水电站水力机械设计要点分析

姚 杰

（中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川 成都 611130）

纵观我国水电站领域的水力机械发展进程可知，现阶段已经形成较为先进的设计理念及配套技术，其对于提高水电站水力机械的设计水平而言具有关键作用。作为技术人员，需要正确认识水力机械设计工作，梳理设计思路，精准把握设计要点，充分提高设计方案的可行性。

1 水电站水轮机的设计要点

水轮机作为水电站水力机械的重要组成“元素”，设计方案必须具有可行性，应当以统筹兼顾的理念做好设计工作，体现在机型、转轮、主轴导轴承、座环与蜗壳等方面。

1.1 水轮机的选型方法

水电站的建设规模、运行环境等方面均具有独特性，对水轮机的要求也不尽相同，需要立足实际条件，选择合适型号的水轮机，使其能够适应实际运行环境。在选择水轮机发电设施时，必须充分考虑多方面的要求，例如水资源的利用水平、水轮机内部机械的运转稳定性、电站的运行效率等。在保证水轮机满足基本工程需求的前提下，尽可能减少其建设及运维阶段的成本投入，提高经济效益。

以混流式水轮机为例，根据其额定水头，能够确定额定比转速的上限，而在得到额定比转速的具体值后，根据需求进一步得到临界空化系数和电站空化系数，对高度做出判断，即是否满足设计要求。过机水流所含泥沙量、运行水头变幅等均是关键参数，具有重要的参考价值，有利于修正额定比转速，提高该项指标的合理性。确定修正数据后，组织有关于水轮机的机械设计工作，确定合适规格的水轮机，确保能够高效运行。

1.2 转轮的设计

以水轮机的使用功率为参考，组织转轮的设计工作，着重考虑转片的角度、尺寸的优化，尽可能提高转轮运行的顺畅性，减小损耗。若水电站建设规模较大，则对基础设施的配套提出较高要求，所需设施的规格偏大，宜将结构拆分为多个细分部分，运至现场后根据技术要求组装成型，试运行发现问题并处理，直至转轮高效运行为止。转轮的辅机需要具有足够的性能优势，在主体结构安装到位后方可安装。

1.3 主轴导轴承的设计

现阶段，主轴导轴承主要应用的是抗重螺栓，针对主轴采取密封处理措施后，有利于改善主轴的使用条件，提高受力的均匀性，较为合适的是水压断面密封的密封结构设计方式，兼具维持水轮机运行稳定性、提高耐久性的双重应用效果。

1.4 座环与蜗壳的设计

水电站水轮机的座环普遍采用上下环与固定导叶的平板焊接结构，特点在于能够有效彰显抗撕裂厚钢板的性能优势，通过圆弧形导流环的辅助应用，有效改善流态。对于蜗壳的设计，则需要注重结构形式、材质等方面，应当具备抗压、稳定等多重要求，例如低碳高强度钢板是较为可行的蜗壳材质。

2 辅助系统的设计

除水电站的核心水力机械外，还配套一系列的辅助系统，对于主要机械乃至整个水电站的运行而言起辅助作用，若能合理设计，则有利于提高整体效益。辅助系统涵盖的内容较多，包含供水系统、排水系统、压缩空气系统等。在设计时，既要保证各子系统稳定运行，又要考虑子系统间的协同运行需求，即各系统共同配合，构筑完善且可行的整体大系统。

2.1 机械系统的设计

（1）供水系统。作用在于冷却及润滑机组，要求水量和水质均满足要求。在传统技术方式下，取水来源主要为电站尾水、上游水库取水等，但在技术水平日益提高、产品类别随之丰富的行业环境中，取水来源途径扩宽，例如地下水、山溪水等均得到广泛应用，具体可以根据现场水文条件选定合适的供水方式。

（2）排水系统。作用在于进行机组检修和厂房的渗漏排水。核心组成有集水井、排水设备，具体包含射流泵、立式深井泵等。通过各类基础设施的协同运行，发挥出排水系统应有的功能。

（3）压缩空气系统。作用在于向油压装置和检修装置补气。通常选择的是自动补气装置，其应用优势在于集成自动控制、水汽分离等多种功能，有利于提高供气的质量，且精简硬件配置，仅需相对较少的设备便可以满足多方面的功能需求，经济效益突出。

2.2 供水系统的设计

水电站全年运行中，不同季节的运行环境有所差异，导致冷却器的用水要求不尽相同。为增强机组运行的稳定性，可针对各时段匹配相适应的供水方式。若水含沙量较小，较为适宜的是蜗壳单元自流供水模式，将其作为主供水水源，备用水源可以选择坝前工业取水口处的水，在滤水器的过滤作用下，将处理后的水供入冷却器内。

对于主轴密封用水，该部分来自坝顶的高位水池（主水源），得到减压阀减压处理后，可以转至轴封内，备用水源可以选择坝前库水[1-3]。库水含沙量较大时，容易发生淤堵现象，例如冷却器堵塞，考虑到此问题，可以为各机组适配专用的清洁水池，产生的清洁水在清水泵加压泵送后转移至冷却器中。运行期间冷却器排出的水则统一流入防堵型水-水热交换器内，对排出的高温水予以冷却，待温度降低至许可范围后，送回清水池进一步使用，构成循环机制，充分提高水资源的利用效率。

2.3 水力监测系统的设计

水力监测系统应具有持续监测、自动记录、高效整合数据等功能，以各类功能需求为导向，合理设计。从组成看，全厂性和机组段的监测系统为关键部分，各自均有独特的运行特点，系统如图1所示。

图1 水利监测系统

全厂性水力监测系统，监测对象包含上下游水位、电站水头、库水含沙量、拦污栅压差等。部分水电站存在泥沙含量较高的特点，需要加强对泥沙含量的监测，以便及时根据实际情况采取控制措施，避免出现泥沙淤堵问题。对此，可以适配吹气式水位监测装置，除了提供监测功能外，还具备防泥沙淤堵、含沙量修正多重功能。

机组段水力监测系统，监测对象包含进出口压力、过机含沙量、流量、水轮机净水头、机组各组成装置的振动摆度等。

2.4 油系统的设计

油系统的核心组成包含抽油泵、存储装置、输送设备。油的过滤输送处理过程中，将由多台设备协同参与，为提高运行的秩序性，需在各设备的控制端接入连接线，构成完善的整体系统，由内部设备共同运行，完成处理工作。油系统的内部组成中，要求部分设备具有移动功能，以满足各角度下的传输需求。油系统对接控制中心，接收到特定的指令后，启用系统内部的相应设备，进行特定的操作[4]。

2.5 气系统的设计

气系统包含两个细分子系统，即中、低压气系统。其中，中压气系统的关键功能在于给供油压装置充气、补气，硬件方面可以配置1 m3、4.5 MPa的贮气罐。对于低压气系统，主要为机组的制动、复位用气，可以配置3 m3、0.8 MPa的贮气罐，用气从供气总管上引出。

3 主厂房的设计

水力机械设计中，主厂房的设计也是不容忽视的内容，重要性体现在两个方面。

（1）从水电站的结构组成关系看，主厂房是控制核心，充当“主角”。

（2）主厂房的硬件设计指标关联性较强，影响到其他设备的参数指标，因此需要提高主厂房的设计水平，保证与其他设备协同运行。

在主厂房的设计中，高程、规模需具有合理性，具体应当考虑到厂房内部各机组设备因素，兼顾各类机组设备的运行需求，增强厂房设计与机组的协同性，并针对细部做可行性优化，使建成后的厂房具有较高的整体运行水平。

随着技术的持续进步，在先进技术的支撑作用下，厂房的布置逐步趋于优质化，水轮机层是水力机械辅助系统的布置层，应进行合理的设计与优化。供水系统内含丰富的设备及管路，需要以集约化的方式布设在该层下游侧及同层的尾水副厂房内。检修排水系统设备具有辅助作用，将其设置在主体安装场下同层的排水泵房内。此外，还需要对副安装场做合理的规划，例如透平油及绝缘油库、油处理室，要求在空间布置上具有合理性，实现稳定运行。

4 结语

综上所述，水力机械设计是水电站前期设计工作中的关键内容，在电力资源需求增加之下，水力机械设计水平也应当有所提高，需要专业人员参与设计工作，以准确的理念为指导，以先进的方法为支撑。文中对水电站水力机械的设计要点展开分析。同时，指出现阶段的水电站水力机械设计的不足之处，今后应持续探索，寻求更为可行的发展路径，应用先进的设计理念和设计方法。