水轮机结构设计方案

1 水轮机结构设计 方案 1 绪论 洲坝 水电站的 概况 罗洲坝水电站坐落在重庆市武隆县的江口镇，地理位置优越，交通便利。其供电目标主要是重庆电网， 在重庆电网担任调峰、调频和事故备用的作用，该 电站利用江口水电站 的 水库，正常蓄水位 为 300 米，相应 的 库容为 立方米 ； 死水位为 260 米，相应库容为 立方米，调节库容为 立方米，为季调节型 水库。设计洪水位为 ，校核洪水位 ，相应水库总库容 立方米，装机容量 10万千瓦，额定水头 106米。 计的基本参数 水轮机额定出力： 102额定转速： 定流量： s 最大允许吸出高度： 大水头： 120m 额定水头： 106m 最小水头： 73m 安装高程： 业设计的具体内容 （一）根据给定的罗洲坝水电站水轮机基本参数进行水轮机总体结构设计： 2 定水轮机的主要特征尺寸，对水轮机主要部件进行结构设计； （二）导水机构传动系统设计 （三）绘制控制环零件图 （四）外文翻译 3 本参数 水轮机额定出力： 102额定转速： 定流量： s 最大允许吸出高度： 大水头： 120m 额定水头： 106m 最小水头： 73m 安装高程： 案初选 作为一种水力原动机，水轮机的作用是将水流的能量转化为水力机械的机械能，进而带动发电机转子进行水力发电。水轮机分为两种：分别是冲击式水轮机和反击式水轮机，冲击式水轮机又分为切击式、斜击式和双击式；反击式水轮机则可分为混流式、斜流式、轴流式以及贯流式水轮机。 混流式水轮机能适应的水头范围很宽，是目前最受欢迎也是最常用的一种水轮机。混流式水轮机的特点是运行可靠，结构紧凑，运行效率高， 大型的混流式水轮机一般应用的水头范围为50700米之间。 轴流式水轮机又称为卡普兰式水轮机，由于叶片和导叶之间形成的一种相互协联关系，其稳定性和水利效率较高，高效率区的运行范围相对较大，比较适用于出力和水头变化较大的水电站。轴流式水轮机目前广泛应用于水头低，容量大的水电站，一般应 4 用的水头为 370米。 斜流式水轮机一般应用于水头在 40200米的范围内，适用于水头变化幅度相对而言比较大的水电站。但是由于斜流时水轮机现阶段存在制造工艺复杂，技术要求较高的问题，因此，斜流式水轮机的应用并不是很常见。 潮汐电站 和建在平原河流上的电站则往往使用另一种形式的水轮机 贯流式水轮机。这种水轮机是一种用于开发低水头水力资源的新机型，一般用于 225 米的水头范围。 双击式水轮机仅仅适用于水头范围在 10米到 150米之间的小型电站，其结构简单，出力甚至可以达到 300是效率相对低下，一般很少采用。 水斗式水轮机即切击式水轮机，是冲击式水轮机中唯一的可以应用于大型机组的水轮机形式。 斜击式水轮机一般应用在 50400米的中小型水电站中，由于水从斗叶流出的时候常常会产生飞溅现象，因此相比较而言，斜击式水轮机的效率比较低。 根 据罗洲坝水电站的水头范围以及各种不同形式的水轮机的特点，在选择的时候应该选用混流式水轮机。通常情况下，在选择水轮机的型号时，我们需要根据计算出的比转速在转轮的型谱关系中选择一个或几个比较合适的转轮型号，当有两个或两个以上的转轮型号可供选择时，此时需要进行综合分析以确定最合适的转轮型号。本电站水轮机的比转速 4201 0 62 0 0 0202 0 0 0 Hn s （ 查水轮机的型谱参数表可以确定比较相近的 三种转轮的适用水头分别为 135200m、110150m、 90125m。罗洲坝水电站的水头范围为 73120 米，因此可采用 轮。 5 本参数计算 选额定工况点 选择好水轮机转轮型号之后，就可以根据 模型综合特性曲线确定水轮机的模型效率了。具体步骤如下： m (73106 （ 额定工况点的单位流量为： )/(830)/(22111 （ 由此在水轮机的模型综合特性曲线上查出其效率 M=取效率修正值为 2% ， 就可以得出额定工况下的原型水轮机的效率 9 0 M 。 定转轮直径 转轮直径的计算公式为： 1.9 （ 式中， P 表示水轮机的额定出力（ 10200011s）； 为额定工况的原型水轮机的效率（ 经过计算，就可以得出转轮直径为 率及单位参数修正值 对于混流式水轮机来说，在将 模型最优的工况效率算成真机的最优工况效率时候，我们需要使用到 6 式为 : 11 511 (1 ) ( )D （ 式中，模型机最优效率（ 处为 计算结果为 效率修正值m a x =型水轮机在限制工况运行时的效率为 M 验所选水轮机的实际工作区域 实际上水轮机的单位转速的计算公式为： 111 式中， 106m）。 计算，得到 73r/ 同理，根据单位转速公式计算，我们就能够得到最大水头 在 型综合特性曲线图上从两个转速 两条水平线大致包含了最优效率区，因此所选择的转轮型号 足所需的过流条件，选用 转轮适合本电站。 算额定流量 额定流量的计算公式为： 21 1 1r r D H （ 7 计算，得出 r 。 算飞逸转速 水轮机飞逸转速计算公式为： m a 式中， 示飞逸转速（由水轮机设计手册综合特性曲线查得轮的飞逸转速为 133r/ 表最大水头（ 120m）。 计算得： 416r/ 算轴向水推力 对于混流式水轮机，轴向水推力的计算公式为： m a (式中 轮轴向水推力系数 计算得： 制工作特性曲线 取最低水头、额定水头和最大水头三个数据，并计算各个水头下的单位转速 111( ) 并在模型综合特性曲线图上做出各个水头下的单位转速为常数的水平直线，将这些等水头直线与 等效率 线交点11( , )入公式计算 2 3 / 21 1 19 . 8 1 D H 。 8 当 20时，对应的 。 mm 11(l/s) 670 728 782 855 )(92398 102697 112785 126015 mm 11(l/s) 1102 1165 1218 1259 )(162420 168024 171820 173626 当 H=106 时，对应的 mm 11(l/s) 668 740 816 906 )(76481 86665 97707 110859 mm 11(l/s) 1123 1168 1216 1256 )(137412 139854 142412 143802 mm 11(l/s) 737 791 947 1124 9 当 H=73 时，对应的 到效率与出力 图 作特性曲线 )(44910 49386 60546 73547 mm 11(l/s) 1207 1247 1278 1296 )(78978 79726 79793 78974 10 3 水轮机的总体结构设计 轮流道尺寸 根据罗洲坝水电站的转轮型号，通过查水轮机设计手册中有关混流式水轮机的轴面流道图，确定本电站转轮流道的实际尺寸。 图 转轮流道尺寸 叶高度及分布圆直径 根据 轮流道尺寸图，可以由公式计算出导叶高度 3500=875水轮机设计手册，根据导水机构装配系列表中关于 11 导叶分布圆的尺寸可以得出导叶分布圆直径 070而确定导叶数 4片导叶。导叶翼型可以分成两种：对称型导叶和非对称型导叶，罗洲坝水电站的蜗壳选取全包角的金属蜗壳且最高水头大于 100m，因而可以选择非对称型导叶。 轴直径 现代水轮机在主轴的设计上有两种设计系列选择，分别是主轴轴身的壁厚厚度大于法兰厚度时所采用的厚壁周以及主轴轴身的壁厚厚度小雨法兰的厚度的薄壁轴。在进行水轮机主轴的设计中，一般主轴直径小于 600米的时候选择厚壁周，反之则选用薄壁轴。 可以根据机组的扭力矩初选主轴直径，初选方法为使用公式 M = 97400 进行计算（式中， 位为 位为转 /分），计算结果为扭力矩 M=厘米，再由扭力矩与主轴外径关系图得出主轴外径为 900用薄壁轴。 图 扭力矩与主轴关系 1 厚壁轴 2薄壁轴 12 主轴内孔的直径需要通过公式 d = (厘米 ) （ 计算（其中， D 为主轴的外径，单位为厘米； N 为主轴传递的功率，单位为千瓦； n 为主轴的转速，单位为转 /分；为最大许用应力，其单位为公斤 /厘米 2）。 计算，得主轴内孔直径为 3500主轴内孔直径的尺寸系列中查得内孔直径为 400 要部件结构 轮 混流式水轮机的转轮由上冠、叶片和转轮三部分组成。通常，我们要在上冠上开设减压孔，这样就可以减小轴向水推力。上冠的上部法兰面与主轴通过螺栓连接，下部以焊接的方式连接泄水锥。下环上也应该设计止漏装置。 随着焊接技术的发展，现在的转轮多采用焊接方式而不是过去的铸钢铸造方式。 图 转轮主要尺寸示意图 （ 1）止漏装置 的设计 止漏装置的作用是减少机组的容积损失，分别分为缝隙式、迷 13 宫式和梳齿式三种形式。 当使用水头小于 200米的时候，各种类型的混流式转轮一般可以选择缝隙式或者迷宫式止漏环。如果水中泥沙含量较多则建议采用缝隙式，否则使用迷宫式止漏环。 当所用水头达到 200米以上的时候则应该采用梳齿式止漏环。 止漏环尺寸系列如下图所示： 图 下环止漏环 14 图 上冠止漏环 (2) 泄水锥 泄水锥采用钢板焊接结构，直接焊接在转轮上冠下法兰面上。 (3) 减压装置 减压装置的作用是减小轴向水推力的作用，常用的形式有 引水板和泄水孔减压方式以及顶盖排水管和泄水减压孔方式两种。这里我们采取顶盖排水管和泄水减压孔方式的减压装置。 叶 （ 1）导叶的翼型和系列尺寸 前文已经叙述过，由于罗洲坝水电站是具有全包角的蜗壳的高中比转速的混流式水轮机，因此应该采用非对称型导叶（正曲率）。可以根据水轮机设计手册中相关尺寸进行导叶的设计。 15 图 导叶翼型图 查非对称型导叶叶形断面尺寸系列表获得相关数据： 表 对称型导叶叶形断面尺寸系列表（单位： 0 Z0 a a1 b 500 4070 24 c c1 d d1 e e1 m f r 2 2）导叶的结构、系列尺寸和轴颈选择 导叶的结构与导叶套筒、轴套以及密封等形式有关。现阶段最常用的一种形式是带有套筒，在中轴颈上使用“ L”型密封结构，可以对下轴颈上采用“ O”型密封的导叶结构。 根据混流式水轮机导叶轴颈 上相关内容，初定导叶中轴颈 150，选则导叶轴尺寸。 16 图 导叶结构图 表 导叶主要参数表 (单位： db da d1 d2 dm 50 125 160 145 40 d4 d5 hA hB hc 9 25 175 265 25 h2 h3 h4 55 90 60 14 6 135 导叶的材料选用 时，在制造过程中，导叶的上、中、下三个轴颈要同心，这样才能保证导叶能够灵活转动，径向摆度应该不大于轴颈公差的一半，导叶体端面与轴线不垂直度允许误差不超过 并在倒也头部堆焊抗磨材料（抗 17 磨板）以减少磨损。 (3) 导叶的密封结构 在导叶关闭以后，导叶的立面应该有很好的密封。在中高水头的机组中，经常直接依靠金属的接触面研合封水，而有的则是采用橡胶密封封水。圆橡皮条封水直接将橡皮条嵌入鸽尾槽内，这种结构制造简单，但是容易被冲掉，所以只适用于 40米及以下水头的机组中； 对于水头较高的机组来说，其立面可以采用 带压板的橡胶密封 ，这种结构十分复杂，需要用成型三角橡皮条加压版固定，要使压板和叶形表面要光滑的过度，所以橡皮条不应该凸出的太多，材料应该选用不锈钢板最佳。 图 带压板的橡胶密封 其尺寸系列如下表： 表 导叶密封主要尺寸表 a1 18 18 12 a c h h1 b 58+5 18+7 40 d d1 钉尺寸 20 13 9 25 18 （ 4）导叶套筒 导叶套筒的主要作用是固定导叶上轴套和中轴套，一般都是采用 铸铁制造，采用整体圆筒形式，其结构与轴套的材质、密封的结构还有顶盖的高度等相关。其尺寸关系如下： 图 导叶套筒尺寸（一） 19 图 导叶套筒尺寸（二） （ 5）导叶止推装置 导叶在水压的作用下，当向上的浮力超过导叶的自重时，导叶向上抬起会碰撞顶盖并且会影响到连杆的受力。为了防止这种情况的发生，需要考虑在导叶套筒上设置止推装置。导叶所受到的向上的浮力的计算公式为：（公斤）。式中， p=斤 /平方厘米）； 米 3）；代表水的比重，公斤 /厘米 3。 导叶止推装置有很多种形式，常常在导叶臂上开槽，将套筒固定在导叶的上法兰面上，卡在导叶臂槽子内，使得导叶和导叶臂受到轴向的限位，从而就可以限制导叶受到浮力后向上的浮动。同时，环形槽端面的间 隙应该小于应该小于导叶和顶盖或底环相配合的端面的间隙的一半。在导水机构装配好后这个间隙应该按照实测尺寸配车。一般情况下，止推压板的材料选用 0 号的铝青铜，有的时候还可以使用堆焊有有色金属结构的焊接钢板作为材料。 导叶止推装置的尺寸图如下： 图 止推装置尺寸图 （ 6）导叶轴颈密封 一般情况下，导叶轴颈密封装设在导叶套筒的下端，过去常常采用结构较为复杂的“ U”型密封结构，而现在在很多机组中则更多的采用“ L”型密封结构。实践证明，“ L”型密封结构的封水性能同样很好，并且结构较之“ U” 型密封结构十分简单。 “ L”型密封结构的原理是在轴套和套筒上开设排水孔，形成一定的压力差，使密封圈与导叶中轴颈之间靠水压贴紧封水。因此，应该保证套筒和顶盖端面之间的配合尺寸应该留有一定的压缩量。材料则应当选用模压成型的中硬橡胶。与此同时，为了防止泥沙进入下轴颈发生磨损，在下轴颈上也应该设置“ O”型密封圈，其材料也应选择模压成型的中硬橡胶。 21 图 “ L”型密封圈尺寸 图 “ O”型密封尺寸系列 （ 7）导叶轴套 最初，人们在选取导叶轴套的材料时常常采用加注黄干油润滑的铸锡青铜的方式。而如今，这种选择已经被具有自润滑性能的工程塑料所代替，比如聚甲醛，再如尼龙 1010。 尼龙 1010 尺寸稳定，吸水性小，不仅能进简化水轮机结构，还能节省大量的有色金属，降低成本。因此我们在这里采用尼龙1010离心熔铸成型作为导叶轴套的材料。为了提高装配精度，还需要在上面设置定位段。 22 图 导叶上轴套尺寸示意图 图 导叶中轴套尺寸示意 23 图 导叶下轴套尺寸示意 环 座环的作用主要有两点： 1、承受水压， 2、承受整个机组以及机组段混凝土的重量。是水轮机重要的基础部件，需要有足够的强度和刚度。 罗洲坝水电站采用与金属蜗壳相连接的座环，并且是带蝶形边的座环，采用 座环和蜗壳的对接焊缝附近，常常会由于两侧的蝶形边厚度不一致，出现一些强度上面的问题，因此，需要加焊缝过渡作为加强的措施。关于座环的固定导叶断面的形状、数量和分布位置则需要根据水力计算进一步确定。同时可以考虑便于顶盖的自流排水，将尾部的几个固定导叶设为空心，起到一个排水通道的作用。为了方便在安装时调整 和固定，应该在座环下环下部设置地脚螺钉。 24 图 座环尺寸简图 在座环的制造过程中，需要注意以下几点： 1、 需要对所有的过流表面进行进一步加工，打磨光滑，使得光洁度达到 3 2、 固定导叶的进口端的节距误差不应该超过 3、 注意顶盖和底环在把合时，米 盖 顶盖的材料选用铸钢 要做成箱形结构，以保证有足够的强度和刚度。为了方便检修和安装，常常需要留有一定的空间位置。罗洲坝水电站的转轮直径为 3500于顶盖过大，在运输和 制造方面都引起了许多不必要的麻 25 烦，因此可以考虑采用分瓣结构。 为了防止导叶在转动时带来泥沙磨损，应该在导叶和顶盖下端面的配合面上焊接厚度为 1 由于顶盖结构过于复杂，对制造的要求非常高，为了保证有较高的安装质量，导叶、底环和套筒的相对安装位置一定要准确。 图 顶盖尺寸示意图 环 底环采用 一个在设计的时候只需要考虑刚度而不用做强度计算的固定在座环上的扁平环形部件。在过流表面要设计抗磨板以防止水中泥沙磨损，抗磨板的材料采用 板。 26 图 底环 础环 在混流式水轮机中，基础环的主要作用是连接座环与尾水管进口锥管段。它是混流式水轮机的一种基础部件，埋设于混凝土内，转轮下环的转动是在基础环内部进行的。 基础环是采用钢板焊接而成的，其上法兰面通过螺钉与座环相连接，下法兰通过螺栓连接在尾水管里衬的上法兰面上。为了在吊装转轮下环的时候支撑下环，基础环的下法兰应与转轮下环留有一定的间隙，在安装转轮的时候放置斜楔，用于在安装以及检修的时候调整转轮，以保证转轮的水平。 图 基础环尺寸示意 27 图 基础环 与转轮下环的间隙尺寸 轴 (1)主轴的主要尺寸 主轴采用 是水轮机的主要部件。 设计主轴的同时应该设计主轴中心孔用以消除轴心部分材质的缺陷，并且可以根据主轴中心孔为水轮机补气。 主轴上与发电机之后连接，下法兰与转轮上冠连接，主轴整体尺寸如下： 图 主轴尺寸示意图 表 主轴主要尺寸表 D b 2 d d 900 1360 1165 920 1350 900 900 db d1 d2 h h1 l 28 95 97 142 180 210 45 65 S1 a m R 0 225 290 25 2 100 10 3 f Z C 2 300 5 1,5 20 14 18 3 （ 2）连轴螺钉 连轴螺钉在设计时应当保证其预紧力保持在 1200到 1400公斤每平方厘米的范围内，这个可以在安装时在中心孔内装设测长杆测量。 在选择连轴螺钉时，根据主轴尺寸中的 连轴螺钉及测长杆尺寸系列表中查询。 图 连轴螺钉示意图 表 连轴螺钉尺寸一览表 d h d1 95 140 65 84 82 125 d3 d4 d5 d6 c 5 21 12 6 4 E 2 m 5 10 15 8 25 10 4 2 主轴 l l 0 50 30 900 450 415 225 l1 l2 l3 l,3 90 100 370 335 29 导轴承 水轮机可以选用的轴承有很多种类，最常见的分为三种：稀油润滑筒式轴承、水润滑橡胶轴承以及稀油润滑分块瓦轴承。 橡胶轴承对电站水质要求比较高，需要清洁的水源，并且水中悬浮物质不能超过 升；筒式轴承常常用于水质不干净、含沙量大，又没有清洁水源的电站采用；分块瓦轴承的使用条件则与筒式轴承基本一致，但是考虑到筒式轴承结构简单、运行性能好，结构紧凑等特点，罗洲坝水电站采用稀油润滑筒式轴承。 筒式轴承的基本工作原理是使轴盆旋转，利用产生的油压通过稀油润滑，经过轴承体下部浸油盘的径向孔和轴瓦面上的斜油槽自循环润滑。 其主要结构如下图所示 ： 图 稀油润滑筒式轴承 30 轴密封 主轴密封可以分为机械式断面密封和水压式断面密封，当沿圆周方向布置的弹簧力不均匀时，随着负荷变化的波动，在上下移动中的托架就会发生偏差，水压力发生变化，会引起漏水量增多；而水压式密封用水压力代替了弹簧力，就很好的解决了这些问题。水压密封的主要结构形式如图所示 : 压力水 排水图 水压密封形式图 制环 控制环起到的作用是传递接力器的作用力，通过导叶传动机构控制导叶的转动。罗洲坝水电站的控制环是采用 板焊接而成，其主要尺寸如下图所示： 31 图 控制环制造要求 表 控制环尺寸 (单位： c v R S 3500 2780 24 3280 12 25 表 控制环尺寸（大耳环） (单位： dc d1 d2 d3 h1 00 130 125 260 55 150 表 控制环尺寸（小耳环）（单位： d2 60D 55 65 图 小耳环 32 气装置 当水轮机不在最优工况运行的时候，常常会因为水流压力而产生波动，尤其是在 40%70%额定出力的情况下，会出现涡带，进而加大机组负荷，甚至引起共振。此时，应该补入一些空气，用以平衡水压，改善机组的运行状况，提高机组的运行效率。 补气方式分为自然补气和强迫补气，当尾水管压力太高，自然补气无法进行时，采用强迫补气。 进行补气的位置有三个，分别是主轴中心孔补气、尾水管补气、以及顶盖补气。补气的时候应注意低压的分布位置，比如在进行尾水管补气时，底压区是分布在距离管壁 1/41/8 处，所以补气装置就应该设置在这个位置。 在尾水管补气的设计时，可以在短管补气或者十字架补气两种补气方式中选择，罗洲坝水电站由于转轮直径较大，进行十字架补气方式多有不便，因此应该选取短管补气装置。同时，可以在补气装置上设置控制阀，在需要补气时打开，不需要补气时关闭。 由于水流具有惯性，在导水机构紧急关闭的时候，转轮室有可能出现较大的真空，这样往往会引起抬机现象。因此真空破坏阀应运而生，当紧急关闭导叶的时候，补气，破环真空，保护机组，减少抬机现象所带来的危害。真空破坏阀应该安装在顶盖内，为了保证真空破坏阀可以顺利安装，应该在顶盖上设置孔槽（具体位置 见顶盖设计的结构图），方便真空破坏阀的安装与检修。本电站沿圆周方向设置两个真空破坏阀。罗洲坝水电站的真空破坏阀大体的尺寸如下图： 33 图 真空破坏阀 34 4 导水机构传动系统设计 叶开度 以下是罗洲坝水电站的一些基本参数： 水轮机的额定出力： 102定转速： 定流量： s 最大允许吸出高度： 大水头： 120m 额定水头： 106m 最小水头： 73m 安装高程： 机组在额定工况下运行时，罗洲坝水电站的单位转速和单位流量分别为： m (73106 )/(830)/(22111 查询 轮综合特性曲线，可以得到模型的最大开度为此开口值比最低水头下， 5%出力限制线的开口值还小，所以模型的最大开度应该取 34 4m 按照公式0000m a a D 到最大开口 74 最大可能开口 a 最大可能 =274=288 取设计水头下的 下的单位转速与最优效率点对应的开口值为最优开口 ，同理，得最优开口 =221 此外，在绘制导叶布置图的时候。我们还需要另外再取两个开 35 口： 0060 根据以上参数，绘制导叶布置图，确定角、角以及接力器行程 图 接力器行程 S、 角、角与导叶开度角 水机构传动系统的设计 水机构的装配尺寸 导水机构主要是由导叶、导叶传动机构、环形部件、轴套以及密封等共同构成的。其主要装配结构如图： 36 图 导水机构装配图 图 导水机构 37 水机构的零件公差与配合间隙 导水机构的零件公差一般为 24级，下图为导水机构主要配合部位的公差标准 图 导水机构的配合公差 罗洲坝水电站转轮直径为 于大型机组，此时允许在导叶高度约 1/4的范围内有不大于 导叶的端面间隙与转轮直径和水头有关系，端面的单边间隙值允许的范围在 局部间隙一般不应该大于 ，长度不能超过合缝面的总长度的 1/5。 叶的传动机构 常见的导叶传动机构分为两种，分别是插头传动机构和耳柄传动机构。 插头传动机构的最大特点就是受力情况好，比较适用于大、中型机组中。耳柄式导叶传动机构的特点