顶盖和蜗壳座环是水轮发电机组的重要部件,承受着巨大的水压力载荷作用,其刚强度性能直接决定机组能否安全稳定运行。建设大容量的水轮发电机组可以减少装机台数、节省工程投资和电站运行成本,而且水轮发电机组的单机容量代表了机组的设计和制造水平。因此,对大型水轮机顶盖和蜗壳座环结构进行详细的结构优化分析是十分必要的。本文利用有限元方法对大型水轮机顶盖和蜗壳座环进行结构选型和结构优化。首先,确定统一的顶盖和蜗壳座环的有限元分析策略,包括有限元模型的简化、边界条件的设置、载荷的施加以及分析结果的后处理,便于对比不同顶盖结构和不同蜗壳座环结构之间刚强度性能的差别。其次,选择三峡右岸、三峡左岸、龙滩、糯扎渡、小湾、拉西瓦及构皮滩等水电站作为研究对象,进行顶盖和蜗壳座环刚强度性能对比分析,并综合评价大型水轮机顶盖和蜗壳座环的刚强度水平,确定影响结构刚强度性能的主要影响因素。厚度参数中,上环板厚H5和上过渡段厚H3是蜗壳座环综合应力主要影响参数,应力降幅约为7%;几何尺寸参数中,蜗壳中心半径T1、蜗壳半径T2和过渡段与环板接触半径T6为主要影响参数,应力降幅约为14%。然后,从拓扑形式、几何尺寸和板厚配置三个方面,开展常规混流式和带圆筒阀混流式水轮机顶盖轴向刚度主要影响因素分析,提出提高顶盖轴向刚度的具体措施;采用解析计算方法,针对蜗壳过渡段、蜗壳钢板厚度,开展分段计算蜗壳理论厚度的研究,为有限元分析和蜗壳板厚的合理配置提供设计依据;采用变量分析技术,研究蜗壳各段板厚和相应几何尺寸与应力水平的关系,最终确定各段板厚和几何尺寸合理变化范围。常规顶盖板厚参数中,下板内部T6、外围板T4、上板内部T7和长筋T8的厚度对轴向变形影响显著,降幅约为3%;筒阀顶盖板厚参数中,法兰厚度T1和上板外部T2的厚度对轴向变形影响明显,降幅约为8%。最后,以溪洛渡水电站水轮机顶盖和蜗壳座环的结构设计为依托工程,应用有限元变量化分析技术,针对结构几何尺寸和板厚等特征参数,进行了水轮机顶盖和蜗壳座环的结构选型和优化设计,对比有限元分析结果和工程实际数据,进一步验证优化方法的有效性。