大滩口水电站的水轮机选型设计

大滩口水电站的水轮机选型设计 目 录 1 前 言 ........................................................... 6 2大滩口水电站的水轮机选型设计 ....................................... 6 2.1 水轮机的选型设计概述 ............................................. 6 2.2 水轮机选型的任务 ................................................. 7 2.3 水轮机选型的原则 ................................................. 7 2.4水轮机选型设计的条件及主要参数 ................................... 7 2.5 确定电站装机台数及单机功率 ....................................... 8 2.5.1 机组台数的选择 ................................................. 8 2.5.2 确定机组的单机容量(功率) ..................................... 9 2.6 选择机组类型及模型转轮型号 ....................................... 9 2.6.1 各类水轮机的适用范围 ........................................... 9 2.6.2 HL和XL式水轮机各自的特点 .................................... 10 2.6.3 选择水轮机的转轮型号 .......................................... 10 2.7 初选设计(额定)工况点 .......................................... 11 2.7.1 选择设计单位转速n11r .......................................... 11 2.7.2 确定额定工况下的单位流量Q11r .................................. 11 2.8 确定转轮直径D1 ................................................. 12 2.8.1 水轮机的额定出力 .............................................. 12 2.8.2 转轮直径D1 ................................................... 12 2.9 确定额定转速n .................................................. 13 2.10 效率及单位参数的修正 ........................................... 13 2.10.1 效率修正 ..................................................... 13 2.10.2 单位参数的修正值及... 14 2.11 核对所选择的真机转轮直径 D1 ................................... 15 2.11.1 确定水轮机的真实工况点B ..................................... 15 2 2.11.2 工作范围的检查 ............................................... 21 2.12 确定水轮机导叶的最大可能开度 a0k ............................... 24 2.12.1 确定真机的导叶分布直径D0 .................................... 24 2.12.2 计算模型机的导叶分布直径D0m .................................. 24 2.12.3 计算水轮机导叶的最大开度 a0max ............................... 24 2.12.4 计算水轮机导叶的最大可能开度 a0k ............................. 24 2.13 计算水轮机额定流量Qr .......................................... 27 2.14 确定水轮机允许吸出高度Hs ...................................... 28 2.14.1水轮机允许吸出高度Hs ........................................ 25 2.14.2 确定水轮机的安装高程装 .................................... 33 2.15 计算水轮机的飞逸转速 ........................................... 34 2.16 计算轴向水推力Poc .............................................. 34 2.17 估算水轮机的质量 ............................................... 34 2.17.1 计算水轮机的质量G ........................................... 34 2.17.2 计算金属蜗壳的质量G蜗 ....................................... 35 3 水轮机导水机构运动图的绘制 ....................................... 31 3.1导水机构的基本类型 .............................................. 31 3.2 导水机构的作用 .................................................. 32 3.3 导水机构结构设计的基本要求 ...................................... 32 3.4 导水机构运动图绘制的目的 ........................................ 32 3.5 导水机构运动图的绘制步骤 ........................................ 33 3.5.1确定模型机导水机构尺寸参数 .................................... 33 3.5.2 确定真机基本结构及布置导叶图 .................................. 33 3.5.3 确定β，λ值 .................................................. 35 3.5.4 确定大、小耳孔的相对位置及接力器行程S ........................ 40 3.5.5 确定限位块的位置 .............................................. 41 4 水轮机金属蜗壳水力设计 ........................................... 41 3 4.1 蜗壳类型的选择 .................................................. 41 4.2 金属蜗壳的水力设计计算 .......................................... 41 4.2.1 主要参数的选择 ................................................ 41 4.2.2 蜗壳与座环连接尺寸的确定 ...................................... 42 4.2.3 蜗壳进口断面尺寸的确定 ........................................ 44 4.2.4 蜗壳其余断面的计算 ............................................ 40 4.2.5 圆形断面尺寸的计算 ............................................ 45 4.2.6 椭圆形断面尺寸的计算 .......................................... 46 4.2.7 计算程序及结果 ................................................ 42 5 尾水管设计........................................................ 50 5.1 尾水管概述 ...................................................... 50 5.2尾水管的选择 .................................................... 50 5.3 尾水管的基本类型 ................................................ 50 5.4 弯肘形尾水管中的水流运动 ........................................ 51 6混流式水轮机结构设计 .............................................. 52 6.1 概述 ............................................................ 52 6.2 水轮机主轴的设计 ................................................ 52 6.3 水轮机金属蜗壳的设计 ............................................ 53 6.4 水轮机转轮的结构设计 ............................................ 54 6.4.1 混流式转轮的组成 .............................................. 49 6.4.2 止漏环结构 .................................................... 56 6.4.3 混流式转轮的结构型式 .......................................... 56 6.5 导水机构设计 .................................................... 52 6.5.1 导水机构的结构型式 ............................................ 52 6.5.3 导水机构的止漏装置 ............................................ 53 6.5.4 导水机构接力器 ................................................ 54 6.5.5 导叶的结构和材质 .............................................. 61 4 6.6 水轮机导轴承结构设计 ............................................ 61 .......................................................... 61 6.6.1 概述 6.6.2 导轴承的结构型式 .............................................. 61 6.6.3 密封装置 ...................................................... 63 6.7 水轮机的辅助装置 ................................................ 64 6.7.1 混流式水轮机的补气装置 ........................................ 64 6.7.2 真空破坏阀 .................................................... 66 7 金属蜗壳强度计算 ................................................. 66 7.1金属蜗壳受力分析 ................................................ 60 7.2 蜗壳强度计算 .................................................... 61 7.3 计算程序及结果 .................................................. 64 7.3.1 计算程序 ...................................................... 64 7.3.2 计算结果 ...................................................... 72 8 结 论 ............................................................. 74 参 考 文 献 ......................................................... 68 5 1 前 言 水轮机是水电站的重要设备之一，它是靠自然界水能进行工作的动力机械与其 他动力机械相比，它具有效率高、成本低、环境卫生等显著特点。另外，水轮机 的好坏直接影响到水电站的能量转换效率，在水轮机生产制造前，我们必须首先 根据给定电站的水力条件对水轮机进行选型设计、对其零件进行结构分析以及对 部分零部件进行强度计算及校核等。 鉴于此，作为我们以后在水轮机制造厂或水电站工作的热能与动力工程专业的 学生，也就必须熟练掌握水轮机的设计思想、设计 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 以及设计步骤，所以在学 习各种专业课程后开始本次毕业设计。 毕业设计是本科教学 计划 项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载 中最后一个综合性、创造性的教学实践环节，是对学 生在校期间所学基础理论、专业知识和实践技能的全面总结，是对学生综合能力 和素质的全面检验，也是教学、工程实践的重要结合点。它主要是培养学生综合 运用所学知识和技能去分析和解决本专业范围内的工程技术问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 ，建立正确的设 计思想，掌握水轮机设计的一般程序和方法，使学生在进行了工程实践能力的综 合训练后，在今后的工作岗位上具有应用专业技术解决工程实际问题的能力。 本次毕业设计从水轮机的基本工作原理出发，系统地、较为全面地进行了水轮 机的选型设计、水轮机的结构设计、水轮机部分部件的强度计算及校核等。设计 分为六部分:第一部分:水轮机的选型设计;第二部分:导水机构运动图的绘制; 第三部分:蜗壳的水力设计;第四部分:尾水管设计;第五部分:水轮机机构设 计;第六部分:金属蜗壳强度计算。在设计过程中，着重阐述了水轮机选型设计 的具体方法及 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 选择、导水机构运动图的绘制和蜗壳的水力设计三部分。 2大滩口水电站的水轮机选型设计 2.1 水轮机的选型设计概述 水轮机的选型设计是水电站设计中的一项重要任务，其计算结果直接关系到水电站的机组能否长期运行、投资的多少、经济效益的高低。它是根据水电站设计部门提供的原始 资料 新概念英语资料下载李居明饿命改运学pdf成本会计期末资料社会工作导论资料工程结算所需资料清单 及参数，选择合理的水轮机型号和计算水轮机的各种性能参数。一般情况下，先根据水电站的类型、动能计算以及水工建筑物的布置等初选若干个方案，然后进行技术经济比较，再根据水轮机的生产情况和制造水平，最后确定最佳的水轮机型号及尺寸。 6 2.2 水轮机选型的任务 水轮机选型的主要任务如下: (1)确定电站装机台数及单机功率 (2)选择机组类型及模型转轮型号 (3)确定机组的装置方式 (4)确定转轮直径、额定转速、飞逸转速 (5)计算所有运行水头和功率下水轮机的效率和吸出高度值。 (6)轴向水推力的计算 (7)调节保证计算(本设计不要求) (8)辅助设备的选择 (9)计算水轮机的外形尺寸，估算重量及其价格 上述内容为水电站水轮机初步设计的一部分，水电站初步设计还包括水轮机的通流部件的设计、如蜗壳、座环、导水机构、尾水管等的初步计算及初步绘制水轮机剖面图等。 2.3 水轮机选型的原则 水轮机选型设计计算是水电站设计中的一项重要任务，其计算结果对水电站的投资、建设速度和发电量以及水电站的经济效益都有很大的影响。水轮机的选型并不是简单地查阅产品目录，从现代水轮机的选型设计计算来看，它是一门系统工程学，要在电站水能资源综合利用、制造、运输、安装、土建电力用户、运行方式等诸多技术经济因素中寻求最佳方案。水轮机选型设计的一般原则如下:?所选水轮机要具有较高的能量特性。不仅要选择额定工况下较高的水轮机 转轮型号，而且还要根据水轮机的工作特性曲线，即及曲线，选择平均效率最高的水轮机型号，使水轮机在负荷和水头变化的情况下具有最高的平均运行效率。 ?所选水轮机不仅要具有良好的空蚀性能，还要有较好的工作稳定性能，运行要灵活、平稳、安全和可靠。 ?所选水轮机的尺寸应较小，结构要合理、先进，便于运输、安装、运行及检修。 ?转轮选择比较时，应尽可能选用ns较高的水轮机，这样转速较高，相应的 机组尺寸就小，并且使所选的水轮机经常在最优区运行。选择转轮参数时应该使n11值稍高于n110，而且Q11值应接近于Q11max值。 2.4水轮机选型设计的条件及主要参数 7 水轮机的选型是根据水电站设计部门提供的原始资料和数据，选择合适的水轮机型号和计算水轮机的性能参数 工作水头 : Hmax=76.2m Hpj=63.2m Hr=61.0m Hmin=56.2m 电站装机容量: 电站海拔高程: 电站引用流量:qv,pl=45.8m 该电站远离负荷中心，具有季调节水库，在系统中担任基荷; 2.5 确定电站装机台数及单机功率 2.5.1 机组台数的选择 对于一个确定了总装机容量的水电站，机组台数的多少直接影响到电厂的动能经济指标与运行的灵活性、可靠性，还影响到电厂建设的投资等。因此，确定机组的台数时，必须考虑以下有关因素，并进行充分的技术经济论证。 (1)机组台数对工程建设费用的影响 机组台数多少直接影响单机容量的大小，单机容量不同时，机组的单位千瓦造价不同，一般情况下，小机组的单位千瓦造价高于大机组。一方面，小机组的单位千瓦金属消耗高于大机组;另外，单位重量的加工费也较大。除主要机电设备外，机组台数的增加，要求增加配套设备的台数，主副厂房的平面尺寸也需增加，因此，在同样的装机容量下，水电站的土建工程及动力厂房成本也随机组数的增加而增加。 (2)机组台数对电厂运行维护的影响 机组台数较少时，其优点是运行方式灵活，发生事故时对电站及所在系统的影响较小，检修也容易安排。但台数较多时，运行人员增加，运行用的材料、消耗品增加，因而运行费用较高。同时，较多的设备与较频繁的开停机会使整个电站的事故发生率上升。 (3)机组台数对设备制造、运输及安装的影响 机组台数增加时，水轮机和发电机的单机容量减小，则机组的尺寸小，制造、运输及现场安装都较容易。反之，台数减少则机组尺寸增大，机组的制造、运输和安装的难度也相应增大。因此，最大单机容量的选择要考虑制造厂家的加工水平及设备的运输、安装条件。此外，从发电机转子的机械强度方面考虑，发电机 8 转子的直径必须限制在转子最大线速度的允许值之大中型水轮机的类型及使用水头范围表 9 在进行水轮机选择时，若同一水头段有多种机型可供选择时，则需要认真分析各类水轮机的特性并进行技术经济比较以确定最适合机型。 不同类型的水轮机具有不同的使用范围与特点，根据本次设计的水头特征，可初步确定机型为HL或者XL式。两类水轮机的特点可概括如下: 2.6.2 HL和XL式水轮机各自的特点 HL式水轮机的特点是水流径向流入转轮，大致轴向流出。转轮由叶片、上冠和下环组成，叶片数较多，强度高，比转速范围广，适用水头范围广，适用水头为30~700m;结构简单，价格低，是目前使用最为广泛的一种水轮机。 XL式水轮机的特点是转轮可以转动，能够适应水头在较大幅度上的变化，机组效率曲线变化平缓。由于斜流式转轮叶片分布在一个直径较大的圆球上，所以允许布置比轴流式更多的叶片数及其转动机构，因而提高了转桨式水轮机是水头使用范围。一帮认为水头由50m到150m是它的发展范围。由于叶片是倾斜安放的，一般为，因此叶片的转动机构不在同一平面内。轴流式转轮在运行中会略有轴向(主要是向下)移动，而在斜流式水轮机中这些轴向位移必须加以限制，以免叶片和转轮相接触。为此，设有主轴下沉的监视保护装置。 斜流式水轮机最大的单机出力已达215MW，是苏联为其捷亚电站生产的。该机转轮直径为6.6m，设计水头78.5m。日本新日向川水电站安装的斜流式机组，水头达113.4m，是目前应用水头最高的斜流式水轮机。 斜流式水轮机虽具有许多优点，但由于结构、制造工艺、成本及运行经验等方面的原因，不如混流式、轴流式和贯流式水轮机应用广泛。目前以苏、日和瑞典等国家制造较多。 综上所述，结合本次的设计条件:该电站离负荷中心较远，有季节性调节水库，在系统中担任基荷。经分析比较后，最终确定所选水轮机机型为:HL式水轮机。 2.6.3 选择水轮机的转轮型号 水轮机型号的选择主要是根据水电站的特征水头，特别是其最大水头Hmax选择的。通常情况下，水轮机型号是根据水轮机的型谱性能参数进行选择的;若在 10 交界的水头范围，也就是某一水头范围有2种及其以上的转轮型号可选择时，就需要进行综合分析比较后才能选出最佳的转轮型号。 [1]中小型混流式水轮机 根据本次设计的特征水头:Hmax=76.2m，Hr=61.0m由 模型转轮主要参数表，可确定本次设计所选水轮机的型号为:HL240/D41，其对应的相关模型转轮参数如表2.2所示。 表2.2 HL240/D41模型转轮主要参数表 2.7 初选设计(额定)工况点 水轮机的选型设计工况点是指水轮机在额定水头下发额定出力时的工况点，即(n11r，Q11r)。 2.7.1 选择设计单位转速n11r 或 (1.0~1.05)n110 式中:n110—模型的最优单位转速。 计算结果如表2.3所示。 表2.3 设计单位转速 2.7.2 确定额定工况下的单位流量Q11r 在模型转轮综合特性曲线上作n11r的水平线交5%功率限制线于A点，A点即为初选设计工况点，见图2.1。A点的单位流量即为初选设计工况点下的单位流量，计算结果如表2.4所示。 11 n11 n11r11 图2.1 初选设计工况点 2.8 确定转轮直径D1 2.8.1 水轮机的额定出力 式中:Pr —水轮机额定功率，KW; PF —发电机额定功率 —发电机功率,一般可取0.96或0.98,本次设计取。 计算得:Pr=10417kw。 2.8.2 转轮直径D1 式中:Pr—水轮机额定功率，KW; D1—转轮直径，m; Q11r—水轮机额定工况的单位流量，m3/s。 为水轮机的效率，由初设工况点A的 加上修正值得到 另外，也可根据水轮机的型号近似的取值，即HL水轮机，ZZ水轮机。 12 由于本次设计为HL水轮机，所以本次设计取，计算结果如表2.5所示。 表2.5 转轮直径D1的计算结果 查《水力机械及工程设计》书15页表1.3转轮公称直径D1尺寸系列表，结果 如表2.6所示。 表2.6 转轮公称直径D1 2.9 确定额定转速n 额定转速n: 1 式中: n?10—设计单位转速, r/min; Hpj—加权平均水头, Hpj=63.2m D1—真机的转轮直径, m。 计算结果如表2.7所示。 由[2]查水轮发电机额定转速系列表，每个型号有两个标准额定转速可以选择， 选取结果见表2.8。 表2.8 水轮发电机标准额定转速 2.10 效率及单位参数的修正 2.10.1 效率修正 13 真机的效率修正: 式中—主要由尺寸效应引起的修正值; —由翼形过流部件影响引起的修正值，本次设计未采用翼形过流部件,取 ; —由机械的加工工艺质量而引起的修正值，它与水轮机的尺寸及加工的工 艺质量有关,对于大型水轮机，取 ;对于中小型水轮机， 参照相应规范取不同的值。 - 式中:—真机的最优工况效率; —模型机的最优工况效率，由[1]中小型混流式水轮机模型转轮主要参数 表，知。 -(1-式中:D1m—模型的转轮直径,由[1]中小型混流式水轮机模型转轮主要参数表; D1t—真机的转轮直径,m。 2.10.2 单位参数的修正值及 式中:n?1m0-模型机最优工况下的单位转速。 上述修正值可在最优工况点进行选取，其他工况点采用等值修正处理。当，时，单位参数可不予修正。 n?1m0Q?1m 最终计算结果见表2.9。D1 表2.9 效率及单位参数的修正 14 真机效率为: 2.11 核对所选择的真机转轮直径 D1 2.11.1 确定水轮机的真实工况点B 实际水轮机的转速: 11 式中:n—额定单位转速,r/min; D1—真机的转轮直径,m; Hr—设 ; 计水头， —单位转速修值，取。 B点在n11,mr水平线上，在其上查找点，计算功率N11t，并作辅助曲线，即: 而 Pr ，在辅助曲线上有一个Q11,tr与之对应，从而得到23/2 D1Hr ，将Q11,mr的值返回到模型综合特性曲线图上与n11,mr 线相交于B 点，即为真实工况点。 各种方案计算结果如下: (1)HL260/D74:转轮直径，转速 , Pr10417 表2.10 辅助曲线计算数据表 图2.2 辅助曲线 (2)HL260/D74:转轮直径，转速 Pr10417 表2.11 辅助曲线计算数据表 16 1t1t(3)HL260/D74:转轮直径，转速 Pr10417 表2.12 辅助曲线计算数据表 17 图2.4 辅助曲线 11t11t (4)HL260/D74:转轮直径 ，转速 Pr10417 (5)HL240/D41:转轮直径 ，转速 Pr10417 表2.13 辅助曲线计算数据表 18 图2.5 辅助曲线11t 11t (6)HL240/D41:转轮直径D1 ，转速 Pr10417 表2.13 辅助曲线计算数据表 19 图2.6 辅助曲线N1 (7)HL240/D41:转轮直径，转速 375r/min Pr10417 表2.13 辅助曲线计算数据表 图2.7 辅助曲线 (8)HL240/D41:转轮直径，转速 Pr10417 表2.13 辅助曲线计算数据表 图2.8 辅助曲线 2.11.2 工作范围的检查 最大水头Hmax下，对应一个n11min;最小水头下Hmin下，对应一个n11max。这2条直线之间应包含主要综合特性曲线的优效率区;同时，B点应在最优工况点的附近，则可认为所选择的D1和n是合理的、正确的，否则应重新选择D1和n的值。 模型机的单位转速为: 式中:n—额定转速，r/min; D1—真机的转轮直径，m; —单位转速修正值; 21 Hi—水头，分别取和。 下面分别求出各种方法下的n11min和n11max大小，计算结果见表2.18。 表2.18 n11min和n11max大小 各方案的工作范围及真实工况点B如下: 图2.9 HL260/D74 图2.10 HL260/D74 ，， 22 图2.11 HL260/D74 图2.12 HL240/D41 图2.13 HL240/D41 图2.14 HL240/D41 ，， 图2.15 HL240/D41 ， 综上各种方案的工作范围和真实工况点B的检查，可得选用HL240/D41转轮 直径，转速。 23 2.12 确定水轮机导叶的最大可能开度 a0k 2.12.1 确定真机的导叶分布直径D0 ，查[3]非对称导叶叶形断面尺寸系列表，根据 由真机转轮直径 相似换算知: 2.12.2 计算模型机的导叶分布直径D0m 式中:D0—导叶相对分布圆直径，; D1m—模型机的转轮直径，由[1]中小型混流式水轮机模型转轮主要参数表，知 。 。 计算得: 2.12.3 计算水轮机导叶的最大开度 a0max 在模型机和真机保持几何相似，即当 D0D 时，可按a0m相似换算 D0mD1m ，m D0Z0m (mm) D0mZ0 式中:D0,D0m—分别为真机、模型机的导叶分布直径; a0max，m—模机在相似工况下的最大开度，由[1]在HL240/D41模型转轮综 „,mr,Q1?,mr)所对应的开度值，可得合特征曲线上，找到点(n1 a0ma，mm; Z0，Z0m—分别为真机、模型机的导叶数目，由[1]中小型混流式水轮机模 型转轮主要参数表知:;由[3]非对称导叶叶形断面尺寸系列表可知: 。 计算得: 2.12.4 计算水轮机导叶的最大可能开度 a0k 式中:a0max—真机导叶的最大开度，计算得: 24 2.13 计算水轮机额定流量Qr Pr 式中:Pr—水轮机额定出力，; Hr—额定水头，; —原型机的效率，。 计算得: 式中:qv,pl—为电站引用流量，。 所以，该设计流量满足要求。 2.14 确定水轮机允许吸出高度Hs 2.14.1水轮机允许吸出高度Hs 计算时可选择Hmin 、Hr、Hmax等若干水头分别计算HS，从中选择一个最小值作 ，，为允许吸出高度，本次设计计算m， ， 和下的HS，选择最小值作为水轮机的允许吸出高度。 水轮机允许吸出高度Hs按下式计算: -- 式中:—水电站水轮机安装海拔高度，; —各对应水头下的工况点的空蚀系数; 由[1]在HL240/D41模型转轮综合 (n11m,Q11t)特性曲线上所对应的值; —空蚀安全系数，，本次设计取。 在进行各水头的工况点空蚀系数查找时，需作辅助曲线 ，为此列表计算，结果见表2.14，并得出各水头下的辅助 t Pr D12Hi3/2 曲线。且在各水头下， 为已知，从辅助曲线上即可找到该水头下发出 的额定功率的工况点，从而得出其空蚀系数。 表2.19 各水头下的辅助曲线 25 26 由于在最小水头下不能发出该水头下计算的最大功率N11t，所以应找该水头下的单位转速与5%功率限制线的交点所对应的工况点的空蚀系数。其具体值见表2.20。 (a) Hmin=56.2m (b) Hr=61m 27 28 图2.18 各水头下的辅助曲线 在各水头下，计算水轮机允许吸出高度Hs，见表2.20。 表2.20 水轮机允许吸出高度Hs 则-2.16m 2.14.2 确定水轮机的安装高程装 对立式机组: 装下 b0 2 式中:—电站下游水位，已知:; Hs—水轮机允许吸出高度，Hs=-2.16m; b0—导叶高度。 b0=b0D1 29 式中:b0—导叶的相对高度，由[1] 中小型混流式水轮机模型转轮主要参数表， 可知:b0=0.25。 计算得:装=657.44m。 2.15 计算水轮机的飞逸转速 HL式及其他固定叶片式水轮机飞逸转速的计算公式为: 式中:nR—原型机的飞逸转速; 1 (r/min) 模型机最大可能开度的单位飞逸转速，由[1]中小型混流式水轮机模 n11R— 型转轮主要参数表，可知:n11R=146.7r/min; Hmax—最大水头，Hmax=76.2m。 计算得，nR=800.36r/min。 2.16 计算轴向水推力Poc 对于混流式水轮机: 4 D12Hmax 1tf=9.81kN); D1—转轮直径，D1=1.6m; 式中:Poc—轴向水推力，tf( k—轴向水推力系数，由[1]中小型混流式水轮机模型转轮主要参数表，可 知:，本次设计取k=0.33。 计算得:。 2.17 估算水轮机的质量 2.17.1 计算水轮机的质量G 水轮机的质量G(不包括调速器、油压设备及其他的辅助设备时)可按下式计算: 30 式中:G—水轮机质量，t; H—水头，取H=Hmax=76.2m; k—系数，由[2]混流式水轮机的a,b,k值表，查得:k=8.1; a—与直径D1有关的指数，由[2]混流式水轮机的a,b,k值表，查得: a=2.6; b—与水头有关的指数，由[2]混流式水轮机的a,b,k值表，查得:b=0.16 计算得:G=54.99t=5.499×104 kg。 2.17.2 计算金属蜗壳的质量G蜗 水轮机金属蜗壳的质量G蜗可按下式计算: G蜗 式中:G蜗—水轮机金属蜗壳的质量，t; Q11—设计水头下发出额定功率时的单位流量，由[1]HL240/D41转轮模型 特性曲线，查得:Q11=925L/s=0.925m3/s。 计算得:G蜗=134.22t=1.3422×105kg。 3 水轮机导水机构运动图的绘制 3.1导水机构的基本类型 按照水流在水轮机导叶中的流动方向分为: (1)径向式导水机构:水流沿着垂直于水轮机轴线的平面径向地流过导叶。此时由于导叶轴线均布在水轮机同心的圆柱面上，故又称圆柱式导水机构。其导叶 传动机构为平面运动机构，结构较简单。 (2)斜向式导水机构:水流沿着以水轮机轴为中心线的圆锥面斜向地流过导叶。此时由于导叶轴线均布在水轮机同心的圆锥面上，故又称为圆锥式导水机构。这种导水机构主要用于斜流式水轮机和灯泡式水轮机。其导叶传动机构不是平面运动机构，致使机构较复杂。 (3)轴向式导水机构:水流沿着与水轮机同心的各个圆柱面轴向地流过导叶。此时由于导叶轴线位于半径方向上，故又称圆盘式导水机构。这种导水机构主要 31 用于全贯流式水轮机，其功用和缺点与斜向式导水机构较相似，且因导叶的排挤使流速大为增加，造成较大的水力损失，性能不如斜向式导水机构优越。 本次设计采用的是径向式导水机构。 3.2 导水机构的作用 导水机构的作用是: ?形成或改变进入转轮的水流环量。 ?协同引水室向转轮均匀引水。 ?按电力系统所需要的功率调节通过水轮机的过流量。 ?导叶在关闭位置时能停止水轮机运行，并在机组甩负荷时防止产生飞逸 。 3.3 导水机构结构设计的基本要求 在导水机构结构设计中，许多结构尺寸和传动关系必须取决于导水机构的传动运动关系，以达到以上设计要求。因此，水轮机导水机构运动关系图是结构设计中最重要的图纸。 在结构上导水机构应满足以下要求: ?导水机构过流部件应与模型水轮机相应部件保持几何相似。即在所有工况下，水流应平滑绕流导叶，导叶尾部不应形成旋涡。 ?导叶的最大开度a0max和最大可能开度aok要可靠，以保证水轮机有足够的过 流能力。 ?在关闭状态下，导叶与导叶之间的间隙(立面间隙)，导叶上端面与顶盖的间隙以及导叶下端面与底环的间隙(端面间隙)要合理，既能保证机组可靠地停机和水轮机的调相运行，又能便于导叶的安装及调整。 ?导水机构中应有安全保护装置，如设置剪断销、限位销等，以防止导叶被异物卡住而引起主要传动部件破坏。 ?导水机构应转动灵活，各部件之间的摩擦面应有良好的润滑。 ?导叶应具有足够的强度和刚度。 ?对多泥沙河流中的水轮机导水机构，还应在结构设计及材料选择上采取适当措施，以防止磨损破坏。 3.4 导水机构运动图绘制的目的 水轮机在进行负荷调节时，导水机构各运动部件(导叶、连杆、拐臂、控制环、推拉杆、接力器等)所在位置与导叶开度a0之间的关系图，称为导水机构运 动图。 32 绘制导水机构运动图有以下目的: ?确定最大可能开度下所需的接力器行程，从而最终确定各传动机构的尺寸参数; ?确定最大可能开度a0k下的接力器行程Smax，绘制接力器行程S与导叶任意 开度a0的关系曲线，并检查导水机构运行时的均衡性(即各曲线是否连续光滑) ? ?确定不同导叶开度a0下的β，λ值，并绘制β=f(a0), λ=f(a0)曲线。 确定控制环大耳孔、小耳孔的相对位置及相应的推拉杆位置，使得大耳孔在2个极限位置时，推拉杆的偏斜角度为最小。 ?确定导叶限位块的位置，检查传动件在不同位置下是否相撞，尤其是在剪断销(或其他保护装置)断裂时是否会造成连杆与导叶臂相撞。限位块一般位于底环上(为了减少水力损失及提高水轮机的抗空蚀能力，现在更多地把它设计在非过流部件上)，其位置的确定是在导叶最大可能开度下推一个适当的距离?。 a.对于大中型水轮机:?=20~30mm; b.对于小型水轮机:?=0~10mm ?确定导叶关闭时，相邻导叶间的密封位置及导叶端面密封条的分布圆直径，或端面密封所需的最小平面尺寸。 ?确定固定导叶的布置位置及进、出口角，设计固定导叶的形状。 3.5 导水机构运动图的绘制步骤 3.5.1确定模型机导水机构尺寸参数 (1)几何参数: (2)模型特性曲线:最优开度a0ym是通过额定单位转速n11r=78.38 r/min与最 优单位流量Q110=0.925m3/s估读出此时的开度为a0ym=20.3 ;额定单位转速n11r=78.38 r/min与额定单位流量Q11r=1.118m3/s估读出的开度为最大开度 ，并且与最小水头对应的单位转速 与 5%功率限制线交点处对应的开度作比较，取最大的作为模型机的最大开度，则。 3.5.2 确定真机基本结构及布置导叶图 (1)确定真机导水机构尺寸参数:D0,Z0及真机导叶形状尺寸。 33 本次设计采用正曲率导叶，导叶形状见图3.1。 由[3]非对称导叶叶形断面尺寸系列表可知:，及如图9中所示的导叶叶形断面尺寸见表3.1: 表3.1 导叶叶形断面尺寸表 (单位:mm) 真机导水机构的装配尺寸，由[3]导水机构装配尺寸系列表得到以下参数，见表3.2。 表3.2 真机导水机构装配尺寸 确定了以上参数后，即可根据实际情况选取合适的比例，计算出对应的各个参数值并绘制导叶断面型线示意图，见图3.1。 图3.1 导叶断面型线示意图 (2)计算真机导叶开度a0,包括最优开度a0y、最大开度a0max及最大可能开度 a0k等值。 34 对于大中型机组，由于可以较严格地保持模型与真机的几何相似关系，即当: D0D ，故开度a0系列可由导叶开度换算得到，即: D0mD1m D0Z0m D0mZ0D0Z0m D0mZ0 D0Z0m D0mZ0 计算得: a0y=139.2mm ，a0max=181.44mm ， a0k=190.512mm 对于中小型机组:由于简化结构的需要，常常使得D0/D1>1.16，Z0减少，使得模型与真机之间的几何相似关系遭到破坏，此时就不能利用上述公式进行导叶开度换算，为了使真机与模型机导水机构水流运动保持运动相似，只有使模型机与真机的导叶出流角相等，即保证。 3.5.3 确定β，λ值 β为连杆与控制环小耳孔所在圆周切线方向的夹角，λ为连杆与导叶转臂夹角。确定β与λ值的步骤为: ，否则可适当调整拐 将导叶置于全关状态，此时要求β=70?~ 80?， 臂与连杆的长度，在全关时，拐臂中心线与D0圆周切线夹角为α=22?，从而可确定出初始位置。 所选开度值为: a0y 转动导叶(传动机构随之改变位置)，让相邻导叶间的开度a0等于上述计算出的开度值，量取角度β，λ，并填入表3.3中。 经调整后:，连杆长。 根据表3.3作出β=f(a0),λ=f(a0)、S=f(a0)曲线及检查光滑性，如图3.2。 表3.3 导叶运动关系值 35 图曲线 3.5.4 确定大、小耳孔的相对位置及接力器行程S 首先使导叶处于全关状态，得到小耳孔中心全关位置点A，使导叶处于a0k时，得到小耳孔中心最大可能开度的位置点B，AB的一半即是小耳孔的中间位置，将A，B两点作射线与大耳孔圆Dy的交点为A?,B?，则A?B?的一半即是大耳孔的中间位置，大耳孔移动的弦长A?B?即是接力器行程S。 3.5.5 确定限位块的位置 限位块在导水机构中的作用是为了减少水力损失及提高水轮机的抗空蚀能力，现在更多的是把它设计在非过流部件上，其位置的确定是在导叶最大可能开度 。对于大中型水轮机:?=20~30mm;对于小型水a0k下外推一个适当的距离? 轮机:?=0~10mm，本次设计取?=10mm。 导水机构运动图见图DT-01。 4 水轮机金属蜗壳水力设计 36 4.1 蜗壳类型的选择 蜗壳的功用是将水流均匀引入导水机构并形成一定的速度环量。 蜗壳分为混凝土蜗壳和金属蜗壳两种类型。其型式的选择主要是根据水电站的水头进行的，最大水头在40m以内的机组，通常采用混凝土蜗壳，这类蜗壳的断面形状呈“T”或“τ”形，其包角为135?~270?;当水头超过40m时，一般选用钢板焊接蜗壳，端面形状有圆形及椭圆形两种，包角一般为345?~360?。因为本次设计的最大水头为:Hmax=76.2m，所以采用金属蜗壳。 金属蜗壳断面形状为圆形，断面面积及半径随着由进口到尾部流量的减少而减小。本次设计中在时，由于圆面积小到不能和座环蝶形边连接，因此这部分断面形状由圆过渡到椭圆。 良好的蜗壳设计使蜗壳中水流流动损失最小，同时还要合理地选择参数。 4.2 金属蜗壳的水力设计计算 金属蜗壳进行水力计算，就是在给定设计水头Hr，设计流量Qr，导水机构高 度b0及座环尺寸的条件下，确定蜗壳各断面的形状和尺寸，并绘制出蜗壳的单线 图，列出蜗壳断面尺寸表，以便制造及作为蜗壳强度计算和水电站厂房设计的依据。 4.2.1 主要参数的选择 (1) 蜗壳包角Φ0的选择 蜗壳是指从蜗壳尾端到进口断面的角度，它是蜗壳的主要参数之一，反映了蜗壳包围导水机构的程度，它将会影响电站的投资及水轮机的效率。通常取座环特殊固定导叶出口边作为蜗壳包角的起始断面，取垂直于引水管道轴线的+X方向断面作为蜗壳的进口断面。 对于高水头电站，一般选取完全包角的金属蜗壳，包角Φ0=345?~360?，通常采用Φ0=345?，而混凝土蜗壳的包角可在Φ0=135?~270?内选择。对低水头大流 量的水电站，通常采用Φ0=180?的蜗壳，对厂房布置有特殊要求时，也可采用 Φ0=135?的蜗壳，有时为了减小蜗壳的进口断面宽度和便于蜗壳与进水管的连接， 还可采用Φ0=270?的大包角蜗壳。本设计采用的是金属蜗壳，蜗壳包角Φ0=345。 (2) 蜗壳进口流速的选择 蜗壳进口断面的平均流速v0与蜗壳尺寸及蜗壳水力损失等因素有关。若v0较大，则蜗壳和导水机构中的水力损失相应增大，反之亦然。在流量相同的条件下， v0越大，则断面尺寸可减小，从而减小对电站的投资。 37 通常情况下，v0是有水轮机的设计水头来决定的，即: 式中:K—流速系数。在蜗壳的设计中，K值的选择有很大意义。它影响到蜗壳的 水力性能和材料消耗，甚至影响机组布置间距，尤其大尺寸的金属蜗 壳，当提高K值后，断面尺寸可以减小，不但可以节省钢材，降低造 价，有时还可以解决材料强度不足的矛盾，然而K值取得太高，可能 引起机组效率下降，在高水头水轮机尤其明显，因此K值的选择应全 面考虑这些因素。对于金属蜗壳，一般取K=0.7~1.0，本次设计取 K=0.90; Hr—设计水头，。 计算得:。 4.2.2 蜗壳与座环连接尺寸的确定 金属蜗壳与座环的连接结构，如图11所示。其中，Ra为固定导叶外切圆半径; RA为座环蝶形边半径;h为蝶形边至导水机构水平中心线高度;α为蝶形边锥角， 一般取55?;r1为蝶形边锥角顶点所在半径。 图4.1中的其余符号含义，将在以下的计算中逐一介绍。 图中关于座环的尺寸，由[3]金属蜗壳座环尺寸系列表可知以下参数: 200mm 图4.1 蜗壳与座环的连接结构尺寸图 其他一些相关尺寸的计算如下: h1=R(1-cosα) 式中:R—座环系列尺寸，查表得:R=200mm; 38 α—蝶形边锥角，α=55?。 计算得:h1=85.28mm。 b0=b0D1 式中: b0—导叶高度; b0—导叶的相对高度，由[1]中小型混流式水轮机模型转轮主要参数表， 可知:b0=0.25; D1—真机转轮直径，D1=1800mm。 计算得:b0=504mm。 本次设计取 (mm) 计算得:H1=520mm。 RDa 2 式中:RA—座环蝶形边半径; Da，K—座环系列尺寸，查表得，计算得:RA=1650mm。 H1 2 式中:h—蝶形边至导水机构水平中心线高度。 计算得:h=345.28mm。 hsina 式中:L—蝶形边长度。 计算得:L=421.51mm。 h cosa 计算得:S=601.98mm。 计算得:rB=1408.23mm。 39 。 4.2.3 蜗壳进口断面尺寸的确定 (1)蜗壳进口断面半径 m) 式中:Qr—水轮机的额定(设计)流量，由步骤1.13可知:Qr=18.50m3/s; —蜗壳包角，; v0—蜗壳进口流速，; 计算得: 。 (2)蜗壳进口断面中心距a 式中:RA—座环蝶形边半径，RA=1650mm; h—蝶形边至导水机构水平中心线高度，h=345.28mm。 计算得:a0=2535.03mm。 (3)蜗壳进口断面外径R0 计算得:R0=3485.03mm。 4.2.4 蜗壳其余断面的计算 蜗壳其余断面的计算是按照水流运动规律 (1)金属蜗壳系数 C 式中:a0—蜗壳进口断面中心距，a0=2.53503m; —蜗壳进口断面半径，。 计算得:C=1867.52。 (2)由圆断面过渡到椭圆断面的临界包角 s 式中:RA—座环蝶形边半径，RA=1.650m; h—蝶形边至导水机构水平中心线高度，h=0.34528m。 计算得:。 40 4.2.5 圆形断面尺寸的计算 圆形断面及圆形断面计算如图4.2 所示。 图 4.2 进口断面及圆形断面计算图 4.2.6 椭圆形断面尺寸的计算 当〈时，如果此时蜗壳的断面为圆形断面，那么圆半径为: 当α=55?时， 由于圆断面已不能与座环蝶形边相连接，故应转换为椭圆形状，但这两者的断面面积相等。 椭圆断面蜗壳各节尺寸根据以下公式进行计算: h 式中:—椭圆形断面的长、短半径; Ra —座环固定导叶外缘半径。 其余符号如图4.3所示。 图4.3 椭圆形断面计算 4.2.7 计算程序及结果 (1)计算程序 本次金属蜗壳的水力计算借助了计算机的VB编程，详细计算程序如下: Private Sub Command1_Click() Dim D1!, Hr!, Qv!, b!, Ra1!, rb!, Kt!, a#, k#, CO#, Ks#, RA#, h!, BO!, h1!, pO!, aO#, RO#, c# Dim i!, k1!, t!, xi!, pi!, ai!, ri!, rb1!, f!, e!, s!, l!, p - p2) * Cos(a) Print i, p1, ai, ri, p2, ai1 End If Next i (2)程序界面如图4.4所示: 43 图4.4蜗壳水力计算程序界面 (3)计算结果如表4.1所示。 表4.1 蜗壳各断面尺寸表(mm) 44 绘制的水轮机型号为:HL240/D41-LJ-1120的金属蜗壳单线图见图DT-02。 5 尾水管设计 5.1 尾水管概述 尾水管是水轮机过流通道的一部分。水流流经转轮，完成了能量交换后，将从转轮的出口边流出转轮。这时，水流被引入尾水管再流向下游。尾水管的功用是除了将水流引向下游外，还可以回收一部分水流能量，使转轮能多发一些电能。也就是说，装置了尾水管能够使水轮机转轮出口水流能量有所降低，增加了转轮前后的能量差。尾水管的形状对不同比转速水轮机的性能存在不同程度的影响，尤其对高比转速水轮机影响更为明显。 5.2尾水管的选择 在设计尾水管的时候，首先要根据机组和电站的具体条件来选择和确定尾水管的形式。目前在小型机组上多采用圆断面的直锥形尾水管，对于大型卧式机组为了减少水电站的土建投资并保证尾水管有足够得淹没深度，通常将直锥管的出口做成矩形断面，加大水平方向尺寸而减少高度方向尺寸，而对于大型立式机组，由于土建投资占电站总投资比例大，因此在电站设计中，要尽量降低水下开挖量 和混凝土量，应选用肘管形尾水管。 5.3 尾水管的基本类型 尾水管主要有3种类型:直锥形、弯肘形和弯形尾水管。 (1)直锥形尾水管。当尾水管的轴线为直线时，称为直锥形尾水管。这是一种最简单的扩散形尾水管。这种尾水管广泛地使用在中小型水电站中(转轮直径在D1,0.5~0.8m)。 (2)弯肘形尾水管。当尾水管的中心线具有90?或接近90?的转弯时，则称为弯肘形尾水管。它由三部分组成:进口锥管，肘管段及出口扩散管。进口锥管是一竖直的圆锥扩散管。肘管是一个90?的弯管，它的进口断面为圆形，出口断面为矩形。出口扩散管是一个水平放置的断面为矩形的扩散管。 45 本次设计采用的就是弯肘形尾水管。几乎所有大、中型立式水轮机都使用这种尾水管，因为对于大型水轮机组，如采用直锥形尾水管，将会带来巨大的挖深，因而是不经济的。因此，尽管弯肘形尾水管的水力损失大些，水力性能不如直锥形尾水管，但由于挖深较小，大型水轮机仍全部采用弯肘形尾水管。 图5.1弯肘形尾水管 (3)弯形尾水管 这种尾水管一般适用于卧式水轮机，在这就不做详细介绍。 5.4 弯肘形尾水管中的水流运动 在弯肘形尾水管中水流由转轮流出后首先进入直锥管，然后进入肘管，并在肘管中改变流向。水流流经弯曲部分时，流场发生变化，压强沿离开曲率中心的方向增大而流速则相对降低，亦即水流由直锥段进入肘管转弯时，靠近外壁处压力增大，流速降低，而内壁则压力减小，流速增大。因此，内壁处液流收缩而外液流则扩散，形成涡流滞水区。水流经肘管流入水平扩散段时，由于离心力的作用逐渐消失使断面压力分布又趋于均匀。这样，原在弯管段内具有较高压力的水流进入出口段时压力要降低，液流加速而呈收缩状。而靠近内壁原来压力较低流速较高的水流在水平扩散段会有压力增加流速降低，使液流呈扩散状而形成另一涡流滞水区。 本设计按HL240/D41水轮机尾水管流道尺寸相似换算绘制尾水管单线图，见图DT-03。 6混流式水轮机结构设计 46 6.1 概述 混流式水轮机是水轮机中应用最为广泛的一种型式。它结构简单，高效率区宽，可以在很大的水头和流量范围内有效而可靠地工作。在我国已建成的水电站中，它亦是应用最多的一种型式。 混流式水轮机的结构，由于布置方式、单机容量、应用水头的不同，会有不同程度的差异，但水轮机作为一种把水能变为机械能的动力机械，每一种结构型式都具有把水能转换为机械能所必需的四大部分。 混流式水轮机的大致结构和组成，见本次设计水轮机结构图。其主要部件有主轴、转轮、导轴承、导水机构、座环、基础环、蜗壳、尾水管、止漏装置、减压装置、密封装置以及附属装置等。位于水轮机中心的是转轮及与其直接相连的水轮机主轴，在转轮四周布置着导水部件的导叶，导叶与其上面的控制机构相连结。导叶的下轴颈装在其下面的底环内，而底环安装在座环的下环上。导叶的上轴颈 装在顶盖内，顶盖被安装在座环的上环上，它将转轮盖住。在顶盖和导水部件控制机构的控制环之间，装有支持环，用来支持控制环。 图6.1转轮示意图 6.2 水轮机主轴的设计 水轮机主轴是水轮机转动部分的一个重要部件，通过它，将水轮机转轮的机械能传递给发电机，它把水轮机产生的扭矩传给发电机轴，同时承受转轮的轴向水压力及转动部件的重力。主轴由上法兰，轴身和下部法兰三部分组成。主轴的毛坯通常采用ZG35、45或20MnSi整锻。根据生产条件和技术经济比较，也可以采用铸造法兰、锻造轴身并用环形电渣焊接的主轴，也可以采用钢板卷焊的大型薄壁轴轴身结构。 大型水轮机主轴都采用空心轴，这不仅可以消除轴心部分材料组织疏松等材质缺陷，便于进行轴身质量检查，同时在结构上也有这个需要，例如HL式水轮机可通过主轴中心孔向尾水管补气，ZZ式水轮机需在主轴中心孔布置操作油管等。 47 我国水轮机制造厂对主轴的结构型式及尺寸已经标准化，设计中采用的有两种标准系列。 主轴两端的法兰应尽可能的小，以免增加法兰根部的弯曲应力，同时减少锻造的困难。但由于在法兰上布置有联轴螺栓孔，法兰尺寸必须满足其布置要求。为便于安装时对准中心，法兰两端车有凸凹止口，止口的配合间隙不超过0.02~0.06mm;止口与轴颈要同心;法兰端面与轴线要垂直，不允许有凸起;法兰端面的不平度不能大于0.03mm。主轴轴颈的结构与导轴承型式有关，对于本次设计采用稀油润滑的筒式导轴承，与主轴接触部分的轴颈处直接精加工便可。 主轴外径的决定: 主轴外径尺寸可根据机组的扭矩初选。主轴扭矩按下式计算: 式中: Pr—主轴传递最大功率，Pr=10417kW; n—主轴转速，n =375r/min 。 计算得:。 由[5]扭力矩与主轴外经关系图，选取45号锻钢，主轴直径为300mm的主轴。 对大中型水轮机，主轴与转轮广泛采用精制螺栓的连接方式。螺栓的中部为精加工的圆柱面，以较小的间隙(0.02~0.04)mm与法兰上的螺孔配合，它同时承受轴向力和扭矩。 螺栓一般均采用一级细牙螺纹，材料为35号钢或40Cr钢。为防止机组运行 中螺栓头部松动，保证运行人员的安全，在连接轴的法兰处通常装有保护罩。 6.3 水轮机金属蜗壳的设计 蜗壳是水轮机的引水部件，分为混凝土蜗壳和金属蜗壳两种类型。其形式的选择主要是根据水电站的水头进行的，对于水头大于40m的水轮机，由于强度需要，一般采用金属蜗壳。金属蜗壳的优点是强度高、加工方便，土建施工简单以及便于和电站引水压力钢管连接。本次设计采用的是金属蜗壳。 金属蜗壳按其制造方法有焊接和铸造两种结构型式。 壳 (1)焊接蜗 焊接蜗壳就是包括座环在内，全部用焊接结构，一般用在尺寸较大的中低水头电站的HL式水轮机中。钢板沿着整个圆周焊接到座环的上下蝶形边上。蜗壳由若干个节组成，每节又由几块钢板拼成。整个蜗壳的装配和焊接在工地安装时进行。焊接蜗壳的节数不应太少，否则将影响蜗壳的水力性能。钢板的厚度应根据 48 有关强度计算确定，通常蜗壳进口断面厚度较大，愈接近鼻端厚度愈小。同一断面上钢板厚度也不相同，在接近座环上下两端的钢板较在断面中间的要厚一些。 大中型水轮机的焊接蜗壳，因受铁路运输的限制，一般均在电站进行装配和焊接。锥形环节的展开和钢板的下料，国内较多的制造厂现均用计算机和数控程序切割机进行，锥形环节卷成后的准确性大为提高，因此这些厂取消了在厂内进行蜗壳预装的工序，只进行结构上最为复杂的蜗壳尾部试装配。 (2)铸造蜗壳 在小型混流式水轮机中，一般采用整体铸造的铸铁蜗壳。这是由于机器尺寸不大，从强度、制造和安装等考虑，采用了整铸结构。对高水头大容量混流式水轮机，由于强度的要求，钢板将很厚，制造工艺有一定的困难，因此采用铸钢结构，通常将座环和蜗壳铸为一体。 在水电站立式机组中，或是把蜗壳上半部敞开，不浇在混凝土内，例如铸钢蜗壳;或者全部埋入混凝土中，例如焊接蜗壳，因其平面尺寸很大，从厂房结构考虑需要埋入厂房下面的混凝土中。此时，习惯上在蜗壳上部及厂房混凝土之间隔以弹性垫层。这种弹性垫层用沥青、石棉和毛毡等材料组成，厚约50mm左右，其作用是避免水压直接传至混凝土，也避免上部基础传来的外载荷直接作用到蜗壳上。 在厂房的基础上设有若干个均布的支墩用以安放蜗壳，并用千斤顶支撑和拉杆拉紧，把蜗壳牢固地固定在基础上，以免浇注混凝土时蜗壳位置变动。 本次设计采用的是焊接蜗壳。 6.4 水轮机转轮的结构设计 转轮是水轮机的心脏，它的设计、制造的优劣直接影响水轮机的出力、效率和运行稳定性、可靠性以及使用寿命。 6.4.1 混流式转轮的组成 混流式水轮机转轮外形虽有所不同，但它们基本上都是由上冠、叶片、下环、止漏环、泄水锥和减压装置等组成。 (1)转轮上冠 上冠位于转轮的上部，外形近似一个倒锥形，其边线叫上冠的型线。上冠中间部分为上冠法兰，与主轴相连。在上冠的外缘上部装有上部转动止漏环。在上冠法兰外围开有几个减压孔，其目的在于将转轮前后的水连成通路，从而减小作 49 用在转轮上的轴向水推力。上冠的下部装有空心的泄水锥，上冠的外侧锥面均布着转轮叶片，叶片的下部与下环相连。 (2)转轮叶片 叶片是组成转轮最主要的部分，是直接将水能转换为机械能的部件。叶片上端与上冠相连，下端与下环连成一整体。叶片自上而下呈扭曲状，其断面形状为翼型。叶片数一般为10~24片，通常采用14~18片(本次设计选用16片)，叶片的形状、光洁度和厚度，以及叶片数目，对转轮的性能影响很大，尤其对效率和气蚀的影响更大。叶片的材料多采用低合金钢和不锈钢，如ZG20MnSi、ZG1Cr13、ZG0Cr13Ni6等。 (3)转轮的下环 下环位于叶片下端，将叶片连成整体，增加转轮的强度和刚度，与上冠形成过流通道，在下环的轮缘上，安装有下部转动止漏环。下环的材料多为一般低合金铸钢。本次设计采用的是ZG20MnSi。 (4)止漏环 止漏环由两部分组成，一部分为固定部分，另一部分为转动部分。为防止水流向上和向下漏出，每一个水轮机都装有上、下两道止漏环。上止漏环的固定部分装在顶盖上，转动部分装在上冠上;下止漏环的固定部分装在座环或底环上，转动部分装在下环上。止漏环也称为迷宫环，它的作用主要是用来减小转动部分与固定部分之间的漏水损失。止漏环一般由忽大忽小的空间或直角转向构成，水流流经止漏环时，受到很大的局部和沿程阻力，使水流不易通过，从而达到减小漏水损失的目的。 使用水头H<200米，型谱内所列各型混流式转轮一般可采用缝隙式或迷宫式止漏环，其中含沙较多的电站采用缝隙式，清水则采用迷宫式止漏环。 使用水头H >200米时采用梳齿式止漏环。 (5)泄水锥 泄水锥外形为锥体形，用螺栓连接在或焊接在上冠的下方，用以引导由叶片出来的水流顺利地向下泄，防止水流相互撞击和向上旋转所造成的水力损失，提高水轮机的效率。泄水锥的材料，中型机组一般ZG30铸造，大型机组多A3钢板焊接。 (6)减压装置 减压装置一般分为两部分，均为环形减压板，分别装在顶盖下面和上冠的上方，用来减小作用在转轮上的轴向水推力，以减轻推力轴承的负荷。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。常用的结构形式有如下两 50 种方式: a为引水板和泄水孔减压方式:b为顶盖排水管和转轮泄水孔减压方式。 本次设计采用了引水板和泄水孔方。 6.4.2 止漏环结构 对不同水头的水轮机，所采用止漏环的型式也不一样。按止漏环构成的间隙形状的不同，止漏环可分为四种型式，即间隙式、迷宫式、梳齿式、阶梯式。 ?间隙式止漏环 间隙式止漏环，其间隙一般为0.001D1，其止漏效果较差，但与转轮的同心 度高，制造、安装方便，抗磨性能好，一般应用在多泥沙的电站。 ?迷宫式止漏环 迷宫式止漏环一般间隙为0.005D1，止漏效果较好，与转轮同心度高，制造、 安装均较方便，一般应用在H<200m的水质清洁的水电站。 ?梳齿式止漏环 对于高水头H,200m混流式水轮机，需要采用梳齿式止漏装置。这种止漏装置的转动和固定环的截面为梳齿状，两个环的截面形成交错配合。 ?阶梯式止漏环 阶梯式止漏环，其间隙一般为0.0005D1，它具有迷宫式及梳齿式止漏环作用， 止漏效果好，与转轮同心度易保证，本身刚度高，安装、测量均较方便，多用在H>200m的水电站。 本次设计采用的是迷宫式止漏环。 6.4.3 混流式转轮的结构型式 混流式水轮机转轮的结构型式，主要是指上冠、叶片和下环三部分。由于转轮的应用水头和尺寸大小不同，它们的构造型式和制造材料及方法都有所不同，归结起来基本可以分为整铸、焊接、和组合三种结构型式。 (1)整铸结构 整铸指上冠、叶片和下环整体铸造而成的转轮。这种结构应用较多，由于应用水头和转轮尺寸不同，制造时所采用的材料有所不同。对于低水头的中小型混流式转轮，可用优质铸铁HT200或球墨铸铁整铸;对于高水头的中小型转轮和低水头的大型转轮，则采用ZG30整铸。铸钢的含碳量不宜过高，以提高其焊接性能。对高水头的转轮，为提高其强度和抗磨、抗气蚀能力，采用高强度低合金或普通碳钢，在叶片表面易气蚀或易磨损部位，堆焊耐磨耐蚀材料。在我国转轮直径D1<4.1m者主要考虑整铸结构。整铸结构的优点是，生产周期短，成本低，并有足够的强度;整铸结构的主要问题是砂眼、铸造裂纹等不易根除。 51 (2)焊接结构 这种结构型式在国内外被广泛采用。焊接结构易保证转轮质量，同时降低了对铸造能力的要求，易实现小设备铸大件，但焊接工作量大，对焊接工艺要求高，要确保每条焊缝的质量，避免焊接变形和消除焊接温度应力等。 焊接结构转轮的材料对不同部位可采用不同的钢种，对上冠和下环多采用低合金钢，对叶片采用特殊合金钢，这样提高了抗蚀能力。。 (3)组合结构 一般D1>5.5m时，因受铁路运输的限制，不能制成整体的，或因铸造能力不足不能整体铸造时，必须把转轮分成两半制造，运到现场后再组合成整体。 本次设计采用铸焊结构，即:先铸造，后焊接的结构。 6.5 导水机构设计 6.5.1 导水机构的结构型式 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，正常与事故停机时，封住水流，停止机组转动。导水机构中应保证足够的强度和刚度，导叶操作机构动作灵活可靠，能使导叶获得最大的操作力矩。导叶关闭后还应有可靠的封水性能，减少漏水损失。 导水机构主要由导叶、导叶操作机构、环形部件和轴套、密封等部件组成。 导水机构分为内部调节和外部调节两种类型，内部调节一般应用于小型明槽式水轮机中，在这不做详细介绍。外调节导水机构的结构型式一般有三种:径向式、斜向式、轴向式导水机构三种。本设计采用的是径向式导水机构。 6.5.2 导叶传动机构型式 导叶的传动机构型式最常用的有两种:叉头传动机构和耳柄传动机构。叉头传动机构受力情况较好，适于大、中型机组采用。耳柄式结构简单、工艺性好、加工、制造比较方便，成本比较低。但其受力条件没有叉头式好，连杆销和剪断销上都有附加弯矩，剪断销的剪断力容易随轴套配合和装配质量而变化，剪断面尺寸不易确定，但由于结构简单，比较适宜在中小型机组中采用。 本次设计采用的是叉头传动机构，主要由导叶臂、分半键、端盖、连接螺杆、连接板、叉头、叉头销和轴套、补偿环、剪断销等组成。 为了转动导叶，在结构上必须考虑导叶的支点所用轴承的型式。导叶受力较大，在大中型水轮机中均采用三个轴承，小型水轮机则一般采用两个轴承，上下 52 各一个。导叶用三个轴承(轴套)来支承，其中一个轴套装在底环上，其他两个轴套装在圆形套内，此套筒用法兰固定在水轮机顶盖内。 轴承套的材料取决于润滑的方式，如采用油润滑，则用锡基青铜，这也是国内常用的结构。这样的结构，除了需要大量的铜料作轴套外，为了向轴瓦内注入润滑油，需要专门的油管供油，对于大型水轮机，还要装置集中的加油设备，向各导叶轴承加油，因此给制造和运行带来不少的麻烦。 近年来，国内各制造厂倾向于用尼龙1010材料，试验表明，其吸水性小、尺寸稳定、耐磨性能好，在运行中不用加油就能润滑，因而大大简化了结构。 导叶的下轴承，当水头不高和河水较清时，一般采用水润滑，其材料为胶木瓦，是用桦木经过特殊处理压制而成。用水润滑，则在导叶轴颈受压的一边，水进不去，因此长期运转，轴颈发生单边磨损。现改用尼龙1010材料，可以改善润滑条件。 6.5.3 导水机构的止漏装置 导水机构的止漏装置包括导叶轴承的止漏和导叶在全关闭时为防止蜗壳中的水流入下游而装置的导叶与导叶之间和导叶与上下环之间的止漏设备。 导叶轴承如采用黄油润滑，则需要防止水流进入轴承引起轴颈锈蚀和破坏油膜。导叶轴颈的密封多数装在导叶套筒下端，以前都采用牛皮的“U”型密封圈，封水性良好但结构比较复杂，目前较少采用。目前“λ”、“L”型密封形式在我国水轮机生产中广泛采用，如图6.2(a)所示。实践证明，这种结构封水性好，结构简单。“L”型密封圈与导叶中轴径之间靠水压力压紧封水，因此轴套和套筒上开有排水孔，形成压差。密封圈与顶盖配合端面，则靠压紧封水，所以套筒与顶盖端面配合尺寸应保证橡胶有一定的压缩量。密封圈得材料采用中硬耐油橡胶，模压成型。高水头机组中”L“型密封圈得材料强度应适当增加，否则容易破裂。如图 c)“λ”型密的封圈用套筒压紧在水轮机顶盖上，“λ”型密封圈与导叶轴颈之6.2( 间靠水压贴紧封水。为了形成压力差在轴承套和套筒上开有排水孔，密封圈与顶盖配合端面则靠压紧封水。设计时套筒与顶盖端面配合尺寸应保证橡胶有一定的压缩量，密封圈可采用中硬度橡胶模压成型。导叶下轴颈在采用工业塑料的润滑轴承时，为了防止泥沙进入轴承发生轴颈磨损，一般需采用“O”型橡胶密封圈进行密封。密封结构如图6.2(b)。为了导叶在调整下部端面间隙后仍保证密封圈有一定的压缩量，设计时对放置“O”型圈槽的尺寸，应按规定选定。本次设计，λ型密封和O型密封都有采用。 53 图6.2(a) “L”型密封 图6.2(b) “O”型密封 图6.2(c) “λ”型密封 机组停机时，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间隙气蚀破坏，导叶关闭后如漏水严重时，有可能造成机组无法停机。对于高水头并在电网中担任尖荷的机组来说，减少停机时的漏水损失尤其重要，因为这些机组有相当多的时间处于停机状态。 为了减少漏水，必须提高导叶的加工精度，使导叶上下端面和顶盖、底环之间，导叶与导叶之间的间隙尽可能的小。但即使工艺达到规定的要求，而机组安装投产后由于温度变化和厂房变形等因素，亦可能造成导叶装配间隙增大或导叶卡住现象。 6.5.4 导水机构接力器 接力器是导叶传动机构中的动力部件，当水轮机负荷发生变化时，由调速器主配压阀控制的压力油进入接力器的油缸推动接力器活塞。当活塞移动时，通过推拉杆转动控制环。控制环再通过连杆、转臂使导叶转动。本次设计导水机构直缸接力器布置在机坑内，导水机构控制环由两个布置在水轮机机坑内的接力器来操纵，工作时一个接力器产生推力，另一个接力器产生拉力，一推一拉可转动控制环，这种布置型式结构简单、制造方便、运行可靠。 在设计时，为了确定导水机构接力器的布置，我们首先应该确定出调速器的型号，然而，要确定调速器的型号，首先要确定出调速器的工作容量。 选择调速器的工作容量时， 应留有适当的余量以保证机组可靠地开关导叶， 关机时间应能满足调节保证计算的要求。大、中型调速器的工作容量可根据水轮机所需的接力器容量来选择，而大、中型反击式水轮机所需的接力器容量可按下式进行估算: 本次设计取: 式中:A—水轮机调节功，N.m; 最大水头下发额定出力时的体积流量，m/s。 3 Q— 计算得:A=25549.297 N.m<50000 N.m。 因此，要选中型调速器，包括调速柜、接力器和油压装置三大部分。 54 当油压装置的额定油压为2.5MPa，采用标准导水机构并用两个单缸接力器操作时，每一个接力器的直径dc 式中:λ—计算系数，查表知λ; b0—导叶高度，b0=0.30m。 计算得:dc =0.202m，查导叶接力器系列表得d c =250mm。 接力器的最大行程Smax可按经验公式求取: Smax=(1.4~1.8)α 式中:α 0max 0max (mm) —导叶最大开度，α 0max =146.24mm;转轮直径小于5m时，采用 较小的系数。 计算得:Smax=204.74mm。 双缸接力器的总容积: 计算得:V=0.01435 m。 3 2 Smax 初步选择主配压阀直径时，可按下式计算: 式中:V—导水机构或折向器接力器的总容积，V=0.01435m3 ; v—管路中油的速度，当油压装置额定工作压力为2.5MPa，一般取 v?4~5m3/s; Ts—接力器关闭的时间(由调节保证计算决定)，Ts =7s。 计算得:d=0.0255m=25.5mm。 按计算结果选取与系列直径相近且比计算值偏大的主配压阀直径，查得选取电气液压单调节型:DT-80。 综合各种因素，并考虑到控制调压阀和主阀的需要，压油槽容积可近似按下式确定: Vy=(18~20)Vs 式中:Vs—导叶接力器容积，Vs=0.01435 m。 计算得:。 按计算结果，查油压装置系列型谱选HYZ-0.3。 6.5.5 导叶的结构和材质 大、中型水轮机的导叶，由翼型断面的、中空的导体和上、下轴组成。上轴上部有键槽和调节螺钉孔。其结构分为铸、焊两种。随着焊接技术的发展，大、 3 55 中型水轮机导叶，采用锻焊结构越来越多。将热压成型的弧形板拼焊起来，再与锻轴焊为整体。铸造导叶多用ZG30、ZG20MnSi，较高水头，用不锈钢整铸最为理想。为防锈、耐磨起见，轴颈可镀铬。 本次设计中，固定导叶采用的是材料是Q235，活动导叶采用ZG20MnSi。 6.6 水轮机导轴承结构设计 6.6.1 概述 水轮机导轴承的作用，一是承受机组在各种工况下运行时由主轴传来的径向力。二是维持已调好的机组轴线位置，提高机组运行的稳定性。导轴承所受的径向力，主要由转动部分的重量不平衡、水流经过转轮时水力不平衡以及由尾水管的振动引起。导轴承是水轮机的重要组成部分，它的工作质量直接影响水轮机的运行。导轴承的维护、检修是水轮机的主要维护、检修项目，常见的问题是轴承过热，严重时会烧坏轴瓦;其次是轴承磨损，使间隙过大，影响运行质量，缩短轴承寿命。 导轴承设计时应注意以下问题: (1)应尽量使轴承布置位置靠近转轮，这样转轮悬臂值小，主轴临界转速高，工作可靠，运行稳定; (2)合理的供油系统和带油结构; (3)合理的循环油路，润滑油在起润滑作用的同时，应不断地带走热量，热油经冷却后再回到轴瓦部分工作，所以润滑油应顺一定的油路循环，并将热、冷油分开; (4)润滑油应得到充分的冷却，冷却器可布置在油箱内，也可单独布置在轴承结构外，如环境温度不高，润滑油亦可采用自然冷却; (5)结构要便于安装、检测和维修，一般都应设在油面、油温监视及冷却水示流装置。 6.6.2 导轴承的结构型式 水轮机导轴承随机组布置形式分横轴和立轴两大类。横轴机组的导轴承结构基本上是通用的径向稀油润滑滑动轴承;而立轴机组导轴承结构型式有水润滑橡胶轴承、稀油润滑筒式轴承及稀油润滑油浸式轴承等。 (1) 水润滑橡胶轴承 水润滑橡胶轴承利用清洁水润滑，轴承体上镶有6~12块橡胶轴瓦，用螺钉把合，磨损后允许背面加垫调整，也可以单独更换，润滑水箱上部采用橡胶平板密 56 封，便于检修与维护。橡胶轴瓦离转轮位置较一般稀油轴承近，并有一定吸振作用，提高了运行稳定性;但轴瓦间隙易随温度变化，刚性不如油轴承，振摆变化较大。这种轴承使用在电站水质干净，有清洁水源。 (2) 稀油润滑筒式轴承 筒式轴承采用稀油润滑，利用油盆旋转产生油压，经轴承体下部侵油盆的径向孔和轴瓦面上的斜油槽自循环润滑。它具有结构简单，平面布置紧凑，运行可靠，刚性好，避免了水润滑橡胶轴承的缺点，轴瓦采用巴氏合金直接浇注在轴承体上，轴承体由2~4瓣组成筒式。随着机组增大，轴承体的安装、调整和刮研都不如分块瓦轴承方便。旋转油盆固定在主轴上，油盆下部装主轴密封。因此，密封检修维护不如水润滑橡胶轴承方便，轴承离转轮的位置也相应提高。一般使用在电站水质不干净、含沙量大，又无清洁水源的电站采用。这种轴承用于较为合适。 本设计中采用稀油润滑筒式轴承，如图6.3所示。 2—油箱 3—冷却器 4—轴承体 5—回油管 6—转动油盆 1—油箱盖 7—浮子信号器 8—温度信号器 9—油盆盖 图6.3 稀油润滑筒式轴承 6.6.3 密封装置 水轮机密封有两种:工作密封和检修密封。 (1)工作密封 a.橡胶平板密封 橡胶平板密封是利用橡胶平板与固定在主轴上的动环形成端面接触，靠水压压紧接触面进行密封。这种密封性能较好，检修方便，有单层和双层平板密封两种。前者，一般用作水润滑轴承的上部密封，后者用作稀油润滑轴承的下部密封或用于正常下游水位比轴承密封位置高的水润滑轴承上部密封。 57 密封面的一侧是铺焊有不锈钢的钢板，密封部位的加工光洁度不应低于。另一侧是厚8~10mm的中硬耐油耐磨橡胶板。接触宽度B一般取25~30mm，接触面的安装间隙一般取1~1.5mm。用于水轴承上部密封的单层平板密封，其封水压力一般取1~1.5 kgf/cm2。 b.水压端面密封 这是本次设计采用的工作密封方式。如图6.4所示，静环为一呈“凹”字形断面的橡胶环(或尼龙环)，在环的底部开有润滑水孔。这种密封的接触压力、补偿压力和润滑润滑液膜都靠外引的清洁压力水来形成。橡胶环和缸壁的配合要适当，既能形成水压又能使橡胶环移动，起到补偿作用。 图6.4 水压式端面密封 (2)检修密封 当下游水位高于轴承密封(即水轮机允许吸出高度Hs为负值)时，设有检修 密封，供停机或检修轴承及其密封时使用，但由选型设计步骤可知:Hs=-2.16m, 所以本次设计就有必要采用检修密封。 6.7 水轮机的辅助装置 6.7.1 混流式水轮机的补气装置 混流式水轮机的补气方式分为二类:一类是自然补气，大部分水轮机均采用此种方式;另一类是强迫补气(即压缩空气或射流泵补气)，尾水管内压力较高，自然补气不能补入时采用此种方式。设计中可按下式进行估算判别。 式中:H—水轮机有效工作水头，H=89.2m; 58 Hs?—水轮机补气入口到下游水位的高程差，Hs?=-2.16m; Kc—与转轮型号有关的试验系数，查得HL240的Kc=0.081。 计算得:Hc=10.475m>0m,故采用强迫补气。 补气的位置，常见的有三处。一是主轴中心孔补气;二是尾水管补气;三是顶盖补气。其中顶盖补气，一般需采用强迫补气。 一些试验表明，水轮机在不稳定工况区运行时，尾水管最低压力区分布在距管壁1/4~1/8D之间。因此补气入口应设在这个范围2—补气管 3—补气筒 59 这种装置主要由横管、中心管、环管和取气口的补气阀等部件组成。十字补气装置最好应用在D1<4m的水轮机上。补气的位置应使所补入的空气能顺利的进入 主要的脉动区，这样效果较好。经分析表明，尾水管内最大压力脉动区一般离转11轮出口(~)D1，且是偏心的。所以通常尾水管的补气十字架离转轮下环的距离34 ;横管与水平面夹角α=8?,11?;横管直径d1为:当D1<3m时，取34 d1=100~150mm。横管上的小补气孔应开在背水侧，以免水流进入管中造成堵塞。1孔口开口的总面积不应小于通气管断面面积，以保证进气畅通，开孔区 ，4 1距机组中心。横管一般采用3~4根。 8 6.7.2 真空破坏阀 当水轮机转轮区出现(0.1~0.15) kgf/cm2低压，当导水机构因事故而快速关闭时，由于水流的惯性和转轮的水泵作用，在导叶后面的转轮室内，可能产生较高真空，引起下游尾水反冲而产生很大的冲击力或出现抬机现象，严重时可将机组的主要部件损坏。真空破坏阀就是紧急关闭导叶时向顶盖下部补充空气，破坏真空以减少上述有害的冲击力或抬机现象，而起到一定的保护作用。 大中型水轮机中真空破坏阀均装在顶盖或支持盖上。为使补气均匀，常沿圆周均布2~4只阀。装置位置尽可能靠近机组中心提高空气补进速度。对于中、小型机组，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。 型号为HL240/D41-LJ-160的水轮机总装图见图:DT-05。 另外，本次设计还绘制了导叶加工图，见图:DT-04。 7 金属蜗壳强度计算 7.1金属蜗壳受力分析 由于金属蜗壳形状及所受载荷均较复杂，为了使蜗壳的强度计算更能符合实际情况，就需要对其所受载荷进行分析，并根据其几何形状确定计算时所需要的简化受力图形。金属蜗壳在工作时主要产生以下几种应力: ?蜗壳在承受内水压力时产生的薄壁应力 与水轮机本身的曲率半径相比，水轮机蜗壳壁厚要小得多，因此可以把金属蜗壳看成是一个薄壁容器。由于金属蜗壳不承受压在其上的任何外部载荷，可认为蜗壳在工作中主要承受作用于其内表面的水压力，于是作用于其内表面的水压力是金属蜗壳的主要载荷之一。 60 蜗壳 ξ=0.3~0.5，本次设计取ξ=0.3; ρ—水的密度，ρ=1000 kg/m3; 水轮机最大工作水头，Hmax =76.2m; Hmax— 从蜗壳的水力计算知道，沿着圆周方向从进口开始流量逐渐减少，因此蜗壳圆断面面积也随之变小，当断面小到一定程度时就不能和座环相联接，于是将圆断面改为椭圆形断面，因此，蜗壳的薄壁应力计算时，就分为圆形断面和椭圆断面两种情况分别进行。 (一)蜗壳圆断面部分: 1. 厚度计算: 计=(1.135+0.228 式中:r0—环壳子午断面中心点至水轮机旋转轴的距离，cm; rc—蜗壳各环节与座环连接处的C点至水轮机旋转轴的距离，cm; a—圆形断面环壳的子午断面半径，cm; —所选用材料的许用应力Pa。 考虑到钢板的磨损和锈蚀，蜗壳的实际厚度为: 实计 2. 校核: 61 将所得的实际厚度实代入下式: (I) 实 式中:—蜗壳最大总应力。 a.如果，实就为校核后厚度校; b.如果实实，将此时所得实代入(I)式，如此循环计算直到，此时的实就为校核后厚度校。 (二)蜗壳椭圆断面部分: 1(厚度计算: (I) 式中:a—椭圆环壳端面短半轴; b—椭圆环壳断面长半轴; rc r0—蜗壳各环节与座环连接处的C点至水轮机旋转轴的距离，cm; —环壳子午断面中心点至水轮机旋转轴的距离，cm; 2(校核: (?) 式中:—蜗壳最大总应力; a.如果，实就为校核后的厚度校; 62 b.如果，实实，将此时的实代入式(?)中，如此循环 计算直到，此时的实就为校核后的厚度校。 (?) 式中:R—为计算点至水轮机旋转轴的距离，R=a+ro. a.如果，实就为校核后的厚度校; b.如果，实实，将此时的实代入式(?)中，如此循环计算直到，此时的实就为校核后的厚度校。 取两次校核值校中的最大者作为最终的输出值。 另外，本次设计采用的蜗壳材料为Q235,该材料的许用应力为 。根据此数据进行蜗壳强度的计算，厚度的校核及设计。 63 7.3 计算程序及结果 7.3.1 计算程序 本次设计采用的是VB编程，程序如下: Option Explicit Private Sub Form_Click() Dim v!, Ra1!, C!, h!, rB!, Ra2!, L!, k!, T#, xi#, pi!, ai!, Ri!, o#, μ! Dim P#, w#, X!, Y!, Z!, R2i!, R1i!, i%, δ圆计!, δ圆实!, δ椭计!, δ椭实!, A!, B!, D! Dim σ1圆!, σ2圆!, σb圆!, σ总圆!, σ1椭!, σ2椭max!, σb椭!, σ总椭!, σ总椭1!, σ总椭2! Dim ξmax!, P1!, Hmax!, g!, ρ!, σ许! v = 8.32 „进口流速 Ra1 = 1.0835 „座环螺旋边半径 C = 2379 „金属蜗壳系数 h = 0.21896 „蝶形边至导水机构水平中心线高度 rB = 0.93 „计算得 Ra2 = 1.0335 „查表得 L = 0.2673 „蝶形边长度 Hmax = 76.2 „水轮机最大工作水头 ξmax = 0.3 „甩全负荷关闭导水机构的瞬间,蜗壳中最大的压力上升系数, ρ = 1000 „水的密度 g = 9.81 „重力加速度常数 σ许 = 230 „Q235的许用应力 μ = 0.3 „钢板的泊松比，对于钢板μ = 0.3 P1 = ((1 + ξmax) * Hmax * ρ * g) / 1000000 Print " 1、蜗壳内水压力P1="; P1; "(Mpa)" Print " 2、以下长度单位均为:m,应力单位均为:Mpa" Print Print "δ圆计"; Tab(11); "δ圆实"; Print Tab(21); "σ1圆"; Print Tab(31); "σb圆"; Print Tab(41); "σ总圆"; Print Tab(50); "δ椭计"; Print Tab(60); "δ椭实"; Print Tab(70); "σ总椭1"; Tab(79); "σ总椭2"; Print Tab(90); "σ总椭" For i = 345 To 15 Step -15 k = i / C If i >= 126.60 Then 64 T = Si * 1000) / 1000 δ圆计 = (1.135 + 0.228 * ai / Ra1) * P1 * pi / σ许 δ圆计 = CInt(δ圆计 * 10000) / 10000 δ圆实 = δ圆计 + 0.002 δ圆实 = CInt(δ圆实 * 10000) / 10000 = ((P1 * pi) / (2 * δ圆实)) * (1 + ai / Ra1) σ1圆 σ1圆 = CInt(σ1圆 * 100) / 100 σ2圆 = (P1 * pi应力对应的厚度为0.0131m,取。 67 参 考 文 献 [1] 天津电气传动研究所编.中小型轴流式混流式水轮机转轮型谱(JB/T6310_92) [2] 宋文武等.水力机械及工程设计.重庆:重庆大学出版社,2005 [3] 哈尔滨大电机研究所. 水轮机设计手册.北京: 机械工业出版社，1976 [4] 张克危.流体机械原理(上册).北京:机械工业出版社，2000 [5] 水轮机结构设计与强度计算.四川省电力工业调整试验所，2009 [6] 机械工程手册电机工程编辑委员会机械工程手册第75篇水轮机,机械工 业出版社，1979 [7] 天津电气传动设计研究所. 水轮机结构图册.北京: 科学出版社，1978 [8] 徐纪方等.水力机械强度计算.北京:机械工业出版社，1990 [9] 高建铭等.水轮机与叶片泵结构.北京:清华大学出版社，1999 [10] 刘大恺.水轮机.北京:中国水利水电出版社,1997 [11] 陈次昌，宋文武.流体机械基础.北京:机械工业出版社，2002 [12] Wu Zhong-hua，A General Theory of Three-Dimensional Flow in Subsonic and Supersonic Turbo-machines of Axial,Radial,and Mixed Flow Type.NACA.TN.2604,1952 68