水轮机层是指发电机层以下，蜗壳大块体混凝土以上的这部分空间。在水轮机层一般布置有发电机支承结构——机墩、调速器的接力器、水力机械辅助设备(如油、气、水系统)、电气设备 (如发电机引出线、中性点引出线、接地、灭磁装置等)等，如图5-3所示。
一、发电机支承结构
    机墩是立式发电机的支承结构，其作用是将发电机支承在预定位置上，承受机组转动部分和固定部分的重量，将之传给下部结构，并为机组的运行、维护、安装和检修创造条件。为保证机组正常运行，要求机墩具有足够的强度和刚度，同时具有良好的抗振性能，一般为钢筋混凝土结构。常见的机墩形式有：
    (1) 圆筒式机墩。如图5-7所示，其结构形式为上下直径相同的等厚壁钢筋混凝土圆筒，其壁厚在1m以上，上端与发电机层楼板或风罩相连，下断固结于蜗壳顶部的混凝土上。外部形状可是圆形，也可是八角形。内壁为圆形的水轮机井，其直径一般为1.3~1.4倍的转轮直径。
     当采用悬式发电机时，水轮机井上部直径一般比发电机转子直径小0.6~1.5m；采用伞式发电机时，水轮机井上部直径比转轮直径大0.5~0.7m。为便于检修，机墩一侧需布置进人孔，尺寸一般为2×1.2m。
圆筒式机墩的优点是刚度较大，抗压、抗震、抗扭性能较好，结构简单，施工方便，我国大中型电站采用较多。但水轮机层占空间较大，辅助设备和预埋管路不便，水轮机井空间狭小，水轮机的安装、维修、维护不方便。
   （2）平行墙式机墩。如图5-8所示。机墩由两平行承重钢筋混凝土墙及其间的两横梁组成。发电机直接支承在平行墙及其横梁上。这种机墩水轮机顶盖处较宽敞，工作方便，检修水轮机时可不拆卸发电机，而直接将水轮机转轮从从两平行墙间吊出，但其刚度和抗扭性能较差。国内较少采用这种形式。

图5-7   圆筒式机墩                     图5-8 平行墙式机墩

    (3) 环形梁式机墩。如图5-9所示，由4根或6根立柱以及固接于柱顶的环形梁组成，发电机座落在环形梁上，立柱底部固结在蜗壳上部混凝土上，并将荷载传到下部块体结构。此种机墩的优点是混凝土用量省，水轮机顶盖处宽敞，立柱间净空对设备的布置、机组的出线、安装、维修均比较方便。缺点是机墩刚度小，抗振、抗扭性能较差，一般用中小型机组。
    (4) 框架式机墩。如图5-10所示，机墩是由两个纵向刚架和两根横梁组成。发电机支承在框架上部的梁系上，并由框架将荷载经蜗壳外围混凝土传至下部块体结构。其优点是节约材料，施工简单，造价低。构架下面的空间便于布置管路和辅助设备，机组安装、检修都较方便。缺点是刚度更小，仅适用于小型机组。

图5-9   环形梁式机墩                 图5-10   框架式机墩

二、水轮机层附属设备和辅助设备的布置
   （一）接力器
    每台机组装设一套包括调速器、油压装置等附属设备组成的调速系统，根据电力系统要求自动调整机组的出力，同时使机组保持一定的额定转速。调速设备一般由下列三部分组成：调速器操作柜、接力器、油压装置。三部分之间用管路联系。除接力器，另外两者均布置在发电机层。

图5-11   接力器示意图

    1、接力器，是直接控制水轮机导叶开度，调节进入水轮机流量，以保持机组转速稳定的机构。因蜗壳上游断面尺寸较小，接力器一般布置在上游侧机墩内，如图5-11所示。
   （二）发电机主引出线
    发电机主引出线就是母线，通常采用扁方形的汇流铜排或铝排。发电机发出的电流通过母线送往变压器，由于母线价格昂贵，因此要求母线长度最短，明线布置，出线顺畅没有干扰，母线廊道干燥、通风散热条件好。因此，主引出线由发电机定子上的引出断接出后，通过主出线道进入母线道，经低压配电装置，最后接主变压器。发电机引出线和中性点侧都装有电流互感器，一般安装在风罩外壁或机墩外壁上。小型水电站一般不设专门的出线层，引出母线敷设在水轮机层上方，而各种电缆架设在其下方。水轮机层比较潮湿，对电缆不利。对发电机引出母线要加装保护网。
   （三）油系统
    1、作用及分类
    水电站各种机电设备所有的油主要有两种：绝缘油——各种变压器和油开关等电气设备用油，起到绝缘、散热、灭弧的作用；润滑油——各种轴承及油压操作用油，起到润滑、散热及传递能力的作用。两种油的性质不同，应有两套独立的油系统。
    2、油系统的组成及布置
    由于电站用油量大，为保证大量的油经常都处于良好状态，电站要设油系统。
    (1) 油库。接受和贮存油的地方，油库设有油罐。透平油的用油设备均在厂内，故透平油库一般布置在厂内，只有在油量很大时才在厂外另设存贮新油的油库。绝缘油用量大的主变压器和开关站都在厂外，所以绝缘油库常布置在厂房外主变压器和开关站附近。在主厂房内，油库可布置在安装间下层、水轮机层或副厂房内。油库要特别注意防火，大于100t时油库应设在厂外。油库的门窗均应外开。
    (2) 油处理室。设有油泵和滤油机，有时还有油再生装置，她们可使在使用过程中被氧化或被污染的油恢复原来有性质。油处理室一般设在油库旁。透平油与绝缘油常合用油处理室。相邻水电站可合用一套油处理设备。
    (3)中间排油槽。当油库设在厂房外时，可在厂房下部布置中间排油槽，以便存放各种设备中排放出来的污油。
    (4) 补给油箱。设在主厂房的吊车梁下。当设备中的油有消耗时，补给油罐自流补给新油。当不设补给油箱时，可利用油泵补给新油。
    (5) 废油槽。在每台机组的最低点设废油槽，收集漏出的废油。
    (6) 事故油槽。当变压器、油开关、油库发生燃烧事故时迅速将油排走，以免事故扩大。油可排入事故油槽中或直接排入下游河道。事故油槽应布置在便于用油设备排油的位置，并便于灭火。
    (7) 油管。油的输送设备，一般布置在水轮机层。
   （四）气系统
    1、压气系统的用途
    电站许多设备在工作时均需要用到压缩空气。压缩空气系统可分为低压压缩空气和高压压缩空气。
    (1) 低压压缩空气系统。一般为5~7个大气压（0.5~0.7Mpa）。厂房中用到低压空气的设备：发电机停机时用压缩空气制动；机组调相运行时，向水轮机顶盖下充低压空气以压低尾水管水位；蝶阀关闭时，将压缩空气通入阀上的空气围带，使其膨胀而减少漏水；检修时清扫设备，供风动工具使用；通向拦污栅，防冻、清污。
    (2) 高压压缩空气系统。一般为20~25个大气压（2.53Mpa）。厂房中所有调速器油压装置的压力油箱充气，调速器压力油箱中约有2/3的体积为压缩空气，以保证调速器用油时无过大的压力波动。配电装置如空气断路器的灭弧和操作的用气，以及开关和少油断路器的操作用气。
    2、压气系统的组成及布置
    压气系统的组成有空压机、储气罐、输气管、阀门、测量控制元件。
    用气设备如远离厂房(如高压开关站及进水口)，则在该处另设有压气系统，厂房内高低压系统均要设置。空气压缩机室一般布置在水轮机层，安装间的下面，其噪声很大，要远离中央控制室，并满足防火防爆要求。
   (五)供水系统和排水系统。
    1、供水系统
    (1) 供水对象及要求
    水电站厂房内的供水系统包括技术供水、生活供水、消防供水。技术供水包括冷却、润滑用水，例如发电机的空气冷却器、机组导轴承和推力轴承的油冷却器、水润滑导轴承、空气压缩机气缸冷却器、空压机汽缸冷却器、变压器冷却设备等。耗水量最大的是发电机和变压器的冷却用水，可达技术用水的80%左右，要求水质清洁、不含对管道和设备有害的化学成分。
消防用水要求水流能喷射到建筑物的最高部位，水量一般为15L/s。消防用水可从上游压力管道、下游尾水渠或生活用水的水塔取水，并且应设置两个水源。生活用水根据工作人员的多少决定。
    (2) 供水系统布置及供水方式
    一般供水系统是从坝前取水、压力管道取水、下游水泵取水和地下水源取水。供水系统由水源、供水设备、水处理设备、管网和测量控制元件组成。管路应尽可能靠近机组，以缩短管线并减少水头损失。供水泵房布置在水轮机层或以下的洞室内。为保证水质，用水管把水引向过滤设备，经过滤后再分配用水。
    a、坝前取水：从厂房上游侧取水，适用于水头12~60m的河床式或坝后式厂房。这种取水方式，水源可靠，若厂房上游有水库，可取水库下层水，水温、水质都有保证，但增设取水口增加了造价。
    b、引水钢管取水：在主阀的上游侧，压力钢管上方设一管道取水。适用于水头在20~80m之间的水电站，但当水头大于40m时需要减压设备。
    c、下游水泵取水（尾水渠取水）：在尾水渠最低水位以下50cm处，修取水口，利用水泵抽水，厂房内设贮水池。这种方式增加了水泵等设备的电能消耗，造价增加，因此，只有当前两种方式不可用或低水头河床式电站时采用。
    d、地下取水：即抽取地下水。此时水质可得到保证，但地下打井，费用较高，水量难以保证，故较少采用。
    2、排水系统
    (1)排水系统的作用和排水方式
    厂房内的生活用水、技术用水、阀门或建筑物及其他设备的渗漏水，均需及时排走。发电机冷却用水等技术用水及渗漏水应先考虑自流排往下游。不能自流排除的用水和渗水，可用排水沟或管将其集中到集水井，再用水泵排到下游，这个系统称为渗漏排水系统。
    机组检修时常需要排空蜗壳和尾水管，为此需设检修排水系统。检修时，将检修机组前蝴蝶阀或进水闸门关闭，将蜗壳及尾水管中的水自流经尾水管排往下游。当蜗壳和尾水管中的水位等于下游尾水时，关闭尾水闸门，利用检修排水泵将余水排走。检修排水可采用下列几种方式：
    a、集水井。各尾水管与集水井之间以管道相连，并设阀门控制，尾水管的积水可自流排入集水井，再用水泵排走。
    b、排水廊道。在厂房最低处沿纵轴线设一廊道，尾水管的积水直接排入廊道，再以水泵排走。由于廊道体积大，尾水管中积水排除迅速，可缩短检修时间。
    c、分段排水。在每两台机组间设集水井和水泵，担负两台机组的检修排水。
    d、移动水泵。需检修某台机组时，临时移动水泵装在该处进行排水。
    2、排水系统的布置要求
    水泵集中在水泵房内，集水井设在水泵房的下层。集水井通常布置在安装间下层、厂房一端、尾水管之间或厂房上游侧。集水井的底部高程要足够低，以便自流集水。每个集水井至少设两台水泵，一台工作，一台备用。
三、水轮机层结构尺寸拟定
    水电站厂房的各层高程中，起基准作用的高程是水轮机安装高程。水轮机的安装高程确定以后，其他高程就可逐个确定下来。
    1、水轮机安装高程
水轮机的安装高程是一个基准高程，与水轮机的型式、允许吸出高度和电站下游尾水位等有关。其计算公式为：
                               (5-1)
          (m)               (5-2)
    式中：▽_T——水轮机安装高程，m；
            ▽_w——水电站正常运行时可能出现的最低下游水位，一般可取台机组的过流量相应的尾水位，m；
            H_s——水轮机允许吸出高度，m；
            σ ——气蚀系数，根据水轮机特性曲线确定； ——气蚀系数的修正值，由水轮机厂家提供；
           H——计算水头，m；
            ▽——水电站厂房所在地点的海拔高程。
            X——水轮机压力最低点与安装高程之间的高差，与水轮机的型式有关，见图5-12 。
                    X=b₀/2    混流式水轮机          　 (5-3)
                    X=0.41D₁ 轴流式水轮机            (5-4)
    水轮机的安装高程确定以后，就可以依据结构和设备的布置要求确定各层高程了。主厂房的各层高程见图5-13。

图5-12   不同类型的水轮机吸出高度
   (a) 竖轴混流式水轮机；(b) 竖轴轴流式水轮机；
A——压力最低点

    2、主厂房基础开挖高程
    从水轮机安装高程 ，向下减去转轮尺寸的一半，再减去尾水管的尺寸h1 ，再减去尾水管底板混凝土厚度S(根据地基性质和尾水管结构形式而定，岩基S=1~2m，土基S=3~4m)，就得到厂房基础开挖高程 。可用下式表示：
     ▽_F=▽_T -  b₀/2 - h₁ - S                   (5-5)
    3、水轮机层地面高程
    水轮机层设计的原则是要保证蜗壳顶部混凝土的强度，因此要求蜗壳顶部混凝土要有足够的厚度，一般不低于1.0m。从水轮机安装高程向上加上蜗壳进口半径和蜗壳顶部混凝土层厚度h，可得水轮机层地面高程 。金属蜗壳的保护层一般不少于1.0m。混凝土蜗壳顶板厚根据结构计算决定，或根据国内外已建电站的经验采用，然后在结构设计时进行复核。
水轮机层地面高程一般取100mm的整倍数。可用下式表示：
     ▽₁= ▽_T+ h                                  (5-6)

图5-13　主厂房各层高程示意图

    4、主阀廊道地面高程
    主阀廊道地面高程=▽_T - 1/2D_f -（0.8~1.0m）              (5-7)
    式中: D_f——主阀外径，m；