豎井式水輪機也稱豎井貫流式水輪發電機。是指發電機裝設在通入廠房的豎井中的貫流式水輪機。豎井貫流式水輪發電機組是把發電機、齒輪增速器裝在具有流線型斷面的鋼筋混凝土或鋼結構的豎井中，與安裝在流道內的水輪機相連線。其進水流道與燈泡貫流式機組是有些差別的，水流從豎井兩側或加上底部進水引入水輪機，在管型座前水流才匯成圓環型，從導水機構至尾水管出口，其過流部分與燈泡貫流式機組沒有任何差別。
基本介紹
- 中文名：豎井式水輪機
- 外文名：Shaft type water turbine
- 學科：電力工程
- 領域：能源
- 範圍：電力系統
- 別稱：豎井貫流式水輪發電機
簡介,豎井式水輪機的流道及水力設計,豎井坑本身尺寸的確定,豎井式水輪發電機組套用前景,
簡介
豎井貫流式水輪發電機組是把發電機、齒輪增速器裝在具有流線型斷面的鋼筋混凝土或鋼結構的豎井中，與安裝在流道內的水輪機相連線。其進水流道與燈泡貫流式機組是有些差別的，水流從豎井兩側或加上底部進水引入水輪機，在管型座前水流才匯成圓環型，從導水機構至尾水管出口，其過流部分與燈泡貫流式機組沒有任何差別。
從豎井貫流式機組的總體結構而言，可分為增速及直接連線兩種。一是水輪機通過行星齒輪增速器或平行軸的圓柱齒輪增速器與發電機連線，這可以大大提高發電機的轉速，縮小發電機的外形尺寸，該方案獲得普遍套用。二是水輪機與發電機直接聯接，不帶增速器的結構方案。直聯方案在額定水頭較低時，發電機的同步轉速較低，尺寸較大，建議使用在水頭稍高的電站為宜或額定轉速不低於300rpm 的機組採用。
上述增速與直聯兩種總體結構布置方式，水輪機均可採用雙調或定槳的結構型式。一般機組直徑小或電站水頭、流量變化較小的，可採用結構簡單、價格便宜的定槳式水輪機，機組直徑較大，水頭、流量變化較大的電站，採用雙調節的水輪機為宜。
豎井貫流式水輪發電機組，因豎井頂部是敞開的，所以發電機、齒輪增速器等大部件可以直接從豎井坑吊進吊出，便於安裝、維護。便於運行人員接近發電機、齒輪增速器及水輪機 。發電機與常規發電機的通風、冷卻無任何差別，因而可以省去用於燈泡貫流式水輪發電機所需的通風、冷卻設備，降低了設備成本。
豎井式水輪機的流道及水力設計
從機組進水口至尾水管出口整個流道，豎井式與燈泡式均是直軸式的。兩者的差別是在管型座前的進水流道形狀和尺寸，管型座後的出水流道，包括導水機構、轉輪室、尾水管等的形狀、尺寸是沒有差別的。從機組的進水口方向看，水從豎井兩側或加上底部進入水輪機，在管型座前水流才匯成圓環型過水斷面。進水段的流道形狀、尺寸是否合理，不僅對水力效率影響很大，而且往往是控制水輪機過流能力的瓶頸。在70年代，我國也有一些小容量豎井貫流式機組，往往由於豎井流道設計不合理，如過流斷面太小，流道彎曲，造成機組過流能力大大減小，水力效率大幅度下降，結果機組達不到預定額定出力。
眾所周知，在低水頭水力資源的開發中，世界上很多水電開發發達的國家的知名水電設備製造廠家，大學，研究所都投入了很多力量，對燈泡貫流式水輪機的轉輪、流道的水力性能進行設計、研究和試驗。研究成功用於不同水頭段的性能優秀的3葉片，4葉片及5葉片的模型轉輪和與其相匹配的模型試驗流道，和模型轉輪的綜合特性曲線，這些研究成果被廣泛的套用於燈泡貫流式水輪機組的產品中。
然而，據了解，並沒有哪個研究機構在豎井貫流式水輪機的流道條件下，進行豎井貫流式水輪機的設計與試驗，因而也沒有提供在豎井貫流式流道條件下，轉輪的模型特性曲線。
在豎井貫流式水輪機的選型時，往往使用燈泡貫流式水輪機的水力研究成果，採用燈泡貫流式水輪機的轉輪的模型綜合特性曲線來進行。在真機中也是利用了與之相應的模型轉輪、導葉的木模圖及尾水管流道形狀與尺寸。但是，由於進水流道的差異還是很大的，如何設計才能使豎井貫流式水輪機的進水流道的水力性能與燈泡的更為接近，使水力效率、過流能力等基本一致，這樣才能保證豎井貫流式機組達到設計的預期出力，這個問題在豎井貫流式機組設計中是相當重要的。
豎井坑本身尺寸的確定
豎井貫流式水輪機進水流道中，豎井段進水流道過流斷面的確定原則。首先要確定豎井坑本身的尺寸，豎井內主要是安裝布置發電機、齒輪增速器或只布置發電機，油潤滑系統等。因此，豎井內的淨寬及長度必須有足夠的空間安裝上述設備，另外要考慮安裝、維修人員在豎井坑內地作業空間。要確定豎井的尺寸，首先根據機組選型、設備價格、土建工程投資等因素確定機組的整體布置型式，水輪機、發電機的連線方式，是通過增速器聯接或是直接連線。若是確定增速方式，發電機的尺寸很小，具體根據選定的發電機的型號、機座號及所配套的增速器的尺寸，及安裝、維修方便來確定豎井的內部尺寸。如果豎井是採用鋼筋混凝土結構，其豎井的壁厚根據具體的受力情況一般採用350~450mm，採用鋼結構的豎井壁厚可以大大減少。在保證豎井段過流面積相同的情況下，進水流道的外流道尺寸可減小，從而減小土建工程量。若選定水輪機與發電機為直聯結構，在額定水頭很小時的額定轉速很低，發電機極數很多，機座號尺寸很大，使得豎井尺寸很大，這不僅增大了進水流道的外流道尺寸，而且使得流道彎曲，水力損失增大。由此可見，採用增速方案，是可以大大降低豎井貫流式水輪機進水流道的土建工程量的。
豎井式水輪發電機組套用前景
豎井貫流式機組與燈泡貫流式機組比較，其結構型式上主要是豎井代替了燈泡貫流式機組的金屬結構的燈泡體。豎井是敞開的，便於發電機與增速器等部件吊裝、維修。發電機的冷卻與常規機組一致。豎井貫流式水輪機的水輪機的水力性能與燈泡機相差無幾，在選型時可依據燈泡貫流式轉輪的模型綜合特性曲線進行計算，但由於豎井機組進水段水流從豎井兩個側面或加上豎井底部進水，若進水流道設計合理，水輪機的效率選取降低0.5%即可。與軸流式機組相比，其過流能力大約20%，而效率高3%-4%。另外， 豎井貫流式機組的設備造價很有優勢。帶增速器的豎井機組比直在線上組便宜25%，與立式軸流式相比，便宜5%-10%。
燈泡貫流式、豎井式、軸伸貫流式水輪機均屬於半貫流式水輪機範疇，是開發利用低水頭水力資源最為理想的機型。三種機型各有特點，對於不同容量的電站開發，有各自的優勢。
