水轮机毕业设计

1 / 26 水轮机毕业设计 摘 要 本次毕业设计的主要内容是对越南 DongNai5 电站水轮机进行结构设计。设计主要途径是在给定 DongNai5 电站水轮机型号和转轮标称直径等基本参数的前提下，通过查阅相关资料进行结构设计。以 CAD 软件为平台，绘制总装配图、导水机构装配图、导叶布置图和控制环零件图。 关键词： DongNai5 电站，水轮机结构， CAD ABSTRACT The main contents of this graduation adsign are the Vietnam DongNai5 hydropower plant hydraulic turbine structural main way of design is with the basic paramrters of DongNai5 hydropower plant model and runner nominal diameter and accessing relevant information for the structural general assembly drawings, water guide mechanism assembly drawing,guide vane arrangement drawing and control loop parts drawing. KEY WORDS:DongNai5 hydropower plant, structure of hydraulic turbine, CAD I 目 录 前2 / 26 言 . 1 概述 . 1 设计内容与要求 . 2 1 越南 DongNai5 电 站 基 本 资料 . 3 2 轴面流道图 . 4 3 水 轮 机 真 机 运 转 特 性 曲线 . 6 等 效 率 线 的 绘制 . 6 等 开 度 线 的 绘制 . 10 真 机 运 转 特 性 曲 线 的 绘制 . 12 4 埋入部件结构设计 . 13 3 / 26 座环 . 13 结 构 型式 . 13 尺 寸 系列 . 13 基础环 . 13 尾 水 管 里衬 . 14 5 导水机构结构设计 . 16 导 水 机 构 总 体 结 构 设计 . 16 导 叶 布 置 图 的 绘制 . 16 导 叶 翼 型 的 确定 . 16 导 叶 开 度 的 确定 . 18 4 / 26 导 叶 布 置 图 以 及 相 关 曲 线 的 绘制 . 19 导 叶 装 置 结 构 设计 . 20 导 叶 的 结构 . 20 导 叶 轴 套 结构 . 21 导 叶 轴 颈 的 密封 . 23 导 叶 的 止 推 装置 . 24 导 叶 套 筒 结构 . 25 导 叶 传 动 机 构 设计 . 26 导叶臂 . 26 连接板 . 27 叉头 . 28 5 / 26 连 接 螺杆 . 29 分半键 . 29 剪断销 . 30 叉头销 . 31 端盖 . 32 导 水 机 构 环 形 部 件 结 构 设计 . 32 底环 . 33 控制环 . 33 顶盖 . 36 6 转动部件结构设计 . 37 转 轮 结构 . 37 6 / 26 泄水锥 . 37 止 漏 装置 . 38 主 轴 结 构 设计 . 39 7 轴承、主轴密封及其它部件设计 . 42 轴承 . 42 主 轴 密封 . 42 补 气 装置 . 43 其 他 部 件 设计 . 44 结 论 、 讨 论 和 建议 . 46 致谢 .7 / 26 . 47 参考文献 . 48 III 前言 概述 电力是现代化工业生产和生活不可或缺的动力能量 ,水力发电是电力工业的一个门类。建国 50 多年来 ,我国的水电事业有了长足的发展 ,取得了令人瞩目的成绩。水电在我国的兴起是有其深刻的背景的。 我国水能资源丰富 ,不论是水能资源蕴藏量 ,还是可能 开发的水能资源 ,在世界各国中均居第一位。但是目前我国水能的利用率仅为 13%,水力发电前景广阔。随着我国经济的快速增长 ,能源消耗总量也大幅度增长 ,煤炭、石油和天然气这些常规能源的消耗量越来越大 ,甚至需要依靠进口。 水力发电经过一个多世纪的发展 ,其工程建设技术、水轮发电机组制造技术和输电技术趋于完善 ,单机容量也不断增大。并且水力发电成本低廉 ,运行的可靠性高 ,故其发展极为迅速。近一个世纪 ,特别是建国以来 ,经过几代水电建设者的艰苦努力 ,中国的水电建设从小到大、从弱到强不断发展壮大。改革开放以来 ,水电建设 更是迅猛发展 ,工程规模不8 / 26 断扩大。 水轮机是一种流体机械。所谓流体机械就是以流体作为工作介质的机器。它是实现流体功能和热能转换的机械。 。对于功和能转换的流体机械主要分为两大类 ,一类是流体能量对流体机械作功而提供动力 ; 另一类则是通过流体机械将原动力传递给流体 , 使流体的能量得以提高。当然还有一种液力传动功能的机械 也称为流体机械。 水力发电用的水轮机有着 100 年以上的历史，一般认为是已竭力开发的成熟机械。的确，在数十年前水轮机的效率就已达到 90% ，看起来开发的余地不大。但实际上， 在以计算机进行流态分析和强度分析的技术进步支撑下，水轮机的开发已达到非常先进的程度。性能的提高，不仅是简单体现在效率的提高，而是更应在更宽的水头和流量范围内仍能稳定和高效率的运转。 对水轮机的选型和结构设计进行研究，不仅可以使水轮机在实际运行 1 目 录 摘要 ?4 1 前言 ?5 2 东风水电站的水轮机选型设计 ? 5 水 轮机的选型设计概述 ?5 9 / 26 水轮机选型的任务 ? 6 水轮机选型的原则 ?6 水轮机选型设计的条件及主要参数 ?7 确定电站装机台数及单机功率 ?7 选择机组类型及模型转轮型号 ?8 初选设计工况点 ?10 确定转轮直径 D1?11 确定额定转速 n?12 效率及单位参数的修正 ?13 核对所选择的真机转轮直径 D1?14 确 定 水 轮 机 导 叶 的 最 大 可 能 开 度 a0k?25 计算水轮机额定流量 Qr?27 确定水轮机允许吸出高度 Hs?27 计算水轮机的 飞逸转速 ?31 计算轴向水推力 Poc?31 估算水轮机的质量 ?31 绘制水轮机运转综合特性曲线 ?32 3 水轮机导水机构运动图的绘制 ?41 导水机构的基本类型 ?41 导水机构的作用 ? 42 导水机构结构设计 的基本要求 ?42 10 / 26 导水机构运动图绘制的目的 ?43 导水机构运动图的绘制步骤 ?43 4 水轮机金属蜗壳水力设计 ?47 蜗壳类型的选择 ?47 金属蜗壳的水力设计计算 ?47 5 尾水管设计 ? 56 尾水管概述 ? 56 尾水管的基本类型 ?56 弯肘形尾水管中的水流运动 ?57 6水轮机结构设计 ? 57 概述 ? 57 水轮机主轴的设计 ?58 水轮机金属蜗壳的设计 ?59 水轮机转轮的设计 ?60 导水机构设计 ? 62 水轮机导轴承结构设计 ?66 水轮机的辅助装置 ?69 7 金属蜗壳强度计算 ? 71 金属蜗壳受力分析 ? 71 蜗壳强度计算 ? 72 计算程序及结果 ? 74 8 结论 ?78 总 结 与 体11 / 26 会 ? 79 谢辞 ?79 参 考 文献 ? 80 摘 要 本次毕业设计是根据东风水电站的水力参数和具体要求，确定了水轮机机型及型号。通过选型计算以及相应的运行工况分析，绘制出水轮机运转综合特性曲线。在满足选型设计要求后进行导水机构运动图的绘制，接着进行了 水轮机的结构设计，包括水轮机蜗壳水力设计 ,尾水管设计并绘制出了蜗壳、尾水管水力单线图、水轮机总剖面图及导叶加工图，最后进行了蜗壳的强度计算。 关键词：水轮机；选型设计；结构设计；水力设计；强度计算 Abstract The main process of this graduation project is based on the hydraulic parameter and specific request of the DongFeng hydropower station, selects the hydraulic turbine type and the model . Through the type selection design calculation as well as the corresponding operating situation analysis, designer draws the operating combined characteristic curve of hydraulic 12 / 26 turbine and carries out the corresponding feasibility analysis about the selected runner. After meeting the request of the type selection design, designer goes on guide mechanism motion diagram and the structure hydraulic turbine design, including the hydraulic design of the casing and design of the draft tube, then draws their hydraulic line chart, the hydraulic turbine s gross sectional drawing and the guide blade s working drawing. The final task of the design is the strength calculation of the casing. Key words: hydraulic turbine； type selection design； structure design； hydraulic design； intensity calculation 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13 / 26 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，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选择、导水机构运动图的绘制和蜗 壳的水力设计三部分。 2 东风水电站的水轮机选型设计 14 / 26 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。 水轮机选型的任务 水轮机选型的主要任务如下： 确定电站装机台数及单机功率 选择机组类型及模型转轮型号 确定机组的装置方式 确定转轮直径、额定转速、飞逸转速 计算所有运行水头和功率下水轮机的效率和吸出高度值，绘制水轮机运转综合特性曲线。 轴向水推力的计算 调节保证计算 辅助设备的选择 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15 / 26 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。 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 ?max 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 ?f 及 ?f 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，16 / 26 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 摘要 本次设计是对富春江水电站的初步设计。初步设计主要是对水力机组的设计，进行了水轮机、发电机和调速器的选择。对厂房进行了布置，并对油、气、水等各辅助系统进行了设计。另外，在本次设计中还运用 AutoCAD 对厂房布置及油系统、气系统、水系统等系统图进行绘制，它们可以更直观的表达厂房和各个辅助设备的布置和构成。 关键词：富春江水力发电水 力机组辅助系统厂房布置 Abstract It was carried on the preliminary design of the Fu Chun Jiang hydropower stations in this design. The design of the hydraulic unit is main of preliminary design, it includes the followings: the choice of hydraulic turbine, generator and governor. The powerhouse layout also was designed as well as the auxiliary systems which include the oil system, the compressed air system and the water supply system. Besides, AutoCAD is used to draw powerhouse layout and the oil system, the compressed air system and the water 17 / 26 supply system, etc. They can directly express the layout and components of the powerhouse and each auxiliary system. Keywords: Fu Chun Jiang hydroelectric power, hydraulic unit, auxiliary system, building layout. 目 录 前言 . - 1 - 第 一 章 水 轮 机 选择 . 错误！未定义书签。 机组台数选择 . 错误！未定义书签。 水 轮 机 型 号 选择 . 错误！未定义书签。 水 轮 机 转 轮 标 称 直 径 与 转 速 计算 . 错误！未定义书签。 18 / 26 水 轮 机 初 选 方 案 比较 . 错误！未定义书签。 绘 制 水 轮 机 运 转 综 合 特 性 曲线 . 错误！未定义书签。 确 定 选 定 方 案 的 主 要 参数 . 错误！未定义书签。 蜗 壳 的 水 力 计算 . 错误！未定义书签。 尾 水 管 选择 . 错误！未定义书签。 水 轮 机 参 数 的 确定 . 错误！未 定义书签。 导 水 机 构 主 要 参 数 的 选择 . 错误！未定义书签。 水 轮 机 的 结 构 说19 / 26 明 . 错误！未定义书签。 第二章 水 轮 发 电 机 选择 . - 30 - 发 电 机 的 主 要 参数 . - 30 - 主 要 尺 寸 的 确定 . - 30 - 发电机结构形式的选择 . - 31 - 其 他 外 形 尺 寸 估算 . - 32 - 发 电 机 重 量 估算 . - 34 - 计 算 飞 轮 力 矩 的 惯 性 时 间 常数 .20 / 26 . - 35 - 发 电 机 结 构 说明 . - 36 - 第 三 章 调 保 计 算 及 调 速 设 备 选择 . 错误！未定义书签。 调节保证计算 . 错误！未定义书签。 调 速 器 选择 . - 44 - 油压装置选择 . - 45 - 第四章 厂房布置 . - 47 - 21 / 26 厂 房 起 重 机 的 选择 . - 47 - 厂 房 布置 . - 48 - 第五章 辅助系统 . - 54 - 技术供水系统 . - 54 - 排水系统 . - 55 - 油系统 .22 / 26 . - 59 - 压缩空气系统 . - 61 - 总 结 . - 66 - 参 考 文献 . - 68 - 致 谢 . - 69 - 附 录 . - 70 - 前言 富春江水电站是我国自行建设的一座低水头河床式电站。它具有以发电为主 ,兼有农田灌溉、改善航运 ,发展渔业、上下游防 洪、和城市供水等综合效益。电站位于浙江省钱塘江干流富春江上七里垅峡谷出口处。上流离新安江水电23 / 26 站约 60公里 ,下游离杭州市约 110公里。控制流域面积 31300平方公里，多年平均流量 1000 秒立米，设计洪水流量 23100秒立米，总库容亿立米，设计灌溉面积 6 万亩，装机容量万千瓦。 电站枢纽主要建筑物有大坝、厂房、船闸、鱼道、灌溉渠首及升压站、开关站等。拦江大坝为混凝土实体重力式溢流坝，坝顶高程米 ,最大坝高米；坝顶长度米，坝基岩石为流纹斑岩，坝体工程量 65 万立方米，主要泻洪方式为坝顶溢流；溢流坝段全长米 ,坝顶高程米 ,共分 17 孔 ,每孔净宽 14 米 ,弧形闸门控制 ,最大泻流量 33560 立方米每秒 .河床式发电厂房 ,位于毅力坝段左侧 ,是挡水建筑物的一部分 ,全长米 ,水上部分宽米 ,水下部分宽米；主厂房最大高度米 ,净宽米 ,安装 4 台单机容量 6 万千瓦及一台容量 千瓦转叶式水轮发电机组 ,以 110 千伏、 220 千伏输电线路联入华东电网 .升压站、开关站设置在厂房左侧山坡平台上。船闸规模为 100 吨级，布置在右岸，闸室有效长度102 米，口门宽米 .鱼道位于厂房与溢流坝段之间 ,采用“ Z”字形梯级布置。灌溉渠首分设左右两岸，左岸渠首引 水流量亿立方米每秒 ,右岸渠首引水流量 5 立方米每秒。 富春江水电站基本情况是：电站是发电兼调相、调频、调压为主的综合利用工程水库为日调节，总库容亿米 3。电站以发电为主，并可改善航运，发展灌溉及养殖事业等综24 / 26 合效益。电站总装机容量万千瓦，年发电量亿度；船闸通行能力为 100 300 吨级船舶，为不完全年调节电站，最大水头：米，加权平均水头： 米，设计水头：米，最小水头： 米。 根据上述情况对水轮机，发电机和调速器等设备进行选型设计选择，对辅助系统：技术供水、排水、油系统和压缩空气 等系统的结构，主厂房布置进行设计。 本设计报告是依据水轮机设计手册、水电站动力设备设计手册、水轮机 高的学校教材、水轮机 高等学校教材国家标准进行设计。注意了理论与实践的密切结合，水轮机初步设计的基本理论和实际情况进行了简要的分析和计算，对水轮机进行选型设计，对调