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摘要：随着时代的发展和科技的进步，人们对水力的利用率也越来越高，目前，水电站采用的竖井贯流式水轮机组有着广泛的应用。竖井贯流式水轮机组有着非常多的优点，在利用水力方面有着很大的优势。本文就其总体结构布置以及流道和水力设计方面作简要的探讨，希望对竖井贯流式水轮机组的推广和水力领域的进步做一点贡献。
关键词：竖井贯流式；水轮机组；总体结构布置
1引言
竖井贯流式水轮机在中小型贯流式机组应用得比较多，这是因为竖井贯流式机组可以把发电机或增速机构布置在竖井内，解决了灯泡式贯流机组将发电机布置在水下所碰到的困难问题，使机组的运行、维护、检修等带来较大的方便。此外，由于结构比较简单，在制造上也没有什么特殊要求，将使机组的造价比较低廉。但是，竖井贯流式机组由于竖井的几何尺寸比较大，而且把进水段的水流分开两部分，一直到竖井的后端才汇合成一股水流。结果造成水流运动比较复杂，产生较大的水力损失。为了改善流动状况，可以适当延长竖井的末端，使其形状变得比较狭长（图1），形成水流在竖井末端汇合时比较平顺，没有急烈的拐弯，有较好的流动边界条件，这对提高水轮机效率是有利的。但带来了机组主轴长度需要加长，给制造和安装方面增加了一定困难。
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%.
图1为带行星齿轮增速器的竖井贯流式水轮发电机组图：
图1
2机组总体布置
水沿竖井的侧面或竖井的底部从入口管流到竖井的尾部，以进入水引导机构和流道室，并通过引流尾管排出去。设置在导水机构上游的部分是流线型竖井，发电机和增速器设置在该流线型轴中。由于竖井是开放的，可以从竖井坑直接吊起诸如发电机和齿轮增速箱之类的大型部件，并且通风，防潮和散热条件良好。按照水头的高度和机组的速度，有两种方法将涡轮轴连接到发电机轴：（1）直接连接；（2）利用增速齿轮箱。
小型竖井水轮发电机组适宜选择上下平行轴齿轮箱，以提高速度；大型竖井水轮发电机组选择行星齿轮箱来提高速度。
首先，涡轮通过行星齿轮增速器或平行轴正齿轮增速器连接到发电机，这能够大幅度提升发电机的速度并减小发电机的尺寸，并且该方案普遍适用。第二种是水轮机在没有增速器的情况下直接连接到发电机的设计。在直接连接方案中，当额定水头较低的时侯，发电机的同步速度低并且发电机尺寸大。建议在水头稍高的电站选用或采用额定速度不小于300rpm的装置。上述两种速度增加和直接连接的整体结构布置，水轮机可选用双桨或固定桨叶的结构。通常，如果水轮机组的直径过短或者发电站的水头或流量变化不大，则可以使用结构相对简单且成本较低的固定桨叶型水轮机。直径较大，水头较大、流量变化较大的发电站适用于双调节水轮机。
竖井贯流式水轮发电机组，因为竖井是敞着的，因此可以从竖井坑直接吊起诸如发电机和齿轮增速器的大型部件，以方便设备的安装和维护。操作员很容易靠近发电机，齿轮调速器和水轮机，发电机和传统发电机的通风和冷却之间没有区别，所以可以省略灯泡型发电机所要的通风和冷却等设施，有效的减少了建设机组的成本。
3流道和水力性能
现在，竖井贯流式水轮机的型号选择，经常采用灯泡式水轮机的水力学研究数据，并使用灯泡式水轮机转轮的模型综合特性曲线实现竖井式的计算。在实际机器中，还使用相应的模型转轮，导叶的木制模型以及引流管流动通道的形状和尺寸。但是，因为入口流道的有着非常大的差异，怎样设计使竖井贯流式水轮机入口流道的水力性能更接近灯泡式的水轮机组，令水力效率和过流能力基本相同同样，以确保轴的垂直流动单元达到预期的设计输出。这个问题在垂直管状单元的设计中非常重要。
可以在进水口发现，水沿着竖井的两边或是两侧一底进到竖井里，需要对竖井的宽度进行最大程度的减小，确保流道的水力性能保持正常。竖井的宽度主要是由两个因素决定的：一个是竖井内部的大小尺寸必须符合设备的尺寸大小以及设备正常工作、维护所需要的最小的活动空间；另一个是竖井两边的侧壁厚度需符合混凝土强度要求的最小的壁厚。根据已经建成且已经正常运行该类竖井电站的经验来说，通常来说，竖井的宽度是（1.10-1.78）倍的转轮直径。竖井从进水的头部到导叶的长度为3.5到4.1倍的转轮直径，而引水管的宽度一般在2.5到3倍的转轮直径，高2.2到2.7个转轮直径。竖井的流道内壁选择方变圆的方式，在进行导叶固定之前由方汇集为整圆。确保水流可以均匀的进到导水结构里。因为有竖井，将进水流道分成了两个部分，使得引水流道的损失变得更多了些，并且因为竖井中的水流不对称，非常容易发生旋涡现象，同样造成水力损失的增加。根据相似水力工程的经验来看，竖井贯流式水轮机组比参数相同的灯泡贯流式水轮机组可以少损失2.5%。
进水主要分为两种方式：（1）两侧一底的进水方式，水流是沿着其两侧和底部进水，在竖井的底部存在着比竖井宽度要小的支墩，把在底部流过的水分成了两部分，该方式可以使过水的面积得到增加，进而降低水力的损失。（2）两侧进水方式，指的是水流直接在其两侧进到井内，水流沿着流道到竖井的尾部合拢并进到导水机构里。
4设计中的几点建议
选择竖井贯流式水轮机组型号时的参数通常要略低于灯泡水轮机组，单位流量可以取在2.55到2.95/s之间，去160到200r/min的单位转速，若是将单位流量选的过大，水流的流速也会随之增大，就会将竖井的缺陷方面放大化，从而加剧了水力的损失。
竖井贯流式水轮机组的流道是按照灯泡型水轮机的设计原则进行设计的，引水管进口断面处最好保持在1到1.2的平均流速，HR代表水轮机的额定水头，可以按照公式S=/V来进行流道断面积的计算，代表水轮机的额定流量，V代表水轮机的流道断面流速。
水轮机的核心零件就是主轴，主轴的强度以及刚度是直接影响到水轮机组可否正常工作，水轮机主轴与发电机、增速箱等相连的旋转部分的最高安全转速需高出最大飞逸速度约百分之二十五。
水轮机组采用的齿轮增速箱必须采购专业厂家的负荷符合要求的齿轮箱，还要有和水轮机匹配，要确保水轮机轴和传动轴同轴度，对于齿轮增速箱稀油站的冷却作用也要多加检查
5结束语
竖井贯流式水轮机组有着过流量大、水力的效率高以及成本小的优势，是非常适合进行低水头的水力资源开发的良好的水轮机组。目前在国内，低水头的实力资源开发正在快速的发展与进步，这就要求竖井贯流式水轮机组有着很高的性能，安全性。稳定性以及良好的外观等。为了更加符合市场的需要，必须要对竖井贯流式水轮机组的结构进行不断地优化，开发出拥有更优质性能的流道和水力设计，才能充分发挥竖井贯流式水轮发电机组的优势。
参考文献：
[1]张联升.竖井贯流式水轮机的特点和应用[J].小水电，2014，（3）：14-16，23.
[2]陈传坤，秦振伟.小龙门竖井贯流式水轮机及齿轮箱结构特点与安装[J].水电站机电技术，2011，34（2）：51-55.