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