水电站水力机械设计及安装分析

水电站水力机械设计及安装分析

摘要：在开发与利用能源的过程中，电能是十分重要的方面，而电能的开发离

不开水电站，水电站承载着借助水力发电的基础环节部分，因此水力机械的开发

及安装使用就显得十分重要。本文拟从水力机械设计中的水轮机、辅助系统、厂

房等部分入手，进而分析水电站中辅助系统的合理利用，并最终得出水力机械科

学安装的具体途径。

关键词：水电站；水力机械设计；安装

回顾我国水电站的水力机械的设计过程，它经过了多年的设计改良与实际的

投入运用，并进行多次的技术总结与实践更新，在注重同国外的交流与合作的基

础上，已经形成了比较成熟的设计理念与安装技术，并且通过已有的经验与不断

的创新发展总结出了一套相对来说较适合本国特色的设计与安装规程。

一、水轮机的机械设计

水轮机的机械设计需要综合考虑水电站的运行需求、不同水轮机结构特点、

水轮机的设计工艺及材料等因素，以保证水轮机可以满足性能的要求。

1、水轮机的机型选择

首先要注意到的就是水轮机的设计与安装问题，水轮机设发电的主要设施，

它的正常运转与科学安装在整个工程中占有着十分重要的地位。水轮机是一种比

较重要的设备，在选取与使用它的过程中要做到科学合理。同时需要注意的环节

与因素有很多，水的合理利用是最首要的问题，也要兼顾电站在工作中的施工效率，当然机械是否能够稳定的运转也是很重要的方面。另外水轮机的选取还要把

投资的成本和可能带来的经济效益等因素考虑进来。

2、技术目标参数决定的水轮机选取

水轮机的综合性能公式为。利用该公式，可以确定水轮机其他的性能。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

转轮设计时要根据水轮机的使用功率来进行，对转片的角度与尺寸进行优化，将运转过程中的损耗降至最小。若水电站的建设规模较大，基础设施很难使用车

辆运送到场地中，可按结构进行分离，施工时现场组装，焊接过程中要重点注意

各结构的完整性，避免撞击造成结构表面发生形变，影响运转速度。转轮的辅机

要经过精细化处理才可使用，可在主体结构安装完成后再进行，避免施工过程中

精准度发生变化。长度超出5米的结构可动用起重设备来完成安放。

4、主轴导轴承及主轴的密封

当前的主轴导轴承通常采用的是抗重螺栓，或是由可调节楔子板支撑的油浸

式扇形分块瓦轴承，在这个环节中对主轴采取密封的方案能够保证主轴的受力均匀，主要采用的事水压端面的密封结构设计，这样不仅能够保证水轮机的正常运转，而且能够延长其使用寿命。

5、座环与蜗壳

现常用的座环设计为上下环与固定导叶的平板焊接结构，这种结构方式充分

利用各部分的抗撕裂厚钢板优势，配合圆弧形导流环可以改善流态。为进一步对

座环进行校正和固定，还可以添加一些专用设备对座环各部件进行深加工。蜗壳

的材料选取需要满足保证水轮机安全稳定运行、耐抗压等条件，因此蜗壳的材料

可以使用低碳高强度钢板。

二、辅助设备系统

在水利机械设计中，合理的分工与合作是十分必要的，这些小的辅助系统就

起到了完善与巩固主系统的作用，同时如果合理的利用好这些设施，也可以增加

设备的工作效率，并取得很好的整体效益。

1、机械设计系统

辅助系统主要包括供水、排水系统；压缩空气系统；水力测量系统；供油系

统等。这些辅助系统可以丰富水电站的功能，提高水力设备运行稳定度。供水系

统主要用来对机组进行冷却和润滑，因此该系统对水质和水量的要求较高。该部

分的水源可通过多种设计方案实现，传统的取水来源有电站尾水、上游水库取水等，随着机械设计的优化和增加，取水来源又增加了山溪水、地下水、转轮止漏

环漏水。特别是顶盖取水技术，可以在保证经济性能的前提下，提高供水可靠性。排水系统主要用于机组检修和厂房的渗漏排水。该系统所采用机械设备主要包括

集水井和新型排水设备，如立式深井泵、射流泵、承压式压力传感器等。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。

2、技术供水系统

为适应不同季节水轮机各部位冷却器的用水要求，确保机组的安全可靠运行，在供水系统的设计上，采取不同时段不同的供水方式。当库水含沙量较小时，技

术供水以蜗壳单元自流供水为主供水水源，坝前工业取水口为备用水源，经电动

滤水器过滤后直接供入机组各部位的冷却器，但主轴密封用水以设在坝顶的高位

水池为主水源经减压阀减压后供给入轴封，并以坝前库水为备用水源；当库水含

沙量较大时，为防止泥沙对各部位冷却器造成淤堵，每台机组专设一个的清洁水池，清洁水由清水泵加压后送入各部位的冷却器，由冷却器排出的升温后的清洁

水进入防堵型水―水热交换器进行冷却，然后送回清水池循环使用，防堵型水―

水热交换器的冷却用水由蜗壳取水口或工业取水口供给。

3、水力监测系统

水电站的自动化水平设计要求机组及全厂各部位的电量及非电量均应做到自

动取值，在线监测，并且所有被监测的量均送入计算机监控系统。水力监测系统

由全厂性和机组段两个监测系统组成，全厂性水力监测系统设有上游水位、下游

水位、电站水头、各自拦污栅压差、库水含沙量及工业取水口水温等项目的监测，针对本电站多泥沙的特点，水位的监测采用防止泥沙淤堵并带有含沙量修正功能

的吹气式水位监测装置，该装置不仅可以修正含沙量对水位带来的误差，而且通

过双通道水位计还可以监测库水的含沙量变化。机组段水力监测系统主要设有蜗

壳进口压力、尾水管进出口压力、尾水管压力脉动、过机含沙量、水轮机净水头、流量、效率、机组各部位的振动摆度等项目的监测。

4、油系统油系统由抽油泵、存储装置与输送设备组成。在对油进行过滤输

送处理时，多个设备会同时运行，要在每台设备的控制端接入连接线，组成稳定

的系统，共同完成处理工作。系统中的部分设备应具有移动功能，方便完成不同

角度的传输任务。控制中心发出指令后负责供应与排除的管道同时工作，实现系

统的运转。功能不同的管道会连接相应的处理设备，彼此之间互不干扰，为检修