竖井贯流式水轮机

一、 竖井贯流式机组发展概况
竖井贯流式水轮发电机组国外早在50年代就有应用。

60年代末，我国四川射洪电站从日本富士公司引进了Hr=6.3m, D 1=3.0m,Pr=3000KW ，至今仍是国内单机容量最大的竖井贯流式机组。

1974年，广东甘竹滩电站安装了D 1=3.0m, P t =200~250KW 的20台竖井贯流式机组，电站装机容量为5000KW 。

其后20多年， 只有小容量Nr ≤320KW,极少竖井贯流式电站投入运行。

最近几年，投入运行的竖井贯流式机组主要有：
河盘桥电站： Hr=2.8m, D 1=2.9m, Pr=4x1000KW 2001年1月投入运行 外砂桥闸电站：Hr=3m, D 1=3.0m, Pr=3x1000KW 2004年1月投入运行 东关电站： Hr=4.1m, D 1=2.9m, Pr=3x16000KW 2004年12月投入运行 目前在欧洲、美国使用竖井贯流式机组也较为普遍，
单机容量也越来越大。

1988年投产的挪威克瓦纳公司为美国墨累电站生产的Hr=4.5m, D 1=8.2m, Pr=8x24.8MW 的机组是目前世界上转轮直径最大，单机容量最大的竖井贯流式水轮发电机组。

对于小容量的竖井贯流式水轮机，在H=2~10m, Q=5~50m 3
/s, Pr=100~3000KW, D 1=1.23~3.71m 范围内，奥地利V oith 公司提出了一个竖
井贯流式水轮机的系列型谱。

（图一） 图一
二、 竖井贯流式机组的总体结构布置
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。

图二为带行星齿轮增速器的竖井贯流式水轮发电机组图
1
2
3
4
567
8910
H (m
5
6
7
8
9
10
1214161820
25
30
35404550
3
图二
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。

三、竖井贯流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。

竖井贯流式水轮机的流道形状，尺寸应如何设计呢？这是众多水轮发电机制造厂家所关心的问题。

就此问题，提出如下竖井水轮机流道设计所需遵循的基本原则，供参考。

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。

目前，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。

竖井流道设计的基本原则：
1. 根据水电站水文参数，如Hr, Qr, Pr,经选型优化，选定真机使用的模型转轮型号及模型试验流道，模型转轮的综合特性曲线。

确定真机的转轮直径D 1,额定转速 n r ,额定流量Qr,额定出力等数据；
根据选用的灯泡贯流式水轮机的模型转轮相应流道的形状尺寸，按完全几何相似绘制其真机流道图，绘制出沿机组中心线从流道进口至尾水管出口的流道过流断面的变化曲线S=f(L),然后，根据真机的额定流量，绘制出流速沿机组中心线的变化曲线V=f(L)；
图三为某电站的流道各断面面积及流速图
2. 在设计竖井贯流式水轮机的进水流道时，首先确定竖井相应于灯泡贯流式水轮机进水流道中的位置，然后根据灯泡贯流式水轮机的S=f(L)，V=f(L)计算出相应竖井区的各断面的过流断
面的大小。

其过流断面的大小应大于或等于灯泡贯流式水轮机进口流道相应过流断面的
流道各断面面积及流速图
流道断面流速V (m /s )
流道断面面积S (m
2
)
图三
面积，使其流速的大小小于或等于灯泡贯流式水轮机的相应断面的流速；
3.竖井头部要做成流线型，不允许有任何的棱角存在，使进入水流不产生任何的冲击损失，要尽量较少引水部分的水力损失。

竖井尾部是通过竖井分开的水流至竖井尾部汇集一起，因此尾部的设计要使汇集的水流能稳定、均匀的进入导水机构，一般取交汇角α=65~70°为宜。

4.竖井坑本身尺寸的确定
在上面第3项中，已说明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。

应该指出，在3项计算前，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。

四、采用增速器结构的竖井贯流式机组的总体性能及其经济性
竖井贯流式水轮发电机组的总体布置有增速及直接连接二种方式。

究竟哪种总体型式更为合适呢？如果采用增速齿轮结构才能对电站建设和机组制造带来节约，但是如果因此造成机组效率下降或减小发电量，那么就完全没有意义甚至是不经济的。

下面我们从机组的总体性能及经济性二个方面进行比较：
人们普遍担心，采用增速器机构后会影响机组的总体效率下降。

实际上从如下的分析不难看出，这种担心是没有必要的。

1．机组总体效率比较行星齿轮增速器在额定功率时的效率为98%-99%。

损失了1-2%的效率，而高速发电机比相同容量的低速发电机效率一般可增加3%以上，可见，
采用行星齿轮增速器总的机组效率仍可提高。

例如： 某电站：Hr=4.0m, Hmax=5.2m, Hmin=1.8m, Qr=380-400m3/s N=3x4000KW 作了竖井贯流式水轮发电机组，采用行星齿轮增速器联接与直接连接的方案比较，机组选型的结果如下： 增速方案 直联方案 水轮机GZ1250a-WS-450 GZ1250a-WS-450 ηT =90.3% ηT =90.3% 行星齿轮增速器 速比: I=5.3η齿=98-99%
发电机: SFW4000-14/2600 SFW4000-72/4400 n r =428.6 r/min n r =83.3r/min ηT =96.5% ηT =93.5% 机组总效率:
η总=90.3%×(98-99)%×96.5% η总=90.3%×93.5% =85.4%--86.2% =84.4%
△ η=1.0-1.8%
对于某些电站水力参数，水轮机与发电机直联时，考虑同步转速的要求，使得选用模型转轮的单位转速n ’1偏离最优n ’较远，水轮机的设计效率较低。

而采用增速器后，水轮机选型不受同步转速的限制，发电机的同步转速可以通过行星齿轮增速器的速比来实现，因而水轮机选型时可将设计点选在水力效率较高的区域，从而可提高水轮机的水力效率0.5-1.5%。

增速方案由于发电机转速提高，尺寸大大减小，使竖井尺寸变小，进水流道更加平直，进一步改善进水条件，水力效率也将有所提高。

100
98
96
94
9290
1/4
2/4
3/4
4/4
增速器效率线
带增速器的发电机效率线传动机构及发电机的综合效率线
不带传动机构的发电机效率
图四为莫塞河上的贯流式机组，采用行星齿轮增速和直联机组效率比较
从图中也明确看出，其结论是与上述分析是一致的。

2. 经济性比较
经济性可从机电设备造价及电站土建投资二个方面进行比较。

2.1 机电设备造价
对竖井贯流式水轮发电机组，同一组电站参数，单机额定出力相同，但由于选用的机组总体布置方式不一样，需采购的机电设备的品种、型号也是有差别的，设备的造价也是不同的。

从已运行的竖井贯流式水轮发电机组及本文所作的福建省某电站的选型方案中可看出，采用行星齿轮增速器比直联方案机电设备投资可节省约15-20%。

这是因为增速方案的速比一般可选择I=4-6.3, 此时发电机的额定转速可提高约3-5倍。

对于同样容量的发电机，其尺寸就可大大减少，重量也将成倍减轻。

同时带来以下效益。

（1）发电机的造价大大降低，即使增加行星齿轮增速器及其润滑设备的投资，仍将使得机电设备的总投资减少（见表）；
（2）发电机的重量直接决定厂房起吊设备的重量。

由于发电机重量的减轻，起吊设备相应减小，因而也减少了部分投资；
注：表中价格为2004年7月行业价。

（按灯泡贯流水轮机的85%价格作为竖井贯流式水轮机价格）
2.2电站土建投资
竖井贯流式水轮发电机组采用直联方案，在很低水头时，水轮机的转速很低，与其匹配的发电机直径过大，尤其是转速低于60r/min时，发电机的极数可达100极。

竖井坑的宽度尺寸要相应加大，才能放置尺寸较大的发电机。

从福建省某电站机组的选型结果可以看出，直联方案的发电机为72极，机座号4400，而增速方案的发电机只有14极，机座号为2600，从机座尺寸，增速方案的竖井宽度可缩小1800mm。

竖井坑的宽度增加，相应的进水流道的尺寸增大，机组的间距也相应增大。

这样导致增加土建及厂房的造价。

综上所述，竖井贯流式水轮发电机组的增速方案不只降低了机电设备的造价，而且还大大降低了电站土建投资。

五、双调、增速器竖井贯流式水轮发电机组的受油器结构型式
无论是灯泡贯流式水轮发电机组还是竖井贯流式水轮发电机组，采用增速方案，其总体布置方式都是水轮机通过行星齿轮增速器与发电机相联接的。

如果水轮机是采用转轮桨叶与导水机构的导叶均能转动的双调节结构时，由于增速齿轮箱（如行星齿轮增速器）位于水轮机与发电机之间，这样操作转轮桨叶转动的受油器的布置就不可能像双调直联的灯泡贯流式水轮机那样，把受油器操作油管布置在主轴内孔中，从发电机主轴末端引出。

天津电气传动设计研究所早在70年代末，在设计中国第一台江厦双向发电的潮汐灯泡贯流式水轮发电机组GZN005-WP-250时，在行星齿轮增速器的下游侧，采用了受油器与水轮机径向轴承合为一体的结构，（图五），该结构位置距转轮很近，所以桨叶的内外操作油管短，刚性好，便于安装、检修。

经过27年的实际运行考验，证明该结构是可靠的。

目前，随着行星齿轮增速器的设计、制造（包括材料、工艺、热处理及加工）水平的提高，同时在大容量灯泡贯流式和竖井贯流式水轮机组采用行星齿轮增速器结构型式愈来愈多。

如美国，带行星齿轮增速器的竖井贯流式机组：Eagle phenix , USA, Hr=6.7m, P T=12.6MW, D1=4.95m , I=600/95=6.3，带行星齿轮的灯泡贯流式机组Sidney Murray, Louisiana USA, Hr=6.1m, P T=25MW, D1=8.2m , I=600/52.2=11.49 这些灯泡和竖井贯流式水轮发电机组的行星齿轮及桨叶受油器的结构又有了新的型式。

机组采用多级齿轮结构，速比I>11极，而且受油器的操作油管穿过水轮机主轴，行星齿轮增速器的主轴及发电机主轴内孔，在发电机主轴末端伸出（见图二），结构比较复杂，设计时主机厂必须与行星齿轮增速器制造厂家合作，从机组的总体结构布置来考虑。

目前我国暂无这种新颖结构的灯泡及竖井贯流式机组。

六、竖井贯流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%(尤其是Q’1大时，效率差值愈大)。

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，是目前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．使用的水头范围
竖井、灯泡及轴伸贯流式水轮机使用的水头范围H=2.5~20m左右。

对于不同水头的电站，上述三种机型均有相应不同比转速n S的3、4、5叶片的模型转轮可供选用。

根据目前国内外运行的竖井贯流式水轮发电机组的统计，竖井贯流式最为理想的适用水头范围为：
H r≤10m, 功率范围为: P r=3000----10000KW，水轮机直径D1≥3.3m。

对于转轮直
径D1≤3.3m的低水头电站，最好采用发电机放置在流道外的轴伸贯流式机组。

它解决了灯泡贯流式水轮发电机组因为转轮直径小，发电机要装在直径小的灯泡体内，通风冷却安装维修都比较困难的问题。

轴伸贯流式机组已经有了D1=0.8—3.3m 的系列产品可供选用，该机型在我国已推广使用。

在低水头电站，对于大容量或转轮直径较大的机组，普遍采用水力性能更优的、结构成熟的灯泡贯流式机组。

然而，在以下情况仍可优先选用竖井贯流式水轮发电机组。

灯泡贯流式水轮机转速低于60rpm时，与之相配的直联同步发电机直径会很大，放在灯泡体内有困难者；
2．在贯流式机组选型，受电站水力参数所限，水轮机与发电机直联时，因要考虑同步转速，致使水轮机的额定转速偏离转轮最优单位转速，机组效率降低很多时，可优先选用竖井贯流式水轮发电机组。