水轮机选型与结构设计

水轮机选型与结构设计 毕业设计,论文， 题 目 水轮机 选型与结构设计 专 业 热能与动力工程 班 级 学 生 指导教师 2013 年 摘 要 水轮机作为水力原动机，是水力发电机组能量转换的核心部件。水轮机参数选择的先进性和合理性，结构设计的可靠性和适用性对水轮发电机组的安全稳定运行乃至整个电力系统的生产和安全具有非常重要的意义。有必要加强转轮选型设计和水轮机结构设计方面的研究，进一步提高机组的性能和质量。 本文根据山美电站的工程概况和相关参数，做了如下工作:(1)选择合适的水轮机机型。根据所给的电站原始资料和模型综合特性曲线，利用相关 公式 小学单位换算公式大全免费下载公式下载行测公式大全下载excel公式下载逻辑回归公式下载 计算出原型水轮机的主要相关参数，然后将所选参数转换为单位转速，在模型综合特性曲线上检验所选参数是否合适，并绘制水轮机综合运转特性曲线。(2)进行水轮机的结构设计。通过分析水轮机各零部件的作用和结构特点，寻找各零部件的特征尺寸以及各尺寸的关联关系，参照水轮机设计手册等现有资料，运用AUTO-CAD绘图软件，对山美电站的水轮机结构进行设计。设计内容主要包括:?埋入部件:座环、基础环、尾水管、蜗壳;?导水机构以及顶盖、底环;?转动部件:转轮的结构、主轴，并对主轴进行强度校核;,其他部件:主轴密封、水导轴承、真空破坏阀和补气装置。设计中优先采用先进结构、新型材料，综合考虑安全性、制造工艺以及安装、维护检修各方面因素。 关键词:山美水电站，混流式水轮机，结构设计，强度校核 山美水电站水轮机选型与结构设计 ABSTRACT As a hydraulic prime mover, the turbine is the core components of energy conversion part among the hydro electric generating set. The advancement and rationality of turbine parameters selection as well as the reliability and applicability of the structure design possess great significance to the safe and stable operation of the hydroelectric generating set, even to the production and safety of the whole power system. It is necessary to further the study on the runner type-selection design and the structure design of turbine, thus improving the performance and quality of the set. According to the project profiles and associated parameters of Shanmei hydropower station, this thesis completed the following tasks: 1. Selecting appropriate model of turbine. Based on the original materials and model synthetic characteristics curve provided by the plant, the paper calculated the main relative parameters of the model turbine with associated formula, and then transformed the parameters into the unit rotation speed to test the applicability on the synthetic characteristics curve, as well as drew a synthetic running features curve of the turbine. 2. Designing the structure of the turbine. The design of the turbine in Shanmei Plant was completed by several steps as follows: analyze the function and structural features of all parts of the turbine, and ascertain the characteristic size of all parts and figure out their relation; then refer to the instruction of the II 2012届热能与动力工程专业毕业设计 materials like design manual and use the AUTO-CAD software to finish the design. The contents of the design mainly includes: 1. embedded parts: socket ring, foundation ring, draft tube and volute; 2. water distributor, coping and base ring; 3. rotatable parts: runner’s structure, principle axis and its strength check; 4.Other parts: shaft seal, guide bearings, vacuum breaker valve and air admission device. Some advanced structure and new materials were adopted with the consideration of factors like safety, fabrication technology, installment and maintenance. KEY WORDS: Shanmei hydropower station,Francis turbine， structural design,strength calculation III 2012届热能与动力工程专业毕业设计 目 录 1.前 言 ............................................... 1 1.1概述 ..................................................................................................... 1 1.2原始资料 ............................................................................................. 2 1.3设计要求和设计内容 .......................................................................... 2 1.3.1设计内容................................................................................... 2 1.3.2设计要求................................................................................... 3 2.水轮机的选型设计 .................................... 5 2.1 原始数据 ............................................................................................ 5 2.2 选择转轮型号 .................................................................................... 5 2.3水轮机基本参数的计算 ...................................................................... 5 2.4水轮机综合运转特性曲线的绘制 ....................................................... 8 2.4.1等效率曲线的绘制 ................................................................... 8 2.4.2等吸出高度线的绘制 ............................................................... 8 2.4.3等开度线的绘制 ....................................................................... 9 3.水轮机总体结构设计 ................................. 11 3.1埋入部分 ........................................................................................... 12 3.1.1 座环 ....................................................................................... 12 3.1.2蜗壳 ........................................................................................ 12 3.1.3基础环 .................................................................................... 12 3.1.4尾水管 .................................................................................... 12 3.1.5基坑里衬................................................................................. 13 3.2导水机构 ........................................................................................... 13 3.2.1 顶盖和底环 ............................................................................ 13 3.2.2 导叶 ....................................................................................... 13 3.2.3 控制环 ................................................................................... 14 3.2.3 导叶操作机构 ........................................................................ 14 1 山美水电站水轮机选型与结构设计 3.3 转动部分 .......................................................................................... 14 3.3.1 转轮 ....................................................................................... 14 3.3.2 主轴 ....................................................................................... 14 3.4 其他部件 .......................................................................................... 15 3.4.1 水导轴承 ............................................................................... 15 3.4.2 主轴密封 ............................................................................... 15 2.4.3 补气装置 ............................................................................... 15 3.4.4 真空破坏阀 ........................................................................... 15 4. 埋入部件的结构设计 ................................ 17 4.1转轮的流道尺寸 ............................................................................... 17 4.2 座环与蜗壳 ...................................................................................... 18 4.3 基础环.............................................................................................. 20 4.4 尾水管.............................................................................................. 21 4.5 基坑里衬及地板装置 ...................................................................... 22 5. 导水机构结构设计 .................................. 23 5.1 导水机构总体结构设计 ................................................................... 23 5.2 导叶布置图的绘制 .......................................................................... 24 5.2.1绘制导水机构运动图的目的 ................................................. 24 5.2.2 确定导叶叶型 ....................................................................... 25 5.2.3确定传动件的相关尺寸及角度 ............................................. 26 5.2.4 确定导叶开度 ....................................................................... 27 5.2.5 绘制导叶布置图及相关曲线 ................................................ 27 5.2.6 根据导叶布置图和检查、调整关系曲线 ............................. 28 5.3 导叶装置结构的设计 ...................................................................... 29 5.3.1 导叶轴承及润滑.................................................................... 29 5.3.2 导叶轴颈的密封.................................................................... 31 5.3.3 导叶的止推装置.................................................................... 31 2 2012届热能与动力工程专业毕业设计 5.3.4 导叶的套筒结构 .................................................................... 33 5.3.5 导叶的密封装置 .................................................................... 33 5.4 导叶传动机构的设计 ....................................................................... 34 5.4.1 导叶臂 ................................................................................... 34 5.4.2 耳柄 ....................................................................................... 35 5.4.3剪断销 .................................................................................... 36 5.4.4 旋套 ....................................................................................... 36 5.5 顶盖、底环、控制环的结构设计 .................................................... 38 5.5.1顶盖 ........................................................................................ 38 5.5.2 底环 ....................................................................................... 38 5.5.3控制环 .................................................................................... 39 5.6 导叶的强度校核与结构设计 ........................................................... 40 5.7 导水机构的装配系列与公差选择 .................................................... 41 5.7.1导水机构装配尺寸 ................................................................. 41 5.7.2 导水机构的零件公差 ............................................................ 42 6.转动部件结构设计 ................................... 43 6.1 转轮的结构设计与减压措施 ........................................................... 43 6.1.1 转轮的结构设计 .................................................................... 43 6.1.2减压措施................................................................................. 44 6.2混流式的止漏装置 ............................................................................ 44 6.3主轴结构设计 ................................................................................... 45 6.4主轴强度的校核................................................................................ 46 6.4.1基本参数及意义 ..................................................................... 46 6.4.2 轴身应力的计算 .................................................................... 47 6.4.3 法兰与轴身连接处应力计算 ............................................... 49 6.4.4 强度校核结论 ........................................................................ 50 7.轴承、密封及其它部件的设计 ......................... 51 3 山美水电站水轮机选型与结构设计 7.1 水导轴承 .......................................................................................... 51 7.2 主轴密封 .......................................................................................... 52 7.3 补气方式的选择与设计 ................................................................... 53 7.4 其它部件的设计 .............................................................................. 54 7.4.1真空破坏阀 ............................................................................ 54 8.结论、讨论和建议 ................................... 56 参考文献 ............................................. 59 致 谢 ............................................... 61 附录 ................................................. 62 4 2012届热能与动力工程专业毕业设计 1.前 言 1.1概述 改革开放以来，我国电力工业的高速发展为我国国民经济持续、快速增长和人民生活水平的不断提高提供了强有力的能源支撑。水能资源是可再生能源，是技术上最成熟，经济上最合理的清洁能源，也是我国能源结构中的重要组成部分。党的十七届五中全会明确，要在保护生态的前提下积极发展水电。“十二五 ”期间，国家计划投资新能源5万亿元，常规水电将开工建设8300万千瓦。水电开发迎来难得的发展机遇。水轮机作为水力原动机，在水电建设项目中，水轮机选择设计具有重要意义:水轮机效率高，抗空蚀性能好，机组运行稳定，则发电效益就高。水轮机选型设计既是水电站设计的重要内容之一，也是编制设备采购招标文件的依据。因此，需要加强转轮选型设计和整个水轮机机构的设计研究，进一步提高机组的性能和质量，以适应我国水电事业的飞速发展。 新中国成立以来，我国的水轮机和水电设备研究设计和制造业经历了从无到有、从小到大、从性能一般水平跨入世界先进行列的过程。特别是近几年来，通过出口机组和与世界著名水轮机制造公司的合作和接触机会增多，了解了国际上在水轮机设计中的经验和特点。我国在新产品开发、新技术和新材料应用，设计手段等发面获得了飞速发展。 本文根据山美电站的工程概况和相关参数，做了如下工作:(1)选择合适的水轮机机型。水轮机选型是水电站设计中的一项重要任务。本文根据水轮机型谱参数表和模型综合特性曲线，利用相关公式计算出原型水轮机的基本参数转轮直径D1和转速，然后将计算所得到参数转换为单位转速 1 山美水电站水轮机选型与结构设计 在模型综合特性曲线上检验所选参数是否合适，并绘制出水轮机综合运转特性曲线。(2)分析水轮机各零部件的作用和结构特点，寻找各零部件的特征尺寸以及各尺寸的关联关系，参照水轮机设计手册等现有资料，运用AUTO-CAD绘图软件，对山美电站的水轮机结构进行设计。设计中优先采用先进结构、新型材料，综合考虑安全性、制造工艺以及安装、维护检修各方面因素。 毕业设计不仅是对大学所学知识的一个总结，更是为以后的学习和工作打下良好的基础，培养自己独立思考，实事求是和解决问题的能力。此外，通过此次毕业设计可以加强自己的文字表达能力，更好地掌握一些办公软件和绘图软件，使自己全面发展。此次毕业设计对我今后的学习和发展具有重大的意义，将是我人身中的一笔巨大财富。 1.2原始资料 山美水电站概述:山美水电站位于晋江支流东溪上，距泉州市约40km， 2地处晋江支流东溪中游。坝址以上控制流域面积1023km，是一座以灌溉为主，结合防洪、供水、发电等综合利用的大型水利工程，位于晋江支流东 2溪上，距泉州市约40km，坝址以上控制流域面积1023km，是一座以灌溉为主，结合防洪、供水、发电等综合利用的大型水利工程，水库总库容6.56 333亿m，山美水库总库容6.56亿m，调节库容4.53亿m，为不完全多年调节水库。电站总装机容量为60MW，年设计发电量1.6104亿kW?h。 电站基本参数:额定出力P=15.6MW，额定水头Hr=46.2m，最高水头Hmax=56.3m，最低水头Hmin=35m。 1.3设计要求和设计内容 1.3.1设计内容 2 2012届热能与动力工程专业毕业设计 (1)根据给定的单台水轮机额定出力和水头等参数，进行水轮机转轮的选型计算，确定合适的水轮机型号、机组同步转速和转轮直径等参数，并绘制水轮机运转综合特性曲线; (2) 按选型计算确定的水轮机型号和转轮直径等参数，确定水轮机的主要特征尺寸，进行座环、蜗壳、基础环、尾水管和机坑里衬等水轮机埋入部件的结构设计; (3) 进行转轮的结构设计，并根据机组的型式和电站的自然条件选择合理的止漏和减压方式; (4) 根据水轮机的出力、转速等参数估算主轴直径，确定转轮与主轴的连接方式;进行主轴的强度校核计算，根据校核结果修改并最终确定主轴的结构; (5) 进行导水机构设计，进行顶盖、底环、控制环、导叶及其传动机构、导叶的立面和端面密封结构的设计，绘制导叶布置图，检查导叶传动与接力器移动的均衡性，检查传动件在不同位置是否相碰，并根据检查结果修改; (6) 根据水轮机的结构进行水轮机工作密封和检修密封装置设计; (7) 根据机组的型式和电站的自然条件水导轴承设计; (8) 根据水轮机的结构和电站的自然条件选择合适的补气方式; (9) 进行水轮机其它部分的结构设计。 1.3.2设计要求 (1) 充分查阅相关文献资料，按给定格式撰写毕业设计开题报告; (2) 翻译 阿房宫赋翻译下载德汉翻译pdf阿房宫赋翻译下载阿房宫赋翻译下载翻译理论.doc 至少一篇2000单词以上的本专业外文文献; (3) 按学校统一格式编写毕业设计说明书，要求书写整洁，语言简练，概念正确，条理清楚;计量单位规范统一; (4) 绘图要求:设计图纸相关格式符合国家规范要求，图幅和张数如下: 1张水轮机总装配图(零号图); 3 山美水电站水轮机选型与结构设计 1张导水机构装配图(1号图); 1张导叶布置图(1号或2号图); 1张水轮机主要部件的组装图或零件图(图幅根据内容自定)。 4 2012届热能与动力工程专业毕业设计 2.水轮机的选型设计 2.1 原始数据 水轮机的选型设计就是根据水电站设计部门提供的原始资料及参数，选择合理的水轮机型号和计算水轮机的各种数据。这是一项至关重要的工作，它直接关系到水电站的机组能否长期稳定运行和投资的多少。主要原始参数和资料如下: (1)最高水头H=56.3m; max (2)额定水头H=46.2m; a (3)最低水头H=35m; min (4)单机额定出力P=15.6MW; 2.2 选择转轮型号 查水轮机转轮型谱参数，可供参考的机型为HL220、HL230、HL240。HL220使用水头为50,85m，HL230为国外引进转轮，不推荐使用，HL240使用水头为25,45m。考虑到强度要求，且中小型水轮机一般降低水头使用，选择HL220转轮。 2.3水轮机基本参数的计算 (1)计算转轮直径D。 1 Pg D1, (2-1) 1.59.81Q11Hr,,g 发电机额定容量Pg=15600KW，Q11取模型特性曲线上最优单位转速 5 山美水电站水轮机选型与结构设计 与5%出力限制线交点对应的Q11。查附表2得=70(r/min)，查HL220nn110110 3模型综合特性曲线得Q11=1.14()，对应的模型效率=0.89，暂取效,m/sm ,,率修正值=0.02，=+=0.89+0.02=0.91。发电机效率=0.97。设,,,,,gm 计水头。 H,0.95H,0.95，46.2,43.89mra 故 15600Pg,2.33=(m)， D,11.51.59.81，1.14，43.89，0.91，0.979.81Q11Hr,,g 取D1=2.34(m)。 (2)效率修正的计算 ,, D220.46M155 =。 (1,,)(1,),，(1,0.9)，(1,),0.02,,maxD332.34T1 (3)转速n的计算 nH，70，46.2110a ==203.3( r/min) n,2.34D1 对比表9-9发电机 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 同步转速，n介于187.5r/min,214.3r/min。 ,n取214.3r/min nD214.3，2.341 ( r/min) n,,,73.7a11Ha46.2 nD214.3，2.341 ( r/min) n,,,84.811maxH35min nD214.3，2.341 ( r/min) n,,,66.811minH56.3max ,取n=187.5r/min nD187.5，2.341n( r/min)11a = ,,64.54 Ha46.2 6 2012届热能与动力工程专业毕业设计 nD187.5，2.341n,,,74.1( r/min) 11maxH35min nD187.5，2.341 ( r/min) n,,,58.4711minH56.3max 查附表2，得HL220推荐使用最优单位转速为n110=70r/min，并参 照模型综合特性曲线，可以看出214.3r/min时，在水头范围内具有较高效 率，故选择转速为n=214.3r/min。 (4)水轮机的设计流量 223Q,QDH,1.14，2.34，43.89,41.36m/s rrr111 (5)几何吸出高度的计算 ,Hs,10,,K,H ,r900 k取1.15.模型空化系数=0.133 ,, 38.9m Hs,10,,1.15，0.133，43.89,3.24？900 (6)飞逸转速n的计算 R 由表3-4，HL220单位飞逸转速为n=133r/min， 11R H56.3max( r/min) n,n,133，,42611RRD2.341 (7)轴向水推力 查文献【2】表5-5水轮机轴向水推力系数k和水轮机型号关系，查得 HL220轴向水推力系数为0.24,0.3。取k=0.27。 ,,2332F,9.81，10KDH,9.81，10，0.27，，2.34，56.3,64100(N)t1max44 (8)检验水轮机的工作范围 设计工况单位流量 7 山美水电站水轮机选型与结构设计 p15600g3() Qm/s,,,1.13r1121.521.59.81，2.34，43.89，0.91，0.97DH,,9.81rg1 nD214.3，2.341 n,,,75.7(r/min)r1143.89Hr n与交点刚好处于出力限制线偏左点，并处于最高效率区内，满足要Q11r 11r 求。 2.4水轮机综合运转特性曲线的绘制 2.4.1等效率曲线的绘制 (1)等效率曲线绘制的一般 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 : ?在水轮机工作水头范围内，取4、5个包括特征水头在内的水头，计算各水头对应的单位转速n11m,以各n11m值在模型综合特性曲线上做出水平线与其等效率线相交得一系列交点，根据交点处的Q11，η计算出原m型水轮机的效率η与出力P，然后作出各水头下的η=f(P)曲线。 ?在曲线η=f(P)上以某一效率作水平线与各η=f(P)曲线相交，找出各点的H、P值。 ?作P,H坐标系，并在其中绘制出计算中所选水头值的水平线，将 中所得到的各交点按其H、P值点到P,H坐标系中，连接各点即得到某效率值的等效率曲线。 出力限制线如综合运转特性曲线所示。 2.4.2等吸出高度线的绘制 (1)等吸出高度线表达水轮机在各运行工况的最大允许吸出高度Hs， ,等Hs线是根据模型综合特性曲线的等线换算得到的。计算与绘制等Hs线的步骤如下: 8 2012届热能与动力工程专业毕业设计 ?计算各水头相应的单位转速n，在模型综合特性曲线上过各n11m11m ,,相交，记下各点的、Q11及η值。 作水平线与各等m H,10,E/900,(,，,,)Hs?根据吸出高度计算式计算各点Hs，并计算各点出力P。 ，，H,fps?根据各工况点的Hs、P，绘出各水头下的曲线。 ，，，，H,fpH,fpHsss?在曲线上取某值作水平线与各曲线相交，记下各点的水头H以及出力P，将这些点(P，H)绘制到P,H坐标系内，并用光滑曲线连接即为某Hs值等吸出高度线。 (2)绘制曲线的数据如下: ?根据H查表文献【2】4-22，得到如下数据: ,,H=56.3m，=0.02; ,,H=50m，=0.025; ,,H=43.89m，=0.03; ,,H=40m，=0.034; ,,H=35m，=0.04。 ?从模型综合特性曲线上所得数据经过EXCEL处理数据，绘制等吸出高度线。 等吸出高度线如综合运转特性曲线所示。 2.4.3等开度线的绘制 (1)计算与绘制等开度线的步骤如下: nn11m11m?计算各水头相应的单位转速，在模型综合特性曲线上过各作 ,m水平线与各等开度线相交，记下各点的a0、Q11及值。 ?根据模型水轮机与与原型机的几何相似关系，换算出对应的真机开度，并求出出力P。 9 山美水电站水轮机选型与结构设计 ，，a,fp?根据各工况点的a、P，绘出各水头下的曲线。 ，，，，a,fpa,fp?在曲线上取某a值作水平线与各曲线相交，记下各点的水头H以及出力P，将这些点(P，H)绘制到P,H坐标系内，并用光滑曲线连接即为某a值等吸出高度线。 得到的等开度线如综合运转特性曲线所示。 图1-1 水轮机综合运转特性曲线 10 2012届热能与动力工程专业毕业设计 3.水轮机总体结构设计 山美电站水质较好，设计中主要考虑机组的稳定性和可靠性。水轮发电机组为立轴混流式，俯视顺时针旋转，水轮发电机采用两根轴结构。水轮机轴与发电机轴通过联轴螺栓直接连接。水轮机主要部件有:?埋入部件:座环、基础环、尾水管、蜗壳;?导水机构以及顶盖、底环;?转动部件:转轮的结构、主轴，并对主轴进行强度校核;?其他部件:主轴密封、水导轴承、真空破坏阀和补气装置。水轮机剖面图如图2-1所示。 图3-1 11 山美水电站水轮机选型与结构设计 3.1埋入部分 3.1.1 座环 座环是水轮机的承重部件，且是水轮机装配的一个主要基准件，设计中除了满足强度要求外，还必须具有足够的刚度。本电站座环采用整体型，铸焊结构，采用无蝶形边的平行式焊接结构，分为上环、下环、固定导叶三部分，不分瓣，上下环外圆焊有圆形导流环，改善进口的绕流情况。上下环板采用Q345B-Z35抗层状撕裂钢板，12个固定导叶采用ZG06Cr13Ni4Mo不锈钢制造。 3.1.2蜗壳 蜗壳是水轮机重要的引水部件，蜗壳按不考虑与混泥土联合受力的条件下，遵循等速度距Vr=K的规律设计。得出进口断面和与进口断面相差180u 度的中间断面尺寸，进口断面半径为1416mm，中间断面半径为890mm。蜗壳厚度为15mm，其材料为B610CF钢板，为满足工地安装调整需要，蜗壳上设有两个凑合结。 3.1.3基础环 基础环是水轮机的基础部件，形成转轮室，同是又是安装和拆卸水轮机是落放转轮的基础。它和座环以及尾水管进口直锥段相连。由于机组尺寸小，故将基础环和座环做成整体。材料采用Q235钢板焊接。 3.1.4尾水管 尾水管是水轮机过流通道的一部分，且有回收部分转轮出口动能的作用。尾水管的形状对水轮机性能具有较大的影响。采用弯肘形尾水管，直锥段单边扩散角为8度，厚度为11mm，采用钢板Q235B。为方便检修， 12 2012届热能与动力工程专业毕业设计 直锥段设φ800进人门。 3.1.5基坑里衬 基坑里衬为钢板焊接结构，不分瓣，材料为10mm厚钢板Q235B。基坑里衬在工地调整组圆后装焊在座环上。 3.2导水机构 3.2.1 顶盖和底环 顶盖除了封堵水流形成流道外，还起支持和固定水轮机一部分零件的作用，要求有足够的强度和刚度。顶盖采用Q235B钢板和ZG20SiMn焊接整体结构，满足刚度和抗磨要求。外径为3440mm，内径为1000mm，开有24个套筒孔以及两个真空破坏阀放置孔。顶盖与转轮上冠构成水轮机的缝隙式止漏装置。 底环的功能主要是安装导叶的下轴承和形成流道的过流表面，外径为3150mm，内径为2520mm，高度为150mm，材料采用Q235钢板。底环与转轮下环构成水轮机的下止漏装置。现场测试后在底环上加焊限位块。 3.2.2 导叶 导叶为整铸不锈钢结构，材料为ZG06Cr16Ni5Mo，有较好的抗空蚀、抗磨损性能。导叶为三支点正曲度导叶，导叶上轴颈95mm，中轴颈为105mm，下轴颈为85mm，瓣体高度为585mm，长度为387.4mm，总高为1245mm，导叶数为24个。与导叶三支点相对应的上、中、下轴承采用大连三环的自润滑轴承，分别安装在套筒和底环内。为了有效防止泥沙和封水，中轴颈处设置了L型密封圈，下轴颈处设置了O型密封圈。导叶立面密封为金属线接触密封，导叶端面密封为嵌入在导叶瓣体端面内的青铜块加橡胶条密封。 13 山美水电站水轮机选型与结构设计 3.2.3 控制环 控制环为Q235钢板焊接结构。上环板设有两个大耳孔与接力器推拉杆相连，下环板设24个小耳孔与导叶操作机构中耳柄相连。控制环最大外径为2210mm，内径为1610mm，大耳环分布圆直径为2010mm，小耳环分布圆直径为1860mm。在控制环中部设置控制环的支撑装置，采用具有自润滑性能的抗磨板，用螺钉把合在控制环上，并且设置压板，以防止导叶操作机构应受力不均而引起控制环上抬。 3.2.3 导叶操作机构 导叶传动机构采用耳柄传动机构，主要由导叶臂、分半键、耳柄、连杆销、剪断销和旋套组成。与叉头式相比，耳柄式工艺性好，结构简单，制造成本低，结构所空间小，但受力不如叉头式。 在导叶臂与连杆之间设置剪断销，以保证在某个导叶被异物卡住后其他导叶能正常动作。为了防止剪断销和连杆销因上移而导致受力情况变化，在剪断销和连杆销上方设置了压板。在旋套两端增加两个薄螺母，防止在工作中连杆长度因受力不均而改变，影响导叶的立面密封。 3.3 转动部分 3.3.1 转轮 转轮采用铸焊结构，上冠、下环均为VOD超低碳精炼的具有良好的抗空蚀和抗磨损性能不锈钢ZG0Cr16Ni5Mo。转轮直径2340mm，最大外径2630mm，高度1255mm。转轮各过流表面粗超度不超过3.2μm。转轮焊接成整体加工后需做静平衡实验。 转轮与主轴采用销套传递扭矩，具有互换性，连接螺栓需要按要求用液压拉伸器进行预紧，并精确测量其拉伸值。上冠上开有12个φ70减压孔。 3.3.2 主轴 14 2012届热能与动力工程专业毕业设计 水轮机主轴采用双法兰厚壁空心轴，材质为35钢整锻。轴身外径350mm，内径250mm。水轮机轴与转轮采用12个M70螺柱连接，采用销套传递扭矩，连轴螺柱不受剪切力。为了防止螺纹受泥沙磨损，在法兰处设置法兰护罩。 3.4 其他部件 3.4.1 水导轴承 水导轴承采用稀油润滑油浸式筒式轴承。轴瓦采用巴氏合金，分两瓣，内径为360mm，高度340mm。选用L-TSAAR32透平油，第一次充油以设计正常油面为准。总装配图中所示油面为停机时的高度。轴承液位信号器应根据轴承实际运行情况现场设定，以保证机组安全运行。轴承设有热电阻测温计，轴承冷却水为双向进水式。 3.4.2 主轴密封 工作密封采用水压式端面密封，在摩擦面之间形成一层很薄的水膜，漏水小，磨损也不大。实际装配时需将密封装置调试到最佳工作条件。 检修密封为置于主轴工作密封下方的空气围带，充、放气自动控制，气压为0.5,0.7MPa，在机组停机和检修时使用。 2.4.3 补气装置 为保证机组在部分负荷工况下的稳定运行，发电机上端设置了中心孔补气装置。为防止尾水倒灌时保护机组不受损害，补气系统设置两道补气阀，分别为浮球阀和差压空气阀，浮球阀在正常工作时处于常开状态，水位上升时依靠浮力自动关闭。差压空气阀在正常工况处于常闭状态，当补气阀下腔的真空低于某一值时，依靠压力自动开启。 3.4.4 真空破坏阀 15 山美水电站水轮机选型与结构设计 设置2个真空破坏阀，在紧急关闭导叶时补入空气，破坏真空，保护机组。 16 2012届热能与动力工程专业毕业设计 4. 埋入部件的结构设计 4.1转轮的流道尺寸 查文献【1】图10-1混流式转轮流道图，查得HL220流道尺寸如下: 图4-1 HL220转轮流道图 按比例放大，得到真机的轴面流道图，如下: 17 山美水电站水轮机选型与结构设计 图4-2 真机转轮流道图 4.2 座环与蜗壳 4.2.1座环 座环是反击式水轮机的基础部件，除了承受水压力的作用外，还承受整个机组和机组段混泥土的重量，因此要有足够的强度和刚度。 目前常用的结构形式有以下几种:(1)与混凝土蜗壳连接的座环(2)与金属蜗壳连接的座环。 由于山美水电站水头大于40m，故采用与金属蜗壳连接的座环。而与金属蜗壳连接的座环又分为带蝶形边的座环和无蝶形边的座环。本次设计采用无蝶形边箱型结构的座环，与金属蜗壳相连。。这种形式刚度好，与蜗壳的连接点离固定导叶中心近，改善了受力状况。上下环外圆焊有圆形导流板，改善座环进口绕流条件。上下环板采用Q345B-Z35抗层状撕裂钢板，12个固定导叶采用ZG06Cr13Ni4Mo不锈钢制造 根据转轮直径D1和水头，查文献【1】表6-15 金属蜗壳座环尺寸系列表 18 2012届热能与动力工程专业毕业设计 转轮直径D1=2340mm，H<170，H<70，查上表，采用插值运算。 (1)D的计算 b 3400,3250x, 2500,22502340,2250 ？ x=55 D=3250+55=3305mm，圆整后取D=3300mm。 bb (2)D的计算 a 4050,3850x, 2500,22502340,2250 ？ x=72 Da=3850+72=3922mm，圆整后取Da=3920mm。座环各部分尺寸如图4-4: 图4-4 座环 4.2.2 蜗壳 蜗壳可以将管道中的水流均匀地分配到转轮前导水叶的四周，使水流 19 山美水电站水轮机选型与结构设计 对称地流入导水机构，然后再流入转轮，保证运行平稳。常见蜗壳分为金 属蜗壳和混泥土蜗壳。由于山美电站水头大于40m，故选用钢板焊接金属 蜗壳，蜗壳厚度为15mm其材料为B610CF钢板。查文献【2】 计算蜗壳 -14金属蜗壳的流速系数与水头关系，得K=0.95，蜗进口断面尺寸。查图5 壳包角。 ,,345: 345,30 (1) 进口断面流量 Q,Q,，41.36,39.63(m/s)0360360 V,KH,0.95，43.89,6.3(m/s) 0 F6.30,,,,1.416m进口断面半径 0,3.14 D2222a进口断面中心距 a,，,,h,1960，1416,600,3242mm002 h为座环固定导叶的高度， ,3450C,,,1.06蜗壳系数 22223242,3242,1416aa,,,000 41.36，1.06QC蜗壳常数 ,,,0.0194K,720720，3.14 (2)中间断面i 由文献【2】公式(5-12)，得 ::::？,,345,180,165， 中间断面与进口断面相差180i ,,16516522iix,，2r,h,，2，1960，,600,656mm 0CC1.061.06 22,,656，600,890mm 。 i 4.3 基础环 20 2012届热能与动力工程专业毕业设计 基础环是混流式水轮机中座环与尾水管进口锥管段相连接的基础部件，埋设于混泥土中，转轮的下环在其内转动，其下法兰面是装拆水轮机时转轮的落放基础。由于机组较小，将座环和基础环焊为一体。材料采用Q235钢板焊接。 查文献【1】表7-4，得=30mm，=10mm。基础环各部分尺寸如,,间环 图4-5所示: 4-5 基础环 4.4 尾水管 尾水管是水轮机过流通道的一部分，具有以下作用: (1)将转轮出口水流引向下游。 (2)利用转轮高出下游水面那一段位能。 (3)回收部分转轮动能。 对于低水头大流量的水轮机，转轮的出口动能相对较大，尾水管的回收性能对水轮机的效率有显著影响。尾水管的型式基本上可以分为两类，即直锥型和弯肘型两种.本机采用弯肘形尾水管，直锥段单边扩散角为8度，厚度为11mm，采用钢板Q235B。为方便检修，直锥段设φ800进人门。直锥段有钢板里衬，弯肘段和扩散段均为混泥土。 查文献【2】HL220轴面流道和标准混泥土肘管，尺寸如图4-6所示: 21 山美水电站水轮机选型与结构设计 图 4-6 尾水管直锥段和肘管 4.5 基坑里衬及地板装置 基坑里衬用钢板Q235B钢板卷焊而成。外壁设有若干环筋，浇灌在混泥土内。根据转轮直径查文献【1】，得基坑里衬尺寸如下: D=3500mm，=10mm。 ,机机 22 2012届热能与动力工程专业毕业设计 5. 导水机构结构设计 5.1 导水机构总体结构设计 水轮机导水机构的作用，主要是形成和改变进入转轮水流的环量，保证水轮机具有良好的水力特性，调节流量，以改变机组出力，正常与事故停机，封住水流，停止机组转动。 大中型导水机构，按其导叶轴线布置位置可分为:圆柱式、圆锥式和径向式山中类型。混流式水轮机适合采用圆柱式导水机构，这种导水机构制造方便，能保证水轮机有足够高的效率。 在导水机构设计中，要求过流表面有一定的光洁度和尺寸公差要求，并根据电站条件，采取一定的抗汽蚀和抗泥沙磨损措施。 对导水机构设计的基本要求如下: (1) 导叶最大开口必须保证水轮机总的过水能力，且裕量不小于5%; (2) 在关闭的状态下各导叶间以及导叶与顶盖和底环间的间隙必须很小，以保证漏水最少; (3) 在调节过程中若导叶间落入固体物时，必须防止损坏导水机构零件; (4) 在导叶失去控制时，导水机构在结构上应能防止导叶绕其自身轴线转动或旋转; (5) 导叶轴颈，销轴和导水机构的转动机构各摩擦面必须保持良好的润滑; (6)导水机构零件的结构及其制造公差必须保证能正确地装配，调整及拆修该机构; (7)由接力器到导叶的传动系统必须使作用于导叶的水力矩和接力器产生的驱动力矩见具有最优比例关系; (8)设计承受水流冲击的零件时，其强度必须特别加以注意。 23 山美水电站水轮机选型与结构设计 本设计为混流式机组，选择径向式导水机构。根据水头范围选择正曲度叶型。根据水轮机型号和水头选择导叶中轴颈d。根据d选择导叶各部bb分尺寸。由于转轮直径D1=2340mm，中小型机组，采用耳柄式传动机构。以特征尺寸d查设计手册对套筒、轴套和传动机构进行设计。导水机构总b 体结构如图5-1所示: 图5-1导水机构结构图 5.2 导叶布置图的绘制 5.2.1绘制导水机构运动图的目的 aSS,f(a)1.确定最大可能开度下的接力器行程，绘制关系曲线，检0max0查接力器行程与导叶开度的均衡性; 24 2012届热能与动力工程专业毕业设计 2.确定传动件的尺寸及在不同开度下的、,值，绘制、,,f(a),,f(a),00曲线，检查、,值的范围是否符合要求; , 3.确定控制环大耳环和小耳环的相对位置; 4.确定限位块的位置(一般限位块与最大可能开度位置时导叶的距离，大中型为20,30mm,小型为5,10mm) 5.检查传动件在不同位置是否相碰。 尤其在剪断销破断后，连杆或转臂是否相碰。对混流式水轮机来说，还需检查导叶与固定导叶、转轮叶片是否相碰。 6.确定导叶关闭时的密封位置; 立面密封:接触面的位置 端面密封:密封条分布圆位置 7.确定固定导叶的位置及其出口角，绘制固定导叶翼型，并核定其分布圆直径。 5.2.2 确定导叶叶型 本机为中、高比转速混流式水轮机(H,100m)，采用正曲度叶型(图5-2)。 图5-2 标准正曲度叶型几何尺寸 25 山美水电站水轮机选型与结构设计 (D1=1m，Z=24) 将上述尺寸放大λ=2.34倍，得到导叶最终几何尺寸如图5-3。 图5-3 导叶 5.2.3确定传动件的相关尺寸及角度 根据转轮直径，查文献【1】表6-1导水机构装配尺寸系列，不能直接查出的，采用插值运算。 :,,42Z=24，D=2850mm，，暂取，Dc=1860mm，导叶臂长度00 L=310mm，连杆长度L=330mm。 :导叶全关位置时，转臂轴心线与,hc D0圆切线的夹角。根据上述数据，初绘导叶布置图，调整L、L、小耳环hc分布圆直径Dc，使得导叶处于全关位置时，连杆与小耳环分布圆切线的夹 ::::,,,80角=50,70; 连杆与转臂的夹角,110。得到最终尺寸为:L=370mm，L=300mm，Dc=1870mm。查文献【1】表8-52，采用插值算hc 26 2012届热能与动力工程专业毕业设计 法，得到大耳环分布圆直径为Dy=2010mm。 5.2.4 确定导叶开度 Ma。 a. 查模型综合特性曲线，得模型水轮机的最大开度0max nD214.3，2.341n,,,73.7 r11H46.2 以该单位转速作一条水平线与出力限制线交点处的开度即为模型转轮 Ma的最大开度=32。 0max DZ234024M00Ma,a，，,32，，,163mm真机最大开度 0max0maxDZ4602400M b. 真机的最大可能开度 a,1.05a,1.05，163,170mm0k0max c. 查模型综合特性曲线中最优工况点对应的开度为模型转轮的最优开 D23400a,a，,28，,142mmM0y0y度=28，得真机的最优开度; aD460y00m d.选取6个开度值如下:0mm、90mm、110mm、130mm、142mm、163mm。 5.2.5 绘制导叶布置图及相关曲线 (1)选择三个相连的导叶，以其中两个相连导叶的角平分线作为X轴，将X轴与大耳环分布圆交点作为大耳环的中间位置。(2)同时旋转三个导叶，使其处于不同开度，并绘出各开度下的小耳环位置以及导叶臂和耳柄中心线位置。(3)将小耳环全关位置和最大可能开度位置的中间位置作为小耳环的中间位置并测出两个极限位置对应的接力器最大行程。(4)根据小耳环从中间位置到全关位置和最大可能开度位置所转过的角度，得到大耳环的全关位置和最大可能开度位置。(5) ,测量各开度下的β、γ和接力器行程S，画出接力器行程、、随S,aS,f(a),,f(a),,f(a)变化的关系曲线、和，如图5-4所示。 0000 27 山美水电站水轮机选型与结构设计 a, 图5-4 接力器行程、、与的关系曲线 ,S0 5.2.6 根据导叶布置图和检查、调整关系曲线 检查项目包括: S,f(a)a.一般要求:的关系应符合合理的导叶关闭规律:即在机组0 在突然率全部负荷，需要紧急停机时，为了尽量降低机组转速上升和蜗壳压力上升，一般要求导水机构在接力器匀速向关闭方向移动时，导叶关闭 aS,f(a)应先快后慢(即随着开度值变大，曲线的斜率也变大)。 00 b.检查β、γ的范围. c.检查传动件在不同位置是否相碰，尤其在剪断销破断后，连杆或转臂是否相碰。还需检查导叶与固定导叶、转轮叶片是否相碰。 经检查，导叶关闭规律符合要求，β、γ的值在范围之内，剪断销剪断后连杆和转臂不会相碰，导叶与固定导叶和转轮不会相碰。 28 2012届热能与动力工程专业毕业设计 最终得到的导叶布置图见附图。 5.3 导叶装置结构的设计 5.3.1 导叶轴承及润滑 (1)上轴套。由d查文献【1】表8-22 上轴套尺寸系列，得到上轴套c 各部分尺寸如下图5-5。 (2)中轴套。由d查文献【1】表8-23 上轴套尺寸系列，得到中轴套b 各部分尺寸如下图5-6。 (2)下轴套。由d查文献【1】表8-24 上轴套尺寸系列，得到下轴套a 各部分尺寸如下图5-7。 图5-5 上轴套 29 山美水电站水轮机选型与结构设计 图5-6 中轴套 图5-7 下轴套 三种轴承均选择大连三环公司的具有自润滑性能的双金属镶嵌自润滑 30 2012届热能与动力工程专业毕业设计 轴承FZB056。 5.3.2 导叶轴颈的密封 (1)中轴颈密封。为了防止压力水从导叶中轴颈处泄漏，在导叶轴颈处有密封装置。选择“L”型密封。“L”型密封圈与导叶中轴颈之间靠水压贴紧而封水，实践证明，“L”型密封结构简单，封水性能好。材料为丁腈橡胶。查文献【1】表8-17中轴颈“L”型密封，得到密封圈各部分尺寸如图5-8。 (2)下轴颈密封。导叶下轴颈的密封主要是防止泥沙进入，以免轴颈磨损，本机采用“O”型圈橡胶密封结构。“O”型密封圈各部分尺寸如图5-8所示。 图5-8 “L”型密封、“O”型密封 5.3.3 导叶的止推装置 水头较高的机组应考虑导叶在水压力作用下的上浮力。当上浮力超过导叶自重时，需在设置止推装置，以防止导叶上抬，碰撞顶盖和影响连杆 31 山美水电站水轮机选型与结构设计 2d,b受力。导叶上浮力 P,p，Vr4 2最高水头下的水压力 p,0.1，H,0.1，56.3,5.63(kg/cm)max 2在CAD中通过查询工具得到导叶体的截面积，导叶瓣体高度s,203(cm) 3为58.5cm，？V,sh,203，58.5() cm 3,3水的比重= (kg/cm)10, 2，10.5,,3？ 上浮力 P,0.1，56.3，，203，58.5，10,500(kg) 4 ,3导叶自重 P,V,,(203，58.5，66，3.14，25)，7.8，10,133(kg)1 有必要设置导叶止推装置，材料为45钢。查文献【1】止推压板系列尺寸。每个导叶设置两块型式1的止推压板，其各部分尺寸如图5-9所示。 图5-9 止推压板 32 2012届热能与动力工程专业毕业设计 5.3.4 导叶的套筒结构 导叶套筒是固定上中轴套的部件，本机采用整体套筒。采用ZG310-570铸造。查文献【1】导叶套筒系列尺寸表，最终的套筒各部分的尺寸如图5-10所示。 图5-10 套筒 5.3.5 导叶的密封装置 33 山美水电站水轮机选型与结构设计 当停机时导水机构必须封水严密，否则不但会增加漏水量，而且会加剧加剧因间隙气蚀引起的破坏。严重时甚至会造成机组无法正常停机。 导叶立面密封为金属线接触密封，导叶端面密封为嵌入在导叶瓣体端面内的青铜块加橡胶条密封。 通过调节端盖上的螺钉，可以调节导叶上下端面的间隙。通过调节连接两个耳柄的旋套从而改变连杆的实际长度，可以调节立面间隙。 5.4 导叶传动机构的设计 导叶传动机构采用耳柄传动机构，工艺性好，结构简单，制造成本低，结构所空间小，但受力情况不如叉头式，适合中小机组。 接力器直径d选择。查文献【1】公式(9-1)， c HbD/56.3，0.25max01dDm ,,,0.15，2.34，,0.263c1P25H 取接力器直径d=300mm。 c 由接力器直径d查文献【1】表8-42 耳柄传动机构尺寸系列，得到 c ，d,d,60mm，d,75mm，。 d,M42h,55mmndn311 5.4.1 导叶臂 选择a型带止推槽导叶臂，材料为ZG270-500。由导叶中轴颈查文献【1】耳柄传动机构导叶臂尺寸系列，得到导叶臂各部分尺寸如图5-11所示。 34 2012届热能与动力工程专业毕业设计 图5-11 导叶臂 5.4.2 耳柄 耳柄材料采用ZG270-500。由耳柄螺纹d查文献【1】表8-46得耳柄 -12所示。 各部分尺寸，如图5 35 山美水电站水轮机选型与结构设计 图5-12 耳柄 5.4.3剪断销 水轮机在关闭导叶过程中如导叶间有硬物卡住，有关传动零件的操作力矩将急剧增大，当操作力大至设计载荷的1.5倍时，剪断销剪断，从而避免整个传动机构的破坏。材料选用45钢。由耳柄螺纹查文献【1】表8-49剪断销。得到剪断销各部分尺寸如图5-13。 5.4.4 旋套 旋套可以改变连杆的实际长度，从而调整导叶的立面间隙。材料选用40Mn。由耳柄螺纹查文献【1】表8-47旋套。得到旋套各部分尺寸如图5-14。 36 2012届热能与动力工程专业毕业设计 图5-13 剪断销 图5-14 旋套 37 山美水电站水轮机选型与结构设计 5.5 顶盖、底环、控制环的结构设计 5.5.1顶盖 顶盖除了封堵水流形成流道外，还起支持和固定水轮机一部分零件的作用，要求有足够的强度和刚度。顶盖采用Q235B钢板和ZG20SiMn焊接整体箱形结构。顶盖的外径主要由座环尺寸决定，高度主要由导叶轴的高度决定，内径主要由主轴外径决定，钢板厚度主要参考现有图纸的厚度，实际工程应校核顶盖强度。由轴面流道和转轮上冠确定过流部分的顶盖尺寸，同时顶盖是套筒等其他零部件的固定装置，设计中还需考虑有一定的空间位置，便于检修。综合各方面因素得到顶盖的尺寸如图5-15所示。 图5-15顶盖 5.5.2 底环 底环的功能主要是安装导叶的下轴承和形成流道的过流表面，设计中主要考虑底环的刚强度。材料采用Q235钢板。底环内径由转轮下环确定，外径主要考虑与座环的相对位置关系，高主要取决于转轮下环尺寸并参照现有设计资料图纸。得到下环各部分尺寸如图5-16所示。 38 2012届热能与动力工程专业毕业设计 图5-16底环 5.5.3控制环 控制环是传递接力器作用力，并通过传动机构转动导叶的环形部件。本设计中主要通过转轮直径和接力器直径查文献【1】表8-52控制环尺寸，表8-53控制环尺寸(大耳环处)，表8-54控制环尺寸(小耳环处)，采用Q235钢板焊接结构。大小耳环分布圆直径在导叶布置图中已经确定。设计中还需考虑控制环的支撑和防止运行中控制环跳动的问题。控制环的支撑装置设置在水导轴承支架上，采用具有自润滑性能的尼龙抗磨板作支撑，并设置压板防止控制环跳动。控制环各部分尺寸如图5-17: 39 山美水电站水轮机选型与结构设计 图5-17 控制环 5.6 导叶的强度校核与结构设计 导叶为整铸不锈钢结构，材料为ZG06Cr16Ni5Mo，有较好的抗空蚀、抗磨损性能。导叶为三支点正曲度导叶。导叶的结构与导叶套筒、轴套，密封形式等有关。选用中轴颈“L”型，下轴颈“O”型密封的导叶结构。通过转轮直径D1,使用水头，导叶体相对高度查文献【1】表8-10，表8-11中初选d，再由d查取其余轴颈等尺寸。得到导叶各部分的尺寸如图5-18: bb 40 2012届热能与动力工程专业毕业设计 图5-18 导叶 5.7 导水机构的装配系列与公差选择 5.7.1导水机构装配尺寸 导水机构装配尺寸系列(mm) f转轮直径D1 Z0 D0 Dy Dc Lh Lc 2340 24 2850 42? 2010 1860 370 300 41 山美水电站水轮机选型与结构设计 5.7.2 导水机构的零件公差 通过分析导水机构各部分的工作原理，明确各零部件之间的相互运动关系，参照机械设计手册确定导水机构各部分的配合。导水机构的配合关系见导水机构装配图。 5.7.3 导水机构的配合间隙 查文献【1】表8-3导叶的端面间隙，得 A=0.3,0.67， 4A？导叶与顶盖配合间隙为 =0.4,0.89mm， 3 2A 与底环配合的端面间隙为 =0.2,0.45mm。 3 1止推压板与导叶臂的间隙 ,,,,0.1,0.225mm 端面2 42 2012届热能与动力工程专业毕业设计 6.转动部件结构设计 6.1 转轮的结构设计与减压措施 6.1.1 转轮的结构设计 (1)转轮采用铸焊结构，上冠、下环均为VOD超低碳精炼的具有良好的抗空蚀和抗磨损性能不锈钢ZG0Cr16Ni5Mo。转轮结构设计主要包括上冠设计和下环设计。 上冠的设计步骤:(1)根据轴面流道图加厚得到过流部分的结构，具体的加厚参照文献【1】表10-6。(2)根据所选主轴直径查出上冠与主轴相连的法兰盘尺寸。(3)考虑工艺型腔的尺寸。(4)考虑密封间隙和减压孔设计。 下环的设计:(1)由轴面流道加厚:(2)进行工艺结构和密封设计。 转轮各部分结构如图5-1所示: 图6-1转轮 43 山美水电站水轮机选型与结构设计 6.1.2减压措施 混流式转轮上冠处的减压装置，起到减少机组轴向水推力的作用。减压和补气装置一般有两种方式:1)为引水板和转轮减压孔减压方式;2)尾水管补气。本文采用1)方式。结构如图5-2所示 -6倍，由此泄水泄水孔的排水面积，根据经验取止漏环缝隙面积的4 孔的直径可按下式计算: 4Kf4，5，85.17d,,,6.7cm ,Z,，12 取减压孔。 d,105mm 2式中: f---止漏环平均缝隙面积(厘米) 2 f,,，1085，2，1.25/100,85.17cm Z---泄水孔数，取12 K---取4。 泄水孔最好开成顺水流方向倾斜β=20?,30?， 自泄水孔排出的漏水，有的经泄水锥内腔排入尾水管，有的则直接排至尾水管。后者在泄水孔过流面将会出现汽蚀或磨损，前者也影响补气效果，本设计采用前者。 6.2混流式的止漏装置 止漏装置的作用是减少机组的容积损失。目前常用的型式有缝隙式、迷宫式，台阶式和梳齿式。止漏环的材料，除采用一般碳素铸钢或钢板外，也采用1Cr18NiTi不锈钢或其他抗磨板的，止漏环与转轮的固定方式有红套、机械装配点焊和装焊等几种型式。 山美电站水头小于200m，选用缝隙式密封装置。查文献【1】，得单边 ,,1.25,0.12mm间隙为。 44 2012届热能与动力工程专业毕业设计 6.3主轴结构设计 水轮机主轴是水轮机关键部件之一，用来传递水轮机转轮产生的转矩(功率)，使发电机旋转，发出电能;同时承受轴向水推力及转动部分的质量。 主轴的外径尺寸可以根据机组的扭力矩初选，扭力矩按参考文献【1】公式(12-1)计算: N M,97400(kg?cm) n 式中 : N—代表主轴传递的功率(千瓦) n—代表主轴转速(转/分) 根据资料，山美水电站水轮机的有关参数如下: N=1.1×15.6MW=17160kW n=214.3r/min N17160所以， ，，M,97400,97400，,7799272N,mn214.3 根据参考文献 【1】 图12-12扭力矩与主轴外径的关系曲线查得D=400mm. 主轴内孔直径按参考文献【1】式(12-2)计算: ND49610244 d,D,n,max 式中 :D—主轴外径(cm) N—主轴传递的功率(千瓦) n—主轴转速(转/分) 2 τmax—最大许用剪应力(kg/cm) 2选取主轴的材料为35钢,τmax=816kg/cm 所以根据主轴内孔直径公式计算得: 496102，17160，4044d,40,,280mm 214.3，816 45 山美水电站水轮机选型与结构设计 取主轴内径d=190mm。 所以山美水电站主轴外径D=400mm，主轴内径d=190mm,材料为35钢。 D=400mm查文献【1】水轮机厚壁轴尺寸系列选取螺根据主轴的外径 柱直径以及其余各部分尺寸。主轴与转轮的连接采用销套传递扭矩，12个M70连轴螺柱仅承受拉应力而不受剪切应力。法兰处各部分尺寸如图6-2所示。 图6-2主轴法兰 主轴其余各部分尺寸的设计参照密封装置的设计和水导轴承的设计。 6.4主轴强度的校核 6.4.1基本参数及意义 46 2012届热能与动力工程专业毕业设计 主轴传递的最大功率: N,17160(kw) 水轮机的正常转速:n,214.3(r/min)H n,426(r/min)水轮机的飞逸转速: p 轴向水推力: (kg) P,65405z GL转轮重量: (kg) GZ轴自重:(kg) P,P，G，GZLZ总轴向力:(kg) D,35轴身外径:(cm) 轴身内径:D,19(cm) 0 轴发兰直径:(cm) D,81.5F D,61法兰联轴螺钉分布圆直径: (cm) b法兰厚度:(cm) h,101 联轴螺钉数:Z=12 6.4.2 轴身应力的计算 在这次设计中的主轴材料35钢，查材料需用应力表可得到该轴身的许 47 山美水电站水轮机选型与结构设计 2,,用应力:τ=80MPa=816(公斤厘米) [σ]=159MPa=1621(公斤厘 2米) 主轴传递的扭矩: N17160,97400,97400，,7799272(公斤,厘米)MKn214.3H 轴身断面积: ,,22222(40,19),972F,(D,D),(厘米) z044轴身抗扭断面模数: 33DD，4019,,4430W,[1,()][1,()]厘米==11920; () zD161640 水轮机的轴向水推力为: (kg) P,65405z 混流式水轮机转轮重量的估算: 33G,[0.5，0.025(10,D)]D,[0.5，0.025(10,2.34)]，2.34,8.86(吨)L11主轴重量: G,G=8.86(吨) zL 水轮机总的轴向力: 48.86，8.86，65.4P=G，G，P==(公斤) 8.312，10LLZ 轴身应力为: 扭应力: M779927222k,654,厘米,厘米τ==)<816(公斤) (公斤W11920 Z 由轴向力引起的轴身拉应力: P831202,,,厘米==85.5(公斤) bF972z 48 2012届热能与动力工程专业毕业设计 则轴的相当应力为: 22222= =1310.8(公斤,厘米) ,,,，4,85.5，4，654npb 2,本设计选用的是35钢，许用应力[σ]=1621(公斤厘米) 可见，σnp<[σ] 故设计的主轴轴身满足强度要求。其外径为0.4m，内径为0.19m。 6.4.3 法兰与轴身连接处应力计算 轴身厚度: D,D40,190,,,,10.5(厘米) 22 轴身壁平均半径: D，D40，190,,14.75=(厘米) Rp44 R40.75D81.51.5F,F,,2.76,,0.0375,,2.04 计算 R14.75D40D40P FFF通过文献【1】表12-14,12-15查得、、和,123, ,FFF通过图中可以查得=16N =14N =6N =1.9 ,123 P计算相当应力: 0 R,R30.5,14.75bPP,P,，83120,50352(公斤) 0R,R40.75,14.75FP R为螺柱分布圆半径。 b 计算系数A: h1010.5,3310.506()Z,0.506，()，1,0.37 A= 0R10.514.75,p 49 山美水电站水轮机选型与结构设计 z对于水轮机取1 0 法兰与轴联接处的应力 径向应力: PF50352，16012,,,,496.7(公斤,厘米) r2210，(14，0.37，6)h(F，AF)123 切向应力: 77,,0.3,(1，A),0.3，496.7，(1，，0.37),277.6(公斤,r33 2,厘米) 扭应力: 2,,厘米(公斤) ,,,,,277.6，1.9,527.5, 2,本设计选用35钢，许用切应力[τ]=816(公斤厘米)， ,,<[τ] 可见， 满足强度要求 6.4.4 强度校核结论 山美水电站主轴外径D=400mm，内径d=190mm，材料为35钢，根据上述 的校核强度，得出主轴内外径合适，符合强度要求。 50 2012届热能与动力工程专业毕业设计 7.轴承、密封及其它部件的设计 7.1 水导轴承 水轮机轴承型式很多，目前比较常用的有水润滑的橡胶导轴承，稀油润滑的筒式轴承和稀有润滑油浸式分块瓦轴承。干油润滑轴承在国内应用不多。考虑到山美水电站主轴直径为400mm，水质比较干净。水润滑的橡胶导轴承需要有源源不断的清洁冷却水，对技术供水的要求非常高，且可能造成主轴密封等设备锈蚀，现已少用;分块瓦轴承受力均匀，轴瓦安装维修方便，但一般优先用于主轴直径大于1m的机组采用。筒式轴承结构简单，平面布置紧凑，运行可靠，刚性好。本设计采用稀油润滑的筒式轴承。其结构如图7-1。 图7-1 水轮机导轴承 51 山美水电站水轮机选型与结构设计 7.2 主轴密封 主轴部分的密封装置分两种，一种是机组正常运行中，橡胶轴承压力水箱的密封，稀油轴承下部防止机组漏水的主轴密封。这种密封结构形式很多，如盘根、垫料式密封，单层或双层橡胶密封，径向或端面碳精块密封，水泵密封等。另一种是机组停机检修轴承和轴承下部主轴密封时防止尾水往机坑内泄漏的检修密封。这种密封的结构形式有空气围带式、机械操作或抬机密封等多种。本电站工作密封采用的是水压式端面密封，如图7-2，和围带式检修密封，如图7-3。 图7-2 端面密封 52 2012届热能与动力工程专业毕业设计 图7-3 检修密封 7.3 补气方式的选择与设计 混流式机组在40%,70%额定出力时尾水管灰出现涡带。由于涡带强烈扰动，引起机组振动或出力摆动。补气装置就是在出现这种不稳定工况时，补入空气，借以吸振及降低漩涡强度，改善机组运行状态。补气方式分为自然补气和中心孔补气;补气装置分为尾水管补气和中心孔补气。 本机选择中心孔补气装置。为防止尾水倒灌时保护机组不受损害，补气系统设置两道补气阀，分别为浮球阀和差压空气阀，浮球阀在正常工作时处于常开状态，水位上升时依靠浮力自动关闭。差压空气阀在正常工况 53 山美水电站水轮机选型与结构设计 处于常闭状态，当补气阀下腔的真空低于某一值时，依靠压力自动开启。补气装置如图7-4所示。 图7-4 主轴中心孔补气 7.4 其它部件的设计 7.4.1真空破坏阀 当导水机构紧急事故关闭时，由于水流的惯性和转轮的水泵作用，在导叶后转轮室内可能产生较高真空，引起下游尾水反冲，产生很大的冲击力或出现抬机现象。真空破坏阀就是在紧急关闭导叶时，补入空气，破坏真空，减少上述有害的冲击力或抬机现象，起到一定的保护作用。 大型机组的真空破坏阀装在靠近机组中心的顶盖或支持盖，在中小型水轮机中，有时因顶盖内位置狭窄，布置不便，也可以将阀用管路引出布置在机坑内。本设计将真空破坏阀布置与顶盖上。真空破坏阀如图7-5所示。 54 2012届热能与动力工程专业毕业设计 图7-5 真空破坏阀 55 山美水电站水轮机选型与结构设计 8.结论、讨论和建议 本次毕业设计的课题来源是在指导教师提出可选课题后，结合自己的专业特点和学习工作的需要，选择山美水电站的结构设计。选定毕设题目之后，在网上收集资料，了解山美电站的地理位置、工程概况、电站原始资料。查找了大量文献，翻译外文，在图书馆数据库中查阅水轮机选型设计和水轮机结构方面的书籍和期刊，了解国内外在该领域的研究现状和发展趋势并书写开题报告。了解水轮机各零部件的结构和作用，参照水轮机设计手册和水轮机图册对山美电站水轮机结构进行设计。整个设计过程采用CAD作图，与传统的手绘相比提高了作图设计的效率和质量。最终的设计成果包括水轮机总装配图、导叶布置图、导水机构装配图和导叶零件图和开题报告、 毕业论文 毕业论文答辩ppt模板下载毕业论文ppt模板下载毕业论文ppt下载关于药学专业毕业论文临床本科毕业论文下载 、外文翻译的撰写。 毕业设计要求结合平时所学的相关专业知识，对大学期间所学知识进行系统总结，所以此设计可看做对大学所学知识的一个综合利用。通过本次毕设，熟悉水轮机选型设计的过程，加深对水轮机结构的认识，熟悉各部件的作用并掌握通过现有资料进行水轮机总体结构设计的方法，同时将所学知识融入到实际的工程中，也对实际的工程有一个比较全面的认识。在本次毕业设计过程中，我收获了很多，学到了很多。总结下来大致有以下几个方面: (1)对整个水轮机结构有了更深刻的认识和了解。以前在课堂上学习时只是对各零部件有个初步的认识，但这远远不够。由于采用CAD制图，作图的精度和准确性有了更高的要求，每个零件只有在充分了解其作用和结构特点后，才能将它画在图纸上。传统的“大概像、随便画”在这行不通。所以，当我把一个零件比较准确的画在图纸上时，这个零件的作用和结构我也就很清楚了。 56 2012届热能与动力工程专业毕业设计 (2)作图和识图能力有了极大的提高。之前我就在学校外面报过CAD培训班，但终究是实践太少，效果不明显，再加上时间隔的有点长，好多都忘记了。整个毕业设计做下来以后，可以说CAD已经不是问题了，作图速度也有了极大的提高。尤其是一些赵老师教的脚本文件导入等一些快速作图的方法让我受益匪浅。在刚上大学时，我最怕的就是看机械图，也许是天赋太差，三维的东西总是想象不来。在整个毕设过程中，我看了很多图纸，基本上每个零件在动手画之前都要把所有的图册和设计手册上的图纸看一遍，看懂了才画上去。有的结构实在想象不来就用UG画三维图，看懂之后再返回来画二维的。比如导叶分半键孔的相贯线还有导叶轴和瓣体之间的倒圆角过渡当时我就画了三维图。经过这样反反复复的练习，我的读图能力得到极大的提高，再也不会觉得机械图恐怖了。 (3)查找资料的能力提高了。本次毕业设计的资料比较有限，很多资料都过时了，比如说我们的设计手册，当中的很多结构材料现在的设计中已经基本不用了。这样就要求我们去图书馆借书，上网查期刊、看论文，找到一切自己能找到的资料。现在我学会了如何在图书馆的数据库里找资料，无意中还发现了许多优秀硕士论文，虽然现在还用不上，但是我上了研究生以后，这些就是宝藏，他们可以帮助我更早的进入研究生学习的状态，学到更多的知识。比如说一些研究的方法，ANSYS等软件的使用。 (4)解决问题的能力提高了。整个毕设过程中，遇到了许多的问题，有的问题是通过梁老师和赵老师的指导解决的。但是大部分的问题还得通过查找资料，自己拿主意，最终把问题解决。我觉得这是至关重要的。在以后的学习尤其是工作中，我们不可能每遇到一个问题就到处问，我们必须学会查资料和总结，拥有自己的主见和思想。哪怕是做错了，我们也要先拿出一个自己的成果，让老师和领导来评价审核。只有在不断的犯错和进步之后，才会学到真正的东西。 (5)教育了我在学习工作中要有严谨认真的态度。选型设计过程中为了赶进度，很多问题没有分析到位。再加上自己或多或少有点定性思维， 57 山美水电站水轮机选型与结构设计 把以前水轮机技术课程设计做的东西完全照搬过来，没有过多的思考，糊里糊涂，到了写论文时才发现自己放了很多错误:首先，在所给的原始资料中，额定出力指的是水轮机出力，我把此参数当做了发电机出力，导致算出的水轮机直径偏大;其次，额定水头指的是设计水头，而我的设计水头选的是95%的额定水头。由于问题是在撰写毕业论文的过程中发现的，而标称直径D是后面所有设计选择的参照，要变转轮直径由于时间限制已1 经不可能了。我知道这两个错误的严重性，我很难过，但是同时我又很高兴，因为这两个错误不是在工作中犯的，至少经过这一次后我对发电机出力和水轮机出力、水轮机设计水头有了更加深刻的认识，类似的错误我不会再犯了。我想这是我本次毕设的最大收获。 6)熟悉了办公软件Word、EXCEL，打字速度也有极大的提高。CAD、( UG、ANSYS是需要掌握的，但是Word、EXCE更基本、更实用，作为一个大学生，这是必须掌握的。 (7)我深深的感受到自己知识的匮乏，要学的东西还有很多，帮我指明了学习进步的方向。我们水动的学生对水轮机结构这块比较熟悉，但是整个电站是有许多部分组成的，电气、水工、辅助设备这些一个都不能少。在我的研究生阶段，我不仅要学深刻学习自己的专业，还要抽出时间去学习水能利用、水工设计、电气方面的知识，全面发展。 58 2012届热能与动力工程专业毕业设计 参考文献 【1】哈尔滨大电机研究所编著.《水轮机设计手册》.北京:机械工业出版 社，1976 【2】刘大恺编著.《水轮机》.北京:中国水利水电出版社，1996.12 【3】朱本贞，赵海刚.福川水电站水轮机选型设计[J].科技创新导报.2010.(11).110 【4】天津电气传动设计研究所编(《水轮机结构图册》(科学出版社，1978 【5】邓佑林，张小刚，王继娥.地洛电站水轮机结构设计[J].东方电机.2010.(2).5-10 【6】于兰阶主编。《水轮发电机组安装与检修》.北京:中国水利水电出版社，1995. 】成大先主编.《机械设计手册》.北京:化学工业出版社，2004.9. 【7 【8】武汉水利电力学院主编.《水轮机》.上册:北京:水利电力出版社， 1980 【9】张克危等. 流体机械原理. 机械工业出版社; 【10】王幼苓等.工程图学基础与应用. 陕西科学技术出版社，2005年; 【11】Alireza ZOBEIRI，Jean-Louis KUENY，Mohamed FARHAT，Francois AVELLAN. Pump-turbine Rotor-Stator Interactions in Generating Mode: Pressure Fluctuation in Distributor Channel，IAHR Symposium–Yokohama，2006.10:23 【12】Kang Can,Yang Minguan,Wu Xiaolian，Characteristics of Gas-liquid Transport Flow through an Axial Flow Impeller 59 山美水电站水轮机选型与结构设计 【13】Abhijit Date, Aliakbar Akbarzadeh,Design and analysis of a split reaction water turbine, Renewable energy, 2010 35(9) 60 2012届热能与动力工程专业毕业设计 致 谢 在论文即将完成之际，我的心情无法平静，从开始选题到论文的顺利完成，周围的老师同学给了我无言的帮助，在这请接受我诚挚的敬意，谢谢你们～ 本次毕业设计是在梁武科老师的悉心指导和关怀下完成的，从论文的选题到最后的定稿，都得到梁老师精心细致的指导。梁老师为人谦和的品质、广博深厚的学识、灵活敏捷的思维、勤奋严谨的治学态度、孜孜不倦的探求精神和风趣幽默的谈吐使我受益匪浅，终身难忘。整个毕设过程中梁老师都很关心我的进度，耐心的为我解答每一个问题。梁老师不仅在专业知识方面给予我极大的教导，还教会了我许多为人处世的道理。在此谨向梁老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意～ 同时，我要感谢赵道利老师在整个毕设过程中对我的的指导。正是有了赵老师的督促，使我在整个毕设过程中都有一种紧迫感，整个毕设过程都感觉很充实。在我最茫然最纠结的时候，是赵老师帮我指明了方向，帮我解决一个个难题。很感谢赵老师在百忙之中抽出时间为我们开专题讲解。给老师打的每一个电话、发的每一条短信老师都会认真回答，并且从未出现打过去不接或发过去的短信不回的情况。在此我要对赵老师表示衷心的感谢。 感谢郑宏用、谭信、巩颖攀、夏津津、杨梅和孙维鹏等同学的热情帮助，怀念与你们一起度过的美好时光。 感谢父母的养育之恩。在我的求学生涯中，父母给予了我巨大的支持和殷切关心。妹妹在我的求学之路上也给予了巨大的鼓励。正是有了亲人的关爱和支持，我才得以克服种种困难，顺利的完成学业。 最后，谨向百忙之中抽出宝贵时间评审和参加论文答辩的老师致以诚挚的谢意。 61 山美水电站水轮机选型与结构设计 附录 1.水轮机总装配图(A0); 2.导叶布置图(A1); 3.导水机构装配图(A1); 4.导叶(A2)。 62