水电站工程水力机械设计与优化分析

谢豫

水力机械是水电站建设中的重要组成部分，在建设过程中水力机械的运行特点和功能应当满足水力建设的客观需求，在这一要求之下，针对现有设备进行一定的优化是当前发展建设中的客观需求。针对实际使用目的对水力机械进行设计上的优化可以提升运行效率，降低水力机械运行中出现故障的可能性，对水电站的运行效率以及运行寿命有着直接的影响。

1 水轮机的机械设计

在针对水轮机进行机械设计优化的过程中，设计人员要对水电站的运行需求有清晰的了解，针对实际用途来选择不同的水轮机结构以及材料，保证水轮机的功能和运行效率满足实际生产建设的需求。

1.1 水轮机的机型选择

在水电站的水轮机选择过程中，技术人员要跟据水电站的生产需求、水头利用情况、电站的发电效率等因素，对机型进行合理选择。影响水轮机选择的因素除了生产效率之外，技术人员还要考虑运行过程中的成本对生产过程的影响，消耗过多的机型不适合在中小型水电站之中进行使用。一般在选择过程中，水头在10～25m、40～80m以及100～700m范围之内的水电站可以选择灯泡贯流式或是轴流转桨式水轮机，保证发电效果。

1.2 根据技术参数确定水轮机

借助水轮机运行中的综合性能公式以及水电站建设中的参数可以确定适合使用的水轮机类型，在使用过程中水轮机的水头可以得出水轮机所需的转速，进而技术人员可以对其发电效率以及高度进行计算，确定其是否满足实际建设需求，根据实际参数和水电站的建设需求来确定水轮机机械设计过程，保证使用质量[1]。

1.3 转轮和主轴

在水轮机的转轮部分，技术人员需要根据水电站的生产需求确定转轮不同部分的材质以及转轮结构，在加工过程中，部分水轮机的转轮直径较大，加工精度要求高，在设计中一般会将这类转轮使用组合式的生产方式进行生产和焊接组装，方便运输过程的进行。当前水轮机的主轴一般使用抗重螺栓等材料，其可以承受较大的水压，适合在水电站之中进行使用，保证了转轮主轴受力的均匀，可以有效延长水轮机的使用寿命。

1.4 座环和蜗壳

在当前水轮机的设计过程中，座环结构一般是上下环结构，采用平板焊接结构进行固定，有效的利用了各个部分的钢板厚度优势，改善了使用过程中座环的受力情况。在实际生产过程中为了优化座环的受力情况一般会使用专用设备加强座环的结构。蜗壳是为了保证水轮机的结构完整性，因此在使用中应当选择结构强度较高、耐压性较强的材料，在实际生产中常会使用低碳高强度钢板等材料。

2 水电站辅助水力机械系统中水系统的设计

2.1 技术供水方式的设计

在技术供水方式的设计过程中，由于当前水电站建设中要求节能化生态化建设，因此，设计人员要考虑节能理念的实施，在设备设计中，生态节能理念的主要实施方式就是在设备的选择以及使用上提升机械系统的运行功率，一般在实际设计中会通过增大水流的流速来提升发电量和发电效率。

当前水电站在建设过程中使用的机械设备在运行过程中常会出现故障，无法满足我国水力发电过程的持续性运行需求，因此降低了水电站的发展效率，无法实现长时间的持续发电。为了避免水流因素等影响发电效果，在实际设计中会在水电站之中使用水泵等设备，水泵的使用会增加机械设备的能耗，也会影响水电站的发电效率。因此，针对发电效率和故障问题对水电站运行的影响，技术人员可以选择进口设备完成发电。

要保证水电站运行过程中的发电目标，生产人员要实际发电中应当执行国家统一的水电工程管理标准，在实际运行过程中，技术参数和制造过程不满足管理技术标准的设备会直接影响水电站的运行效率和稳定性，管理人员在设计过程中，应当充分考虑实际使用过程中的环境等因素的影响，严格按照国家规范进行设备的选择和使用。

2.2 管道阀门设计

在水电站的运行过程中，阀门是控制水流的主要设施，由于在运行过程中阀门需要完成导通功能，因此，设计人员需要保证阀门的动力，且为了满足当前的节能设计需求，阀在阀门设计中要尽量降低导通中的压力，降低能量消耗。在设计中还应考虑阀门使用中的检修任务进行的防变形，设计人员要结合工程的机械结构等进行施工安装的规划，并根据运行效率选择生产材料。为了提升管道阀门运行的可靠性，降低出现故障的频率，当前的阀门一般采取自流供水方式，在生产中也会使用不锈钢阀门来避免实际使用中的损坏[2]。

3 水电站辅助水力机械系统中油系统的设计

3.1 绝缘油系统

在水电站辅助机械设备之中使用的绝缘油主要是人工合成物质，在发电过程中可以起到较好的绝缘作用，其流动性可以使对大范围的设备起到绝缘作用，相较于传统的绝缘材料，其具备较大的优势。由于水电站在运行中使用的设备结构较为复杂，且体积较大，为了防止日常故障影响到生产效率，在设备的选择上一般会使用具备较长免检修时间的设备，其内部的绝缘油可以避免和外界产生接触，具备较长的使用时间。在水电站的绝缘系统的设计中，技术人员可以忽略绝缘油的排出设计，针对独立性较强的水电站，在实际设计中可以通过绝缘油库或是处理室对设备进行绝缘保障处理，针对大型水电站，在设计中，绝缘油库应当尽量靠近生产用油设备，降低设备运行中的耗能，满足国家生态建设建设需求。

3.2 透平油系统

透平油在机械设备的运行过程中的主要作用是润滑，避免了设备内部结构由于运行中的摩擦出现损坏，延长机械设备的使用寿命。在设备的设计过程中，设计人员要保证透平油系统的运行灵活性，确保透平油可以达到设备的各个部分，实现润滑目的。一般在设计过程中，透平油系统一般是循环系统，在实际运行中将润滑油在设备的内部进行流动，优化了润滑效果。在润滑油流动期间，设备内部运行中产生的污染物会随着润滑油的流动而流动，进而降低润滑油的实际效果，因此在实际使用中要定期对透平油系统中的润滑油进行更换[3]。为了方便更换过程，设计人员会在排油口位置安装废弃液体收集装置，帮助液体在设备内部的流动。针对大型水力发电站点，在其机械设备的设计过程中一般会以设备的检修维护功能为主要的依据进行机械设备的设计，以便于提升机械设备配置的全面性。此外，在透平油系统的设计和布置过程中，技术人员要保证其满足国家的防火规范要求，设计人员应当针对容易出现意外事故的滤纸以及烘箱电源进行合理设计，保证其在室内环境中进行放置，避免出现意外火灾，造成水电站的设备损失。在油库的布置设计过程中，技术人员要保证排油阀和油罐之间的距离，保证生产安全。

4 结束语

综上所述，在水电站的机械设备的优化设计过程中，设计人员要了解优化设计工作对于水力发电效率以及发电过程的安全性的影响，设计人员要从多个方面进行水电辅助机械设备的设计，降低水电站运行中的成本，方便设备的检修过程，推动我国水力发电事业的建设。

[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（09）：79～82+99.

[2]吴宏轩.思林水电站推力轴承及导瓦安装施工工艺改进[J].贵州水力发电，2010（03）：63～66.

[3]杨永栋.浅析水电站工程水力机械设计与优化[J].黑龙江科技信息，2014（09）：6.