水电站水力机械设计及安装分析与研究

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摘要：我国的水电站经过几十年的发展，已经形成了符合中国实际环境的水力机械设计理念和安装方法。本文就水电站中的多种机械设备的设计方案选取方式和安装要点进行了分析。
关键词：水电站；水力机械设计；安装
我国的水电站的水力机械设计起于19世纪50年代，经过多年的实践、应用、总结及与发达国家之间的技术交流，已经基本形成了符合我国水电水利特点的设计理念和安装方式。随着计算机技术在各领域中得到了广泛的应用，结合计算机的数据计算和工程制图等，水电站的机械设计及安装方式得到了进一步的完善。虽然我国目前的水力机械设计中仍然存在提高和优化空间，但是在一定程度上，我国的水电站机械设计已经可以根据水电站的地理环境和设计要求等设计出符合使用性能的、能经受住运行考验的方案。
水电站中的机械部分主要分为以下几部分：水轮机部分、辅助系统部分、厂房部分，本文分别就这几部分进行了分析和研究。
1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。
1.1水轮机的机型选择
在水轮机的机型选择时，需要考虑水头利用、电站效率、运行稳定度等因素。此外还要综合考虑成本和经济等方面的因素。通常，水头在10～25m、40～80m、100～700m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。
1.2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。
1.3转轮
在转轮部分，需要根据水电站需求确定转轮的叶片、上冠、下环等的使用材料，同时确定转轮结构。对于加工精度高，转轮公称直径大于5米且运输困难的转轮，在组装时可以考虑使用分两瓣的结构进行组焊。如小浪底水电站在转轮的设计及组装时，采用了对各部分分别进行加工的方式，在配件运输到工地后再进行组装的方式。
1.4主轴导轴承及主轴的密封
当前的主轴导轴承通常采用抗重螺栓或由可调节楔子板支撑的油浸式扇形分块瓦轴承。对主轴的密封方案通常采用水压端面密封结构，该结构可以保证主轴受力均匀，延长水轮机的使用寿命。
1.5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。
1.6其他部分
水轮机所涉及结构较多，其他如圆筒阀、顶盖、底环、导水叶等也是水轮机机械设计中需要考虑的，且核心设计思想是在符合使用需求的基础上加强水轮机的稳定性。另外，为便于管理，提高水电站的设备利用率，还可以增加其他辅助设计，如在转轮上环漏水通过排水管引出作为机组冷却用水等。
2辅助系统中的机械设计
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。
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。
3主厂房布置
主厂房的布置是水力机械设计中的一个重要组成部分，这不仅仅是由于主厂房是整个水电站的控制核心，还在于，主厂房的硬件设计指标决定了其他设备的参数指标和安装过程。
在主厂房的布置中，其高程和规模应该考虑安装在厂房中的各个机组设备因素。厂房的设计方式应该与机组要求相一致，并根据实际工作需求更改对局部进行优化。随着技术的进步，厂房的布置也得到了改进和完善。
4结论
本文对水电站中的各项水力机械设备的选取和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。
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作者简介：
杜亚东（1989.10—），男，河南省新蔡县，身份证号：412828198910023055。