水电站水力机械设计及安装分析与研究

【摘要】我国的水电站建设历经十多年的发展，已经逐渐形成符合我国国情实际环境的水电站水力机械设计方法。在水电站水力机械设计过程中，要合理采用设计策略，确保设计质量。同时要做好水力机械的安装工作，确保水力机械设备正常运转。本文对水电站水力机械设计及安装技术进行简单分析。

【关键词】水电站；水力机械；机械设计；机械安装；水电站设备

一.引言

从19世纪50年代开始，水电站水力机械设计开始在我国出现，历经多年发展，通过同发达国家之间的技术交流、实践和应用，基本形成具有我国特色的，符合实际国情的水力机械设计理念。随着计算机技术在水电行业中的广泛应用，水力机械设计的方式进一步优化。当前，我国水电站水力机械设计还存在一定的优化空间，但总体来讲已经能够设计出符合使用性能及能够经受运行考验的反感。

二.水电站水力机械设计及安装

一般情况下，可以将水电站水力机械分为三大部分，即水轮机部分、辅助系统部分和厂房部分。通过三大部分的组合，成为水电站水力机械设备设计的重要项目。

1.水轮机的机械设计

在水轮机机械设计过程中，要综合考虑水电站的设备运行预期要求、不同水轮机的结构特点及水轮机设计工艺和使用的材料等因素。设计过程中，必须要确保能够满足使用性能要求。

（1）水轮机机型选择。在选择水轮机的机型时，要综合考虑电站效率、水头利用、设备运行稳定度等因素，同时要考虑成本因素。通常情况下，水头在10至25m、40至80m、100至700m范围内的水电站的水轮机可分别选用灯泡贯流式或轴流转桨式、轴流转桨式或混流式、混流式或冲击式。

（2）按技术目标参数选取水轮机

按照水轮机的综合性能及技术目标参数进行比较，通过比较确定的水轮机性能和目标性能参数之间的差异来分析，确定选择水轮机的类型。以混流式水轮机为例，利用水轮机的额定水头可以确定初选额定比转速，根据最大水头可以确定额定比转速的上线，进一步，根据额定比转速可以对临界空化系数和电站空化系数进行查询，然后确定高度是否满足要求。进而根据过机水流所含泥沙量的多少、运行水头变幅、水电站地理环境等对额定比转速进行修正。根据修正数据进行机械设计，以选择最为适当的水轮机。

（3）转轮部分设计及安装。根据水电站的实际需求来确定转轮的下环、上冠及叶片等部分的使用材料，同时来确定转轮的结构。转轮公称直径超过5米且加工精度较高转轮，运输较为困难，在组装过程中，要考虑使用分两瓣的结构进行组焊。可以先部分加工，而后将配件运输至施工工地后再行组装。

（4）主轴导轴承及主轴的密封。目前，主轴轴承一般多采用抗重螺栓，或者是采用可以调节的楔子板支撑的油浸式扇形分块瓦轴承。主轴的密封通常采用水压端面的密封结构形式，从而确保主轴能够均匀受力，达到延长水轮机使用寿命的目的。

（5）蜗壳和座环。座环设计中一般采用上下环与固定导叶的平板焊接结构，选择此种结构方式能够充分利用各部分钢板的抗撕裂优势，通过和圆弧形倒流环的配合达到改善流态的目的。为了对座环进行固定及校正，同时要需要添加部分专用设备，对座环的各个部件进行深层次加工。选择蜗壳材料时，必须要满足水轮机的安全运行、稳定运行及耐压、抗压调节，通常可以选择低碳高强度钢板作为蜗壳材料。

（6）其他部分。水轮机涉及的结构较多，除了设备选型、转轮部分、主轴部分及蜗壳和座环部分设计外，同时还包括导水叶、底环、顶盖、圆筒阀等机械部分，在设计过程中，核心设计思想是要能够确保符合水力机械安全、稳定性要求，能够满足设备性能。同时，为了便于管理，便于提高设备利用效率，必须要适当增加其他辅助设计，例如转轮上环漏水可以通过利用排水管引出后来作为机组的冷却用水等方式，尽量提升设备利用率。

2.辅助系统中的机械设计

在水电站水力机械设计过程中，辅助系统主要包括排水系统、供水系统、水力测量系统、压缩空气系统及供油系统等部分。各类辅助系统能够提高水力机械设备运行的稳定度，从而丰富水电站的功能。排水系统主要用于厂房或机组检修的渗漏排水。排水系统采用的机械设备主要包括新型排水设备及集水井，如射流泵、深井泵和承压式压力传感器等；供水系统主要用于对机组进行润滑和冷却，供水系统对水量和水质要求较高。在设计过程中，可以采用多种设计方案来确保水源。传统取水来源包括上游水库取水、取电站尾水等方式。但随着机械设计的增加和优化，取水源还可以增加地下水、山溪水及转轮止漏环漏水等。另外，可以采用顶盖取水技术，在确保经济性能的情况下，尽量提供供水的可靠性。测量系统中已经对现代科技技术进行了大规模应用，各种传感器设备被应用到水力机械中，这些传感器在提高采样精度、增强计算分析能力，设备监控方面具有无可比拟的优势。 压缩空气系统主要用于向油压装置和检修装置补气。为保证供气质量，该系统引入了自动补齐装置，这种装置对自动控制、水气分离、冷却功能等进行了集成，可以更加安全便捷的实现功能要求。

3.主厂房布置

主厂房布置属于水电站水力机械设计的重要内容。由于主厂房属于水电站控制的主要核心，同时由于主厂房的硬件设计指标直接决定机械设计的参数指标及安装过程是否便利。在布置主厂房工程中，其规模和高程都要考虑各个机组设备因素。主厂房的设计要同机组的要求保持一致，结合工作实际，对主厂房细节及局部进行优化。通过合理布置主厂房，确保水力机械设备的优化和完善。

4.基础自动化元件及自动装置

（1）自动装置。水电站水力机械的自动装置是独立于计算机监控系统之外存在的，能够单独发货作用。自动装置能够对相应设备进行自动调节和控制，具有一定组合逻辑。在进行水电站水力机械设计过程中，设计设备自动化系统时，必须要确保自动控制设备能够安全、可靠、稳定、灵敏、快速同机械设备配套，充分发挥水力机械设备的经济效益。

（2）基础自动化元件。基础元件主要负责监视水力机械设备的运行工况，对异常状态进行记录并报警提示，通过对水电站水力机械进行控制，确保运行状况的稳定。

（3）水文自动测报系统。由于我国绝多数水电站兼有灌溉和防洪等任务，因此在水库调度工作中，不仅要搞好水库的发电经济调度，创造经济效益，同时还要及时、正确地掌握水情、汛情，搞好防洪渡汛工作。在进行水电站水力机械设计过程中，要考虑水文自动测报系统和设备的联动，水文自动测报系统一方面要及时、准确、快捷地采集水情，另一方面还要通过计算机在较短的时间内作出洪水预报。该系统对水电站的防洪、排沙、发电、调峰、调频、灌溉、航运、漂木等均有十分重要的意义。

三.结束语

本文对水电站中的各项水力机械设备的选取和部分安装进行了分析和研究，希望通过该研究规范实际水电站的机械设备选取，减少设备不匹配等因素带来的经济损失。在水电站水力机械设计过程中，要注重水轮机等重要设备的选型，将水电站预期目标性能参数作为衡量重点，合理采用设计策略，注重机械部分的协调和配合，选择适当的材质，确保水力机械设备满足水电站经营运转需要。

参考文献：

[1]姚建国，朱惠君，武赛波等.糯扎渡水电站水力机械设计的主要特点[J].水力发电，2012，38（9）：79-82，99

[2]周永忠，许荣贵.居龙滩水电站水力机械设计[J].小水电，2008，（1）：24-27.