（机械工程专业论文）混流式导水机构主要部件加工及装配工艺研究.pdf

大连理工大学专业学位硕士学位论文 摘要 混流式水轮机是水力发电站中应用最广的水轮机，而导水机构是混流式水轮机中最 大的关键部件之一。混流式导水机构主要是由顶盖、底环、导叶和控制环组成。顶盖与 底环为大型薄壁回转件，易变形，其加工精度的高低对水轮机工作性能影响很大。 本文通过对水轮机的分类、国内外水轮机的发展过程及现状、反击式水轮机的工作 原理等内容的介绍，使读者对混流式水轮机有一定的了解。 本文着重研究了混流式导水机构加工及装配工艺。其中以底环、顶盖为例着重分析 了零件的加工工艺过程。并解决了现场加工及装配的过程中发现的一些问题。例如：调 整顶盖与底环间2 4 等分孔同轴度的问题，调整导叶里面间隙的问题及调整导叶端面间 隙的问题等等。 本文重点分析了混流式导水机构的组成及制造要点，以及影响混流式导水机构装配 精度的因素。其中零件的加工精度是影响装备精度的主要因素。本文以底环为例，展开 分析了影响零件精度的因素，并从工艺系统几何误差、工艺系统的热变形、工艺残余应 力引起的误差及工艺系统的受力变形这四个方面，对影响零件精度的因素进行分析，并 逐一提出了解决方法。 本文使用s o li d w o r k s 中的s i m u l a t i o n 有限元分析方法，分析了底环在加工过程中 受力变形情况，并结合作者多年的工作经验，提出了通过调整装夹方式，控制夹紧力大 小的方法解决了该问题。 关键词：水轮机；混流式；导水机构；底环；顶盖；装配；空蚀； 混流式导水机构主要部件加工及装配工艺研究 t h em a c h i n i n ga n d a s s e m b l i n gp r o c e s soo f t h ew a t e r - g u i d i n g m e c h a n i s m sm a i nc o m p o n e n t s a b s t r a c t t i l em i x e df l o ww a t e rt u r b i n ei sw i d e l yu s e di nt h em o d e m e n e r g yi n d u s t r y 。a n dt h ew a t e r g u i d i n gs y s t e mi n t h em i x e df l o ww a t e rt u r b i n ei so n eo ft h eb i g g e s tk e yp a r t s n 圮m i x e df l o w w a t e rt u r b i n ei sm a i n l yc o m p o s e do ft h et o pc o v e r , l o w l o o p ，l e a d i n gb l a d ea n dc o n t r o l l i n g w r e a t h n l et o pc o v e ra n db o t t o mr i n ga r e b i gr o t a t i n gm e m b e r , w h i c ht e n dt od e f o r mu n d e rt h e a c t i o no ff o r c e s s ot h em a c h i n i n gp r e c i s i o no ft h ep a r t sw i l ld oa i m p o r t a n ti n f l u e n c eo nt h e w a t e rt u r b i n e t h i st e x ti n t r o d u c e dt h ec l a s s i f i c a t i o no fw a t e rt u r b i n e t h ed e v e l o p m e n ta n dc u r r e n t c o n d i t i o na th o m ea n da b r o a d ，a l s oi ti n t r o d u c e dt h ew o r k p r i n c i p l eo fr e a c t i o nw a t e rt u r b i n e 力l et e x ta l s oe m p h a s i z e dt h em a c h i n i n ga n da s s e m b l i n gp r o c e s so f t h et o pc o v e ra n db o t t o m r i n g a r e n t i o ni sc o n c e n t r a t e do nt h em a c h i n gt e c h n o l o g ya n d a s s e m b l i n gt e c h n o l o g yo f m i x e d f l o wt u r b i n e sg a t eo p e r a t i n gm e c h a n i s m t a k ea ne x a m p l eo ft h eb o t t o m r i n ga n dt h e t o pg a p ，t h e r ea r ef o c u s e so nm a c h i n gt e c h n o l o g yo ft h ep a r t s m e a n w h i l e ，ag o o ds o l u t i o n i sp r o p o s e d ，t ow h i c ht h ep r o b l e mt a k ep l a c ei nt h ew o r k s h o pw h e nt h e p a r t sa r em a c h i n ga n d a s s e m b l i n g f o ri n s t a n c e h o wt oa d j u s tt h ec o n c e n t r i c i t yo f2 4 d i v i d eh o l e st h a ti sb e t w e e n t h et o pg a pa n dt h eb o t t o mr i n g ，h o wt oa d j u s tt h ec l e a r a n c eo ft h e g u i d ev a n e ，h o w t oa d j u s tt h e t r a n s v e r s ep l a n ee l e a r a n c e o ft h eg u i d ev a n e ，e t c a t t e n t i o ni sc o n c e n t r a t e do nt h ec o m p o s i t i o no ft h em i x e df l o ww a t e rg u i d i n gs y s t e ma n di t s m a n u f a c t u r i n ga n da s s e m b l i n g i ta l s oa n a l y z e dt h ef a c t o r st h a ti n f l u e n c et h ea s s e m b l i n g a c c u r a c yo ft h em i x e df l o ww a t e rg u i d i n gs y s t e m n 圮m a c h i n i n ga c c u r a c yo fp a r t sa r et h e m a i nf a c t o r st h a ti n f l u e n c ea s s e m b l i n ga c c u r a c y ，n l ca u t h o rt o o kt h eb o t t o m r i n ga sa l l e x a m p l e ，a n da n a l y z e dt h ef a c t o r st h a ti n f l u e n c et h ea c c u r a c yf r o ms e v e r a la s p e c t s ，i n c l u d i n g g e o m e t r i c a le r r o r , f o r c i n gd i s t o r t i o n ，h o td i s t o r t i o na n de r r o rc a u s e db yr e m a i n i n gs t r e s s a n d t h ea u t h o rp r o p o s et h es o l u t i o nt ot h e s ep r o b l e m s ma u t h o rb u i l da3 dm o d e lo f t h em i x e df l o ww a t e rg u i d i n gs y s t e mw i t hs o l i d w o r k s a n da n a l y z e di t sd i s t o r t i o no nc o n d i t i o no f m a c h i n i n g , t h e n 、 ，i t i lt h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s a n dm y w o r k i n ge x p e r i e n c ep u tf o r w a r das o l u t i o nt ot h ed i s t o r t i o n k e yw o r d s ：w a t e rt u r b i n e ；m i x e df l o w ：w a t e r g u i d i n gs y s t e m ：b o t t o mr i n g ：t o p c o v e r ；a s s e m b l i n g ：c a v i t a t i o n - h - 大连理工大学专业学位硕士学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间论 文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅学校有权保 留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将本学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印、或 扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文题目：湿速塞昱壅狃捡圭墨螯往扭王区装醒王艺珏究 作者签名： 璺z4 日期： 塞塑2 年卫月- 2 卫日 导师签名：= = = 圭生堡 e t 期： 兰翌2 年卫月卫日 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目：湿速式昱壅扭捡圭墨部往扭王丞装醒三艺丑究 作者签名：蛐 日期：一童篮年l 月上生日 大连理工大学专业学位硕士学位论文 1 绪论 t t 水轮机及导水机构简介 水轮机是将水能转换为机械能的机械设备，是水力发电系统中的主要设备之一。随着 制造技术的不断发展，水轮机规格不断向大型化发展，尺寸大，重量重，制造结构复杂， 而导水机构则是水轮机机组上的主要设备之一，在水力发电系统中起重要作用。 导水机构主要是由导叶、导叶传动机构、导水机构接力器和项盖、底环、控制环等一 系列部件组成。它的作用是控制水流大小、方向，使水流按规定的流速和角度射向水轮， 以形成和改变环量，从而调整通过水轮机的水流方向及流量，使水轮机按预定的转速旋转， 并达到最佳工作状态。由于导水机构受力大并且受力情况复杂，、长期在气腐蚀、冲击、磨 损等因素影响的恶劣环境下工作，水压载荷和水质不断变化，因而作为水轮机机组的一个 基础部件，要求零件必须具有相当高的强度、刚度、抗变形能力、耐气蚀性和耐磨性。咽 此对导水机构整个部件的设计、材质的选择、制造标准、质量及性能等方面的要求都很高。 铸件要经过严格的探伤检查，对过流面形线的机械加工质量要求也高。 常见的水轮机类型按水流能量转换特征可分为冲击式和反击式【l l ( 分类见图1 1 ) 。 冲击式的转轮受到水流的冲击而旋转，工作过程中水流的压力不变，主要是动能的转换； 反击式水轮机的转轮在水中受到水流的反作用力而旋转，工作过程中水流的压力能和动能 均有改变，但主要是压力能的转换。反击式水轮机主要采用的是混流式导水机构。 图1 1 水轮机的分类 f i g 1 1s o r to f w a t e rt u r b i n e 式式 式 黻慨 舣 ，、l 式 式 一 一一 一 厂t r l l 一 一 一 一 一一一 rlj、；l r，l 式 试 缸 咕 鼢 冲 厂0，、，l 混流式导水机构主要部件加工及装配工艺研究 反击式水轮机可分为混流式、轴流式、斜流式和贯流式。本文主要介绍下混流式机组 的工作原理及组成。 混流式机组是近几年投产最多的机型。其工作原理是，水流径向进入导水机构，辅向 流出转轮。其丰要代表是三峡机组i 。混流式机组主要是由导水机构，上冠，下环等部件组 成。其中导水机构主要由项盖、底环、导叶、控制环组成( 如图l2 ) ； 图12 混流式水轮机各主什示意图 f i g l2m a j o rc o m p o n e n t o f m i x c d - f l o w t u r b i n e 1 、接长轴 2 、主轴 3 、控制环 4 、顶盖 5 、接力器 6 、联杆 7 、转轮 8 、转臂 9 、活动导叶 l o 、底环 1 1 、锥管 1 2 、座环、蜗壳 以上机组中混流式和轴流式水轮机广泛采用径向导水机构，而贯流式水轮机一般采用 锥形导水机构。 1 2 课题研究背景 能源的开发是影响国家经济可持续发展的最大的问题口】。水电是目前第一大清洁能 源，与其它能源相比，水电具有循环口r 再生、长期成本低、综合效益大等优势，对改善能 源结构，减排温室气体，保护生态环境，保障能源安全和促进经济社会可持续发展具有十 分重要的战略意义。世界各国都把开发水电作为能源发展的优先领域p 】，全球有5 5 个国 家5 0 以上的电力由水电提供，其中2 4 个国家这一比重超过9 0 。目前，发达国家水能 资源已基本丌发完毕，美围、口本、英日等国家水电丌发程度都超过8 0 。许多发展中国 大连理工大学专业学位硕士学位论文 家大力开发水能资源，如巴西水电开发在电力建设中的比重一直保持在8 0 以上。而我国 的水力资源相当丰富，水电市场巨大，前景广阔，其中大陆地区技术可开发量5 4 2 亿千 瓦，是仅次于煤炭的第二大常规能源，也是目前可以进行大规模开发的第一大清洁可再生 能源。因此，大力、有序的开发水电显得尤为重要。 我国水电常规机组的装机容量到2 0 0 8 年底 4 1 ，达到1 7 ；2 亿千瓦并位居世界第一，发 电量将近6 0 0 0 、亿千瓦时，占全国总发电装机的2 0 、总发电量的1 5 左右，已经超过了 2 0 1 0 年水电装机预计容量。据不完全统计，中国已投产的大中型各类水力发电机组有混 流机组3 0 i 台、轴流机组5 5 台、抽水蓄能机组2 5 台、贯流机组8 3 台。署前，我国在建 和拟建的众多巨型电站和单机容量在7 0 万8 0 万千瓦的特大机组共计1 2 0 台。根据规划， 在2 0 2 0 年前，中国将投产的单机容量在7 0 万8 0 ，万千瓦的混流机组约有1 5 0 台，单机容 量在3 0 万- - 4 0 万千瓦的抽水蓄能机组约有1 5 0 台，单机容量在3 万 6 万千瓦的大型贯流 机组约有1 5 0 台。由此可见中国水电建设和发展已进入“黄金时代”。髓着党中央和国务院 对“西部大开发战略和“西电东送 战略的实施，国家发改委盼“在电力领域，将优化 发展煤电，大力开发水电，积极推进核屯建设，适度发展天然气发电，鼓励新能源发电， 带动装备工业发展，深化体制改革 ，指导方针，为进一步加快水电的开发创造了难得的厉 史机遇。 1 3 国内外水轮机的发展过程及现状 水轮机是把水流的能量转换为旋转机械能的动力机械j 它属于流体机械中的透平机械 e 5 l o 早在公元前1 0 0 年前后，中国就出现了水轮机的雏形一水轮，用于提灌和驱动粮食 加工器械。现代水轮机则大多数安装在水电站内，用来驱动发电机发电。在水电站中，上 游水库中的水经引水管引向水轮机，推动水轮机转轮旋转，带动发电机发电。作完功的水 则通过尾水管道排向下游。水头越高、流量越大，水轮机的输出功率也就越大。 2 0 世纪8 0 年代初，世界上单机功率最大的水斗式水轮机装于挪威的n o t e r t e c i m a s t a t i o n ( 悉西马电站) ，其单机容量为3 1 5 兆瓦，水头8 8 5 米，转速为3 0 0 转分，于 1 9 8 0 年投入运行。水头最高的水斗式水轮机装于奥地利的r e i s s e c k - s t a t i o n ( 赖瑟克山电 站) ，其单机功率为2 2 8 兆瓦，转速7 5 0 转分，水头达1 7 6 3 5 米，1 9 5 9 年投入运行。 轴流转桨式水轮机是奥地利工程师卡普兰在19 2 0 年发明的，故又称卡普兰水轮机。 其转轮叶片一般由装在转轮体内的油压接力器操作，可按水头和负荷变化作相应转动，以 保持活动导叶转角和叶片转角间的最优配合，从而提高平均效率，这类水轮机的最高效率 有的已超过9 4 。 混流式导水机构主要部件加工及装配工艺研究 8 0 年代，世界上尺寸最大的转桨式水轮机是中国东方电机厂制造的，装在中国长江 中游的葛洲坝电站，其单机功率为1 7 0 兆瓦，水头为1 8 6 米，转速为5 4 6 转分，转轮 直径为1 1 3 米，于1 9 8 1 年投入运行。世界上水头最高的转桨式水轮机装在意大利的那姆 比亚电站，其水头为8 8 4 米，单机功率为1 3 5 兆瓦，转速为3 7 5 转分，于1 9 5 9 年投入 运行。 灯泡式机组的发电机装在水密的灯泡体内。其转轮既可以设计成定桨式，也可以设计 成转桨式。世界上最大的灯泡式水轮机( 转桨式) 装在美国的罗克岛第二电站，水头1 2 1 米， 转速为8 5 7 转分，转轮直径为7 4 米，单机功率为5 4 兆瓦，于1 9 7 8 年投入运行。 斜流式水轮机是瑞士工程师德里亚于1 9 5 6 年发明，故又称德里亚水轮机。其叶片倾 斜的装在转轮体上，随着水头和负荷的变化，转轮体内的油压接力器操作叶片绕其轴线相 应转动。它的最高效率稍低于混流式水轮机，但平均效率大大高于混流式水轮机；与轴流 转桨水轮机相比，抗气蚀性能较好，飞逸转速较低，适用于4 0 - - 1 2 0 米水头。由于斜流式 水轮机结构复杂、造价高，一般只在不宜使用混流式或轴流式水轮机，或不够理想时才采 用。世界上容量最大的斜流式水轮机装于俄罗斯的l i3e 见p o w e r ( 洁雅电站) ，单机功 率为2 1 5 兆瓦，水头为7 8 5 米。这种水轮机还可用作可逆式水泵水轮机。 在抽水蓄能电站需要使用可逆的水轮机组，即水泵水轮机。水泵式水轮机主要也分为 斜流式和混流式，而斜流式水泵水轮机使用的最高水头只用到1 3 6 2 米( e l 本的高根第一电 站) 。对于更高的水头，需要采用混流式水泵水轮机。世界上最大的混流式水泵水轮机装 于德国的b r e m e n - s t o r a g e - k r a f t w e r k ( 不来梅蓄能电站) 。其水轮机水头2 3 7 5 米，发电机 功率6 6 0 兆瓦，转速1 2 5 转分；水泵扬程2 4 7 3 米，电动机功率7 0 0 兆瓦，转速1 2 5 转 分。 混流式水轮机是世界上使用最广泛的一种水轮机，由美国工程师弗朗西斯于1 8 4 9 年 发明，故又称弗朗西斯水轮机。混流式水轮机的导水机构是整个水轮机组中尺寸及难度最 大的部件之一。一般用低碳钢或低合金钢铸件，或者采用铸焊结构。为提高抗汽蚀和抗泥 沙磨损性能，可在易气蚀部位堆焊不锈钢，或采用不锈钢叶片。采用铸焊结构能降低成本， 并使流道尺寸更精确，流道表面更光滑，有利于提高水轮机的效率，还可以分别用不同材 料制造叶片、上冠和下环等。 世界上水头最高的混流式水轮机装于奥地利的罗斯亥克电站，其水头为6 7 2 米，单机 功率为5 8 4 兆瓦，于1 9 6 7 年投入运行。功率和尺寸最大的混流式水轮机装于美国的大古 力第三电站，其单机功率为7 0 0 兆瓦，转轮直径约9 7 5 米，水头为8 7 米，转速为8 5 7 转 分，于1 9 7 8 年投入运行。 大连理工大学专业学位硕士学位论文 1 4 我国水电技术及装备制造状况 新中国成立6 0 年来，水电建设事业取得了飞跃发展，尤其是水电设备的在设计、制 造、安装和运行方面的技术水平得到了很大的提高。特别是改革开放以来，广蓄、天生桥 ( 高坝) 、小浪底、二滩、三峡等一批世界级水电站的建设，标志着中国已逐步进入世界 水电建设前列。目前，我国是世界上水电工程在建规模最大的国家，是水电发展速度最快 的国家，因此，我们可以有把握地说：2 0 1 0 年以前，中国将成为世界水电第一强国i l j 。 我们国家中小型水力发电设备的生产厂家很多。但大型的国家的八大骨干企业主要有 东方电机厂、哈尔滨电机厂、天津发电设备厂、重庆水轮机厂、杭州发电设备厂、昆明电 机厂、金城江水电设备厂、韶关水轮机厂。其中具备大中型水电设备加工装备的厂家主要 是东方电机厂、哈尔滨电机厂、天津发电设备厂。这里所说的大中型水轮机，主要是以单 机容量进行划分，其中混流式水轮机单机容量大于6 3 0 0 k w ，轴流式水轮机单机容量大于 3 2 0 0 k w ，斜击式及贯流式水轮机单机容量大于2 5 0 0 k w ，冲击式水轮机单机容量大于 6 3 0 0 k w 的为大中型水轮机。 作者所在单位鞍钢重机公司从2 0 0 3 年开始开发水电类产品，主要与哈尔滨电机厂、 东方电机厂、天津阿尔斯通有限公司合作，生产水电发电机组中的主要部件，在水电类产 品加工的国内市场上占据相当大的份额。 鞍钢重机公司制作的水电类产品的关键件包括如下几大类：上冠、下环、内配水环、 外配水环、顶盖、底环、控制环等。均属于精度要求较高的主要部件。其中内配水环和外 配水环属于灯泡式导水机构中主要部件，是大型薄壁回转件；而顶盖、底环、控制环则属 于混流式导水机构中主要部件，主要难点在2 4 等分孔加工、表面粗糙度及底环内孔的加 工上。其经常出现的是2 4 等分孔分度不均，导致装配中出现导叶回转不灵活，导叶最大 开口度偏差超出允差；表面粗糙度不高，导致出现气蚀现象；底环为大型焊接构件且薄壁 ( 如公泊峡底环内径为巾6 0 2 5 ，而壁厚才为1 2 5 ) 。因此研究导水机构的主要部件加工及 装配工艺，从而采取相应的措施进行过程控制是提高水电类产品的加工装配质量的必然要 求。 因公伯峡电站机组中的混流式导水机构是目前鞍钢重机公司承制的最大的导水机构， 所以本课题以该主要部件的加工及装配工艺作为研究的方向，并对该类工件的制造和加工 装配研究工作做一总结，为今后大型水轮机组中混流式导水机构的加工及装配提供工作经 验和技术支持。 混流式导水机构主要部件加工及装配工艺研究 1 。5 本章小结 本文主要介绍了水轮机及导水机构的简介、课题的研究背景、国内外水轮机的发展过 程、水轮机设备目前的生产状况以及鞍钢重型机械公司在水电站设备制造方面达到的技术 水平。 大连理工大学专业学位硕士学位论文 2 水轮机的工作原理 混流式导水机构属于反击式水轮机中的一种，在此我们首先研究下反击式水轮机的工 作原理1 1 。 2 1水流在反击式水轮转轮体中的运动 l 、复杂的空间非恒定流 水轮机内的水流运动是复杂的空间非恒定流。 1 ) 、水头、流量在不断变化 2 ) 、叶片形状为空间扭曲面，水流在两叶片之间的流道内为复合运动，流速的大小、 方向在不断地变化，而转轮本身也在运动，如图2 1 。 流体入口， 图2 1 水轮机水流运动图 f i 9 2 1g e n e r a lv i e wo fw a t e rc u r r e n ti nt h et u r b i n e 2 、恒定流状态 水轮机在某一工作状况时，( 工作水头h 、引用流量q 、输出功率n 、效率n 不变) ， 水流在水轮机的蜗壳、导水叶及尾水管的流动是恒定流。水流在转轮内的流动相对于转轮 旋转坐标而言，也是恒定流。 3 、空间三元流 水流运动是空间三元流，其运动规律用速度三角形表达。 v = u + w ( 2 1 ) 混流式导水机构主要部件m i 及装配工艺研究 y 水流绝对流速( 相对于地球) 形水流随转轮旋转牵连流速 u 水流沿叶片流动的相对流速 用速度三角形分析水流运动的方法是研究转轮流速场的重要方法。 4 、分析 由以上三点可以看出反击式水轮机转轮中的运动是十分复杂的，水流在流经水轮 机转轮时，一方面沿叶片之间的流道运行，另一方面又随着转轮的转动而旋转，因而 水流质点的运动是一种复合运动，其流动是一种复杂的三维流动。对不同类型的水轮 机由于转轮的形状不同，水流在转轮中的运动形态也有所不同，因而就必须分别研究， 以下着重介绍下混流式水轮机的流道情况。 对于混流式水轮机，转轮的上冠、下环和叶片构成了转轮中的流道，可以认为水 流质点流经转轮时，是沿着一个喇叭形的空间曲面流动，如图2 2 所示，该曲面俗称 流动花篮面，整个转轮区有无数这样的流动曲面，若忽略水的黏性，还可以认为这些 图2 2 混流式水轮机流面 f i 9 2 2m i x e d - f l o wt u r b i n e sf l o wp l a n e 图2 3 代替实际流面的圆锥面曲线 f i 醇3r e p l a c ep r a c t i c es t r e a ms u r f a c e sc o n es u r f a c e 曲面间是互不干扰的。将这种空间曲面展开成平面，可以近似地用一定条件下的圆锥面来 代替实际的流面，如图2 3 所示。把圆锥面展开成扇形平面，展开扇形面上的叶片翼型在 一定程度上可以代表实际流面上叶片的冀型，如图2 4 所示。 以上是混流式水轮机的流道情况，相对应的水流运动的计算步骤可以根据上面的空间 三元流公式进行计算，在此不进行着重分析。 大连理工大学专业学位硕士学位论文 图2 4 流面近似展开图， f i 簖4 s i m u l a t i o ne x p a n s i o no ff l o wp l u m e 2 2 水轮机工作的基本方程式 对反击式水轮机以一定的速度和方向流进转轮时，由于空间曲面叶片所形成的叶道对 水流产生约束，使水流不断改变其运动速度和方向，水流给叶片以反作用力迫使转轮旋转 作功。 1 、动量矩定理 单位时间内水流对转轮的动量矩改变，应等于作用在该水流上的外力的力矩总和。即： “，) m = 丝( 圪l 吒一圪2 眨) g ( 2 2 ) 其中m 为水流对转轮的力矩，方程右端为水流本身速度矩的变化。该式表达了水轮 机中水流能量转换为旋转机械能的平衡关系。 2 、水轮机的基本方程 在稳定工况下( 工作水头h 、引用流量q 、输出功率n 均不变) ，转轮内的水流运动时 相对的恒定流，因此转轮的出力为： n 。：m 万：堕( 圪吒一v = 2 r 2 ) 刃= 堕( u 。圪l u 2 圪：) g g ( 2 3 ) 又：n 。= 飕日仇，仉为通过水轮机的水力效率。 所以，水轮机的基本方程为：日仇g 2 u i v , , l u 2 v u 2 ( 2 4 ) 由基本方程式可知，其只与进、出口速度三角形有关，而与中间水流特征无关，故此 基本方程式是一通用方程式，与水轮机类型无关，反击式、冲击式均适用。而混流式水轮 机属于反击式水轮机中的一种，所以混流式水轮机也适用该公式。 混流式导水机构主要部件加工及装配工艺研究 2 3 水轮机的效率及最优工况 1 、水轮机的效率 水轮机的能量损失导致n 9 0 。时为盍出左，存在有较小的涡流损失； n2 9 0 。时为尘世盘，存在有较大的涡流损失，应避免小出力。 声_ _ | i ；、 痞积先 机械# 是 沿程木女失 自女n 图25 水轮机效率与出力的关系及各项损失 q n c f i 醇5 t u r b i n ee f f i c i e n c y 、c a p a c i t ya n dv a r i o u s l o s s e s 2 、反击式水轮机最优工况 因本文研究的是混流式水轮机，属于反击式水轮机中的一种，所以，在此只介绍反击 式水轮机的最优工况。 ( 1 ) 同时满足01 = be l 、d2 = 9 0 。( v 2 u 2 ) 时，进口无撞击，出口无涡损，q 最高， 称为水轮机的最优工况 混流式导水机构主要部件加工及装配工艺研究 ( 2 ) 对高水头水轮机，能量损失主要发生在引水部件内，故最优转轮出口应为法向 出口。 ( 3 ) 对中、低水头水轮机，能量损失主要发生在尾水管和转轮内，一般q2 略小于 9 0 6 时，效率较高，可以避免尾水管内脱流，运行稳定，抗空蚀性能好。 ( 4 ) z z 、x l 水轮机在不同工况下，可以进行双调节( 导叶开度砷、叶片角度) ，一 般可使水轮机在较大范围内达到或接近进口无撞击、出口无涡流，具有较宽广的效率区 ( 5 ) 水轮机在最优工况运行时，不但效率高，而且稳定性和空蚀性能也好。因此， 在实际运行中，水轮机的运行工况范围均有一定限制。 2 4 水轮机的空化及空蚀 一、空蚀的概述 l 、空化及空化压力的概念 水沸腾为汽化，汽化是由气压和水温决定的。水在一定压力下加温的汽化为沸腾；环 境温度不变压力降低引起的汽化叫空化。 在给定温度下，液体开始汽化的临界压力为该温度下的空化压力( p o 。 2 、水轮机的空蚀 ( 1 ) 、空蚀破坏的机理 e ：堕+ z + 竺：c 由 7z g ( 2 1 1 ) 可知，当vf pl ，当p = p b 时，水开始汽化一汽泡( 水蒸气+ 空气) 一水中溶解的气 体向气泡析出一气泡体积迅速增大一进入高压区一蒸气变成水，汽泡体积减小，出现真空， 汽泡外面的水流质点在内外压差的作用下急速向汽泡中心压缩、冲击，在汽泡内形成很大 的微观水锤压力( 可达几百大气压) ；汽泡产生反作用力向外膨胀，压力升高，水流质点向 外冲击。 大量汽泡连续不断地产生与溃灭，水流质点反复冲击，使过流通道的金属表面遭到严 重破坏一一机械破坏，叫疲劳剥蚀。 汽泡被压缩，由于体积缩小，汽化破坏时水流质点相互撞击，引起局部温度升高( 3 0 0 度) ，汽泡的氧原子与金属发生化学反应，造成腐蚀；同时由于温度升高，产生电解作用一 化学腐蚀。 ( 2 ) 、水轮机空蚀定义 = 连理_ 大学专业学位硕士学位论文 汽泡在溃灭过程中，由于汽泡中心压力发生周期性变化，使周围的水流质点发生巨大 的反复冲击，对水轮机过流金属表面产生机械剥蚀和化学腐蚀破坏的现象，称水轮机的空 蚀。( 见图2 8 ) 吲28 空诎h f i 9 28 c a v i t a t i o nd i a g r a m 二、水轮机空蚀类型 1 、翼形( 叶片) 空蚀：转轮叶片背面出口处产生的汽蚀，与叶片形状、工况有关。 这本分空蚀因与混流式导水机构联系不大，本文将不进行着重说明。 2 、间隙空蚀：当水流通过间隙和较小的通道时，局部流速增大，压力降低而产生汽 蚀。这本分空蚀吲与混流式导水机构联系不大，本文将不进行着重说明。 3 、空腔空蚀：在非最优上况时，水流在尾水管中发生旋转形成一种对称真空涡带， 引起尾水管中水流速度和压力脉动，在尾水管进口处产生汽蚀破坏，造成尾水管振动。这 本分空蚀因与混流式导水机构联系小大，本文将不进行着重说明。 4 、局部空蚀：在过流部件凹凸不平因脱流而产生的汽蚀。该种空蚀主要是因为工件 表面粗糙度不好造成的，本文后面将以混流式导水机构中底环为例，将对如何提高单件粗 糙度进行分析。 三、空蚀造成的危害 i 、使过流部件机械强度降低，严重时整个部件破坏。 2 、增加过流部件的糙率，水头损失加大，效率降低，流量减小出力下降。 3 、机组产生振动，严重时造成厂房振动破坏。 4 、缩短了机组检修的周期，增加了检修的复杂性。消耗钢材、延长工期。 四、防止卒蚀措施 流速和压力是产生空蚀最重要的两个原因，因此要控制流速和压力的急剧变化。 i 、设计制造方向：合理选型，叶型流线设计，表面光滑，抗空蚀钢衬( 不锈 目) 。 混流式导水机构主要部件加工及装配工艺研究 在混流式导水机构中，目前为防止泥沙冲击而产生空蚀，在过流表面都采取一定的抗 磨措施，目前针对顶盖、底环主要是在端面装有抗磨板，多数采用0 c r l 3 n i 5 m n 的不锈钢。 而导叶头部及尾部一般为不锈钢，提高抗空蚀能力。导叶与顶盖、底环接触处采用密封圈 密封，其与底环接触的下轴颈密封主要是为了防止泥沙进入，产生轴颈磨损，并提高抗空 蚀能力。除此外，提高单件加工的表面质量也是减少空蚀的方法，本文以混流式导水机构 中底环为例，在后面将进行分析。 2 、工程措施：合理选择安装高程，采取防沙、排沙措施，防止泥沙进入水轮机。该 措施主要涉及到工地安装，在本文将不着重分析。 3 、运行方面：避开低负荷、低水头运行，合理调度，必要时在尾水管补气。该措施 主要涉及到工地安装，在本文将不着重分析。 2 5 本章小结 本章主要介绍了水轮机的工作原理，以期能对水轮机有个全面的了解。 大连理工大学专业学位硕士学位论文 3 混流式导水机构的结构及制造要点 3 1 混流式导水机构的组成 混流式导水机构其作用是形成和改变进入转轮水流韵环量，采用转动式的性能良好的 多导叶控制，保证水流以很小的能量损失，在不同的流量下沿圆周均匀进入转轮。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。按导叶轴线位置划分，混流式导水机构为圆柱式。主要是由顶盖，底环， 控制环，导叶及导叶操作机构等部件组成，见图3 1 。具体技术要求见装配工艺。 1 、底环2 、导叶3 、顶盖4 、控制环5 、抗磨板6 、止漏环7 、导叶臂 图3 1 导水机构装配图 f i g 3 1w a t e rg u i d ea s s e m b l y 混流式导水机构土要部件加工及装配工艺研究 3 2 混流式导水机构的制作要点 3 2 1 机体强度和刚度 由于导水机构受力大并且受力情况复杂，长期在恶劣的环境下工作，水压载荷和水质 不断变化，作为水轮机机组的一个基础部件，必须具有良好的强度和刚度。需要保证焊接 的内在质量。 3 2 2 导叶与导叶、导叶与底环、顶盖的密封等 导叶是回转部件，当回转到一定角度时，2 4 个导叶形成一个封闭圆环，导叶的上部 与顶盖密封板，下部与底环密封板密封，达到关闭水流的目的。导叶还具有调节水流方向 和流量使水轮机达到最佳工作状态的功能。 3 2 3 过流面抗气蚀性能和表面粗糙度 由于水轮机转轮内的压力分布的不均匀性，当高速水流流经低压区时产生气泡，到高 压区时气泡凝结，水流质点以高速度向气泡中心撞击，产生巨大的水力冲击和电化学作用， 使过流部件受到剥蚀产生麻点及蜂窝性孔隙。表面粗糙度是影响产生气泡的关键因素之 一，所以制造导水机构的所有过流表面必须十分光滑，不得存在任何凸凹不平的部位，粗 超度r a 要达到3 2 。 3 2 4 运动机件能够长期稳定运行，动作准确灵活 2 4 个导叶是导水机构的主要运动部件，它由叶瓣和上、下轴组成，活动导叶的上端 轴的两个轴承支撑在水轮机顶盖的上、下环板上导叶的轴承座内。导叶的下端轴承支撑在 水轮机底环的活动导叶轴承座内。活动导叶的上端轴与控制环通过连杆相接。控制环回转 带动导叶进行开启和关闭。所以导叶的同步灵活回转【6 1 ，导叶的相位角一致，关闭时全部 闭合是制造导水机构的关键。此外还要保证顶盖、底环的如下形位公差： 顶盖基准面与抗磨板的平行度在o 1 5 m m 以内；项盖的2 4 个安装导叶孔与基准面的 垂直度0 0 5 m m 以内。 底环2 4 等分孔与抗磨板的垂直度在o 1 m m 以内；抗磨板相对与底环基准面的平行度 在0 2 m m 以内在； 顶盖和底环的2 4 个孔的孔距公差不仅要满足图样要求还要尽量一致，其中孔距误差 在0 0 7 5 m m 以内，半径误差在0 0 5 m m 以里。 大连理工大学专业学位硕士学位论文 3 2 5 导叶密封线的技术要求 要注意按图纸图样要求上部两导叶贴合，下部留0 5 r a m 间隙，这是因为下部水压加 大，导致导叶扭曲角增加。 为此，在制造时必须严格控制焊接的内在质量，要控制焊接变形、焊后退火并且消应 力。加工时确保顶盖、底环2 4 个等份孔的等分圆直径公差和工件上述的几何形状公差。 3 3 本章小结 本章主要介绍了混流式导水机构的组成及制作要点。以期能对混流式导水机构有个清 晰的了解。 混流式导水机构主要部件加工及装配工艺研究 4 主要部件的加工工艺分析 4 1 底环 i 部放大 图3 2 底环装配加工图 f i 9 3 2a s s e m b l ym a n u f a c t u r i n gg r 印l l so f b o t t o mr i n g 1 8 大连理工大学专业学位硕士学位论文 如图3 2 ，底环由上盖板、抗磨板、下止漏环和2 4 个导叶轴承座焊接而成，工作时承 受导水机构的活动导叶等部件的重力；底环上盖板的过流面、下止漏环等部件还承机组运 行工况改变而变化的水压载荷。底环是导水机构的重要受力件之一，工作时还受到水力冲 击和泥沙摩擦，又是安装导叶的基础件，由于设计结构限制，底环的刚性低，容易变形， 所以从焊接强度，几何形状公差等均要严格控制。 4 1 1 底环的技术要求 a 、组焊后退火消除应力处理 b 、焊接后超声波探伤按a s m e ( 美国机械工程师协会标准) 卷附录1 2 ：磁粉 探伤按附录6 ；着色探伤按附录8 。 c 、合缝面把合后局部间隙不得大于0 1 m m ，深度应小于1 3 合缝面宽度。 d 、底环抗磨板把合在底环上进行加工，底环抗磨板与底环之间涂l 5 1 5 密封胶。 c 、项2 项1 1 螺纹部分涂l 2 4 3 厌氧胶。 f 、安装抗磨板时，使用引套，保证底环和抗磨板孔3 3 0 同心。 g 、粗加工后超声波探伤部位按a s m e ( 美国机械工程师协会标准) 第卷，第一 部分，附录1 2 进行。 h 、油漆系统：按o e a 6 2 5 0 0 5 - 2 0 0 5 ( 哈尔滨电机厂有限责任公司产品零部件涂漆及 防锈系统选择标准) ，加工表面p 1 7 ( t 5 0 6 防锈剂) ，非加工面p 1 ( 7 4 1 3 环氧聚酰胺底漆、 7 9 51 环氧漆) ，轴瓦面和不锈钢表面不涂漆。 4 1 2 底环的加工工艺研究 4 1 2 1 加工对毛坯的要求 底环属于焊接件，受其设计结构限制，底环的刚性低，容易变形，要想保证加工装配 精度，就需要对底环的焊接过程、焊接强度等方面有严格要求 l 、焊接要求 在原材料下料前要对其确认，对有“g “g t “g j “g t j 要求的钢材，必须检 查材料的机械性能、超声波探伤合格证明和金相组织检验报告单，下料后对工件进行一一 对应的标识，并记录。记录与工件同时传递。所有标记必须清晰明显。下道工序若将标记 加工去除或变为不可见，均要将标记进行转移。 钢板下料均采用数控切割，切割品质按0 e a 6 1 9 0 4 3 2 0 0 0 热切割表面质量等级和尺 寸公差标准控制。 焊接坡口按图样要求进行制造。对切割的焊接坡口，必须打磨到见金属光泽。受力、 混流式导水机构主要部件加工及装配工艺研究 过流面等重要部位的拼接焊缝要进行超声波探伤检查，级别与工件主体焊缝要求一致。拼 接按0 e a 9 3 9 1 3 2 拼焊工艺守则执行。 钢板、钢材的校直、成型执行o e a 9 3 9 1 3 0 钢板成形、校平及管子弯形公差标准。 焊接结构的尺寸公差执行焊接结构的自由公差o e a 6 1 9 0 4 5 - - 2 0 0 0 ( 等同于 i s 0 1 3 9 2 0 ) 【7 】 焊缝的外观检查执行电弧焊钢结构焊接接头缺陷的质量等级0 e a 6 1 9 0 4 6 - - - 2 0 0 0 ( 等同于e n 2 5 8 1 7 ) 所有水电产品的焊接必须具有焊接工艺评定( w p s ) 。按哈尔滨电机厂的水电产品的 焊接工艺评定，w p s 8 0 0 5w p s 8 0 0 6 ；w p s 8 0 0 9 执行 焊后处理表面达到0 e a 9 3 9 1 2 9 焊接零部件清理标准要求。 通过上述方式来保证其焊接质量。 2 、热处理要求 底环等结构件热处理执行哈尔滨电机厂6 0 6 8 4 普通电焊件退火工艺守则。 热处理工艺曲线如图3 3 ： 图3 3 热处理工艺曲线图 f i 9 3 3h e a tt r e a t m e n tc y c l ec u r v e 空冷 注意事项： 1 、工件应放置平整、垫实，退火过程禁止火焰直接接触工件必要时要加挡火板【8 】o 2 、外接两支热电偶，分别置于炉内升温最快和最慢部位。 3 、保温开始时间以所有热电偶所测温度都达到5 8 5 为准。 4 、炉冷速度弋 1 9 钳( 1 ) 用冷冻槽冷冻下轴套，测量轴套温度1 、冷冻槽1 7 2 5 _ 2 2 8 7 一l o 时，测量轴套尺寸，合格后立即压入( 哈电带) 橡皮条，装入底环轴孔。2 、