風機冷卻塔問世以來，對節(jié)能作出了一定的貢獻。經(jīng)中國科學院上海文獻情報中心查新，水動風機冷卻塔具有充分的新穎性和創(chuàng)新性，國內(nèi)外文獻均無相同結(jié)構(gòu)的報道。說明該產(chǎn)品具有原創(chuàng)資格。由于冷卻塔業(yè)內(nèi)對水輪機取代風機電機節(jié)電100[wiki]%[/wiki]心存疑慮。有的教授級冷卻塔專家不懂沖擊式水輪機的特點，誤求轉(zhuǎn)輪前后水壓差，作出錯誤判斷。有的用戶持謹慎態(tài)度，不敢為人先。為此有必要把冷卻塔專用水輪機的特點作進一步闡述。

　　1．冷卻塔專用水輪機的動力由能量方程式推算。

　　 水輪機的輸出軸功率公式為

　　 W=γ×Q×H×η (kw)

　　 γ—　水的容重　1000×9.81N/m3

　　 Ｑ—　水流量　m3 /s

　　 Ｈ—　水頭　　m

　　 η—　水輪機的效率， 0.88

　　 水輪機水頭由伯努利方程計算

　　 Ｈ=Ｚ＋Ｐ＋Ｖ2 /2g　　　　　　　　

　　 Ｚ—　水輪機進出水位之差

　　 Ｐ—　水流內(nèi)具備的壓力

　　 Ｖ—　水流的速度　m/s

　　 g—　重力加速度　　9.81

　　 由于冷卻塔專用水輪機采用立軸形式，水輪機的轉(zhuǎn)輪是立置的，它的進出水位在同一平面上，沒有位能。Ｚ＝０.

　　 沖擊式水輪機是開放型的，進出水都與空氣接觸，進出口的水流的壓力都保持在同一個大氣壓上，壓力差很小，可以忽略不計，即沒有壓能。Ｐ＝０.

　　 水流在噴出之時，已經(jīng)把壓能轉(zhuǎn)變成速度能—-動能。所以冷卻塔專用的雙擊式水輪機在討論水頭時僅計算動能。冷卻塔的進塔水壓就是水頭，由下式計算

　　 Ｈ＝Ｖ2/2g　　　　　　　　　　　

　　 由于水流的速度Ｖ是單位面積上的過流水量。

　　 Ｖ＝Ｑ/Ｓ

　　 Ｓ—　過流斷面積 ㎡

　　 水頭公式又可以用Ｈ＝Ｑ2/2gＳ2 來計算

　　 歸并上述公式后得冷卻塔專用水輪機的出力 ?。?font face="Times New Roman">=9.81× Ｑ3/2gＳ2 ×0.88 =0.44Ｑ3/Ｓ2

　　 很顯然，當已知供塔泵的流量Ｑ以后，決定水輪機出力的關(guān)鍵是過流斷面Ｓ，斷面越小流速越大，出力就越大。但縮小斷面，流量就會減少，這是一對相互依賴的矛盾，要達到***佳狀態(tài)只有在確定流量的情況下，確定過流斷面，才能表現(xiàn)出一個***好的出力情況。

　　 我們設(shè)計按8.4683m水頭計算，由此得水輪機出力 Ｗ＝9.81×8.4683×Q×0.88＝73.1Ｑ(kw)　　　

　　 當知道冷卻塔的流量以后，就能確切地計算得到水輪機的功率，對照風葉軸功率是否符合,即可應用于冷卻塔電機塔的改造。

　　 如：2000t/h的冷卻塔水輪機軸功率為 Ｗ＝73.1Q=73.1×0.55555=40.6KW

　　 所對應的風葉實際軸功率應該小于40.6KW（否則該風機效率較差），該塔運轉(zhuǎn)完全正常，完全可取代電動機，節(jié)電100%。關(guān)鍵的一點，要知道進該塔的水頭有沒有8m的余地。

　　 由于設(shè)計人員在設(shè)計循環(huán)水系統(tǒng)時，選擇塔的進水壓力沒有標準依據(jù)，造成現(xiàn)有的冷卻塔進塔水壓高低差別較大。流量沒有到額定值，進塔水壓為零的冷卻塔也大有塔在。所以用水輪機改造冷卻塔并不是所有的冷卻塔都適合。一旦可以進行改造，說明該塔有富余揚程存在，節(jié)電100％。不具備富余揚程條件，我們就不改，也不存在節(jié)電百分之幾的結(jié)果。新的冷卻塔也一樣以兩個條件為本。

    2．水輪機的阻力怎么計算。

　　冷卻塔的循環(huán)水管路中，增設(shè)一個水輪機無疑是增加阻力，阻力增加水流量減少，還影響換熱[wiki]設(shè)備[/wiki]的正常運轉(zhuǎn)。阻力嚴重甚至于會造成換熱設(shè)備管子爆裂的事故。水動飛機冷卻塔水輪機阻力僅為0.5m(0.005Mpa),很小。這相當于在管路中增多一個彎頭或閥門的阻力。不會影響其它設(shè)備。0.5m的阻力，相比于噴霧塔的噴嘴阻力，顯然要小得多。水輪機阻力實在小，可以大大放心改造現(xiàn)有冷卻塔，無須擔心換熱設(shè)備增加負擔。

水輪機的阻力由水流進入轉(zhuǎn)輪前的速度和水流道形狀決定。水動飛機冷卻塔的水輪機流道是漸縮圓弧形，阻力由局部水頭損失公式計算H= ξV2/2g

ξ -- 阻力系數(shù) = 0.081 由實驗實際使用中獲得。

當8m水頭運作時，由較小的流速獲得***高出力，用上式計算得，水輪機的阻力為0.5m。

五 不同塔型的應用比較。

噴霧塔在我國20世紀80年代初，就已經(jīng)應用于化工尿素車間，沒有填料是一種較為先進的塔型，隨著技術(shù)進步，噴嘴的壓力由0.4Mpa降到0.2Mpa。現(xiàn)將電動、水動、噴霧三種塔型作一番比較，討論各自的優(yōu)缺點，供大家參考。為對比方便，設(shè)0.08Mpa為一個電動塔的動力能A。下列討論設(shè)定塔的公稱流量為額定值。流量不足、水壓小于零或流量大于額定值、水壓小于零等情況不作討論。

Ⅰ.當進塔水壓為零時，電動塔的風量為定值，風機用電量為A，溢流布水冷效差;水動塔必須在泵上加A的電量才可取代電機塔，與電機塔的用電量相等,進塔水壓已達8m，布水工況好，冷效好;噴霧塔必須在泵上加2.5A的電量才可取代電機塔，加上風機電機的用電量，多3.5A的電量。

Ⅱ.當進塔水壓等于8m時，水動塔***為合適;電動塔是多用電量A;噴霧塔必須在泵上再加1.5A的電量才可運轉(zhuǎn),再加上風機電機的用電量，多用2.5A電量。

Ⅲ.當進塔水壓等于20m時，電動塔多用量2.5A;水動塔多用電量1.5A;噴霧塔多用電1.5A。

六 實際例子

    由河南鄭州水晶股份有限公司(原鄭州化肥廠)的700t/h水泥框架方型逆流塔改造可解剖。為有比較,該塔并排還有同規(guī)格三臺電機塔。該塔高12m，風葉Φ4.7m。泵為雙吸離心式700t/h, 揚程26m，塔與泵的水平距離50m, 由于材料原因， 沿程有三個變徑節(jié)頭，彎頭十個， 閥門一個，總阻力為18m，尚有不少于8m的水頭可供水輪機作功，改造以后，風葉轉(zhuǎn)速185r/min, 風量60萬m3/h,水泵壓力表顯示0.24Mpa,阻力很小， 由計算得水輪機的出力為W = 9.81 × H × Q × η ＝ 9.81 × 8 × 0.194 × 0.88 ＝ 13.4kw風葉實際軸功率為14Kw， 所以運轉(zhuǎn)發(fā)揮良好，與旁邊的電機塔比較， 據(jù)該單位自己測試 情況列于表3。

　　要注意的是泵的流量和揚程，這兩個條件可以相互配合。如果流量大，揚程小，或流量小，揚程大，只要他們的乘積夠條件，則水輪機發(fā)揮正常，風葉運轉(zhuǎn)正常。如山西海鑫國際鋼鐵有限公司的兩臺350t/h塔改造，泵的流量只有530t/h,平均每臺塔的水量265t/h，還差每臺85t/h, 顯然是不夠的。但泵的揚程是45m, 塔高僅14m，該塔水質(zhì)極差，水管內(nèi)水垢厚度達20mm，實際總阻力35m，尚有12m 的水頭作功,所以

     W=9.81×Q×H×0.88=9.81×0.0736×12×0.88=7.62(KW)。

　　 還有正常運轉(zhuǎn)的能力。水泵壓力表顯示改造前后沒有變化。

　　 水輪機可以做得較大，從市場冷卻塔的容量看，單臺塔***大水流量也不過 10萬t/h，這對于水輪機流量來說還屬于小弟弟，由此而匹配的水輪機隊伍仍屬小型，而專供冷卻塔用的水輪機屬微型。由相似理論可知，不論水輪機的大小，他的性能參數(shù)是一樣的。

　　 冷卻塔業(yè)內(nèi)對大型塔的減速器制造有難度，沒有制成單臺機力塔超過5000t/h，現(xiàn)在水輪機解決了這個問題，風葉能制成多大，水輪機匹配完全可行，10萬t/h級的自然通風冷卻塔也不成問題?；は到y(tǒng)的機力塔大都在2000t/h左右，水量和揚程大都夠條件，水輪機節(jié)能是***好途徑。

　　 冷卻塔專用水輪機越大越可靠，越穩(wěn)定。舊管內(nèi)積有水垢，使用時間越長，水管內(nèi)徑變小，流速加大，阻力增加，同樣水垢厚度，大管徑的流速受到影響較小，小管徑的流速受到影響較大。所以塔型越大越可靠，水流越穩(wěn)定。

　　 水動風機冷卻塔，節(jié)電效果非常直觀。到現(xiàn)場看了就明白。在現(xiàn)場看到的是冷卻塔外形尺寸、工況狀態(tài)不變，僅由水輪機取代了電機，風葉照樣正常運轉(zhuǎn)，泵的電流絕無增加，冷效照常好。幾年來通過100多家用戶證實，水動風機冷卻塔是一個好產(chǎn)品。

七 結(jié)論

　　 水輪機用于冷卻塔不論是改造也好，整臺新塔也好，優(yōu)點在于：

　　 ⑴ 節(jié)電。該塔利用水輪機取代風葉電機，利用進塔水壓完全節(jié)省了風葉電機的運行電耗，被多次測試所證實。

　　 ⑵ 無噪聲。水輪機的能量轉(zhuǎn)換是在水流道內(nèi)完成的，銷除了冷卻塔機械動力的噪聲源，解決了人們對冷卻塔電機噪聲的投訴。

　　 ⑶ 高效。水輪機軸功率達到風葉軸功率即可，不需要象電機那樣多出一些功率來應付起動電流的不足。水輪機的阻力僅0.5m，在泵的揚程內(nèi)不影響泵的流量，確保塔的比電耗趨零。

　　 ⑷ 使用壽命長。水輪機結(jié)構(gòu)簡單，維護更換方便。長期運轉(zhuǎn)無損壞。

　　 ⑸ 安全?？稍跐窀呶７辣幨褂谩?/p>

　　 ⑹ 適用。水輪機阻力很小，對任何型式的冷卻塔都適用。特別是大型塔的改造，進塔水壓往往較大，很容易獲得成功，越大越可靠。改造大型自然通風塔很適合。

　　 凡符合國家標準而在正常運行的冷卻塔，進塔的水流一定具有冷卻塔用于噴淋布水的壓力。水輪機用這個水壓即可正常發(fā)揮水輪機的工作，不要再額外要求增加有富余的水壓。一般冷卻塔的進塔水壓***少不會少于3米。而水輪機技術(shù)發(fā)展至今，3米水頭即可很好發(fā)揮水輪機的效率。所以凡是國標運行的冷卻塔都可以用水輪機來取代，包括新裝備的冷卻塔。

　　 水輪機的做功主要有三個能量。一是水流的動能，冷卻塔進水，從進入水輪機再到布水器，水流的流速不變，因為密閉的循環(huán)水管路中沒有水流被分流出去，沒有損失，動能是質(zhì)量與速度的乘積，質(zhì)量不變，速度不變，所以動能不變。在水輪機中速度變化用于做功，但在出水輪機的尾水速度還原了。在水流的全程中動能不會損失掉，一直保持到布水器的進口。二是勢能沒有損失，水輪機定位在布水器上方，它的進出水口處在同一個水平線中，勢能是高度與質(zhì)量的乘積，進出水位高度不變，所以勢能也沒有損失。進水輪機時用了勢能，在出水輪機時被還原了。三是壓能，壓能是水壓力與水質(zhì)量的乘積。壓能如果全部被用掉了，還有動能。還有從水輪機尾水管到布水器之間的垂直高度的勢能。足夠布水的能量。但水輪機不可能全部用掉水頭。

　　 雙擊式水輪機效率很低是舊知識的統(tǒng)識，結(jié)論出自兩百年前十九世紀一十年代英國匈牙利等一些專家，包括當今不懂水輪機的冷卻塔專家。沒有對雙擊式作過進一步深入的研究和發(fā)掘，他們在水流對雙擊式轉(zhuǎn)輪內(nèi)部的復雜流場以及進出水之間的關(guān)系，無法解釋時，避而拒之。在技術(shù)進步的今天，我們拿這個古老的結(jié)構(gòu)作進一步的研究，通過無數(shù)次的實踐，尤其是對轉(zhuǎn)輪葉片型線的***佳設(shè)計，得出的結(jié)論是，由于有水力的雙擊，它的效率有很高的表現(xiàn)，甚至不會低于混流式水輪機的效率，可以達到95%以上。用于冷卻塔實在是太好了。水輪機功率的輸出，用的就是水壓，水壓就是阻力，阻力越大，水的流量損失越大，水力發(fā)電的水輪機水壓，靠攔水大垻的高度來獲得，冷卻塔用水輪機水壓靠水泵的揚程，水力發(fā)電的水輪機水壓可高達一千幾百米，但它不用計較阻力流量損失。冷卻塔用水輪機水壓是三米。三米的水壓，水的流速是7.67米/秒，比冷卻塔的噴淋布水管中常規(guī)的設(shè)計流速還要小。所以不用擔心水輪機會減少水量。不會影響冷卻塔的冷卻效果

四、水輪機適用于500噸/時以下的小型冷卻塔，不適用于700噸/時以上的大型冷卻塔，尤其是3000噸/時以上的大型冷卻塔，大型冷卻塔與小型冷卻塔有明顯不同的概念，不能混淆套用。這是一個錯誤的認識。

　　 冷卻塔不論大小，它的工作原理完全相同，水壓也完全相同，大型冷卻塔用3米的水頭可以達到冷卻條件，小型冷卻塔也要用3米的水頭達到冷卻條件。各冷卻塔廠商提供的大小冷卻塔進塔水壓有明顯的差異，是在做秀。冷卻塔用水輪機水壓是不論大小，相同的水頭發(fā)揮的效率是一樣的，小型冷卻塔用3米的水頭推動水輪機發(fā)揮的效率與大型冷卻塔用3米的水頭推動水輪機發(fā)揮的效率完全一樣，不同的是水流量的區(qū)別。冷卻塔的大小區(qū)別，不同的僅是水流量而已。這完全符合相似性原理。