大型水电机组的单机容量已达到700MW，结构尺寸越来越大，部件重量越来越重，而刚强度性能相对减弱。保障机组安全稳定运行、降低制造成本成为机组设计中更加突出的问题，能否找到一种布局佳、受力好、重量轻的部件设计，一直是设计人员梦寐以求的目标。开展水电机组结构件的优化选型设计，提出优化结构型式和机组整体布局，无疑是推进这一工作最有力的方法和手段，已成为提高目前水电机组设计水平的一个重要研究课题，具有重要的学术和经济价值。 结构的选型优化是一个世界性的前沿课题，目前还没有可行的解决方法。本文使用结构刚强度有限元分析对比方法，运用结构优化综合技术，通过对水电机组主要部件的刚强度对比和主要影响因素分析、优化选型和整体布局的设计分析，提出了定性和定量的优化选型设计方法，并得出如下的主要结论：1机组部件结构刚强度性能对比和主要影响因素分析。大量分析对比了几个有代表性的由国内外不同公司所设计的机组部件的刚强度性能，找出了国内外不同公司在同一构件设计上存在的差异和导致这种差异的原因，指出了顶盖、承重机架和定子机座设计的主要矛盾是刚度问题，而蜗壳座环的设计主要是强度问题。从结构拓扑，几何形状、板厚尺寸3个方面对水电机组4个部件--顶盖、蜗壳座环、承重机架和轴系刚强度主要因素进行了全面系统分析，找到了影响机组部件刚强度的主要因素，得到了这些部件全新的、深刻的认识，并给出了顶盖、蜗壳座环、承重机架优化型的结构型式。 2结构的选型优化分析和优化设计。提出了一种能定量地描述结构改进和优化选型的方法--灵敏度分析、参数研究、变量分析和参数化建模技术。通过变量分析做出的灵敏度图谱，可分析出主参数，进而给出设计师们所需要的设计曲线，为结构改进提供直接的参考数据。参数化建模技术可实现结构优化分析过程的自动化。以I-DEASTMMasterSeries7.0分析软件为依托，开发了尺寸优化、几何形状优化以及将尺寸和形状联合进行优化的功能，给出了4个有代表性水电机组结构件的优化设计实例，并取得了明显的效果。 3结构的选型优化设计。对水轮机蝶阀活门和水压试验闷头进行了选型设计，提出了2个创新结构。大型蝶阀采用4筋板桁架结构型式，刚强度和水力性能好，结构重量轻，水压试验闷头为球壳型设计。推广应用到30多台水轮机蝶阀的结构设计中，取得了2千多万元的经济效益。对混流式水轮机转轮提出用带有专家智能性的优化设计程序和方法，分析了影响转轮强度性能的各种因素，总结出转轮强度性能的改善途径，并提出了改变上冠、下环和叶片的局部厚度和补强三角块来施行优化的策略。 4水电机组整体布局优化设计。比较分析了国内外一些水电机组整体布局方案，指出国内所设计的机组布局存在厂房高，机组布置松散，缺乏整体优化设计理念等问题。对半伞式3导轴承的水轮发电机组的总体布置方案——下机架方案(推力轴承放置在下机架上)和推力支架方案(推力轴承放在顶盖上)的刚强度、制造成本、机组稳定性进行了对比分析，指出2种方案均是可行的，各有优势。以水口机组轴系的整体布置与优化为例，从导轴承的数量、支承刚度，轴的直径，轴系振型，平衡精度等方面对轴系布局的影响进行了分析研究，给出了采用2导轴承设计满足机组稳定性能的主要措施，并通过电站实际振动测试，表明布局方案选择的正确性。