仙游电站水泵水轮机结构设计_毕业设计设计说明书.doc

2013 届热能与动力工程专业毕业设计（论文） 毕业设计（ 论文） 题 目 仙游电站水泵水轮机 结构设计 专 业 热能与动力工程 班 级 动 093 班 学 生 * 指导教师 * 教授 2013 年 ：福建仙游蓄能电站水泵水轮机结构设计 2 福建仙游蓄能电站水泵水轮机结构设计 摘 要 抽水蓄能电站在电网中担任填谷调峰的关键作用，对提高电网供电质 量和电网灵活性有着十分重要的意义。安装在抽水蓄能电站的水泵水轮机， 需要根据电网的调度在水轮机和水泵两种工况间转换运行，以此完成调频 调峰等重要任务。由于水头高、转速高、容量大、运行工况复杂、起停频 繁等特点，因而决定了水泵水轮机在结构上表现出独有的特征. 福建仙游蓄能水电厂从电站规模、机组容量及高水头水泵水轮机等方 面而言，都是极具代表性的抽水蓄能电站。本次毕业设计就是以该电站为 对象，通过查阅相关资料及水轮机设计手册，辅助以 cad 绘图工具，对其 混流式水泵水轮机结构进行设计，绘制了总装配图，导水机构装配图，导 叶布置图，主轴零件图。 关键词关键词：福建仙游蓄能电站, 水泵水轮机, 结构设计,cad 2013 届热能与动力工程专业毕业设计（论文） the structural design of pump-turbine in fujian xianyou pumped storage power station abstract pumped storage power station plays a pivotal role in peka-clipping of power grid，being significant to improve the quality of power supply and the flexibility of power network.pump-turbine，which is specially applied to pumped storage power station，transfers between turbine and pump according to the manage of power grid to fulfil the vital task of peak regulation and frequency adjustment. it also shows unique features in structure due to the characteristics of high water head, high speed, large capacity, complex operation condition and frequent start-stop. fujian xianyou pumped storage power station is extremely typical when it comes to the scale，unit capacity,or the high-head pump- turbine.the graduation project takes guangzhou pumped storage power station as the object,aiming at completing the structural design of francis pump-turbine in this power station by refering to related data,the design hand book of hydraulic turbine and computer aided design cad.the overall assembly, the distributor assembly, as well as some of the major parts are well designed. key words: fujian xianyou pumped storage power station, pump-turbine, structural design, cad ：福建仙游蓄能电站水泵水轮机结构设计 目录 1前 言 .1 1.1 概述 1 1.2 设计内容 2 1.3 原始资料 2 2.水泵水轮机总体结构设计 .3 2.1 绘制轴面流道图 3 2.2 转轮部分 3 2.2.1 转轮结构.3 2.2.2 转轮连接 4 2.2.3 转轮止漏装置.5 2.2.4 泄水锥.5 2.2.5 转轮减压装置 5 3.主轴及其附属结构部分 .6 3.1.1 主轴直径计算.6 3.1.2 主轴结构设计.7 3.1.3 水导轴承.9 3.1.4 主轴密封10 3.1.5 检修密封12 3.2 座环 .14 3.3 顶盖 .15 3.4 底环 .16 3.5 基础环 .17 3.6 蜗壳 .17 3.7 接力器.18 3.8 真空破坏阀 .18 4.导水机构 19 4.1 活动导叶翼型.20 4.2 导叶开度的确定.21 4.3 导叶结构、尺寸和轴颈选择 .21 4.4 导叶的密封结构.23 4.5 导叶套筒 .23 4.6 导叶止推装置.24 4.7 导叶轴颈密封.25 4.8 导叶轴套 .26 5.导叶传动机构及零部件 28 5.1 导叶臂 .29 5.2 连接板.30 5.3 叉头.31 5.4 连接螺杆.32 5.5 端盖.32 5.6 分半键.33 5.7 剪断销.34 5.8 叉头销.35 5.9 叉头销轴套.36 5.10 控制环 .37 6.总结 38 参考文献 40 2013 届热能与动力工程专业毕业设计（论文） 1 1前 言 1.11.1 概述概述 随着社会经济的快速发展,我国能源消耗不断增大,环境污染不断加剧,转 变能源结构、促进电力系统节能减排已成为全社会共同关注的焦点。经济 发展对电力的需求逐步加大，为满足电力供需关系，各种新能源和核电开 始投网运行，这致使电力系统日负荷峰谷差越来越大。抽水蓄能电站作为 目前解决盈余电能储存问题的最有效方式，其调峰填谷、调频调相、旋转 备用的作用日益突出，对于提高电网稳定性和供电质量意义重大。目前， 世界抽水蓄能技术正在不断超高水头、大容量方向发展，我国蓄能电站技 术虽起步较晚，但至今也取得了较快的进步，在诸多核心技术上实现了重 大突破，正在逐步实现国产化进程。水泵水轮机作为蓄能电站的核心设备， 其机构设计的合理性直接影响到运行效率、运行稳定性等诸多方面，因此 合理的结构设计是保障电站经济运行的首要前提。 福建仙游蓄能电站作为我国大型抽水蓄能电站的代表之一，对国内整 个抽水蓄能技术的发展起到了极大的借鉴和推动作用。本次毕业设计通过 查阅各种参考文献和水轮机设计手册，在掌握常规水轮机机组结构的前提 下，学习水泵水轮机的结构特点。并以福建仙游抽水蓄能电站为对象，参 考相同水头段其他蓄能电站机组结构特点，完成对该电站水泵水轮机的结 构设计。既可以将平时的专业理论知识进行系统的实践练习，又能通过各 种中外文文献的学习，了解专业领域最新的研究方向。更重要的是在完成 毕业设计的过程中，能发现自己平时学习和认识上的疏漏点，及时的进行 完善和弥补。通过本次毕业设计，进一步提高自己的动手和创新能力，深 入了解常规水轮机及水泵水轮机的结构，拓宽视野，为自己即将到来的研 究生学习奠定良好的基础。 cad 制图技术是本次毕业设计中使用到的重要工具，既确保了绘图计 算的准确性，也使得整个设计及修改过程更加快捷方便，让我们对软件使 用的熟练程度和使用技巧也得到很大的提高。 ：福建仙游蓄能电站水泵水轮机结构设计 2 1.21.2 设计内容设计内容 （一）根据给定的福建仙游蓄能电站基本资料进行水轮机总体结构设计 1.根据给定的水轮机型号和转轮直径等基本参数，确定水轮机的主要 特征尺寸，对水轮机主要部件进行结构设计； 2.根据机组型式和电站基本条件设计主轴密封和水导轴承； 3.绘制水轮机总装配图及主要部件组装图或零件图。 （二）导水机构传动系统设计 1.根据机组的型式进行导水机构传动系统设计； 2.绘制导水机构装配图及导叶布置图； 1.31.3 原始资料原始资料 本次毕业设计的基本参数如下： 单机容量：300mw 拟用水轮机型号：hlx-lj-410 额定转速：428.6r/min 水轮机设计流量：79.16 m3/s 水泵流量：最大 68.05 m3/s最小 54.63 m3/s 吸出高度：-65m 安装高程：205m 2013 届热能与动力工程专业毕业设计（论文） 3 2.水泵水轮机总体结构设计 2.1 绘制轴面流道图 可逆式水泵水轮机的转轮要适应两种工况的要求，故其流道的特征形 状与离心泵更为相似。高水头水泵水轮机的轴面流道十分扁平，进口直径 d1 与出口直径 d2 的比率一般为 2：1 或更大，相对导叶高度 b0 不超过 10%。 本设计查阅福建仙游抽水蓄能电站相关资料，拟用转轮型号 hlx-lj-410， 其流道尺寸符号及数值分别如图 2-1、表 2-1 所示。 图 2-1 hlx-lj-415.8 流道图 表 2-1 流道尺寸 参数符号数值（mm）参数符号数值（mm） d04743r13636 d14158r2995 d21810r360 dk1175h11664 bo400.8h21075 2.22.2 转轮部分转轮部分 2.2.1 转轮结构 ：福建仙游蓄能电站水泵水轮机结构设计 4 转轮是水轮机中直接将水能转换为机械能的部件，由于不受运输条件 的限制(3886mm)，所以转轮采用整体铸造，转轮由上冠、下环、7 个叶片 和泄水锥等组成，材料为 z5cn1704m。图 2-2 为转轮结构，尺寸如表 2-2 所示: 表 2-2-1 转轮尺寸 2.2.2 转轮连接 混流式转轮与主轴常用的连接方式有两种：连轴螺钉连接和键传递扭 矩连接。后者在小型机组中应用较广，但由于本设计为大型机组，故采用 法兰螺钉连接的方式，转轮重量由发电机推力轴承承担，转轮法兰尺寸符 号及数值如图 2-3、表 2-2-2 所示。 参数符号数值（mm）参数符号数值（mm） da3618h1792 db1060l1240 dc1866 100 bo400.8 图 2-2-1 转轮结构 2013 届热能与动力工程专业毕业设计（论文） 5 表 2-2-2 转轮法兰尺寸 2.2.3 转轮止漏装置 止漏装置的作用是减少机组的容积损失，常用的形式有缝隙式、迷宫 式和梳齿式三种，材料选用碳素钢、不锈钢或其他抗磨钢板。本设计中由 于水头大于 200m，故采用梳齿式止漏环，机械装配点焊与转轮固定，根据 水轮机设计手册表 10-11，由转轮直径查选梳齿密封间隙为 1.5mm. 2.2.4 泄水锥 泄水锥形式参照典型结构，与上冠的连接方式采用 16 个布置在连轴 螺钉内侧的 m60 螺钉把合，为避免运行中脱落，另与上冠点焊加强，材料 为 z5cn1704m。 2.2.5 转轮减压装置 福建仙游抽水蓄能电站属于 500 米水头段的高水头电站，因此在上冠 处设置减压装置，对于减小机组轴向水推力非常关键。常见的转轮减压结 构有两种：一是减压板和泄水孔方式，另有顶盖排水管和泄水孔方式。本 参数符号数值（mm）参数符号数值（mm） dm1030h96 dn1350163 d8502m100 h130 图 2-3 转轮连接法兰 ：福建仙游蓄能电站水泵水轮机结构设计 6 次选用第一种减压装置，减压板与顶盖的间隙值为 30mm 以保证抬机需要。 泄水孔开向为顺水流倾斜 25，为了减小过流面的空蚀和磨损，设计 自泄水孔流出的水经泄水锥内腔排入尾水管。 2013 届热能与动力工程专业毕业设计（论文） 7 3.主轴及其附属结构部分 3.1.1 主轴直径计算 主轴的外径尺寸可以根据机组的扭力矩初选，扭力矩按以下公式计算： 厘米）（公斤 n n m97400 式中 ： n代表主轴传递的功率（千瓦） n代表主轴转速（转/分） 由原始资料：n=300mw=30 万 kw n=428.6r/min 所以， )(1018.86 6 . 428 1030 97400 7 4 厘米公斤 m 根据水轮机设计手册上 319 页图 12-12 扭力矩与主轴外径的关 系曲线查得 d=1100（mm） ，根据薄壁轴的标准外径系列，取标准植 d=1100（mm） 当主轴直径600mm 时，选用薄壁轴，主轴内孔直径按水轮机设计 手册320 页上的公式 122 计算： 4 max 4 496102 n nd dd 式中 ：d主轴外径（厘米） n主轴传递的功率（千瓦） n主轴转速（转/分） max最大许用应力（公斤/厘米 2） 初选主轴的材料为 astm a668 cle，其中 max=700（公斤/厘米） 所以根据主轴内孔直径公式计算得： =979.0 mm)(97.90 700 6 . 428 11010300496102 4 3 4 厘米 dd 但为了保证主轴有足够的刚强度，可将主轴内径按标准直径系列取为 ：福建仙游蓄能电站水泵水轮机结构设计 8 600mm 。 3.1.2 主轴结构设计 水轮机主轴是水轮发电机组中关键部件，特别是大型的抽水蓄能机组， 其双向运行性更是对主轴材料的性能提出了更高的要求，既要保证高的强 度和韧性，同时还要考虑焊接对材料碳当量的要求，以前国内水轮机主轴 常选用的 20simn 或 18mnmonb 等材料，其性能已经逐渐不能满足工作要求。 在本次毕业设计中，主轴材料选用力学性能更加优良的 a668cie 锻钢 整体中空结构，主要由上、下法兰及轴身三部分组成，上端与发电机端的 中间轴用螺栓联接，下端与转轮上冠法兰用螺钉联接。其作用是承受水轮 机转动部分的重量及轴向水推力所产生的拉力，同时传递转轮产生的扭矩。 主轴直径 1100mm，故采用薄壁轴标准，查水轮机设计手册第 312 页的 表 12-3 得轴的尺寸如图 3-1、表 3-1，主轴长度根据电站安装要求决定。 表 3-1-2 主轴尺寸 参数符号 数值 （mm） 参数符号 数值 （mm） 参数符号 数值 （mm） d1100d2173da1030 d1660h225da60 db1425h1260d0600 dp1120l50d21560 d21650l175f2 d31200l212z20 d1000s275c16 d1000s1340c120 db115a30c24 d1118m2 2013 届热能与动力工程专业毕业设计（论文） 10 图 3-1-2 主轴结构 ：福建仙游蓄能电站水泵水轮机结构设计 11 3.1.3 水导轴承 水导轴承的作用，一是承受机组在各种工况下运行时通过主轴传过来 的径向力，二是维持已调好的轴线位置。按润滑剂不同，水轮机导轴承型 式很多，目前比较常用的有水润滑的橡胶轴承;稀油润滑有转动油盘、斜 油槽自循环的筒式轴承和稀油润滑油浸式分块瓦轴承。其它型式轴承如稀 油润滑毕托管上油方式轴承，在中、小型机组中虽有采用，但近期已被斜 油槽自循环的筒式轴承所代替。干油润滑轴承国内运用不多。 查水轮机设计手册345 页，对不同轴承的使用条件及优缺点进行 比较，同时考虑各个轴承对水质条件的要求，对所设计的水泵水轮机中， 选用油外循环冷却方式的筒式自润滑水导轴承，主要由轴瓦、支座、旋转 油箱及箱盖等组成。油循环的动力是靠油随油箱旋转产生的惯性以及轴瓦 进油口的特殊结构提供的。 另外，由于水泵水轮机双向运行，故其水导轴承油冷却循环路径作为 水轮机工况和水泵工况是不同的。考虑到不同工况启动时机组转速上升的 速度差别较大，为确保轴瓦安全，水轮机工况时，油是先冷却后润滑瓦面， 再回到油箱里的，水泵工况，油是先润滑瓦面，然后再循环至冷却器进行 冷却，再回到油箱的。结构如下图 3-1-3： 其中相对应的尺寸如下表: 图 3-1-3 水导轴承结构 2013 届热能与动力工程专业毕业设计（论文） 12 表 3-1-3 水导轴承尺寸 参数符号数值（mm）参数符号数值（mm） dp1120l700 da1750h900 db1800h400 dd1350b50 （1）轴瓦高度l：统计资料表明，轴瓦高度与直径的比值都在0.51 的范围内，一些试验资料表明轴承的摩擦系数在上述范围内数值最小。所 以轴瓦高度l=（5001000）毫米，参照水轮机设计手册中的366 页 表1314 最终取l700mm。 （2）油槽升角：模型试验的资料表明，油槽升角对上油量有一定 的影响。目前设计中采用的油槽升角一般为5070，实践表明上油效果 很好。在体外冷却的方式中，采用50，所以本次设计中取50。 （3）轴承间隙：轴承总的平均间隙一般可参照下面的经验公式决定： )( 1000 2 . 0 15 . 0 毫米 p d 式中 dp主轴直径 （毫米）37 . 0 1000 11202 . 0 15 . 0 实践表明，水轮机轴承间隙适当放大对减少轴承磨损、降低轴承温度有利， 而对机组的运行稳定性无明显影响。 （4）冷却方式：稀油润滑筒式轴承一般都装有冷却装置，本水轮机 轴承选择体外冷却的方式。这种冷却方式目前采用较多，这种结构中通常 由冷却器、挡油箱、溢流板、挡油管等组成。冷却器多数采用黄铜管，在 布置条件许可下排列成扁方形，可以降低挡油箱的高度。挡油箱、溢流板、 挡油管的作用是保证热油都能经过冷却器后再经回油管返回转动油盆，以 改善冷却效果。此外，挡油箱还可以避免上部油箱中的循环油随着主轴旋 ：福建仙游蓄能电站水泵水轮机结构设计 13 转而飞溅出来。在本机组上，挡油箱采用钢板焊接，把合在轴承体上。 3.1.4 主轴密封 主轴密封紧靠水轮机主轴下法兰端面，在水导轴承下方由内顶盖支 撑，其作用是有效地阻挡水流从主轴与顶盖之间的间隙上溢，防止水导轴 承及顶盖被淹，维持轴承和机组的安全运行。目前水泵水轮机主轴密封常 用的典型形式有 3 种，即平衡式流体静压径向双端面机械密封、非平衡水 压自调整轴向式分瓣机械型平面密封和弹簧复位式浮动型双端面机械密封。 福建仙游蓄能水电厂抽水蓄能机组具有水头高、转速高、容量大、运 行工况复杂、起停频繁等特点，因而决定了封堵其水泵水轮机转动部分和 固定部分间隙漏水的主轴密封的高性能。为了适应电站较大吸出高度和较 大密封表面线速度的功能，密封形式采用非平衡水压自调整轴向式分瓣机 械型平面密封。密封结构如图 3-1-4： 弹簧复位式浮动型双端面机械密封工作原理： 密封供水经减压并过滤处理后进入操作腔;在正常运行时,将不锈钢移动环 压贴在旋转抗磨环上; 密封腔润滑水来自尾水。当操作腔和密封腔的压力 达到平衡时,在不锈钢移动环和旋转抗磨环之间形成一层良好的润滑水膜, 使不锈钢移动环与旋转抗磨环不发生干摩擦或过度摩擦,从而减少磨损量, 并带走摩擦产生的热量。 图 3-1-4 非平衡水压自调整轴向式分瓣机械型平面密封 2013 届热能与动力工程专业毕业设计（论文） 14 3.1.5 检修密封 主轴的密封除了正常运行中的工作密封外，还有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、机械操作式或抬机密封等多种。 在本次设计中采用的是空气围带式密封，它适用于采用稀油轴承的结 构，检修时所需的操作地位较小。在机组停机检修或主轴密封损坏时，打 开检修密封操作阀，将压縮空气充入空气围带使其抱紧法兰轴面从而防止 水淹水车室，在机组正常运行时或机组尚未完全停止时，不得投入检修密 封。采用的压缩空气压力是 47 公斤，其所采用的围带的剖面尺寸见下 图。 3.2 座环 图 3-2 座环结构 图 3-1-5 检修密封尺寸 ：福建仙游蓄能电站水泵水轮机结构设计 15 座环的作用，是承受整个机组及其上部混凝土的重量以及水泵水轮机 的轴向水推力，以最小的水力损失将水流引入导水机构。机组安装时以它 为基准，所以，座环既是承重件，又是过流件，又是基准件。因此，在设 计和制造时，必须保证它具有足够的强度、刚度和良好的水力性能。根据 转轮直径（1000mm）从水轮机设计手册104 页表 6-14 选出座环基本 尺寸，再根据实际情况稍作改动，设计如下图 3-2，表 2-6 所示： 表 3-2 水轮机座环尺寸 参数符号数值（mm）参数符号数值（mm） db5440h1=b0+10-25410 da6572h1375 k85 1 105 r125 2 135 (座环边的延伸角度根据蜗壳的具体尺寸而定) 作为焊接件的座环，除了符合相应的焊接规程保证其焊接质量外， 主要加工面的光洁度和公差也要达到精度要求，此外，对制造质量还提出 如下要求： 1) 考虑到其强度要求，钢板厚度选取为 100mm，固定顶盖连接螺钉处， 钢板厚度为 130mm。 2）所有过流表面打磨光滑至表面光洁度为 3.2，其余表面为 12.5； 3）固定导叶进口端节距误差不超过 0.0015da，顶盖与底环把合面平 行度误差不超过 0.025 毫米/米； 4）座环分两瓣，分瓣结构的合缝面光洁度为 6.3，合缝面间隙一般不 超过 0.05 毫米。 5)合缝面局部允许有 0.150.3 毫米凹陷部分（深度小于接合缝的 1/3，长度不超过接合缝总长的 1/5） ，但不允许有突起。 3.3 顶盖 2013 届热能与动力工程专业毕业设计（论文） 16 顶盖是水轮机的主要部件之一，需要有足够的强度和刚度，因此多数 设计成箱型结构，并考虑检修而留有一定的空间位置。其主要作用有： 1）形成流道并承受相应的流体压力； 2)固定和支撑活动导叶及其连杆机构； 3)支撑水导轴承； 4)支撑并组成机组的密封，包括主轴密封、检修密封、上迷宫环等 此次结构设计中，顶盖采用 e28-4 焊接而成，钢板厚度为 80mm,由于 高水头水泵水轮机导叶轴较长，导致顶盖高度也增高，因此顶盖外缘法兰 设计为双层形式。顶盖最大直径处已达 5m,受运输条件限制，顶盖采用两 瓣组合，为防止水流或泥沙的冲刷，在顶盖的过流面铺设抗磨板，并且顶 盖在制造时要求套筒孔与底环同心。顶盖结构如图 3-3： 图 3-3 顶盖结构 3.4 底环 底环是水轮机主要环形部件之一，位于导叶下方，安装在座环的 下环上，它用来安装导叶下轴承及支持导叶的下轴颈。底环也是形成 流道的组成部件之一，由于受到运输条件的限制，底环分两瓣制造。 对底环的重点要求是，导叶的下轴承孔与顶盖导叶套筒同心，刚度应 力达到要求。结构见图 3-4 ：福建仙游蓄能电站水泵水轮机结构设计 17 图 3-4 底环结构 底环主要尺寸如下： 外径 4958mm 内径 3896mm 高度 1498mm 材料 e28-4 3.5 基础环 基础环是混流式水轮机座环与尾水管进口椎管短段相连接的基础部 件，埋设于混泥土内，转轮的下环在其内转动。本设计中，基础环采用钢 板焊接形式，与尾水管进口锥管段螺栓把合连接。基础环与转轮下环间有 一定间隙作为安装中放置斜楔、调整转轮水平用。结构如图 3-5. 图 3-5 基础环 2013 届热能与动力工程专业毕业设计（论文） 18 3.6 蜗壳 蜗壳是水轮机引水部件，安装在座环与球阀之间，在机组作水轮机运 行时，蜗壳在座环圆周方向提供均匀的流速不变的压力水流进入转轮。在 机组作为水泵抽水时，蜗壳收集转轮所泵出的水流并将水流的动能转换成 压能输入引水钢管。做为常规水轮机来说，只要结构条件和经济条件允许， 希望截面越大越好。而常规泵则希望蜗壳断面扩散程度必须适当。两种工 况下蜗壳的特性存在着一些相互矛盾的因素，要让同一蜗壳实现两种工况 的最优化，设计时必须兼顾两方面的技术要求。从结构尺寸看，水泵水机 的蜗壳接近常规水泵的蜗壳，但水泵水轮机有活动导叶可以调节水流而保 持高效运行，这一点普通水泵是无法做到的。 福建仙游电厂为 400m 段高水头水泵水轮机,蜗壳采用金属蜗壳，材料 为 e500tr.蜗壳装有进人门以便于蜗壳、座环、导叶和转轮的检查，还设 有相应的管道和测孔。 3.7 接力器 本次毕业设计所选转轮直径为 4.1 米，属于大型机组，故本次毕业设 计采用单导管直缸接力器，其将布置在水轮机机墩内，操作油压采用 ph=25 公斤/厘米。 接力器直径 h c p dbh dd 10max 1 / 式中：转轮直径 1 d 最高水头 max h 导叶相对高度 10/ d b 调速系统的额定油压 h p 计算系数 从水轮机设计手册中的表查得 =0.151，=40 公斤/厘米， h p 取 535m，b0/d1 =0.094 max h ：福建仙游蓄能电站水泵水轮机结构设计 19 m704 . 0 40 094 . 0 535 158 . 4 151. 0 c d 根据接力器直径系列取 dc=700(mm) 3.8 真空破坏阀 导叶突然关闭时，尾水管内的水流由于惯性将继续流动，此时转轮室 内会产生真空，由于压强差，尾水管内的水流会回流到转轮室，由于水流 惯性很大，通常会产生抬机现象，影响机组稳定运行，严重时会将机组整 个抬起，水流灌入厂房造成严重事故。所以需要在这种情况下进行补气， 消除转轮室内真空。针对这种情况采用顶盖加真空破坏阀的方法。 2013 届热能与动力工程专业毕业设计（论文） 20 4.导水机构 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。 大中型导水机构，按其导叶轴线布置位置可以分为圆柱式、圆锥式、 径向式三种形式。其中，圆柱式导水机构导叶轴线布置在圆柱面，这种导 水机构制造方便，保证水轮机有足够的效率，因而应用广泛，故本次设计 选用该形式的导水机构。 导水机构装配尺寸根据转轮直径 d1=4158mm 查阅水轮机设计手册 中 133 页表 8-1，差值法得参数如下表 4-1： 表 4-1 导水机构装配尺寸 参数符号数值（mm）参数符号数值（mm） d14158lh555 d04743lp261 z020lc450 42dy3450 dc3300 4.1 活动导叶翼型 图2-12 负曲率导叶翼型 ：福建仙游蓄能电站水泵水轮机结构设计 21 圆柱式导水机构的导叶叶形，通常有对称形和非对称形（正曲率、 负曲率）两种标准叶形。由于负曲率导叶一般使用于高水头低比转速水轮 机中，故本设计中采用负曲率叶形。由水轮机设计手册中141 页表8-7 查得正曲率导叶叶形的断面参数，再将正曲率翼型沿中心线镜像得到负曲 率翼型，尺寸如图2-12： 表2-8 导叶翼型参数 参数符号数值(mm)参数符号数值(mm) d13886k7.67 d04425r51.34 z020r159.58 a24.37a193.77 b42.68b196.24 c58.14c195.25 d65.69d187.71 e70.41e179.05 m63.59m151.21 d0137.18l760.8 25l1397.1 f40.2l2363.69 4.2 导叶开度的确定 查阅电站相关资料，已知从导叶关闭位置到全开位置对应的导叶转角 为026.6，如下图2-12所示，作图计算最大导叶转角对应的开度值 amax,在从0开度值到amax之间取35组开度值，作图计算每个开度值对应 的导叶转角，得到的导叶布置情况如表4-2： 2013 届热能与动力工程专业毕业设计（论文） 22 图4-2 导叶布置 表4-2 导叶布置 08152426.61.05amax a0045.9293.66141.4191.2200.8 4.3 导叶结构、尺寸和轴颈选择 导叶的结构与导叶套筒、轴套、密封等形式有关，常用的带有套筒中 轴颈采用“l”形密封,下轴颈采用”o”形密封的导叶结构,高水头水泵水轮 机导叶宽短，导叶轴细长，导叶轴颈可按转轮直径 d1，使用水头h1，导 叶的相对高度b0/d1，从水轮机设计手册中147 页表8-11 初选轴颈 db，选得db =250mm，再根据db=250mm 从设计手册中表8-9 查得导叶结 构的其它尺寸如下表： ：福建仙游蓄能电站水泵水轮机结构设计 23 表4-3 导叶参数 参数符号数值（mm）参数符号数值（mm） db250hb22 da230hc415 dc210h135 d1280h2237.7 d2240h3100 d3m56r1125 d470r2105 d5228h 1600 b0364 h2206 ha22 图4-3 导叶结构尺寸 2013 届热能与动力工程专业毕业设计（论文） 24 4.4 导叶的密封结构 导叶关闭后，导叶体的立面应很好密封，低水头机组中，常在导叶头 尾搭接面用鸽尾槽内嵌入圆橡皮条进行密封。而在中高水头机组中，常是 直接靠金属接触面研合封水，本次水泵水轮机的导叶密封，就通过提高导 叶密封面的精度来进行刚性密封，无其他附加密封设备。 4.5 导叶套筒 导叶套筒是固定导叶上中轴套的部件，一般采用铸铁铸造。套筒结构 与主轴材质、密封结构和顶盖的高度有关。目前多数采用整体圆筒的模式， 因为本次设计的机组的水头很高，所以导叶套筒上还必需设计导叶止推装 置。本次设计中采用的套筒的尺寸大小如图4-5、表4-5： 图4-5 导叶套筒 ：福建仙游蓄能电站水泵水轮机结构设计 25 表4-5 导叶套筒尺寸 参数符号数值（mm）参数符号数值（mm） db250h140 d1660h2230 d2390h316 d3250h436 d4270dnm24 d5280d32 dm300r10 h1270r15 h55r2215 d580 4.6 导叶止推装置 水头较高的机组中应考虑导叶在水压作用下的上浮力，在导叶套筒上 需要装设止推装置，以防止导叶向上抬起，碰撞顶盖和连杆受力。止推装 置的结构形式很多，采用比较多的是在导叶臂上开槽，利用固定在套筒上 法兰面的止推板，卡在导叶臂槽内，使导叶臂和导叶受轴向限位，从而限 制了导叶向上浮动。具体止推装置的结构和尺寸如图4-6、表4-6： 表4-6 止推压板尺寸 参数符号数值（mm）参数符号数值（mm） d1480d26 d2415h78 d3375h33 d4345b32 2013 届热能与动力工程专业毕业设计（论文） 26 4.7 导叶轴颈密封 导叶中轴颈密封多数装在导叶套筒的下端，目前不少机组中已改用 “l”型密封，“l”型密封圈与导叶中轴颈之间靠水压贴紧封水，因此轴套和 套筒上开有排水孔，形成压差。实践证明，封水性能很好，结构简单。其 尺寸大小如下表4-7-1，参数含义如图4-7-1： 表4-7-1 中轴颈“l”型密封 参数符号数值（mm）参数符号数值（mm） db250r52 d2537h22 d230014.5 r2224.5 图4-7-1 导叶中轴颈“l”型密封 图 4-6 导叶止推压板 ：福建仙游蓄能电站水泵水轮机结构设计 27 导叶下轴颈的密封主要是防止泥沙进入，发生轴颈磨损。下轴颈密封 一般采用“o”型橡皮圈密封结构，其尺寸大小如下表4-7-2 表4-7-2 下轴颈“o”型密封 参数符号数值（mm） db250 d210 d10 图4-7-2 导叶下轴颈“o”型密封 4.8 导叶轴套 导叶轴套以前常使用黄干油润滑的铸锡青铜，目前已广泛采用具有自 润滑功能的工程塑料代替，这样不仅简化了结构，而且节省了大量的有色 金属，降低成本。聚甲醛和尼龙 1010 适合在水轮机导叶连杆等部位作自 润滑的轴套材料。为了兼顾刚强度要求，本次机构设计中，采用钢背聚甲 醛的符合轴套，导叶轴上、中、下轴套的结构及尺寸依次如下各个对应图 表所示： （1）导叶上轴套结构及参数 图 4-8-1 上轴套 2013 届热能与动力工程专业毕业设计（论文） 28 表 4-8-1 上轴套参数 参数符号数值（mm）参数符号数值（mm） dc230h115 d1230h18 d22501 d4290 (2)导叶中轴套结构及参数 图 4-8-2 中轴套 表 4-8-2 中轴套参数 参数符号数值（mm）参数符号数值（mm） db250h250 d1250h140 d32701 d4280 ：福建仙游蓄能电站水泵水轮机结构设计 29 (3)导叶下轴套结构及参数 图 4-8-3 下轴套 表 4-8-3 下轴套参数 参数符号数值（mm）参数符号数值（mm） da210h210 d1210k6 d22301 dm240 2013 届热能与动力工程专业毕业设计（论文） 30 5.导叶传动机构及零部件 常用的导叶传动机构有叉头式和耳柄式两种，前者受力情况较好，适 宜于大中型机组上采用。叉头传动机构主要由导叶臂、连接板、叉头、插 头销、连接螺杆、分半键、剪断销、轴套、端盖和补偿环等组成。 根据接力器直径 dc=700mm，db=250mm，查阅水轮机设计手册上 164 页的表 8-25、8-26，得到叉头传动机构特征尺寸如表 5 表 5 导叶传动机构特征参数 参数符号数值（mm）参数符号数值（mm） dc700d2100 d1m72h70 dn90h190 dcn70dm60 5.1 导叶臂 图5-1 导叶臂及销孔结构 ：福建仙游蓄能电站水泵水轮机结构设计 31 根据叉头传动机构装配尺寸从水轮机设计手册上166页的表8- 27、8-28查出导叶臂及其销孔尺寸如下表5-1-1、5-1-2： 表 5-1-1 导叶臂 参数符号数值（mm）参数符号数值（mm） db250h290 dc230l1225 d1340e60 d2370k10 d3340r130 d4370f12 d2290h350 dm60b125 d3m24lp261 d432 其中参数符号意义对应图5-1(左) : 表 5-1-2 销孔尺寸 参数符号数值（mm）参数符号数值（mm） dcn70c12 r105h70 b260h190 其中参数符号意义对应图5-1（右）： 2013 届热能与动力工程专业毕业设计（论文） 32 5.2 连接板 图 5-2 连接板 根据叉头传动机构装配尺寸从水轮机设计手册上 167 页的表 8 29 到表 8-30 查出连接板尺寸如下表 5-2、图 5-2： 表 5-2 连接板尺寸参数 参数符号数值（mm）参数符号数值（mm） d1340r275 h70h190 r1205lp261 dcn70l1=l2120 d2100c11.5 d1135lp+1.7dcn380 5.3 叉头 根据连接板d1=m72，从水轮机设计手册上167 页的表8-31查出叉 头尺寸如下表5-3： ：福建仙游蓄能电站水泵水轮机结构设计 33 表 5-3 叉头尺寸 参数符号数值（mm）参数符号数值（mm） d1m72x4l190 d290dl1120 d385dr80 d4130r15 h180r18 h110c12 h135s28 其中参数符号意义对应图5-3： c1 d1 d4 r r1 l1 d3 c145 c145 d2 r s h1 h h 图5-3 叉头 5.4 连接螺杆 根据连接板d1=m72从水轮机设计手册上168 页的表8-32查出连接 螺杆尺寸如下表5-4： (倒倒倒倒倒) l d1 b1 d2 b c45 d1倒倒倒 d3 l l s 图5-4 连接螺杆 2013 届热能与动力工程专业毕业设计（论文） 34 表5-4 连接螺杆尺寸 参数符号数值（mm）参数符号数值（mm） d1m72x4b28 d280b18 d366r2 s70c3 l170 5.5 端盖 根据轴颈db=250mm，从水轮机设计手册上171页的表8-37查出端 盖尺寸如下表5-5： 表5-5 端盖尺寸 参数符号数值（mm）参数符号数值（mm） db250h138 d1400r115 d22321m36 d390226 d452364 d5290d6130 h48 ：福建仙游蓄能电站水泵水轮机结构设计 35 表5-5中参数符号意义对应如下图： 图 5-5 端盖 5.6 分半键 根据上轴直径dc =230mm，查水轮机设计手册上169 页的表8- 34，选用b型分半键，得分半键尺寸如下表5-6： 图 5-6 分半键 2013 届热能与动力工程专业毕业设计（论文） 36 表 5-6 分半键尺寸 参数符号数值（mm）参数符号数值（mm） dc230b27.5 dm60k5 l245c1.5 b58b133.1 l1305h225 l2250h340 h10h410 5.7 剪断销 叉头传动机构中，导叶臂和连接板上装有剪断销，如果导叶间因异物 卡住，有关传动件的操作力将急剧增大，应力增高的1.5倍时，剪断销首 先剪断，保护其他传动件不受损坏。根据连接板dcn=70mm，从水轮机设 计 手册上170页的表8-35查出剪断销结构及尺寸如下图5-7、表5-7： 表 5-7 剪断销尺寸 参数符号数值（mm）参数符号数值（mm） dcn70r1.5 d30h15.5 d269h213 d375h70 d470l66 b5l153 b14 h2 3 hl l d dcn d1 d4 h1b r b1 60 r1 倒倒倒r0.5 图 5-7 剪断销 ：福建仙游蓄能电站水泵水轮机结构设计 37 5.8 叉头销 根据叉头传动机构尺寸中dn=90，从水轮机设计手册上170页的 表8-36查出剪断销机构及尺寸如下图5-8、表5-8 图 5-8 叉头销 表 5-8 叉头销尺寸 参数符号数值（mm）参数符号数值（mm） dn90h183 d90h210 d185b4.5 d289r2 d381c3 h108r2 h140 5.9 叉头销轴套 根据连接板d2=100mm，从水轮机设计手册上168 页的表8-33查出 叉头销轴套尺寸如下表5-9： 2013 届热能与动力工程专业毕业设计（论文） 38 表 5-9 轴套尺寸 参数符号数值（mm）参数符号数值（mm） dn90h98 d2100h18 d1105c2.5 表中参数符号如下图所示： 图 5-9 轴套 5.10 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， 在本次设计中采用 a3 钢板焊接。根据水轮机转轮直径 d1=4158mm,查 水轮机设计手册第 185 页图 8-34 及其表 8-52 到表 8-54,插值法得出控 制环尺寸。 表 5-10 控制环尺寸 参数符号数值（mm）参数符号数值（mm） d14158d4100 dc3300h855