东西关水电站水轮机选型与结构设计毕业论文.doc

2013届热能与动力工程专业毕业设计（论文）东西关水电站水轮机选型与结构设计毕业论文1.前 言1.1概述改革开放以来，我国电力工业的高速发展为我国国民经济持续、快速增长和人民生活水平的不断提高提供了强有力的能源支撑。水能资源是可再生能源，是技术上最成熟，经济上最合理的清洁能源，也是我国能源结构中的重要组成部分。党的十七届五中全会明确，要在保护生态的前提下积极发展水电。“十二.五 ”期间，国家计划投资新能源5万亿元，常规水电将开工建设8300万千瓦。水电开发迎来难得的发展机遇。水轮机作为水力原动机，在水电建设项目中，水轮机选择设计具有重要意义：水轮机效率高，抗空蚀性能好，机组运行稳定，则发电效益就高。水轮机选型设计既是水电站设计的重要内容之一，也是编制设备采购招标文件的依据。因此，需要加强转轮选型设计和整个水轮机机构的设计研究，进一步提高机组的性能和质量，以适应我国水电事业的飞速发展。新中国成立以来，我国的水轮机和水电设备研究设计和制造业经历了从无到有、从小到大、从性能一般水平跨入世界先进行列的过程。特别是近几年来，通过出口机组和与世界著名水轮机制造公司的合作和接触机会增多，了解了国际上在水轮机设计中的经验和特点。我国在新产品开发、新技术和新材料应用，设计手段等发面获得了飞速发展。本文根据东西关水电站的工程概况和相关参数，做了如下工作：（1）选择合适的水轮机机型。水轮机选型是水电站设计中的一项重要任务。本文根据水轮机型谱参数表和模型综合特性曲线，利用相关公式计算出原型水轮机的基本参数转轮直径D1和转速，然后将计算所得到参数转换为单位转速在模型综合特性曲线上检验所选参数是否合适，并绘制出水轮机综合运转特性曲线。（2）分析水轮机各零部件的作用和结构特点，寻找各零部件的特征尺寸以及各尺寸的关联关系，参照水轮机设计手册等现有资料，运用Auto-CAD绘图软件，对东西关水电站的水轮机结构进行设计。设计中优先采用先进结构、新型材料，综合考虑安全性、制造工艺以及安装、维护检修各方面因素。毕业设计不仅是对大学所学知识的一个总结，更是为以后的学习和工作打下良好的基础，培养自己独立思考，实事求是和解决实际问题的能力。此外，通过此次毕业设计可以加强自己的文字表达能力，更好地掌握一些办公软件和绘图软件，使自己全面发展。此次毕业设计对我今后的学习和 发展具有重大的意义，将是我人身中的一笔巨大财富。1.2 原始资料水轮机额定出力：46.1Mw最低水头：9.5m最高水头：24.3m额定水头：17m额定转速：93.8r/min安装高程：226.77m吸出高度：-2.96m1.3 设计内容和要求1.3.1 设计内容(1) 根据给定的单台水轮机额定出力和水头等参数，进行水轮机转轮的型计算，确定合适的水轮机型号、机组同步转速和转轮直径等参数，并绘制水轮机运转综合特性曲线；(2) 按选型计算确定的水轮机型号和转轮直径等参数，确定水轮机的主要特征尺寸，进行座环、蜗壳、转轮室、尾水管和机坑里衬等水轮机埋入部件的结构设计；(3) 按选型计算确定的水轮机型号和转轮直径等参数，确定水轮机的主要特征尺寸，进行座环、蜗壳、转轮室、尾水管和机坑里衬等水轮机埋入部件的结构设计；(4) 根据水轮机的出力、转速等参数估算主轴直径，确定转轮与主轴的连接方式；进行主轴轴身应力的强度校核计算，根据校核结果修改并最终确定主轴的结构；(5) 进行导水机构设计，进行顶盖、底环、控制环、导叶及其传动机构、导叶的立面和端面密封结构的设计，绘制导叶布置图，检查导叶传动与接力器移动的均衡性，检查传动件在不同位置是否相碰，并根据检查结果修改；(6) 根据水轮机的结构进行水轮机工作密封和检修密封装置设计；(7) 根据机组的型式和电站的自然条件水导轴承设计；(8) 根据水轮机的结构和电站的自然条件选择合适的补气方式；(9) 进行水轮机其它部分的结构设计。1.3.2 设计要求(1) 充分查阅相关文献资料，按给定格式撰写毕业设计开题报告；(2) 翻译至少一篇2000单词以上的本专业外文文献；(3) 按学校统一格式编写毕业设计说明书，要求书写整洁，语言简练，概念正确，条理清楚；计量单位规范统一；(4) 绘图要求：设计图纸相关格式符合国家规范要求，图幅和张数如下：1张水轮机总装配图（0号图）；1张导水机构装配图（1号图）；1张导叶布置图（1号或2号图）；1张水轮机主要部件的组装图或零件图（图幅根据内容自定）。592.水轮机的选型设计2.1 原始数据水轮机的选型设计就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数据。这是一项至关重要的工作，它直接关系到水电站的机组能否长期稳定运行和投资的多少。主要原始参数和资料如下：最高水头Hmax=24.3m；额定水头Ha=17m；最低水头Hmin=9.5m额定出力P=46.1MW2.2 选择转轮型号查水轮机型谱，可供参考的机型为ZZ560 ZZ500，ZZ560适用水头为10-22m,虽然提高叶片强度性能较可靠，但是该转轮空蚀系数较大，安装高程较低，并且在低水头区工况性能较差；相比较ZZ500空蚀系数较低，最优工况点的空蚀系数较小，因此选择转轮ZZ500。2.3 水轮机基本参数的计算（1） 计算转轮直径D1. (2-1)发电机额定容量Pg=46.1Mw，最优单位转速，设计工况点的单位流量=1830L/s对应的模型效率,暂取，则原型水轮机的效率，故按我国规定的转轮直径系列，计算值处于标准值6.0m与6.5m之间，考虑到取6.0m太小，难以保证设计水头下发出额定出力，若取6.5m又偏大，不经济，本机组属于大型水轮机，故取非标准值。(2) 转速n的计算转速计算值介于88.2r/min与93.8r/min之间，故取水轮机的转速n=93.8r/min(3) 水轮机的设计流量2.4 水轮机综合运转特性曲线的绘制2.4.1 等效率曲线的绘制（1）等效率曲线绘制的一般方法： 对转轮叶片的每一个安放角求出一个效率修正值，若各角下的模型水轮机的最高效率为，原型水轮机各角下的最高效率为，则在间取若干水头，计算各水头对应的,过各作水平线与转桨式水轮机模型特性曲线的各等线相交，找出各角点的，其中由内插确定，计算各点的真机效率和出力，。根据计算结果绘出各水头下的曲线，同时绘出各水头下的辅助曲线。在各水头的曲线的基础上可绘制等效率线，其方法同混流式水轮机等效率的绘制。2.4.2 等开度线的绘制计算各水头相应的单位转速，在模型综合特性曲线上过各作水平线与各等开度线相交，记下各点的、及值。根据模型水轮机与与原型机的几何相似关系，换算出对应的真机开度，并求出出力P。根据各工况点的a、P，绘出各水头下的曲线。在曲线上取某a值作水平线与各曲线相交，记下各点的水头H以及出力P，将这些点（P，H）绘制到PH坐标系内。2.4.3 等转角线的绘制从等效率线的绘制过程可得到各个转角下的从最低水头到最高水头的P值，对各点进行拟合即可得到等转角线。2.4.4 出力限制线的绘制由水轮机的最小水头与额定水头，分别计算出相应的模型单位转速与，在模型综合特性曲线上以与分别作水平线，与确定为出力限制线的等开度线交于A、 B两点。查出A点的效率和单位流量，计算出A点的出力，由可确定下的出力限制点A.同样，查出B点的效率与单位流量，计算出B点的出力，由可确定下的出力限制点B。用直线连接A点与B点即H时，水轮机的出力限制线由发电机的额定容量确定。图2-1 水轮机综合运转特性曲线3.水轮机总体结构设计东西关水电站水质较好，设计中主要考虑机组的稳定性和可靠性。水轮发电机组为立轴流转桨式，俯视顺时针旋转，水轮发电机采用两根轴结构。水轮机轴与发电机轴通过联轴螺栓直接连接。水轮机主要部件有：埋入部件：座环、基础环、尾水管、蜗壳；导水机构以及顶盖、底环；转动部件：转轮的结构、主轴，并对主轴进行强度校核；桨叶操作机构及操作油管；其他部件：主轴密封、水导轴承、真空破坏阀和补气装置。水轮机剖面图如图3-1所示。图3-1 水轮机剖面图3.1 埋入部分3.1.1 座环座环是反击式水轮机的基础部件，除了承受水压力外，还承受整个机组和机组段混凝土重量，因此要求有足够的强度和刚度。本电站采用整体型，铸焊结构，采用无蝶形边的平行式焊接结构，分为上环、下环、固定导叶三部分，分成两瓣，采用ZG20MnSi铸造。3.1.2 蜗壳蜗壳的作用是把水流均匀分布到转轮周围。当水头在40米以下时，水轮机的蜗壳常用钢筋混凝土在现场浇注而成；水头高于40米时，则常采用拼焊或整铸的金属蜗壳。由于东西关水电站的设计水头为17米，最低水头m，最高水头24.3m，故蜗壳的形式为拼焊的混凝土“形断面的蜗壳，包角为180，为防止水流冲刷及渗漏现象，在混凝土蜗壳和座环的连接部位还加有钢板衬板。3.1.3 尾水管尾水管是水轮机过流通道的一部分，且有回收部分转轮出口动能的作用。尾水管的形状对水轮机性能具有较大的影响。采用弯肘形尾水管，直锥段单边扩散角为9度55分，厚度为15mm，采用钢板45钢。为方便检修，直锥段设800进人门。3.2导水机构3.2.1 顶盖和支持盖顶盖和支持盖是水轮机的主要部件之一，需要有足够的强度和刚度，由于本水电站为大型轴流式水轮机，因此采用焊接顶盖。顶盖的材料采用ZG30，基本厚度为130mm钢板。东西关水电站水轮机的顶盖最大直径为8.95米。受运输条件的限制，顶盖采用分四瓣组合。顶盖的结构比较复杂，制造要求较高，尤其是装导叶套筒的孔应与底环同心。其结构如图3-2所示：图3-2 焊接顶盖支持盖是轴流式水轮机的主要部件之一，可以使得轴流式水轮机在检修时候不必拆卸导叶和顶盖。支持盖要求有足够的强度和刚度，材料为ZG30。支持盖如图所示。图3-3 支持盖3.2.2 底环底环是一个环形部件，固定于座环上，作为导叶安放的基座，在设计时应当主要考虑刚度，可以不作强度计算。本水轮机底环采用ZG20MnSi铸造。由于该水轮机底环属于大型部件，受运输条件的限制，本次设计中的底环应分四瓣铸造。底环的结构见下图3-4 图3-4 底环3.2.3 导叶导叶为整铸不锈钢结构，材料为ZG20MnSi，有较好的抗空蚀、抗磨损性能。导叶为对称型导叶，导叶上轴颈210mm，中轴颈为230mm，下轴颈为190mm，瓣体高度为2550mm，长度为387.4mm，总高为3906mm，导叶数为24个。与导叶三支点相对应的上、中、下轴承采用大连三环的自润滑轴承，分别安装在套筒和底环内。为了有效防止泥沙和封水，中轴颈处设置了L型密封圈，下轴颈处设置了O型密封圈。导叶立面密封为金属线接触密封，导叶端面密封为嵌入在导叶瓣体端面内的青铜块加橡胶条密封。3.2.4导叶操作机构导叶传动机构采用叉头传动机构，主要由导叶臂、分半键、叉头、叉头销、剪断销、连接螺杆、轴套螺帽和端盖组成。与耳柄式相比，耳柄式工艺性好，结构简单，制造成本低，结构所空间小，但受力不如叉头式。在导叶臂与连杆之间设置剪断销，以保证在某个导叶被异物卡住后其他导叶能正常动作。此外，连接板或控制环与叉头连接处，为了使连接螺杆保持水平，可以装补偿环进行调整。3.3转动部分3.3.1 转轮转轮体外表面是过流通道的一部分，其内部则装有全部叶片和操作机构，上部与主轴联接，下部接泄水锥，形状较为复杂。在本次设计中转轮体采用ZG20MnSi 整铸而成。转轮体外圆采用球形结构，球形轮毂能使叶片和转轮体表面配合良好，在各种叶片转角下它们之间的间隙可以很小，从而减小容积损失。在本次毕业设计中，转轮体与主轴联接时，采用的是转轮上盖与主轴法兰分开的结构。3.3.2 主轴水轮机主轴采用双法兰薄壁空心轴，材质为ZG20MnSi。轴身外径900mm，内径400mm。水轮机轴与转轮采用20个M130螺柱连接，采用销套传递扭矩，连轴螺柱不受剪切力。为了防止螺纹受泥沙磨损，在法兰处设置法兰护罩。3.4 桨叶操作机构及操作油管3.4.1 桨叶操作机构叶片操作机构有很多种型式，本次设计采用带操作架的直连杆机构，由于其零件数较少，结构简单，相比之下可降低转轮体高度。3.4.2 操作油管转桨式水轮机转轮的接力器操作油管装于主轴中心孔内。通常，操作油管用两根无缝钢管组成内外两个压力油腔，上部接至受油器，下部与转轮接力器的活塞杆连接。操作油管的外油腔与转轮接力器活塞上部油腔联通，内腔则与活塞下部油腔联通。本次设计中操作油管被分为数段，用法兰连接，这主要是考虑到电站布置，主轴和接力器结构的变化，为满足动作灵活，加工、装卸方便。3.5 其他部分3.5.1 水导轴承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，本次设计中采用稀油润滑分块瓦式轴承，主要是因为以下原因：稀油润滑分块瓦式轴承虽然有密封在轴承下部，转轮悬臂大，成本高，平面布置尺寸大等缺点，但鉴于其受力均匀，轴瓦研刮、调整方便，运行安全可靠，在大中型机组中应用较多。东西关水电站水质干净，有清洁水源，水质含悬浮物质不超过0.1克/升，选择分块瓦式轴承虽然转轮悬臂大，但其仍有不可掩盖的优点。3.5.2主轴密封工作密封采用水压式端面密封，在摩擦面之间形成一层很薄的水膜，漏水小，磨损也不大。实际装配时需将密封装置调试到最佳工作条件。由于机组安装高程为正值，所以不需要安装检修密封。3.5.3 真空破坏阀当导水机构紧急关闭时，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的真空，引起下游尾水反冲，产生很大的冲击力，甚至出现抬机现象。真空破坏阀就是在紧急关闭导叶时补入空气，破坏真空，起一定的保护作用。东西关水电站机组尺寸较大，故而我们在顶盖加设真空破坏阀，来作为补气阀和空气阀。4.埋入部件的结构设计4.1 绘制轴面流道图查阅水轮机设计手册，得到ZZ500的模型流道图如下：按比例放大，即可得到真机的轴面流道图。4.2座环与蜗壳4.2.1 座环座环是反击式水轮机的基础部件，除了承受水压力的作用外，还承受整个机组和机组段混泥土的重量，因此要有足够的强度和刚度。目前常用的结构形式有以下几种：（1）与混凝土蜗壳连接的座环（2）与金属蜗壳连接的座环。由于东西关电站的最大水头小于40m，故采用与混凝土连接的蜗壳。而与混凝土连接的蜗壳又分为单个支柱型、半整体型、整体型。本电站采用整体型比较方便。根据转轮直径（6400mm）从机械设计手册选出座环的基本尺寸，如表4-1所示： 表4-1 水轮机座环尺寸参考符号数值（mm）参考符号数值(mm)Db8440K100Da7670H12580其中参数符号对应图4-2所示的座环： 图4-2 水轮机座环4.2.2 蜗壳蜗壳的作用是把水流均匀分布到转轮周围。当水头在40米以下时，水轮机的蜗壳常用钢筋混凝土在现场浇注而成；水头高于40米时，则常采用拼焊或整铸的金属蜗壳。由于东西关水电站的设计水头为17米，最低水头m，最高水头24.3m，故蜗壳的形式为拼焊的混凝土“形断面的蜗壳，包角为180，为防止水流冲刷及渗漏现象，在混凝土蜗壳和座环的连接部位还加有钢板衬板。4.3 尾水管尾水管是水轮机过流通道的一部分，且有回收部分转轮出口动能的作用。尾水管的形状对水轮机性能具有较大的影响。采用弯肘形尾水管，直锥段单边扩散角为9度55分，厚度为15mm，采用钢板45钢。为方便检修，直锥段设800进人门。4.4机坑里衬及地板装置基坑里衬用钢板Q235B钢板卷焊而成。外壁设有若干环筋，浇灌在混泥土内。根据转轮直径查水轮机设计手册，得基坑里衬尺寸如下：D机=9000mm，=8mm。5.导水机构5.1 水机构总体设计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，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分为：圆柱式、圆锥式和径向式三种类型。混流式水轮机适合采用圆柱式导水机构，这种导水机构制造方便，能保证水轮机有足够高的效率。在导水机构设计中，要求过流表面有一定的光洁度和尺寸公差要求，并根据电站条件，采取一定的抗汽蚀和抗泥沙磨损措施。对导水机构设计的基本要求如下：（1） 导叶最大开口必须保证水轮机总的过水能力，且裕量不小于5%；（2） 在关闭的状态下各导叶间以及导叶与顶盖和底环间的间隙必须很小，以保证漏水最少；（3） 在调节过程中若导叶间落入固体物时，必须防止损坏导水机构零件；（4） 在导叶失去控制时，导水机构在结构上应能防止导叶绕其自身轴线转动或旋转；（5） 导叶轴颈，销轴和导水机构的转动机构各摩擦面必须保持良好的润滑；（6）导水机构零件的结构及其制造公差必须保证能正确地装配，调整及拆修该机构；（7）由接力器到导叶的传动系统必须使作用于导叶的水力矩和接力器产生的驱动力矩见具有最优比例关系；（8）设计承受水流冲击的零件时，其强度必须特别加以注意。本设计为轴流转桨式机组，选择径向式导水机构。根据水头范围选择对称型叶型。根据水轮机型号和水头选择导叶中轴颈db。根据db选择导叶各部分尺寸。由于转轮直径D1=6400mm大型机组，采用叉头式传动机构。以特征尺寸db查设计手册对套筒、轴套和传动机构进行设计。5.2 导叶布置图的绘制5.2.1 绘制导水机构运动图的目的1.确定最大可能开度下的接力器行程，绘制关系曲线，检查接力器行程与导叶开度的均衡性；2.确定传动件的尺寸及在不同开度下的、值，绘制、曲线，检查、值的范围是否符合要求；3.确定控制环大耳环和小耳环的相对位置；4.确定限位块的位置（一般限位块与最大可能开度位置时导叶的距离，大中型为2030mm,小型为510mm）5.检查传动件在不同位置是否相碰。尤其在剪断销破断后，连杆或转臂是否相碰。对混流式水轮机来说，还需检查导叶与固定导叶、转轮叶片是否相碰。6.确定导叶关闭时的密封位置；立面密封：接触面的位置端面密封：密封条分布圆位置7.确定固定导叶的位置及其出口角，绘制固定导叶翼型，并核定其分布圆直径。5.2.2 确定导叶翼型本机为轴流转桨式水轮机（H40m）,应采用标准对称型导叶。 图5-1 标准对称型导叶的几何尺寸（D1=1m，Z=24）将上述尺寸放大=6.4倍，得到导叶最终几何尺寸如表5-1。表5-1 导叶尺寸X-480-384-288-196-96522.9541Y上 951151201151059.50Y下9511512011510512.29.55.2.3 确定传动件的相关尺寸和角度根据转轮直径，查水轮机设计手册表6-1导水机构装配尺寸系列，不能直接查出的，采用插值运算。Z0=24，D0=7450mm，暂取，Dc=5120mm，导叶臂长度Lh=870mm，连杆长度Lc=665mm。 ：导叶全关位置时，转臂轴心线与D0圆切线的夹角。根据上述数据，初绘导叶布置图，调整Lh、Lc、小耳环分布圆直径Dc，使得导叶处于全关位置时，连杆与小耳环分布圆切线的夹角=； 连杆与转臂的夹角。得到最终尺寸为：Lh=870mm，Lc=665mm，Dc=5120mm。查文献【1】表8-52，采用插值算法，得到大耳环分布圆直径为Dy=5270mm。5.2.4 确定导叶开度a. 查模型综合特性曲线，得模型水轮机的最大开度以的交点在模型特性曲线上查得模型转轮的最大开度=30.36真机最大开度b. 真机的最大可能开度c. 查模型综合特性曲线中最优工况点对应的开度为模型转轮的最优开度，得真机的最优开度 d.选取6个开度值如下：0mm、150mm、300mm、447mm、563.2mm、591.4mm。5.2.5 绘制导叶布置图及相关曲线选择三个相连的导叶，同时旋转三个导叶，使其处于不同开度，并绘出各开度下的小耳环位置以及导叶臂和耳柄中心线位置。测量各开度下的、和接力器行程S，画出接力器行程、随变化的关系曲线、和，如图5-2所示。 图5-2 接力器行程、与的关系曲线5.2.6 根据导叶布置图和检查、调整关系曲线检查项目包括：a.一般要求：的关系应符合合理的导叶关闭规律：即在机组在突然率全部负荷，需要紧急停机时，为了尽量降低机组转速上升和蜗壳压力上升，一般要求导水机构在接力器匀速向关闭方向移动时，导叶关闭应先快后慢（即随着开度值变大，曲线的斜率也变大）。b.检查、的范围.c.检查传动件在不同位置是否相碰，尤其在剪断销破断后，连杆或转臂是否相碰。还需检查导叶与固定导叶、转轮叶片是否相碰。经检查，导叶关闭规律符合要求，、的值在范围之内，剪断销剪断后连杆和转臂不会相碰，导叶与固定导叶和转轮不会相碰。最终得到的导叶布置图见附图。5.3 导叶装置结构的设计5.3.1 导叶轴套及润滑导叶轴套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。该设计中，导叶套筒采用尼龙1010，其吸水性小，尺寸较为稳定，通过离心熔铸成型，适合在水轮机导叶、连杆等部位应用。上轴套尺寸系列如表5-2 所示：表5-2 上轴套尺寸参数符号数值（mm）参数符号数值（mm）dc210h105d1210h18d2230h212d3229.61d4270表中参数符号意义见图5-3： 图5-3 上轴套中轴套尺寸系列如表5-3 所示：表5-3 中轴套尺寸参数符号数值（mm）参数符号数值（mm）db230h230d1230h140d2250h28d3249.6d58d42601表中参数符号意义见图5-4：图5-4 中轴套（c）下轴套尺寸系列如表5-4所示：表5-4 下轴套尺寸参数符号数值（mm）参数符号数值（mm）da190h190d1190h18d22101d3209.6表中参数符号意义见图5-5：图5-5 下轴套5.3.2 导叶轴颈的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，实践证明，封水性能很好，结构简单。“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。密封圈与顶盖配合端面，则靠压紧封水，所以套筒与顶盖端面配合尺寸应保证橡胶有一定的压缩量。密封圈的材料采用中硬耐油橡胶，模压成型。其尺寸大小如下表5-5：表5-5 中轴颈密封参数符号数值（mm）参数符号数值（mm）db230h18d23714d122324d2280其中参数符号意义对应图5-6： 图5-6 中轴颈密封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5-6：表5-6 下轴颈密封参数符号数值（mm）db230D190d10其中参数符号意义对应图2-8：图5-7 下轴颈“O”型密封导叶中轴颈处虽有密封装置，但因导叶是转动的，不可避免会有少量漏水，其排除方法主要是通过自流排水或水泵排水将漏水排出。对于轴流式水轮机，导水机构套筒处得漏水由排水管集中到顶盖下部的轴承支架内，连同主轴密封处的漏水，由水泵抽水至电站集水井。对于深溪沟水电站，机组较大，可设两套水泵互为备用。5.3.3 导叶止推装置对于水头较高的机组，应考虑导叶在水压作用下的上浮力，当上浮力超过导叶的自重时，在套筒上必须装止推装置，以防止导叶向上抬起，碰撞顶盖和影响连杆受力。东西关水电站正常工作水头低，上浮力小，机组自重大，不须再另设止推装置。5.3.4 导叶套筒结构导叶套筒是固定导叶上中轴套的部件，采用HT2140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。分段套筒虽有质量小，便于加工，容易调整装配等优点，但由于受到机组尺寸的限制，本次设计仍选择传统的整体圆筒形结构。套筒的尺寸大小如下表5-6：表5-6 导叶套筒参数符号数值（mm）参数符号数值（mm）db250d740d1610d88d2390h55d3250h140d4270h2250d5280h3115d6530Z8H 参考910其中参数符号对应下图5-8中符号： 图5-8 导叶套筒为满足于导叶臂的装配要求，最终取H=890mm。5.3.5 导叶的密封装置当停机时导水机构必须封水严密，否则不但会增加漏水量，而且会加剧加剧因间隙气蚀引起的破坏。严重时甚至会造成机组无法正常停机。导叶立面密封为金属线接触密封，导叶端面密封为嵌入在导叶瓣体端面内的青铜块加橡胶条密封。通过调节端盖上的螺钉，可以调节导叶上下端面的间隙。通过调节连接两个叉头的连接螺杆从而改变连杆的实际长度，可以调节立面间隙。5.4 导叶传动机构的设计5.4.1 接力器本次毕业设计所选转轮直径为7.1米，属于大型机组，故采用直缸接力器，两只直缸活塞式接力器用法兰固定在水轮机机坑的接力器井内，接力器活塞通过两根推拉杆和控制环的耳环相连，这种布置形式结构简单，制造容易，运行可靠。另外，操作油压采用=25公斤/厘米接力器直径式中：转轮直径最高水头导叶相对高度调速系统的额定油压计算系数从水轮机设计手册的表中查的=0.15，圆整取5.4.2 导叶臂根据叉头传动机构装配尺寸从水轮机设计手册上165 页的表8-23查出导叶臂及其销孔尺寸如下表5-7，5-8：表5-7 导叶臂参数符号数值（mm）参数符号数值（mm）db230H270D0210DL1225D1310de60D2340K10d2260R130dm60Df12d3M24T0.3d432表5-8 导叶臂销孔尺寸参数符号数值（mm）参数符号数值（mm）dcn60DC11.5R95h60B230h180其中参数符号意义对应图5-9：图5-9 导叶臂5.4.3 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829到表8-30查出连接板尺寸如下表2-17：表5-9 连接板尺寸参数符号数值（mm）参数符号数值（mm）D1310DR290B1190h60K0.03h180Dcn60D4l30D290D3l1=l2150d1120c1.5d2M20其中参数符号意义对应图5-10： 图5-10 连接板5.4.4 剪断销根据连接板Dcn=80mm，从水轮机设计手册上170页的表835查出剪断销尺寸如下表5-10：表5-10 剪断销尺寸参数符号数值（mm）参数符号数值（mm）Dcn60dc4r1.5d25h15.5d259h213d365h60d460l56b5L133b14其中参数符号意义对应图5-11：图5-11 剪断销5.4.5 分半键根据上轴直径dc =230mm，从水轮机设计手册上169 页的表834查出分半键尺寸如下表5-11：表5-11 分半键尺寸参数符号数值（mm）参数符号数值（mm）dc210b27.7dm60K5L225c1.5B58b132.3l1285h140l2230h220h10h340其中参数符号意义对应图5-12： 图5-12 分半键5.4.6 叉头根据连接板dn=100从水轮机设计手册上167 页的表8-31查出叉头尺寸如下表5-12： 表5-12 叉头尺寸参数符号数值（mm）参数符号数值（mm）d1M644L170d280L1105d375DR70d4115r15H160r18h100c12h130S24其中参数符号意义对应图5-13：图5-13 叉头5.4.7 叉头销根据套筒dn=100D，从水轮机设计手册上170页的表836查出剪断销尺寸如下表5-13：表5-13 叉头销尺寸参数符号数值（mm）参数符号数值（mm）dn80dch210d80gbD68d175gbb4.5d279R2d371c3h98d04h135r1.5H163其中参数符号意义对应图5-14：图5-14 叉头销5.4.8 连接螺杆根据连接板d1=M72从水轮机设计手册上168 页的表832查出叉头尺寸如下表5-14：表5-14 连接螺杆尺寸参数符号数值（mm）参数符号数值（mm）d1644b26d270b18d358r2S60c3l150其中参数符号意义对应图5-15：图5-15 连接螺杆5.4.9 端盖根据轴颈db=250mm，从水轮机设计手册上171页的表837查出端盖尺寸如下表2-24：表5-15 端盖尺寸参数符号数值（mm）参数符号数值（mm）db230h138d1370R105d22121M36d390226d452364d5260d6130h48其中参数符号意义对应图5-16：图5-16 端盖5.4.10 补偿环根据叉头销dc=100mm，从水轮机设计手册上172页的表838查出补偿环尺寸如下表2-25：表5-16 补偿环尺寸参数符号数值（mm）d80d195h5其中参数符号意义对应图2-22： 图5-17 补偿环5.5 顶盖和支持盖、底环、控制环的结构设计5.5.1 顶盖顶盖是水轮机的主要部件之一，需要有足够的强度和刚度，由于本水电站为大型轴流式水轮机，因此采用焊接顶盖。顶盖的材料采用ZG30，基本厚度为130mm钢板。东西关水电站水轮机的顶盖最大直径为8.95米。受运输条件的限制，顶盖采用分四瓣组合。顶盖的结构比较复杂，制造要求较高，尤其是装导叶套筒的孔应与底环同心。其结构如图3-2所示：图5-18 焊接顶盖5.5.2 支持盖支持盖是轴流式水轮机的主要部件之一，可以使得轴流式水轮机在检修时候不必拆卸导叶和顶盖。支持盖要求有足够的强度和刚度，材料为ZG30。支持盖如图所示。图5-19 支持盖5.5.3 底环底环是一个环形部件，固定于座环上，作为导叶安放的基座，在设计时应当主要考虑刚度，可以不作强度计算。本水轮机底环采用ZG20MnSi铸造。由于该水轮机底环属于大型部件，受运输条件的限制，本次设计中的底环应分四瓣铸造。底环的结构见下图5-20:图5-20 底环5.5.4 控制环控制环的尺寸系列尽量做到标准化，提高结构的通用性。根据转轮直径系列编制的控制环系列，对控制环的制造做了一定的要求。图5-21 控制环表5-16 控制环总体尺寸参数符号数值（mm）参数符号数值（mm）DC5120Dy5270Z024S60大耳环处尺寸如表5-17：表5-17 控制环尺寸（大耳环处）参数符号数值（mm）参数符号数值（mm）d1180h170d2175h2210d3350参数符号意义如图5-22：图5-22 大耳环小耳环处尺寸如表5-18：表5-18 控制环尺寸（大耳环处）参数符号数值（mm）d290h180R95参数符号意义如图5-23：图5-22 小耳环5.6 导水机构的装配系列与公差选择5.6.1 导水机构装配尺寸 导水机构装配尺寸系列(mm)转轮直径D1Z0D0fDyDcLhLc640024745042527051208706655.6.2 导水机构的零件公差通过分析导水机构各部分的工作原理，明确各零部件之间的相互运动关系，参照机械设计手册确定导水机构各部分的配合。导水机构的配合关系见导水机构装配图。5.6.3 导水机构的配合间隙查水轮机设计手册表8-3导叶的端面间隙，得 A=0.551.1，导叶与顶盖配合间隙为 =0.731.47mm， 与底环配合的端面间隙为 =0.370.73mm。6.转动部分结构设计6.1 转轮的结构设计转轮体外表面是过流通道的一部分，其内部则装有全部叶片和操作机构，上部与主轴联接，下部接泄水锥，形状较为复杂。在本次设计中转轮体采用ZG20MnSi 整铸而成。转轮体外圆采用球形结构，球形轮毂能使叶片和转轮体表面配合良好，在各种叶片转角下它们之间的间隙可以很小，从而减小容积损失。在本次毕业设计中，转轮体与主轴联接时，采用的是转轮上盖与主轴法兰分开的结构。图6-1 东西关电站转轮体结构图叶片由本体和枢轴构成。叶片本体与枢轴的连接方式有两种。一种是用分别整体铸造；一种是采用分开铸造，加工后用螺钉或销钉等机械零件组合。由于本机组属于大型机组，所以叶片和枢轴采用分别铸造，然后用螺钉连接。叶片材料为ZG20SiMn，由于该材料抗汽蚀性能差，因此根据电站的运行条件，在表面堆焊不锈钢层，以提高转轮的抗汽蚀性能。叶片枢轴支承在转轮体上，采用滑动轴承结构，轴承衬为青铜。6.2 主轴的结构设计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：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=46.1MW=46.110KW n=93.8r/min所以， 根据水轮机设计手册上 319 页图1212 扭力矩与主轴外径的关系曲线查得D=900（mm），主轴内孔直径按水轮机设计手册320 页上的公式122 计算：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 ZG20MnSi，其中max=550 （公斤/厘米）所以根据主轴内孔直径公式计算得：故，可将主轴内径按标准直径系列取为400mm 。 7.桨叶操作机构及操作油管7.1 桨叶操作机构叶片操作机构的型式很多，本次设计采用的是带直连杆的操作架的结构。由于其零件数少，结构简单，转轮体高度可降低，故其在大型水轮机中应用较多。其具体结构如图7-1所示：图7-1 带操作架的直连杆机构7.2 操作油管转桨式水轮机转轮的接力器操作油管装于主轴中心孔内。通常，操作油管用两根无缝钢管组成内外两个压力油腔，上部接至受油器，下部与转轮接力器的活塞杆连接。操作油管的外油腔与转轮接力器活塞上部油腔联通，内腔则与活塞下部油腔联通。本次设计中操作油管被分为数段，用法兰连接，这主要是考虑到电站布置，主轴和接力器结构的变化，为满足动作灵活，加工、装卸方便。7.3 泄油阀轴流转桨式水轮机转轮在泄水锥和转轮体之间的底盖上装有泄油阀，图2-35本次设计中所用到的泄油阀结构，其特点是卸掉底部螺塞后油不会泄出，必须拧入排油管顶起止油阀后才能排出积油。 图7-2 泄油阀8.轴承、密封及其他部件的设计8.1 水导轴承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，本次设计中采用稀油润滑分块瓦式轴承，主要是因为以下原因：稀油润滑分块瓦式轴承虽然有密封在轴承下部，转轮悬臂大，成本高，平面布置尺寸大等缺点，但鉴于其受力均匀，轴瓦研刮、调整方便，运行安全可靠，在大中型机组中应用较多。东西关水电站水质干净，有清洁水源，水质含悬浮物质不超过0.1克/升，选择分块瓦式轴承虽然转轮悬臂大，但其仍有不可掩盖的优点。其结构如图8-1： 图8-1 稀有润滑分块瓦式水导轴承8.2 主轴密封主轴部分的密封装置分两种，一种是机组正常运行中，橡胶轴承压力水箱的密封，稀油轴承下部防止机组漏水的主轴密封。这种密封结构形式很多，如盘根、垫料式密封，单层或双层橡胶密封，径向或端面碳精块密封，水泵密封等。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、机械操作或抬机密封等多种。本电站工作密封采用的是水压式端面密封，如图8-2，由于机组安装高程为正值，所以不需要设检修密封。 图8-2 水压式端面密封8.3 真空破坏阀当导水机构紧急关闭时，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的真空，引起下游尾水反冲，产生很大的冲击力，甚至出现抬机现象。真空破坏阀就是在紧急关闭导叶时补入空气，破坏真空，起一定的保护作用。深溪沟水电站机组尺寸较大，故而我们在顶盖加设真空破坏阀，来作为补气阀和空气阀。其结构如图8-3所示： 图8-3 真空破坏阀9.总结通过此次的毕业设计，我学到了很多知识，跨越了传统方式下的教与学的体制束缚，在毕业设计过程中，通过查资料和搜集有关的文献，培养了自学能力。并且由原先的被动的接受知识转换为主动的寻求知识，这可以说是学习方法上的一个很大的突破。在以往的传统的学习模式下，我们可能会记住很多的书本知识，但是通过毕业论文，我们学会了如何将学到的知识转化为自己的东西，学会了怎么更好的处理知识和实践相结合的问题。本次毕业设计的课题来源是在指导教师提出可选课题后，结合自己的专业特点和学习工作的需要，选择东西水电站的结构设计。选定毕设题目之后，在网上收集资料，了解东西关电站的地理位置、工程概况、电站原始资料。查找了大量文献，翻译外文，在图书馆数据库中查阅水轮机选型设计和水轮机结构方面的书籍和期刊，了解国内外在该领域的研究现状和发展趋势并书写开题报告。了解水轮机各零部件的结构和作用，参照水轮机设计手册和水轮机图册对东西关电站水轮机结构进行设计。整个设计过程采用CAD作图，与传统的手绘相比提高了作图设计的效率和质量。最终的设计成果包括水轮机总装配图、导叶布置图、导水机构装配图和主轴零件图和开题报告、毕业论文、外文翻译的撰写。毕业设计要求结合平时所学的相关专业知识，对大学期间所学知识进行系统总结，所以此设计可看做对大学所学知识的一个综合利用。通过本次毕设，熟悉水轮机选型设计的过程，加深对水轮机结构的认识，熟悉各部件的作用并掌握通过现有资料进行水轮机总体结构设计的方法，同时将所学知识融入到实际的工程中，也对实际的工程有一个比较全面的认识。在本次毕业设计过程中，我收获了很多，学到了很多。总结下来大致有以下几个方面：对整个水轮机结构有了更深刻的认识和了解。以前在课堂上学习时只是对各零部件有个初步的认识，但这远远不够。由于采用CAD制图，作图的精度和准确性有了更高的要求，每个零件只有在充分了解其作用和结构特点后，才能将它画在图纸上。传统的“大概像、随便画”在这行不通。所以，当我把一个零件比较准确的画在图纸上时，这个零件的作用和结构我也就很清楚了。作图和识图能力有了极大的提高。之前我就在学校外面报过CAD培训班，但终究是实践太少，效果