[科普中国]-竖井式水轮机

竖井式水轮机也称竖井贯流式水轮发电机。是指发电机装设在通入厂房的竖井中的贯流式水轮机。竖井贯流式水轮发电机组是把发电机、齿轮增速器装在具有流线型断面的钢筋混凝土或钢结构的竖井中，与安装在流道内的水轮机相连接。其进水流道与灯泡贯流式机组是有些差别的，水流从竖井两侧或加上底部进水引入水轮机，在管型座前水流才汇成圆环型，从导水机构至尾水管出口，其过流部分与灯泡贯流式机组没有任何差别。

简介竖井贯流式水轮发电机组是把发电机、齿轮增速器装在具有流线型断面的钢筋混凝土或钢结构的竖井中，与安装在流道内的水轮机相连接。其进水流道与灯泡贯流式机组是有些差别的，水流从竖井两侧或加上底部进水引入水轮机，在管型座前水流才汇成圆环型，从导水机构至尾水管出口，其过流部分与灯泡贯流式机组没有任何差别。

从竖井贯流式机组的总体结构而言，可分为增速及直接连接两种。一是水轮机通过行星齿轮增速器或平行轴的圆柱齿轮增速器与发电机连接，这可以大大提高发电机的转速，缩小发电机的外形尺寸，该方案获得普遍应用。二是水轮机与发电机直接联接，不带增速器的结构方案。直联方案在额定水头较低时，发电机的同步转速较低，尺寸较大，建议使用在水头稍高的电站为宜或额定转速不低于300rpm 的机组采用。

上述增速与直联两种总体结构布置方式，水轮机均可采用双调或定桨的结构型式。一般机组直径小或电站水头、流量变化较小的，可采用结构简单、价格便宜的定桨式水轮机，机组直径较大，水头、流量变化较大的电站，采用双调节的水轮机为宜。

竖井贯流式水轮发电机组，因竖井顶部是敞开的，所以发电机、齿轮增速器等大部件可以直接从竖井坑吊进吊出，便于安装、维护。便于运行人员接近发电机、齿轮增速器及水轮机 。发电机与常规发电机的通风、冷却无任何差别，因而可以省去用于灯泡贯流式水轮发电机所需的通风、冷却设备，降低了设备成本1。

竖井式水轮机的流道及水力设计从机组进水口至尾水管出口整个流道，竖井式与灯泡式均是直轴式的。两者的差别是在管型座前的进水流道形状和尺寸，管型座后的出水流道，包括导水机构、转轮室、尾水管等的形状、尺寸是没有差别的。从机组的进水口方向看，水从竖井两侧或加上底部进入水轮机，在管型座前水流才汇成圆环型过水断面。进水段的流道形状、尺寸是否合理，不仅对水力效率影响很大，而且往往是控制水轮机过流能力的瓶颈。在70年代，我国也有一些小容量竖井贯流式机组，往往由于竖井流道设计不合理，如过流断面太小，流道弯曲，造成机组过流能力大大减小，水力效率大幅度下降，结果机组达不到预定额定出力。

众所周知，在低水头水力资源的开发中，世界上很多水电开发发达的国家的知名水电设备制造厂家，大学，研究所都投入了很多力量，对灯泡贯流式水轮机的转轮、流道的水力性能进行设计、研究和试验。研究成功用于不同水头段的性能优秀的3叶片，4叶片及5叶片的模型转轮和与其相匹配的模型试验流道，和模型转轮的综合特性曲线，这些研究成果被广泛的应用于灯泡贯流式水轮机组的产品中。

然而，据了解，并没有哪个研究机构在竖井贯流式水轮机的流道条件下，进行竖井贯流式水轮机的设计与试验，因而也没有提供在竖井贯流式流道条件下，转轮的模型特性曲线。

在竖井贯流式水轮机的选型时，往往使用灯泡贯流式水轮机的水力研究成果，采用灯泡贯流式水轮机的转轮的模型综合特性曲线来进行。在真机中也是利用了与之相应的模型转轮、导叶的木模图及尾水管流道形状与尺寸。但是，由于进水流道的差异还是很大的，如何设计才能使竖井贯流式水轮机的进水流道的水力性能与灯泡的更为接近，使水力效率、过流能力等基本一致，这样才能保证竖井贯流式机组达到设计的预期出力，这个问题在竖井贯流式机组设计中是相当重要的。

竖井坑本身尺寸的确定竖井贯流式水轮机进水流道中，竖井段进水流道过流断面的确定原则。首先要确定竖井坑本身的尺寸，竖井内主要是安装布置发电机、齿轮增速器或只布置发电机，油润滑系统等。因此，竖井内的净宽及长度必须有足够的空间安装上述设备，另外要考虑安装、维修人员在竖井坑内地作业空间。要确定竖井的尺寸，首先根据机组选型、设备价格、土建工程投资等因素确定机组的整体布置型式，水轮机、发电机的连接方式，是通过增速器联接或是直接连接。若是确定增速方式，发电机的尺寸很小，具体根据选定的发电机的型号、机座号及所配套的增速器的尺寸，及安装、维修方便来确定竖井的内部尺寸。如果竖井是采用钢筋混凝土结构，其竖井的壁厚根据具体的受力情况一般采用350~450mm，采用钢结构的竖井壁厚可以大大减少。在保证竖井段过流面积相同的情况下，进水流道的外流道尺寸可减小，从而减小土建工程量。若选定水轮机与发电机为直联结构，在额定水头很小时的额定转速很低，发电机极数很多，机座号尺寸很大，使得竖井尺寸很大，这不仅增大了进水流道的外流道尺寸，而且使得流道弯曲，水力损失增大。由此可见，采用增速方案，是可以大大降低竖井贯流式水轮机进水流道的土建工程量的。

竖井式水轮发电机组应用前景竖井贯流式机组与灯泡贯流式机组比较，其结构型式上主要是竖井代替了灯泡贯流式机组的金属结构的灯泡体。竖井是敞开的，便于发电机与增速器等部件吊装、维修。发电机的冷却与常规机组一致。竖井贯流式水轮机的水轮机的水力性能与灯泡机相差无几，在选型时可依据灯泡贯流式转轮的模型综合特性曲线进行计算，但由于竖井机组进水段水流从竖井两个侧面或加上竖井底部进水，若进水流道设计合理，水轮机的效率选取降低0.5%即可。与轴流式机组相比，其过流能力大约20%，而效率高3%-4%。另外， 竖井贯流式机组的设备造价很有优势。带增速器的竖井机组比直联机组便宜25%，与立式轴流式相比，便宜5%-10%。

灯泡贯流式、竖井式、轴伸贯流式水轮机均属于半贯流式水轮机范畴，是开发利用低水头水力资源最为理想的机型。三种机型各有特点，对于不同容量的电站开发，有各自的优势1。

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徐恒山 - 讲师 - 西北农林科技大学