水轮机毕业设计说明书

目录摘要 41前言 52水轮机选型设计 62.1水轮机台数及型号的选择 62.2初选额定工况点 72.3确定转轮直径 72.4额定转速的确定 82.5效率及单位参数修正值 82.6检验所选水轮机的实际工作区域 92.7确定导叶开度 112.8计算额定流量 112.9确定水轮机的吸出高度 112.10计算水轮机飞逸转速 162.11估算轴向水推力 162.12估算水轮机质量 162.13绘制水轮机运转综合特性曲线 173蜗壳水力设计 213.1概述 213.2蜗壳类型的选择 223.3金属蜗壳主要参数的确定 223.4金属蜗壳水力设计计算 234尾水管设计 294.1尾水管的作用及类型 294.2尾水管类型的选择 294.3绘制尾水管水力单线图 305水轮机导水机构运动图的绘制 305.1导水机构的作用及类型 305.2绘制导水机构运动图的目的 305.3径向式导水机构运动图的绘制 316水轮机结构设计 356.1概述 356.2转轮的结构设计 366.3导叶的结构、系列尺寸和轴颈选择 386.4导叶的传动机构 386.5导水机构的环形部件设计 396.6真空破坏阀 406.7主轴的设计 416.8轴承的结构 436.9补气装置 436.10主轴的密封 447导叶加工图的绘制 458蜗壳强度计算 468.1对金属蜗壳的受力分析 468.2编程进行强度计算 499结论 54总结与体会 55谢辞 55参考文献 56摘要本次设计是在给出仙溪水电站原始资料的情况下，为电站进行水轮机选型设计，并绘制出运转综合特性曲线。从最大水头考虑，初步选定了和HL220/A153两个转轮型号，然后从机组的运行稳定性和经济性（电站开挖量）对两个转轮进行综合比较分析，最终确定出水轮机型号为，机组台数为两台。在此基础上，完成蜗壳及尾水管的水力设计及单线图的绘制、导水机构运动图的绘制、水轮机总装图的绘制、水轮机导叶零件图的绘制以及蜗壳的强度计算等设计任务。关键词：水轮机；选型设计；结构设计；强度计算AbstractBasedonthegivenoriginaldataofXianXihydroplant,thetypeselectiondesignofthishydropowerstationisputup,andtheperformancecombinedcharacteristiccurveofturbineisplotted.Byconsideringthemaximumhead,HL240/D41andHL220/A153arechosenprimarily.Afterwards,thehydraulicturbinetype,whichisHL220/A153-LJ-140,andthenumberofunitsistwo,areselectedbygeneralcomparisonandanalysisofthestabilityandeconomyaboutthetworunners.Basedontheresult,hydrauliccalculationandneatlinesofcasinganddrafttube,themovementdrawingoftheguideapparatus,theturbineassemblydrawingandpivotedguidevanedrawinghavebeenaccomplished.Theintensitycalculationofpivotedcasinghasbeenfulfilled.Keywords：HydraulicTurbine;TypeSelectionDesign;StructureDesign;IntensityCalculation1前言现代电力工业中，绝大部分发电量是由叶片式流体机械承担的，所以水力机械（水轮机、水泵）在国民经济中的地位和作用是非常重要的。我国的水力资源非常丰富，水能又是清洁可再生能源，开发水能是实现可持续发展战略的重要条件[3]。目前，我国水力机械事业的发展与世界发达国家还有一定的差距，因此在开发、设计、制造运行管理及人才培养等方面，还需加倍努力。毕业设计是大学毕业前的最后一门实践性教学环节，系统的勾画出了所学专业的相关知识结构，是将学习者从理论思想中引向实践操作的无形桥梁。通过本次设计，能让学习者对专业知识有更进一步的掌握，科学的反映出在之前学习中的各种问题，从而达到对知识结构的统一化，具体化，加强对所学知识的综合运用，并熟悉各种计算机应用软件的实际操作等，为即将走向工作岗位并能更快的适应的同学打下坚实的基础。此次设计是根据所给定电站的已知参数（如装机容量、水头、电站海拔高度等），对仙溪水电站进行水轮机的选型设计，在水轮机型号选定后，对水轮机的相关参数进行了计算，并绘制了水轮机运转综合特性曲线。在此基础上，根据相关尺寸作出水轮机蜗壳及尾水管的水力设计及单线图的绘制、导叶的强度计算、导水机构运动图的绘制、水轮机总装图的绘制和水轮机导叶零件图的绘制等一系列任务。2水轮机选型设计2.1水轮机台数及型号的选择原始资料额定水头；平均水头；最大水头；最小水头；水电站海拔高程；电站装机容量；电站引用流量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。2.1.2在水电站装机容量已定的情况下，机组台数的确定，也就是单机容量的确定。有时时与水轮机型号的选择及其主要参数的计算同时进行的，这实际上是一个技术经济比较的过程。机组容量越打，机组尺寸也就越大，给水轮机的制造及运输带来困难，更为重要的是，单机容量在电力系统中占的比重不能超过电力系统安全、灵活的运行所允许的容量大小，不能超过系统的事故备用容量大小。而电站机组台数越多，越便于部分负荷时的机组负荷分配，可以使得水轮机避开在低效率区域运行，使得平均运行效率得以提高，同时也便于安排机组的检修等工作。但机组台数多，电站相应的维护工作量大大增加，操作次数就越多，出现故障的概率也就越大。所以综上分析，此次总装机容量为3万千瓦的电站选用两台机组为比较适合，即为单机容量为1.5万千瓦。2.1.3水轮机型号的选择水轮机型号的选择主要是根据水电站的特征水头，特别是其最大水头来选择的。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，就需要进行综合比较分析后才能确定到底选用哪一种型号更合适。仙溪水电站的最大水头，考虑到混流式水轮机具有比转速高、机组尺寸小、造价低，水头可以全部利用以及满载时效率高等优点，而适合该水头的水轮机主要以混流式为主，因此初选水轮机模型转轮型号为：和。下面将进行一系列的计算比较之后，最终确定一种最理想、最合适的水轮机型号。2.2初选额定工况点对已选定的水轮机转轮型号，查出其模型综合特性曲线。由于所选机组为和，在[1]中分别查出他们的额定工况点为：n11r=n11mo=77r/min,与5%功率限制线交点处的流量Q11r=1.098m3/和：n11r=n11mo=71r/min,与5%功率限制线交点处的流量Q11r=1.068m3/s。2.3确定转轮直径HL240/D41：P=式中：Pg—发电机额定功率，15000KWηg—发电机效率，取0.96计算得：P=20833KW转轮直径计算公式为：D1=式中：P—水轮机的轴功率，15625KW；—真机单位流量，1.098m计算得D1=1.36m查表1.1取D1=1.4mHL220/A153：依照以上算法求得D1=1.38米查表1.1取D1=1.4m表1.1转轮公称直径D1尺寸系列（单位：cm）253035404250607180841001201401601802002252502753003303804104505005506006507007508008509009501000————2.4额定转速的确定计算额定转速时，一般希望加权平均水头HW的单位转速接近于最优转速n110,从而使水轮机大部分时间运转在高效区。HL220/A153：额定转速的计算公式：n=式中：n11r—额定单位转速，71r/minHW—加权平均水头，99.2D1—转轮直径，1.计算得：n=505.1r/min查表2.2得n=500r/minHL240/D41：计算得：n=547.8r/min查表2.2得n=500r/min或n=600r/min当n=500r/min时n11r=73.37r/min,当n=600r/min时n11r=88r/min，进行工作范围检查，Hmax对应的n11min=73.94r/min,Hmin对应的n11max=86.81r/min。此两条直线不包含最优效率区，不合理舍去。表2.2水轮发电机额定转速系列表p234567891012n/(r*min-1)15001000750600500428.6375333.3300250p14161820222428303236n/(r*min-1)214.3187.5166.7150136.412510710093.883.3p404448525660————n/(r*min-1)7568.262.557.753.650————2.5效率及单位参数修正值HL220/A153：由国际电工委员会（IEC）推荐的公式，将模型最优的工况效率ηom，换成真机最优工况效率ηot对混流式水轮机，按Moody公式换算。即:=式中：ηo,m—模型机最优效率，0.915D1m—模型机转轮直径，D1—真机转轮直径，1.计算得：效率修正：式中：；计算得：，—异形部件引起的效率修正，此处取；—加工工艺质量引起的效率修正，由[3]P20取1%。计算得：单位参数修正值公式：计算得；Δn11=0.65，ΔQ11=0.01而Δn11/n11m=ΔQ11/Q11=0.009≤3%所以Δn11<3%n11m所以转速不需要修正取n11=71r/min,Q11=1.068m3/sHL240/D41：同上方法得：n11=77r/min,Q11=1.098m3/s2.6检验所选水轮机的实际工作区域HL220/A153：实际水轮机的转速：式中：n—额定转速，500r/minD1—转轮直径，1.Hr—额定水头，91.1计算得：n11r=73.34r/min进行工作范围检查，Hmax对应的n11min=68.18r/min,Hmin对应的n11max=80.05r/min。此两条直线包含最优效率区。在综合特性曲线上查得相关数据，列表如下：表2.3额定水头下效率与流量曲线表ηm91%90%89%88%86%η92.7%91.7%90.7%89.7%87.7%Q11（m3/s）1.0011.0621.0951.1181.166做出η=f(Q11)曲线，如图2.1示：8.98.999.19.29.39.49.59.69.79.89.911.021.041.061.081.11.121.141.161.181图2.1额定水头下效率与流量曲线由=9.168MW，n11r=73.34r/min在辅助曲线上找到一个Q11t=1.036m3/s，再返回到综合特性曲线找出真实工况点B为n11r=73.34r/min,Q11r=1.036m3/s,η=90.48%，在最优工况点附近，该D1和n是合理的。自此对两种转轮的比较得出—LJ—140更为适合该电站。2.7确定导叶开度在模型水轮机和真机之间保持几何相似时有：式中：D0—真机导叶分布圆直径，1.75mZ0—真机的导叶数，16D0m—模型机导叶分布圆直径，Z0m—模型机的导叶数，24a0max(m)—模型机的导叶最大开度，查【1】得a0max(m)=33.计算得：aomax=162.06mm最大可能开度a0k=1.05aomax=170.17mm2.8计算额定流量额定流量的计算公式为：计算得：Qtr=19.33m3/s因为ZQtr=38.66m3/s<39.5m3/s=Qpl，所以满足电站所给的条件，此方案可行2.9确定水轮机的吸出高度吸出高度的计算公式：在额定水头时式中：—水电站海拔高程，600m—空蚀安全系数，由【3】取=1.18σ—额定水头下的工况点的空蚀系数，由前面算的额定水头下的参数H—额定水头在进行各水头下的工况点空蚀系数查找时，选取了设计水头、最大水头、加权平均水头Hw、最小水头Hmin和特殊水头Hj五个工况点。在模型综合特性曲线上，作各个水头对应的直线与等效率线交于各点，根据算出对应的N11t，作出曲线，再根据各水头真实值算出真实的N1t值，查出空蚀系数σ，计算出各工况点的吸出高度值，再进行比较，选取较小的作为水轮机的允许吸出高度值。(1)，表2.4最大水头下的N11t=f(Q11)曲线数据表序号1234ηm0.900.890.880.860.9170.9070.8970.877988/8081025/7631062/7221116/658N11t8.694/7.118.919/6.6399.137/6.2129.382/5.532(2)，表2.5设计水头下的N11t=f(Q11)曲线数据表序号1234ηm0.900.890.880.860.9170.9070.8970.8771062/8881092/8441118/8041165/722N11t9.345/7.8149.502/7.3449.618/6.9179.794/6.07(3)，表2.6加权平均水头下的N11t=f(Q11)曲线数据表序号1234ηm0.900.890.880.860.9170.9070.8970.8771040/8421072/8021104/7581152/682N11t9.152/7.4099.328/6.9789.498/6.5219.685/5.734(4)，表2.7特殊水头下的N11t=f(Q11)曲线数据表序号1234ηm0.900.890.880.860.9170.9070.8970.8771010/8131048/7741070/7321131/664N11t8.887/7.1549.119/6.7359.206/6.2989.508/5.582(5)，表2.8最小水头下的N11t=f(Q11)曲线数据表序号1234ηm0.900.890.880.860.9170.9070.8970.8771068/9381104/8901123/8501170/768N11t9.398/8.2549.606/7.7449.661/7.3139.836/6.457按表2.3~2.8中的数据绘出各水头下的N11t=f(Q11)曲线,如下：根据公式N11i=N/(D12Hi3/2),算出各水头对应的N11t值在从上找Q11:HmaxN11t=6.397MWQ11=670l/s;HjN11t=7.103MWQ11=808l/s;HwN11t=8.069MWQ11=910l/sHrN11t=9.168MWQ11=1040l/sHminN11t=10.355MWQ11根据各水头(n11t,Q11)在型谱上找出对应的空蚀系数:max=0.07r=0.077w=0.071j=0.07min=0.14带入公式计算对应吸出高度分别为:Hsmin=4.54mHsr=1.055mHsw=1.022mHsj=0.412m综上比较，最大水头下的较小，所以该型号水轮机的允许吸出高度为。2.10计算水轮机飞逸转速水轮机飞逸转速：式中：n11f——飞逸转速，由[1]查得n11Hmax——最大水头，115.8计算得：nf=1049.2r/min2.11估算轴向水推力对于混流式水轮机：式中：k——轴向水推力系数，查[1]得0.36计算得：Poc=53.45tf（1tf=9.81kN）2.12估算水轮机质量水轮机质量G（不包含调速器，油压设备及其他的辅助设备时）可按下式计算：式中：a——与直径D1有关的指数（以下各值均在表2.5中）b——与水头有关的指数k——系数当HL式水轮机采用金属蜗壳时，a,b,k可由表2.5查得a=2.6b=0.16k=8.1表2.5混流式水轮机的a,b,k值H/m30~200>200——D1/m——1.4~7.57.5~10.0a2.6—b0.160.20——k8.16.6——计算得：G=39.99t2.13绘制水轮机运转综合特性曲线1）绘制各水头的工作特性曲线在间取5至6个水头值，计算各水头下，并在模型综合特性曲线图上作各水头对应线，由这些等水头直线与线交点代入公式计算。具体参数列表如下：（1）当时；表2.6下计算表0.900.890.880.860.900.890.880.860.9170.9070.8970.8770.9170.9070.8970.8771.0681.1041.1231.1700.9380.890.850.76814.18114.57614.57814.84212.45511.68511.0359.743（2）当时；表2.7水头下计算表0.900.890.880.860.900.890.880.860.9170.9070.8970.8770.9170.9070.8970.8771.0621.0921.1181.1650.8880.8440.8040.72215.92616.19416.39116.69113.31712.51611.78810.345（3）当时；表2.8下计算表0.900.890.880.860.900.890.880.860.9170.9070.8970.8770.9170.9070.8970.8771.041.0721.1041.1520.8420.8020.7580.68217.72318.06418.39318.75514.34813.51312.62811.104（4）当时；表2.9水头下计算表0.900.890.880.860.900.890.880.860.9170.9070.8970.8770.9170.9070.8970.8771.011.0481.071.1310.8130.7740.7320.66419.5520.0620.25220.91615.73814.81613.85512.279（5）当时；表2.10下计算表0.900.890.880.860.900.890.880.860.9170.9070.8970.8770.9170.9070.8970.8770.9881.0251.0621.1160.8080.7630.7220.65821.23421.78322.31622.91517.36516.21515.17213.511由上面的数据绘制各水头下的工作特性曲线如图2.3所示。图2.3各水头下曲线2)运转综合特性曲线的绘制（1）绘制等效率曲线在坐标，作各水头的水平线，在曲线图上每隔1%—2%作水平线，交各曲线于各点，将各点投影到坐标图上，再将各效率相等的点连成光滑的曲线，即为等效率曲线，在绘制此曲线时，有时其拐点不易找出，此时应借助于辅助曲线，如图2.5所示。图2.5曲线（2）绘制出力限制线水轮机出力限制线由两部分组成。在设计水头到最大水头范围内，水轮机的出力受发电机额定容量的限制，所以这一段出力限制线为一条垂直线；在设计水头到最小水头范围内，水轮机出力受水轮机最大过流能力的限制。此时，导叶开度已达最大值，所以出力限制线就是5%出力储备线，为一条斜线。①垂线部分的绘制确定点：根据前面计算得：，在真机运转综合特性曲线中，由该点引垂线至线②斜线部分的绘制确定点，由前面计算得：，将点和点在水轮机运转综合特性曲线中用斜线连接。通过上面的两步绘制出功率限制线。综上所述：将等效率曲线、等吸出高度线、出力限制线结合在一起即得到水轮机运转综合特性曲线，见图XX-01所示。3）绘制等吸出高度线（1）绘制各水头下的曲线求出各下的，在[1]上作线，读取该线与线交点处参数、、的值列表.具体参数列表如下：表2.11各下计算表序号1234560.0750.080.090.0750.080.091010/7611068/7201105971/7201078/685111213.4/9.7414.18/914.514.45/10.3516.1/9.8516.31.901.400.411.270.730.34序号1234560.070.0750.080.070.0750.08865/73510201070670940108814.8/12.217.418.514.9716.420.41.140.550.030.41-0.23-0.86序号1234560.070.0750.08850865102218.2518.721.7-0.23-0.92-1.5根据上面的数据作曲线如图2.4所示。图2.4各水头下的曲线（2）在坐标，作各水头的水平线，在曲线图上每隔0.5—1m作水平线，交各曲线于各点，将各点投影到坐标图上，再将各效率相等的点连成光滑的曲线，即为等吸出高度曲线。3蜗壳水力设计3.1概述水轮机的引水室是水流进入水轮机的第一个部件。引水室的作用是尽量地将管道中的水流均匀地分配到转轮前导水叶的四周，使水流对称地流入导水机构，然后再流入转轮。保证运行平稳。水流在从一个方向改变为均匀的向心流动过程中，水力损失要小从而提高水轮机的效率。如果没有引水室，水流仅依靠导叶来改变流动方向，则水流可能以很大的冲角流向导叶造成撞击损失。引水室的功用还能在导叶前造成一定的环量，使水流呈涡旋线形状，均匀向心地流向导叶。为了适应不同流量和水头条件，各种型式水轮机所采用的引水室形状和材料是不一样的。通常所采用的引水室类型分为：开敞式引水室、罐式引水室和蜗壳引水室。对于转轮直径较大的混流式水轮机而言，引水室一般选择蜗壳引水室[6]。因为良好的蜗壳形引水室能使水流流动损失最小，同时又减小厂房尺寸，降低电站的投资。水轮机蜗壳应该满足以下要求：1）保证水流在导水机构内形成一定的速度环量，在蜗壳内的平均流量和局部流速不超过水力损失所允许的流速范围，同时不应使蜗壳断面尺寸过大。2）保证水流轴对称地进入导水机构，流量沿导水机构均匀分布，在主要工况下，水流均以不大的冲角绕流导叶。3）蜗壳的外形尺寸、断面尺寸以及机构等，应满足水电站厂房布置和水轮机的结构要求。4）保证蜗壳具有足够的强度。水轮机蜗壳水力设计的主要任务是：选择蜗壳型式、计算和选择蜗壳主要参数以及绘制蜗壳的水力单线图等。3.2蜗壳类型的选择蜗壳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，最大水头在以内的机组，通常采用混凝土蜗壳；当水电站的最大水头超过时，一般选用钢板焊接蜗壳，断面形状有圆形和椭圆形两种，包角大小一般为345°～360°。若水头大于时仍要采用混凝土蜗壳，须在蜗壳内加钢板里衬，但会使得成本增加，甚至还会超过采用金属蜗壳的成本，此时应进行技术经济比较后决定采用何种形式的蜗壳。对于仙溪水电站，最大水头，远远大于了，决定电站水轮机蜗壳选用金属蜗壳。3.3金属蜗壳主要参数的确定3.3.1蜗壳包角的确定蜗壳包角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方向断面作为蜗壳的进口断面。对于高水头的水电站，一般选取完全包角的金属蜗壳，包角，通常采用；对于低水头大流量的水电站，通常采用的蜗壳，对厂房布置有特殊要求时，也可以采用的蜗壳，有时为了减小蜗壳的进口断面宽度和和便于蜗壳与进水管的连接，还可采用的大包角蜗壳。在本次设计中，电站选用。3.3.2蜗壳进口流速的确定蜗壳进口断面的平均流速与蜗壳尺寸及蜗壳水力损失等因素有关。若较大，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，越大，则断面尺寸可减小，从而减小对电站的投资。通常情况下，是由水轮机的设计水头来决定的，即式中：—流速系数（对混凝土蜗壳，取；对金属蜗壳，取。）—水电站额定水头，91.1m计算得：3.4金属蜗壳水力设计计算对于金属蜗壳进行水力计算，就是在给定额定水头，设计流量，导水机构高度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。3.4.1进口断面的计算水流沿圆周均匀地向导水机构供水，蜗壳任意断面的流量为：式中：—流过任意断面的流量，；—任意断面至蜗壳鼻端的包角，；—水轮机的设计流量，19.33。因此，进口断面流量为：式中：—蜗壳进口断面至蜗壳鼻端的包角，—水轮机的额定流量，19.33。计算得：进口断面的半径：式中：—蜗壳包角，—蜗壳进口流速，计算得：蜗壳中心线到主轴中心线的距离为（见图3.1）计算得：蜗壳断面的外圆半径：计算得：3.4.2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来进行的。由于受到与座环连接的影响，蜗壳圆形断面从进口开始延续至某一断面时，将过渡为椭圆断面，下面的计算将分为两个部分进行。1）从圆形断面过渡到椭圆断面的临界包角式中：—蜗壳常数，由进口断面参数确定：计算得：当计算断面时，应采用椭圆形断面；时应采用圆形断面。2）圆形断面尺寸的计算；；符号如图3.1所示。图3.1圆形断面的计算3）椭圆断面的计算公式和断面示意图如下：当时，如果此时蜗壳的断面为圆形，那么圆半径为：当时，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。；；；；式中：，—椭圆形断面长、短半径；—座环固定导叶外缘半径。其余符号如图3.2所示。图3.2椭圆形断面的计算3.4.3金属蜗壳水力计算的计算机辅助设计辅助设计包括圆形断面及椭圆形断面尺寸的计算机计算，以及根据计算结果由计算机绘制出蜗壳的平面图及单线图。用VB编写的计算程序如下：PrivateSubCommand1_Click()DimD1!,Hr!,Qv!,b!,Ra1!,rb!,Kt!,a#,k#,r#,C0#,Ks#,RA#,h!,B0!,h1!,p0!,a0#,R0#,c#Dimi!,k1!,t!,xi!,pi!,ai!,ri!,rb1!,f!,e!,s!,l!,p1!,p2@,z!D1=1.4:Hr=91.1:Qv=19.319:b=0.225:Kt=0.9'设计条件Ra1=1.4:k=0.1:r=0.2'由设计条件查表得C0=Kt*(Hr^(1/2))'流速系数RA=Ra1+ka=55*3.141592/180B0=b*D1+0.01h1=r*(1-Cos(a))h=h1+B0/2p0=((345*Qv)/(360*3.141592*C0))^(1/2)'包角取345度a0=RA+(p0^2-h^2)^(1/2)R0=a0+p0c=345/(a0-(a0^2-p0^2)^(1/2))Ks=c*(RA+Tan(a)*h-(RA^2+2*RA*Tan(a)*h-h^2)^(1/2))Text1.Text=Ks'临界包角Fori=345To15Step-15k1=i/cIfi>=KsThent=(2*RA*k1-h^2)^(1/2)xi=k1+tpi=(xi^2+h^2)^(1/2)ai=RA+xiri=ai+piPrinti,pi,ai,riElserb1=RA-h/Tan(a)f=k1*((0.49+2*rb1/k1)^(1/2)+1.221)e=3.141592*f^2s=1.428*(RA-rb1)^2l=1.045*(e+s)z=0.81*(1.221*h)^2p2=(l+z)^(1/2)-1.345*1.221*hp1=1.221*h+0.3*p2ai=rb1+1.221*p2ri=ai+p1y=ai+(p1-p2)*Cos(a)Printi,p1,ai,ri,p2,yEndIfNextiEndSub计算结果如下图：图3.1蜗壳各断面尺寸参数根据以上得出的数据，绘制出蜗壳单线图见图XX-02所示。4尾水管设计4.1尾水管的作用及类型尾水管是反击式水轮机的重要部件，尾水管性能的好坏，直接影响到水轮机的效率和稳定性，其具体的作用如下：1）将转轮出口处的水流引向下游；2）利用转轮出口高出下游水面的那一段位能（如转轮安装得低于下游水位，则此功能不存在）；3）回收部分转轮出口动能。尾水管的基本类型有：1）直锥形尾水管：是一种简单的扩散形尾水管，广泛适用于中小型水电站中（转轮直径），它制造容易，因为在直锥形尾水管内部水流均匀，阻力小，所以其水力损失小。2)弯锥形尾水管：是由等园弯头接直锥形管构成。液流在其中弯头部分转弯后流速分布不均匀，致使液流在锥管中的流动状态恶化，水里损失较大，多用于小型卧式水轮机。3）弯肘形尾水管：用于大中型水电站的立式水轮机中。它由三部分组成：进口锥管、肘管及扩散管。进口锥管是一个竖直的圆锥扩散管；肘管是一个的弯管，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。在弯肘形尾水管中，水流经过一段不长的直锥管后进入肘管，使水流变为水平方向，再经过水平的扩散段而流入下游。弯肘形尾水管增加了转弯的附加水力损失及出口水流不均匀的水力损失。4.2尾水管类型的选择尾水管是水轮机过流通道的一部分。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。大中型水轮机一般采用弯肘形尾水管。仙溪水电站采用的机组型号是,由于土建投资占电厂投资比例很大，因此在电站中，为了尽量降低水下开挖量和混凝土量，最后选用弯肘形的尾水管。4.3绘制尾水管水力单线图在[1]上查取模型机转轮型号为的尾水管单线图，其转轮直径，而本设计中仙溪水电站机组选用的转轮直径为，按相似理论原则，等比例放大尾水管单线图尺寸，且每一尺寸都放大1.8倍。水轮机尾水管单线图见图XX-03所示。5水轮机导水机构运动图的绘制5.1导水机构的作用及类型水轮机导水机构的作用，主要是形成和改变进入转轮的水流环量；按电力系统所需的功率调节水轮机流量，导叶在关闭位置时能使水轮机停止运行，并在机组甩负荷时防止产生飞逸。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之间的关系图，称为导水机构运动图。按照水流在水轮机导水机构中的流动方向来分，导水机构有以下3种基本类型：1）径向式导水机构：水流沿垂直于水轮机轴线的平面径向地流过导叶。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。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。5.2绘制导水机构运动图的目的1）确定各开度下所需要的接力 器行程，从而最终确定各传动机构的尺寸参数。2）确定最大可能开度下的接力器行程，绘制接力器行程与导叶任意开度的关系曲线，并检查导水机构运行时的均衡性（即各曲线是否连续光滑）；3）确定不同导叶开度下的、值，并绘制及曲线。其中，为连杆与控制环小耳孔所在圆周切线方向的夹角，为连杆与导叶拐臂夹角。4）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。5）确定导叶限位块的位置；对于大中型水轮机：；对于中小型水轮机：6）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，或端面密封所需要的最小平面尺寸。7）确定固定导叶的布置位置及进、出口角，设计固定导叶形状。5.3径向式导水机构运动图的绘制5.3.1确定模型机的几何参数查[1]中（型号）可得：；；；由公式和计算可得：；由前面的水轮机选型设计时所确定的真机的额定工况点和模型机的最优工况点在模型综合特性曲线上查得模型机最大开度和最优开度。5.3.2确定真机导水机构尺寸参数确定真机导水机构尺寸参数：查[8]可得：；。当导叶数及导叶分布圆直径确定之后，即可按导水机构紧密关闭的原则来计算栅距及翼弦长度。栅距：式中：—导叶分度圆直径；1.75m—导叶数；16计算得：通常取叶栅稠密度，即可计算得翼弦长度。5.3.3计算真机导叶开度水轮机的导叶开度是指从一个导叶的出口边到相邻导叶的最短距离。随着导叶位置的不同，开度是不相同的。在绘制导水机构运动图时，常用到的特征开度值为：1）导叶关闭开度2）最优开度（水轮机在最优工况下的开度）式中：—模型机的导叶最优开度、、—分别为真机的导叶开度、转轮直径、和导叶数目、、—分别为模型机的最优导叶开度、转轮直径、和导叶数目计算得：最大开度（水轮机在额定水头发出额定功率时的水轮机导叶开度）计算得：25%50%75%最大可能开度（导叶所能开的最大开度）计算得：5.3.4确定真机导叶的形状及尺寸因为该电站的较低，转轮进口环量要求较小，使得导叶水流角大，则应选用较大的宽蜗壳，但为了减小机组的尺寸，应采用较小的窄蜗壳，致使，此时选用正曲率导叶减环量。在[7]上查取水轮机转轮直径为的正曲率导叶尺寸，其具体尺寸及形状如图5.1所示。图5.1正曲率导叶翼形图5.3.5绘制导水机构运动图及其参数曲线图在绘制导水机构运动图中，所用到的参数如下：导叶分布圆直径；拐臂长度；连杆长度，（在[7]查得）；由[7]查得：大耳柄控制环圆直径；小耳柄控制环圆直径1）确定β与γ值将导叶置于全关位置状态，此时要求，，否则可适当调整连杆与拐臂的长度，在全关时，拐臂中心线与圆周切线夹角为（已知），从而可确定出初始位置，如图5.2所示。图5.2导叶全关位置图图中数据（由[7]查得）：；；2）确定大、小耳孔的位置及接力器行程由上面的数据画出导水机构运动图，图中共取六个导叶开度，当导叶位于某一个开度时，量取此时的拐臂与连杆的夹角的值和连杆与控制环小耳孔圆周切线的夹角的值，连杆与圆周的交点即为小耳孔位置，然后以圆心为起点作过小耳孔的直线与圆周的交点即为相应的大耳孔的位置。以导叶全关时大耳孔的位置为起点到各开度下大耳孔的位置的距离就是大耳孔的行程，如图5.3所示。图5.3导水机构角度关系图在导水机构运动图中量取各个开度下的导叶运动关系值，根据所量取的参数值，分别作三条曲线、、曲线，然后再检查所做曲线的光滑性，以检查导水机构运行时的均衡性，数据记录在表6.1中并作曲线图，如图5.4所示。表5.1导叶运动关系值25%50%75%7557453529272690848486909192058100.8140.48167.78175.8183.33图5.4曲线及光滑性检查水轮机导水机构运动图见图XX-04所示。6水轮机结构设计6.1概述混流式水轮机是一种采用最多的水轮机。其应用水头范围很广：大中型的为；小型的。其比转速，比冲击式高；空蚀系数比轴流式小；满负荷时效率高。低水头大容量混流式水轮机的转速低，尺寸大，要重视大型零部件的加工、运输以及结构刚度问题。高水头混流式水轮机的空蚀、磨损和振动问题比较突出，转轮宜用不锈钢或其他抗空蚀性能较好的材料制造，导水机构有关部位要采取抗磨和防止间隙空蚀的措施。混流式水轮机本体主要由埋入部分、导水机构和转动部分组成。埋入部分包括蜗壳、座环、基础环、尾水管里衬、水轮机机坑里衬等，其均埋在混凝土中，既是机组的基础件，也是水流通道的一部分；导水机构包括底环、活动导叶、顶盖、套筒及导叶传动机构等，它起着控制流量的作用，使水流以很小的能量损失沿圆周均匀进入转轮；转动部分主要由转轮、主轴、轴承及密封装置等组成。为了减轻空蚀和泥沙磨损对水轮机部件的破坏，需对过流部件采取一定的措施，如在顶盖和底环过流面上装置抗磨板，导叶立面合缝处堆焊不锈钢或其它耐磨材料。对于普通碳钢和低合金钢铸造的转轮过流表面在其易气蚀、磨损部分堆焊不锈钢或耐磨材料。在前面已介绍了蜗壳、尾水管的水力设计和导水机构的结构，在此不再介绍。6.2转轮的结构设计转轮是水轮机的“心脏”，它直接把水流能量转换成机械能，转轮设计的优劣直接影响着水轮机的过流能力、水力效率、空蚀性能、工作稳定性以及水轮机对变工况的适应性。6.2.1结构型式及材质混流式转轮由上冠、叶片和下环组成。上冠通常装有减少漏水损失的止漏环，减少轴向水推力的减压装置，它的上法兰面与主轴连接，下部接泄水锥。下环上也装有止漏装置。过去，混流式转轮大多用铸钢铸造，现在焊接结构有了很大发展。大型转轮因受制造和运输条件的限制，采用分瓣的组合结构。为了提高强度、抗空蚀性和耐磨性，有的转轮采用了不锈钢材料或低合金高强度钢种。也有采用不锈钢叶片和碳素钢上冠和下环焊接的结构。采用普通碳素钢的转轮，在其容易空蚀和磨损的过流部位，堆焊抗空蚀、抗泥沙磨损的材料。转轮上冠形状对效率和最大流量的影响较大，其形状有直线型和上抬曲线型两种。直线型上冠具有较好的加工工艺性，但在大流量时会使效率降低，同时也会使单位流量减小，故现在很少采用。而上抬曲线型上冠，虽然制造加工稍麻烦些，但它使得转轮流道在出口附近的过流面积大大增加，从而有利于提高水轮机的单位流量及水力效率，向上抬的曲线也不能太接近于水平位置，因有可能在小流量范围内上冠区域出现二次回流，所以上冠形状在向上抬处的切线与水轮机中心线的夹角应控制在左右。同时，保证上冠下部与泄水锥相接处，不产生脱流和撞击，泄水锥与主轴中心夹角应控制在以内。下环形状及下锥角与水轮机的比转速有关。对于低比转速水轮机，下环形状为曲线形，能使水流能平顺的拐弯，曲率半径较大，否则易产生脱流。对于中高比转速的水轮机，下环形状为圆锥或圆柱形，这有助于增加转轮出口的过流断面面积，对提高过流量，降低转轮出口水流速度，改善空化空蚀性能是有利的，但过大的下环锥角，将使下环曲线的曲率增大，脱流损失加大，而导致水力效率下降。采用轴心孔补气时，泄水锥锥面应开补气孔，其总面积应大于补气阀孔口面积的2倍。转轮是水轮机的关键部件，对水轮机的性能影响大，叶片表面光洁度不应低于，叶片型线要正确，相邻叶片间的开口误差相对于设计值不应大于，周围平均开口误差不大于。水轮机转速较低，转轮高度与直径之比小于1，一般只作静平衡。其残留不平衡重量在飞逸转速下引起的离心力，对于小型机组，一般不应超过转轮自重的1%～2%，对于大中型机组，不大于0.2%。根据仙溪电站的实际情况，本设计转轮采用整体铸造，上冠和下环材料选用20MnSi,转轮叶片的材质为铸钢ZG0Cr13Ni6Mn。其尺寸根据已选定的转轮型谱确定6.2.2止漏装置止漏装置的作用是减少机组的容积损失。目前常用的形式有间隙式、迷宫式、梳齿式和阶梯式四种。（1）形式的选择当水头时，混流式转轮一般可采用间隙式或迷宫式止漏环，其中含泥沙较多的电站采用间隙式，清水电站采用迷宫式止漏环。当水头时，采用梳齿式或阶梯式止漏环。止漏环与转轮的连接方式，为考虑拆卸方便，一般在整铸转轮上采用红套固定。分瓣的大型转轮可以在工地组装焊接。止漏环的材料一般采用ZG30或Q235钢板，泥沙较多的电站采用不锈钢或其他耐磨钢板。对水质干净，转轮尺寸较小的转轮，也可以直接在上冠下环上车制迷宫槽。仙溪电站的最高水头为115.8m，所以选用迷宫式式密封。6.2.3泄水锥结构泄水锥可采用铸钢或钢板焊接。与上冠的连接方式可参考转轮各典型结构图。有的直接焊于上冠下部；有的螺钉把合，焊接加强，避免运行中脱落。在本设计中采用转轮与泄水锥整铸。6.3导叶的结构、系列尺寸和轴颈选择由于混流式水轮机应用水头较高，导叶承受的弯曲载荷大，因此导叶的相对高度与轴流式水轮机比较起来做得短一些，以减小跨度。此外，随着水头增高，相同功率下水轮机的过流量减小，这样有可能减小流道的过流截面。一般随水头增加而减小。导叶的结构与导叶套筒、轴套、密封等形式有关。目前常用的带有套筒、中轴颈采用“Y”形密封，下轴颈采用“O”形密封的导叶结构。导叶的材料一般采用ZG30或ZG20MnSi整铸，大型机组中也有采用铸焊结构的。为了保证导叶转动灵活，导叶上、中、下三轴颈要同心，径向摆度不大于中轴颈公差的一半，导叶体端面与轴线不垂直度允许误差不超过。导叶过流表面型线要正确，制造中应用样板检查。使用于中、高水头下的导叶，尾部可铺焊不锈钢板，提高抗空蚀能力。使用于水流含泥沙较多的电站，还在导叶头部堆焊抗磨材料。根据本电站实际情况，活动导叶的材料为ZG20MnSi整铸，在下轴颈处加有抗磨板，同时下轴颈采用“O”形密封圈。6.4导叶的传动机构导叶传动机构的型式较多，其中常用的两种为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，比较适宜在中小型机组中使用。本设计采用耳柄式传动机构。耳柄式传动机构主要由导叶臂、分半键、端盖、耳柄、旋套、连杆销、剪断销和轴套组成。它的结构比叉头传动机构简单，但其受力情况不如叉头传动机构好，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间隙和装配质量变化，剪断面尺寸不如叉头传动机构中的剪断销容易确定。由于本电站属于中型机组，所以本设计采用叉头式传动机构，其结构示意图如图6.1所示。图6.1叉头式传动机构6.5导水机构的环形部件设计导水机构的环形部件有底环、顶盖、支持盖、控制环、轴承支架、推力轴承支架等。它们的受力比较复杂、制造要求较高。6.5.1底环的结构底环是一个扁平的环形部件，固定于座环上，设计时主要考虑刚度，一般不作强度计算。大多数底环都采用ZG30铸钢铸造，大型机组中因受运输条件限制，可分为两半或更多分瓣数组合。底环上部过流表面尺寸应符合各型转轮的流道尺寸。对于有泥沙磨损的电站，过流表面应采取一定的抗磨措施。目前设计中与导叶相配端面上装有抗磨板，用螺钉固定，圆弧部分则铺焊3毫米厚不锈钢或Cr5Cu钢板条。抗磨板的厚度一般采用16～20毫米，多数采用Q235钢，也有采用Cr5Cu钢板的，其工艺较困难，有的机组中试用了尼龙抗磨板，工艺性较好。在本次设计中，底环采用不分瓣的焊接结构，材料选用ZG30铸钢。6.5.2控制环的结构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，可采用ZG30铸钢铸造，但近来大量采用的是Q235钢板焊接结构。大型机组中因受运输条件限制，也可设计成分瓣结构，分瓣面应设计在应力最低部位，本设计采用整铸结构。控制环的尺寸系列应尽量作到标准化，提高结构的通用性。其结构如图6.2所示。图6.2控制环制造要求6.5.3顶盖和支持盖的结构顶盖和支持盖是水轮机的主要部件，要求有足够的强度和刚度，因此多数设计成箱形结构。此外，还应考虑有一定的空间位置，便于检修。顶盖的材料有采用铸铁HT21—40和铸钢ZG30的，近来则广泛用焊接结构。一般混流式水轮机中仅有顶盖，顶盖和支持盖的外缘法兰，有单层和双层两种型式，目前采用单层法兰较多，因其结构简单，但对法兰的焊缝的焊接质量要求较高。顶盖与导叶配合面，如果用橡皮条密封时，则在顶盖上车有鸽尾槽或压板式密封槽，槽形尺寸与导叶相同，分布圆位置与底环的密封槽位置相同，由导叶布置图确定。采用铸铁作材料的顶盖，为防止水流冲刷，在下部过流面上需铺钢板保护，对于多泥沙的电站，顶盖过流表面与上述底环一样，铺设抗磨板。本设计中，顶盖材料选用铸钢ZG30，采用不分瓣的焊接结构。6.6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。大中型水轮机中，真空破坏阀均安装在顶盖或支持盖上。补气装置的作用是当水轮机偏离最优工况时，由于水流扰动，尾水管内出现涡带，引起机组振动或负荷摆动时补入空气，借以吸振及降低旋涡强度，改善机组的运行状态。真空破坏阀采用个，均匀分布于顶盖内，并尽量靠近机组中心，以提高空气补入速度。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。本设计中机组的真空破坏阀安装在顶盖内，共设置4只。其具体结构如图6.3所示。图6.3真空破坏阀6.7主轴的设计主轴是水轮机的主要部件。通过它，将水轮机转轮的机械能传递给发电机。它的毛坯通常采用铸钢35、45或20MnSi整锻，或采用铸造法兰、锻造轴身并用环形电渣焊焊接成整轴。轴身采用钢板卷焊的大型薄壁轴目前也有采用。大型水轮机主轴都有中心孔，它不仅可以消除轴心部分组织疏松等材质缺陷，便于检查，在结构上还可以减轻重量，而且也是为实现中心孔补气、装操作油管的需要。主轴上部与发电机连接，下部与水轮机转轮连接，一般都采用法兰盘连接。如果厂房布置和铸造条件允许，可把水轮机轴和发电机轴做成整轴结构，这样由于没有中间法兰，减少加工量，有利于安装。主轴直径按其传递的扭矩大小选定：式中：—主轴传递功率，15975；—额定转速，500。计算得：根据值，由[8]主轴扭矩与主轴直径关系图中查取直径。主轴内径按下式计算：对于大中型机组，主轴材料为20MnSi钢时，厚壁轴取，薄壁轴取。与主轴对应的法兰的尺寸:。计算数据见表6.1所示。表6.1主轴法兰尺寸系列表序号系数1.70.251..450.120.91尺寸（mm）6008751044320主轴承受扭矩和轴向拉力（包括轴向水推力及计算断面以下的转动部分重量引起的拉力），应校核拉、扭应力。卧式主轴还应计算弯曲应力。对于小型机组的主轴直径按下式初选：式中：，此时，计算主轴内径参考同类型电站设计标准，确定本次设计的主轴材料为ZG40，主轴直径为Dp=365mm，且为厚壁轴，主轴的内径为。6.8轴承的结构水轮机轴承型式很多，目前比较常用的有水润滑的橡胶轴承；稀油润滑带有转动油盆、斜油槽自循环的筒式轴承和稀油润滑油浸式分块瓦轴承。其他型式轴承如稀油润滑毕托管上油方式轴承，在中小型机组中虽有采用，近期已被斜油槽自循环的筒式轴承所代替。干油润滑轴承国内应用不多。本设计中采用稀油润滑筒式轴承。这种轴承平面布置紧凑，承载能力大，刚性好，运行可靠。但轴承密封位于下部，维护检修不便；轴承离转轮中心位置也较远。用于较为合适。该轴承一般由二至四瓣组成，瓦面浇有轴承合金。其具体结构如图6.4所示。图6.4稀油润滑筒式轴承1—油箱盖；2—油箱；3—冷却器；4—轴承体；5—回油管；6—转动油盆；7—浮子信号器；8—温度信号器；9—油盆差6.9补气装置6.9.1混流式水轮机偏离最优工况运行时，由于水流扰动，不同程度地存在压力脉动。一般在40%～70%额定出力时，尾水管内出现涡带。由于涡带强烈扰动，或其频率与机组固有频率重合而发生共振，将引起机组振动或负荷摆动。补气装置的作用就是在出现这种不稳定工况时，补入空气，借以吸振及降低旋涡强度，改善机组的运行状态。6.9.2装置形式补气方式分为两类。一类是自然补气，大部分水轮机均采用此种方式；另一种是强迫补气（即压缩空气或射流泵补气），当尾水管内压力较高时，自然补气不能补入时采用此种方式。1）轴心孔补气装置这种补气装置结构比较简单，但补气效果不如尾水管补气。只适用于自然补气。2）尾水管十字架补气补气范围较大，效果较好，用于自然补气。3）尾水管短管补气此补气装置在时使用。4）强迫补气当负值较大，不能实现自然补气时，可采用射流泵等强迫补气方式。本设计采用尾水管十字架补气装置，在此装置中：当时，用三根横管；时，用四根横管。横管与水平面夹角。中心体与转轮下环的距离。横管直径：当时，；当时，。本次设计采用四根横贯的尾水管十字补气装置，如图6.5所示图6.5尾水管十字架补气装置6.10主轴的密封6.10.1工作密封1）橡胶平板密封密封性能较好，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的密封。2）水压端面密封密封面一侧是加工光滑的不锈钢，另一侧是中硬耐油耐磨橡胶。优点是当橡胶块磨损后，能自行补偿以保持密封间隙。这种密封的接触宽度取，随主轴直径增大而取大值。6.10.2检修密封当下游水位高于轴承密封时，设有检修密封，供停机或检修轴承及其密封时使用。空气围带式检修密封是大、中型水轮机常用的检修密封结构。使用时，可往空气围带中通进压力为左右的压缩空气。在无压时，间隙取1.5～2。本设计中主轴密封选用的是水压端面密封，检修密封为空气围带式检修密封。这两种密封的具体形式如图6.6所示。图6.6轴承密封装置水轮机剖面图的绘制见图XX-05。7导叶加工图的绘制导叶的零件图是我们设计和加工导叶的关键资料。本设计所选导叶是正曲率导叶，导叶材料选择ZG20MnSi。导叶加工图见图XX-06。8蜗壳强度计算8.1对金属蜗壳的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，就需要对其所受的载荷进行分析，并根据其几何形状确定计算时所需的简化受力图形。金属蜗壳在工作的时候主要产生以下几种应力：1)蜗壳在承受内水压力时产生的薄壁应力水轮机蜗壳的壁厚和它本身的曲率半径相比要小得多，因此可以把金属蜗壳看作是一个薄壁容器。所以蜗壳不应承受压在它上部的任何外部载荷，可以认为金属蜗壳在工作时只承受作用于蜗壳内表面水压力，这就是金属蜗壳的主要载荷。蜗壳的内水压力很水轮机的工况有关，当水轮机的工况不同的时，作用于蜗壳的水压也随之改变。当机组紧急停机而使导叶突然关闭时，会产生最大的水压力的工况，作为蜗壳强度计算的计算工况。也就是计算蜗壳强度时，应包括水锤生涯在内的最大水压力，作为其计算载荷。故蜗壳的强度计算所用的水压力为[9]式中:蜗壳的内水压力，Pa；率负荷时导水机构关闭瞬间，蜗壳中最大的压力上升系数，通常；水的密度，；水轮机最大工作水头，115.8。从蜗壳的水力设计知道，沿圆周方向从进口开始流量逐渐减少，因之蜗壳圆断面面积也减少，当断面小到一定程度的时候就不能和座环相连接，为此，必须将圆断面改为椭圆断面，所以蜗壳的薄壁应力计算时，就分为两种情况：eq\o\ac(○,1)蜗壳圆断面部分[9]：其中式中:子午向应力，Mpa；环向应力，Mpa；圆形断面的半径，m；圆断面中心之水轮机旋转轴的距离，m；计算应力点之水轮机旋转轴的距离，m；作用在蜗壳上的内水压力，Mpa；蜗壳壁厚，cm。由上式看出，的数值是随的减小而增大，因此在座环连接处蜗壳的薄壁应力最大。座环与蜗壳连接处的半径为rc，则与座环连接处的蜗壳薄壁应力为：式中：与座环连接处的薄壁应力，Mpa；座环与蜗壳连接处的半径，m。eq\o\ac(○,2)蜗壳的椭圆部分[9]：式中：a.b椭圆断面的短半径和长半径，m。由上式看出，的最大或者在蜗壳与座环的连接处，此处的值最小，或者在值的最大处,在常用的结构中，最大值均在蜗壳与座环的连接处。当时，应力值最大。2)与座环连接处由于座环的限制蜗壳的变形而产生的附加应力从结构相互关系来看，蜗壳和座环蝶形边相连接。对于经常采用的钢板焊接蜗壳，蜗壳则焊接于座环的蝶形边上。把蜗壳看作一个薄壁容器进行计算，在和座环连接处，蜗壳断面是不是连续的。则在上面所说的内水压力作用下，和座环连接处的蜗壳边缘就要产生变形，但是座环的刚度比蜗壳大，起着限制蜗壳变形作用。因而和座环连接处的边缘，将产生附加应力。蜗壳的圆断面部分：式中：—钢的泊松系数，。蜗壳与座环的连接处的总应力则是薄壁应力和附加弯曲应力之和，即若对于圆断面钢蜗壳，在和座环连接处蜗壳应力计算值是蜗壳的椭圆断面部分：蜗壳的椭圆断面部分与座环连接处的总应力（取绝对值）式中：蜗壳与座环连接处的附加弯曲应力，Mpa；蜗壳的椭圆断面部分与座环连接处的总应力，Mpa。应当指出，在蜗壳圆形断面的总应力中，薄壁应力占很大比重，而附加应力的比重较小，一般仅占许用应力的。从整个蜗壳计算中，可以得出一个规律：薄壁应力随着蜗壳的断面减小而减小，而附加弯曲应力随蜗壳断面减小而增加。因此，一般的说，在蜗壳圆形断面中薄壁应力起主要作用，在椭圆形断面中，附加弯曲应力起主要作用。3)不同厚度钢板连接处的附加应力（此次设计采用各断面同一厚度，这里不在叙述）(2)蜗壳材料的选择本次设计选择蜗壳材料为16Mn，材料的许用应力[]=1600kgf/cm²。根据此数据进行蜗壳厚度的计算及校核。8.2编程进行强度计算计算程序如下：optionExplicitPrivateSubForm_click() Dimv!,Ra1!,C!,h!,rB!,Ra!,L!,k!,T#,xi#,pi!,ai!,Ri!,o#,μ!DimP#,w#,X!,Y!,Z!,R2i!,R1i!,i%,δ圆计!,δ圆实!,δ椭计!,δ椭实!,A!,B!,D!Dimσ1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!Dimξmax!,P1!,Hmax!,g!,ρ!,σ!v=8.59'进口流速Ra1=1.5'座环蝶形边半径C=1380'金属蜗壳系数h=0.245'蝶形边至导水机构水平中心线高度rB=1.19'计算得Ra=1.4'固导进水边外圆半径L=0.312'蝶形边长度Hmax=115.8'水轮机最大工作水头ξmax=0.35'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=160'16Mn的许用应力μ=0.3'钢板的泊松比P1=((1+ξmax)*Hmax*ρ*g)/1000000Print"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"PrintPrint"δ圆计";Tab(11);"δ圆实";PrintTab(21);"σ1圆";PrintTab(31);"σb圆";PrintTab(41);"σ总圆";PrintTab(50);"δ椭计";PrintTab(60);"δ椭实";PrintTab(70);"σ总椭1";Tab(79);"σ总椭2";PrintTab(90);"σ总椭"Fori=345To15Step-15k=i/CIfi>=110ThenT=Sqr(2*Ra1*k-h^2)xi=k+Tpi=Sqr(xi^2+h^2)pi=Int(pi*1000)/1000ai=Ra1+xiai=Int(ai*1000)/1000Ri=ai+piRi=Int(Ri*1000)/1000δ圆计=(1.135+0.228*ai/Ra1)