长湖水电站水轮机结构设计毕业论文.doc

1 长湖水电站水轮机结构设计毕业论文长湖水电站水轮机结构设计毕业论文 目目 录录 摘摘 要要 1 1 ABSTRACTABSTRACT 2 2 目目 录录 3 3 1 1 绪绪 论论 5 5 1 1 概述 5 1 2 设计内容 6 1 3 原始资料 6 2 2 水轮机总体结构设计水轮机总体结构设计 7 7 2 1 转轮的流道尺寸 7 2 2 导叶高度及分布圆直径 8 2 3 主轴直径 8 2 4 转轮 9 2 5 接力器 13 2 6 叶片操作系统 14 2 6 1 带操作架的直连杆机构 14 2 6 2 不带操作架的直连杆机构 15 2 6 3 带操作架的斜连杆机构 16 2 7 座环 17 2 8 控制环 18 2 9 顶盖与支持盖 19 2 10 底环 20 2 11 主轴 21 2 12 主轴密封 24 2 13 水导轴承 25 3 3 导水机构的设计导水机构的设计 3030 2 3 1 导水机构的配合公差与间隙 30 3 2 导水机构的装配尺寸 30 3 3 导叶 31 3 4 导叶套筒 36 3 5 导叶轴颈密封及其轴套 37 3 6 导叶的传动机构设计 40 致致 谢谢 4949 参考文献参考文献 5050 3 1 1 绪绪 论论 1 11 1 概述概述 中国水能资源居世界第一位 我国的水能资源理论蕴藏量有 6 78 亿千瓦 年发电量 5 92 万亿千瓦时 居世界第一位 有美好的开发前 景 到 1991 年 我国已开发水电装机容量 3788 万千瓦 年发电量 1248 亿千瓦时 占经济可开发水电发电量的 9 9 预计 2000 年我国 水电总装机容量可达 9000 万千瓦 2000 2020 年再增加 9000 万千瓦 到 2020 年累计达 1 8 亿千瓦 2020 2050 年再开发 1 1 亿千瓦 将我 国经济可开发水能资源全部开发出来 达到 2 9 亿千瓦 水力机组是水电站的核心设备 是整个水电枢纽工程最终经济效益 的归宿 但是我国在水轮机设计研究方面仍然未能达到世界领先水平 而且我国研制的水轮机效率低 寿命短 空化空蚀防护措施及减振措施 方面都存在不足 因此 水轮机结构设计得是否合理就成为电站能否有 效运行得关键 广东省长湖水电厂 即现广东粤电长湖发电有限责任公司 隶属 广东省粤电集团有限公司 共装有两台轴流转桨式水轮发电机组 装 机容量为 76 兆瓦 年均发电量约为 2 88 亿千瓦时 发电厂房位于 离北江与翁江汇合口 9 千米的翁江下游 于 1969 年开始兴建 两 机组先后于 1973 年 3 月 28 日和 1974 年 6 月 7 日投产发电 这是广 东省当时第一台低水头 转桨水轮发电机组 当时这两台机组单机容 量均为 36 兆瓦 2003 年对 2 机进行了增容改造 容量增加到 40 兆瓦 本次设计的主要内容是针对长湖水电站的具体情况对其水轮机 结构进行设计 在设计中不仅对其总体结构进行了设计 还特别对水轮 机的转桨式机构进行了设计 在这次设计中 除了查阅手册外 还查阅 了一些国内 外已建成的水电站的资料以作参考 随着计算机技术的发展 利用 CAD 软件进行绘图已成为设计的主 要手段之一 在本次毕业设计中 由于所有的图纸都采用 CAD 软件进 4 行绘制 所以不仅提高了利用 CAD 软件绘图的能力 也使得设计的速 度大为提高 1 21 2 设计内容设计内容 本次毕业设计的主要内容 一 根据给定水轮机型号和转轮直径等参数进行水轮机总体结构设计 1 按给定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 对水轮机的埋入部件进行结构设计 2 确定水轮机主轴尺寸和接力器尺寸 3 根据机组的型式和电站的自然条件进行主轴密封和水导轴承的 设计 4 合理布置控制环的结构以及选择合适的补气装置 5 绘制水轮机总装配图及主要机构的组装图和零部件图 二 导水机构传动系统的设计 1 根据机组的型式设计导水机构 2 绘制导水机构装配图及导叶布置图 三 叶片操作机构的设计 1 根据机组布置形式选择叶片操作机构 2 设计选择叶片密封形式 1 3 原始资料原始资料 本次毕业设计的基本参数如下 水轮机型号 ZZ440 LH 450 额定转速 150 rpm 设计流量 153 安装高程 18 5 m 单机容量 37 5MW 设计水头 28 m 吸出高度 6 5 m 5 2 2 水轮机总体结构设计水轮机总体结构设计 2 12 1 转轮的流道尺寸转轮的流道尺寸 根据 水轮机设计手册 我国暂行水轮机型谱表 11 1 查得 ZZ440 的流道尺寸如下表 2 1 表 2 2 其符号表示意义如图 2 1 2 2 所示 表 2 1 转轮流道尺寸 参数符号数值 mm 参数符号数值 mm D1 Z1 D0 Z0 b0 dB R1 4500 6 5250 24 1687 5 2250 1237 5 R2 d2 d3 d4 h1 h3 h5 3037 5 2025 2025 2025 938 1392 8 1638 表 2 2 转轮室的尺寸 参数符号数值 mm 计算参数数值 mm R1 R2 R4 R 球 h1 h2 225 450 1732 5 2250 938 3 693 h4 h5 D1 D2 D3 364 5 248 4 4500 4378 5 4414 5 80 6 R1 b0h1 D0 Z0 d1 d5 h5 h4 r d2 d3 d4 D1 2 dB D1 Z1 h4 D1 h5 h1h2h3 D3 D2 R 球 R1 R2 R3 R4 图 2 1 转轮流道尺寸图 2 2 转轮室流道尺寸 2 2 导叶高度及分布圆直径导叶高度及分布圆直径 导叶高度为 b0 0 4D1 1800 mm 分布圆直径 D0 1 16D1 5250 mm 导叶转角 0 50 本机组属于低水头高比转 速轴流式水轮机 导叶选择对称型翼形 导叶数目 Z 24 2 3 主轴直径主轴直径 根据机组的扭力矩初选主轴的外尺寸 扭力矩公式 公斤 厘米 n N 97400M 式中 N 代表主轴传递的功率 千瓦 n 代表主轴转速 转 分 由原始资料得 N 37 5MW 37 5 103KW n 150r min 公斤 厘米 7 3 1044 2 150 10 5 37 9740097400 n N M 7 根据扭力矩与主轴外径的关系曲线查得 D 748 mm 根据薄壁轴的标 准外径系列 取标准值 D 750 mm 主轴内孔直径按 水轮机设计手册 上的公式计算 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 ZG20MnSi 其 max 550 公斤 厘米 2 所以根据主轴内孔直径公式计算得 厘米 9 61 550150 75105 37496102 75 4 3 4 d 但为了保证主轴有足够的刚强度 将主轴内径按标准直径系列取为 450mm 2 4 转轮转轮 轴流转桨式水轮机的转轮由转轮体 叶片操作机构 叶片等组成 1 叶片 叶片 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 由于本机组属于大中型机组 所以叶片和枢轴采用分别铸造 然后用螺钉连接 2 转轮体 转轮体 转轮体上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 15MnMoVCu 整铸而成 转轮体外圆采用球形结构 以减少容积损失 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 叶片操作机构与接力器 叶片操作机构与接力器 8 叶片操作机构的型式很多 本次毕业设计采用的是无操作架的结构 在后面会专门有叶片操作机构的设计 叶片操作机构接力器的活塞直径根据操作油压确定 活塞杆的尺寸 即要满足强度的要求 还应满足操作油管布置的需要 活塞杆的具体尺 寸由表 2 3 给出 表中参数符号所代表的意义如图 2 3 和图 2 4 所示 表 2 4 给出了活塞的尺寸值 表中参数符号所代表的意义见图 2 5 活塞 环示意图 表 2 3 活塞杆的尺寸 参数符号数值 mm 参数符号数值 mm d1 D d2 t2 d3 t3 d4 Z d5 d6 d7 d8 d9 d10 d11 d12 d13 159 165 42 5 114 5 65 2 130 146 40 1 4 直管牙 43 94 M10 102D 22 d14 h1 h2 h3 h4 h5 h6 h7 b R k k1 s s1 s2 4 55 0 1 30 20 10 25 70 10 40 6 1 2 8 35 15 9 图 2 3 活塞与活塞杆 图 2 4 油管连接法兰 表 2 4 活塞尺寸 参数符号数值 mm dp H H1 2322 485 353 10 图 2 5 活塞环 4 叶片密封 叶片密封 叶片密封采用 型密封 因其结构简单 装拆方便 其尺寸如下 表 2 5 所示 表 2 5 型密封尺寸 参数符号数值 mm 参数符号数值 mm D1 D2 D3 a b c 862 0 7 798 0 2 830 11 11 11 d e f R 内圆紧量 外圆紧量 10 43 1 2 3 1 5 2 2 0 63 1 3 5 泄水锥 泄水锥 由于本次设计的机组属于大中型机组 故泄水锥采用钢板焊接的泄 水锥 11 2 52 5 接力器接力器 本次毕业设计所选转轮直径为 4 5 米 属于大中型机组 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 25 公斤 厘米 2 H P 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 15 25 公斤 厘米 H P 2 39 2m 0 375 max H 0 b 1 D 米518 0 25 375 0 2 39 5 415 0 c d 根据接力器直径系列取 dc 550 mm 其主要特征尺寸如下表 2 6 所 示 表中参数符号所代表的意义由图 2 6 给出 表 2 6 接力器尺寸 参数符号数值 mm 参数符号数值 mm dc d d1 1 2 Z2 d2 3 550 140 140 1070 980 12 46 190 Z3 d3 d4 dd H K S dc 8 M20 M140 3 220 430 275 0 5 0 75 275 412 5 12 图 2 6 单导管型式的直缸接力器 2 6 叶片操作系统叶片操作系统 叶片操作系统的结构型式有很多种 它们随着接力器的布置方式的 不同而不同 比较常用的有三种 一种是带操作架传动的直连杆机构 一种是不带操作架的直连杆机构 还有一种是带操作架的斜连杆机构 这三种结构型式各有特点 2 6 1 带操作架的直连杆机构带操作架的直连杆机构 这种结构一般用在叶片数为 4 6 的中小型机组中 其结构特点如 下 1 叶片转角在中间位置时 转臂水平 连杆垂直 动作中操作 架圆周分力较小 2 转臂与叶片用圆柱销传递转矩 径向位置由卡环定位 转臂 下部开口 用螺钉夹紧 便于装拆和紧固卡环 3 连杆采用二块夹板 连杆销受力均匀 4 操作架上带有耳柄 便于装配中调整 耳柄与操作架配合端 面有限位销 防止耳柄固定时与夹板产生偏卡 5 操作架多数采用 工 字形或单层壁加筋结构 这种带操作架的直连杆机构的运动简图如图 2 7 所示 13 max max 图 2 7 运动简图 2 6 2 不带操作架的直连杆机构不带操作架的直连杆机构 这种结构一般用在叶片数为 4 5 的大型机组 它的结构比带操作 架的机构紧凑 重量轻 但转轮体加工工序比较复杂 周期长 其结构 特点如下 1 取消操作架 连杆和转臂由接力器活塞直接带动 2 活塞上下运动由装在活塞上的套筒和装在转轮体的铜套引导 3 采用耳柄式的整体连杆 这种结构的运动简图见 桨叶操作系统原理图 根据 水轮机设计手 册 要求 故采用这种结构 且采用这种结构可以减少维修的工作量和 转轮体的重量 符合现代转桨式转轮的发展要求 14 2 6 3 带操作架的斜连杆机构带操作架的斜连杆机构 这种结构多采用于叶片数较多的转轮中 其结构特点如下 1 叶片转角在中间位置时 转臂与连杆都有较大的倾斜角 运 动中操作架受较大的圆周分力 限制操作架的导向键的数量和接触面积 都比直连杆多 2 转臂有效臂长增加 接力器直径可缩小 行程增大 3 耳柄与操作架在固定螺帽处有卡板限位 这种结构的运动简图如图 2 8 max max 图 2 8 运动简图 在转桨式转轮设计应力求减少轮毂比 即缩小转轮体的相对尺寸 同时减少转轮的重量 本次设计对叶片操作系统的选择已力求满足上述 要求 15 2 7 座环座环 与混凝土蜗壳连接的座环型式很多 本设计中采用的是整体结构的 座环 其铸造应符合一般大部件的铸造技术条件 材料为 ZG30 其制造 质量要求为 a 所有过流表面打磨光滑 相当于光洁度 3 b 固定导叶进口端节距误差不超过 0 0015Da c 顶盖与底环把合面平行度误差不超过 0 025 毫米 d 分瓣结构的合缝面光洁度为 5 合缝面间隙一般不超过 0 05 毫米 局部允许有 0 15 0 3 毫米间隙 深度小于接合缝的 1 3 长度不超过接合缝总长的 1 5 座环尺寸如表 2 7 其符号代表意义如图 2 9 所示 表 2 7 座环尺寸 参数符号数值 mm 参数符号数值 mm Db Da k R 6000 6900 75 400 H1 b0 20 1820 300 31 50 图 2 9 座环 16 2 8 控制环控制环 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 ZG30 铸造 其结构尺寸见下表 2 8 表中参数符号 所代表的意义如下图 2 10 所示 大耳环处尺寸见表 2 9 表中参数符号 所代表的意义如下图 2 11 所示 小耳环的结构如图 2 12 所示 表 2 10 给出了小耳环处的尺寸 表 2 8 控制环尺寸 参数符号数值 mm 参数符号数值 mm DC Z0 Dy 3600 24 3750 R S 95 30 图 2 10 控制环 表 2 9 大耳环处尺寸 参数符号数值 mm 参数符号数值 mm d1 d2 d3 140 135 290 h1 h2 55 160 17 图 2 11 大耳环 图 2 12 小耳环 表 2 10 小耳环处的尺寸 参数符号数值 mm d2 h1 R 90D 80 95 2 9 顶盖与支持盖顶盖与支持盖 顶盖与支持盖是水轮机的主要部件 要求有足够的强度和刚度 因 此再此次设计中采用了焊接顶盖 材料 ZG30 支持盖和顶盖分别见下 18 图图 2 13 和图 2 14 图 2 13 顶盖 图 2 14 支持盖 2 10 底环底环 底环是一个扁平的环形部件 固定于座环上 设计时主要考虑刚度 不作强度计算 底环都采用 ZG30 铸造 而且由于本次设计对象所处的 流域属于多泥沙河流 故在底环的过流表面应铺设抗磨板 本次设计中 的抗磨板采用 18 毫米厚的 A3 钢板 底环结构见下图 19 图 2 15 底环 2 11 主轴主轴 主轴是水轮机的主要部件 它的毛坯采用 ZG20MnSi 整锻而成 由 于本机组属大中型轴流式水轮机 因此主轴内装有操作油管 主轴必须 有中心孔 主轴与转轮连接结构采用转轮上盖与主轴法兰分开结构 主 轴一端与发电机相连 另一端与转轮相连 根据 2 32 3 确定的主轴直径查 得主轴的尺寸如表 2 11 其符号代表意义如图 2 16 所示 表 2 11 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 D D Db Dp D2 D3 d d db d1 750 1150 970 770 1140 0 740 740 85 87 d2 h h1 l l1 l2 s s1 a m 122 160 190 40 55 10 190 250 20 R R1 R2 R3 f Z c c1 c2 100 10 250 5 1 5 18 14 18 3 20 db db d D3 D D2 DP D D D3 d h1 m 45 s1 s l1 l c1 2 45 d2 60 m d1 s a s1 R2 f 45 R R1 60 d1 h c2 c m l2l1 水轮机端 Db Z 15 Db Z 图 2 16 主轴 21 2 联轴螺钉的结构 根据主轴的外径选取连轴螺钉的尺寸如表 2 12 其符号所代表的意义如 图 2 17 所示 表 2 12 联轴螺钉 参数符号数值 mm 参数符号数值 mm D l l l0 l1 l2 l3 l5 l5 db D h d1 d2 S M80 4 400 375 200 80 90 90 320 295 85 120 55 74 72 105 d3 d4 d5 d6 d7 R R1 E K1 K2 m m1 C C1 L 26 M16 10 17 8 5 3 20 8 12 6 20 8 2 45 db C1 45 l h R S D 图 2 17 联轴螺钉 22 2 12 主轴密封主轴密封 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 这一种密封的 结构形式很多 如盘根 垫料式密封 单层或双层橡胶密封 径向式端 面碳精块 尼龙块 密封 水泵密封等等 在本次设计中采用的是水压 式端面密封 其结构见下图 2 18 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 采用的压缩空气压力是 4 7 公斤 厘米 2 其所采用的围带的剖面尺寸见下图 2 19 排水 压力水 图 2 18 水压式端面密封 23 25 0 2 图 2 19 空气围带式密封 2 13 水导轴承水导轴承 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 实践 表明轴瓦与轴径都有不同程度的磨损 不如油轴承运行稳定 振摆小 稀油润滑带有转动油盘 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 本电站水质不干净 清洁水源少 所以采用了稀 油润滑筒式轴承 1 轴瓦高度 L 轴瓦高度与直径的比值都在 0 5 1 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 375 750 毫米 参照 水轮机设计手册 中的表 13 14 最终取 L 500mm 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 500 700 实践表明上油效果很好 在体外 冷却的方式中 采用 500 所以本次设计中取 500 24 图 2 20 水导轴承 图 2 21 油槽升角 3 油槽截面尺寸和槽数 为了减少润滑油在油槽中的阻力 并保证相邻油槽间的瓦面上都能 得到充分的润滑油 形成油膜 故采用下图所示的油槽形状 25 图 2 22 油槽截面 表 2 13 油槽截面尺寸 参数符号数值 mm 参数符号数值 mm a b c E 7 20 12 2 R1 R2 Z 1 2 5 6 4 轴承体上合金浇注层槽形 轴承体上合金层不宜太厚 较厚的合金层不仅增加合金材料的消耗 也会导致瓦面受热后相对变形增大 影响轴承间隙 增加磨损 目前设 计中一般取 毫米 毫米 13 6 4 a 合金层厚度 毫米 a 斜油槽的深度 毫米 合金浇注槽的尺寸如表 2 14 其符号所代表的意义见下图 2 23 所 示 表 2 14 合金浇注槽的尺寸 参数符号数值 mm 参数符号数值 mm h L1 L2 l1 13 4 20 127 12 H Z Z1 R c 30 16 3 4 3 26 l250 L1L2 L l2 H e h L1 2 按中心线Z等分 l1 Z1 C 45 DP 图 2 23 合金浇注槽 5 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 3 0 1000 7502 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 6 冷却方式与冷却装置的确定 在本次设计中选用了体外冷却的方式 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转而飞溅出来 在本机组上 挡油箱采用钢 27 板焊接 把合在轴承体上 7 确定稀油润滑筒式轴承的尺寸 查 水轮机设计手册 确定稀油润滑筒式轴承的尺寸如下表 2 15 表中参数符号所代表的意义如下图 2 24 所示 表 2 15 稀油润滑筒式轴承尺寸 参数符号数值 mm 参数符号数值 mm DP L Da Db Dd h H b 770 550 1250 1300 1020 330 660 40 0 4 t E F t1 Z0 d0 Z2 d2 4 5 1 5 2 60 10 24 M36 4 6 M36 t 1 d0 Z0 d2 Z2 e 2 S1 S2 Da DP Db Dd E 图 2 24 稀油润滑筒式轴承 28 3 导水机构的设计导水机构的设计 3 1 导水机构的配合公差与间隙 导水机构的配合公差与间隙 1 导水机构的配合公差 导水机构的零件公差精度一般在 2 4 级 此外 关于导叶开口公差 一般规定在最大可能开口下误差不超过2 2 配合间隙 导叶立面间隙 立面不装密封橡皮条时 一般间隙为零 由于本机 组是大型机组 因此允许在导叶高度约 1 4 的范围内有不大于 0 15 毫 米的局部间隙 导叶与顶盖及底环配合面的端面间隙 根据水轮机的转轮直径与使 用水头查表得导叶的端面间隙为 0 45 0 95mm 该间隙值是指上下端面 间隙相等的单边间隙值 具体设计选用时 即要考虑顶盖刚度对导叶端 面间隙的影响 还应考虑导叶在水压力作用下可能向上浮起 使间隙减 少 局部间隙值 环形部件的合缝面应贴合 对于本机组来说 一般局 部间隙不应大于 0 15mm 间隙深度不应大于测量方向的 1 3 长度不 超过合缝面总长的 20 3 2 导水机构的装配尺寸导水机构的装配尺寸 查 水轮机设计手册 导水机构的装配尺寸大小如表 3 1 其符号 代表意义如图 3 1 所示 表 3 1 导水机构的装配尺寸 参数符号数值 mm 参数符号数值 mm D0 Z0 Dc 5250 24 42o 3600 LH lp lc Dy 600 300 491 3750 29 DC Dy D0 Z0 lc LH lp 图 3 1 导水机构 3 3 导叶导叶 导叶的材料采用 ZG20MnSi 铸造 1 叶形 由于对称形导叶一般使用于具有不完全包角的高比转速轴流式水轮 机中 故本设计中采用对称形的叶形 由 水轮机设计手册 中查得对 称形导叶叶形的断面参数如表 3 2 其符号所代表的意义见下图 3 2 所 示 30 表 3 2 导叶叶形的断面尺寸 参数符号数值 mm 参数符号数值 mm D1 D0 Z0 a b c d e d0 m k 4500 5250 24 66 6 80 8 84 1 80 8 73 3 126 6 67 6 7 r R1 R2 R3 f L1 L2 L q t 52 3 176 138 315 73 379 404 783 20 10 图 3 2 导叶叶形断面 2 导叶开度计算及绘制导叶布置图 根据水轮机的型号 转轮直径 确定最大可能开度所要求的接力器 行程 从而确定传动系统的参数 原始资料 水轮机型号 ZZ440 LH 450 转轮直径 4500mm 1 D 设计水头 28m r H 31 设计流量 153m3 s r Q 额定转速 150r min r n 所以额定工况时的单位转速和单位流量分别为 min 6 127 28 5 4150 1 1 r H Dn n r r r 1430 43 1 285 4 153 3 2 2 1 1 slsm HD Q Q r r r 根据查 ZZ440 LH 450 综合特性曲线得模型得最大开度 rr Qn 11 8 19 max0 mma M 因为 24 0 M Z24 0 Z 5250 0 mmD 7 244 0 mmD M 所以换算成真机的最大开口值为 354 7 244 5250 8 19 0 0 max 0max0 mm D D aa M M 真机的最大可能开度为 7 37135405 1 05 1 max0 mmaa 最大可能 取设计水头下的单位转速与最优效率点对应的开口值为最优开口 y a0 根据设计水头下的单位转速查模型特性曲线得 r Hmin 6 127 1rn r 17 0 mma My 所以真机得最优开口为 304 7 244 5250 17 0 0 00 mm D D aa M Myy 3 导叶的结构系列尺寸和轴颈选择 导叶的轴颈可按机组的转轮直径 D1 使用水头 H1 指最高水头 32 导叶的相对高度 b0 D1 从手册中初选轴颈 db 选得 db 190 mm 再 根据 db 190mm 从手册中查得导叶结构的其它尺寸如下表 3 3 其符号 所代表的意义见下图 3 3 所示 表 3 3 导叶结构的尺寸 参数符号数值 mm 参数符号数值 mm db da d1 dc d2 dm d3 d4 d5 hA 190 150 200 170 180 50 M42 51 168 5 150 hB hc h1 h2 h3 h4 h5 H参考 R1 R2 220 325 25 190 80 18 8 980 95 75 R2 R2 R1 R1 dm da hA d5 h4 db d1 h1 h1 hbh1 d2 H h3 d5 d3 d4 h2 hc dc 图 3 3 导叶结构 33 4 导叶的密封结构 导叶关闭后 导叶体的立面应该很好的密封 由于本机组属于中型低水 头的机组 因此采用圆橡皮条直接镶入鸽尾槽内封水 这种结构制造简 单 但只适用于 40 米水头以下的机组 因为水头太高会把圆橡皮条冲 掉 圆橡皮条和鸽尾槽的尺寸如表 3 4 其符号所代表的意义如图 3 4 所示 表 3 4 圆橡皮条和鸽尾槽的尺寸 参数符号数值 mm d a b c 16 9 9 5 2 2 图 3 4 导叶的密封结构 34 3 4 导叶套筒导叶套筒 导叶套筒是固定导叶上中轴套的部件 一般都采用 HT21 40 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不是很高 所以不考虑 在导叶套筒上增设导叶止推装置 本次设计中采用的套筒的尺寸大小如 下表 3 5 其符号所代表的意义如下图 3 5 所示 表 3 5 导叶套筒尺寸 参数符号数值 mm 参数符号数值 mm db d1 d2 d3 d4 d5 d6 d7 d8 190 470 310 190 210 220 420 32 8 d9 d10 h h1 h2 h3 Z H参考 315 M20 45 40 190 85 8 690 d1 d3 h H d5 d2 h1 d4 h3h2 z d7 d6 图 3 5 导叶套筒 35 3 5 导叶轴颈密封及其轴套导叶轴颈密封及其轴套 1 导叶轴颈密封 导叶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 其尺寸大小如表 3 6 其 符号所代表的意义如下图 3 6 所示 表 3 6 L 型密封尺寸 参数符号数值 mm 参数符号数值 mm db d d1 d2 190 196 184 240 h 1 2 18 4 4 2 1 D d2 h R2 R5 图 3 6 L 型密封 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 其尺寸大小如表 3 7 其符号所代表的 意义如下图 3 7 所示 表 3 7 O 型密封圈尺寸 参数符号数值 mm db D d 190 150 10 36 d D 图 3 7 O 型密封圈 2 导叶轴套 导叶轴套大多数都采用铸锡青铜铸造 加注黄油润滑 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 本次设计中采用复合轴套 即采用 HT18 38 作套 内表面涂复尼龙 1010 制成复合轴套 导叶各轴径尺寸 由 水轮机设计手册 162 页表 8 22 至表 8 24 可查出 表中 值指复 合轴套尼龙层厚度的参考值 a 上轴套尺寸系列如表 3 8 其符号所代表意义如下图 3 8 所示 表 3 8 上轴套尺寸 参数符号数值 mm 参数符号数值 mm dc d1 d2 d3 d4 170 170 190 189 6 230 h h1 h2 85 8 12 1 d3 d2 d1 h2 h1 d4 图 3 8 上轴套 37 b 中轴套尺寸系列如表 3 9 其符号所代表的意义如下图 3 9 所示 表 3 9 中轴套尺寸 参数符号数值 mm 参数符号数值 mm db d1 d2 d3 d4 190 190 210 209 6 220 h h1 h2 d5 190 40 8 8 1 4 d5 h2 h h1 d4 d1 d3 图 3 9 中轴套 c 下轴套尺寸系列如表 3 10 其符号所代表的意义如下图 3 10 所示 表 3 10 下轴套尺寸 参数符号数值 mm 参数符号数值 mm da d1 d2 d3 150 150 170 169 6 h h1 150 8 1 38 h h1 d3 d1 d2 图 3 10 下轴套 3 6 导叶的传动机构设计导叶的传动机构设计 由于叉头传动机构的受力情况良好 适用于大 中型机组 所以在 本次设计中采用了叉头传动机构 叉头传动机构主要由导叶臂 连接板 叉头 叉头销 连接螺杆 螺帽 分半键 剪断销 轴套 端盖和补偿环等组成 叉头传动机构的 各个部件的尺寸主要根据接力器直径选定 先根据第二章计算得出的接 力器直径选得的叉头传动机构的装配尺寸如下表 3 11 所示 表 3 11 叉头传动机构装配尺寸 参数符号数值 mm 参数符号数值 mm dc Z0 d1 dn 550 24 M64 4 80D dc dcn d2 h h1 60D4 dc4 90D3 jd 60 80 然后根据叉头传动机构装配尺寸查出传动机构的各个零件尺寸 叉 头传动机构结构图与尺寸如下 1 导叶臂结构尺寸 由于本机组水头较低 不考虑导叶在水压作用下的浮力 不需要 止推装置 故采用不带止推槽的导叶臂 导叶臂尺寸如表 3 12 其符号 39 代表意义如下图 3 11 所示 导叶臂销尺寸如表 3 13 表 3 12 导叶臂尺寸 参数符号数值 mm 参数符号数值 mm db Dc D1 D2 D3 D4 d2 dm d3 d4 190 170D 260d 280 255 280 215 50D M24 32 H L1 h1 h3 e K R1 f1 T 230 0 4 190 22 40 60 10 25 1 5 0 3 dcn C1 45 f1 45 D2 h L1 h1 e k d4 120 f1 45 D1 H d3 R1 DC d2 dm R 图 3 11 导叶臂 40 表 3 13 导叶臂销孔尺寸 参数符号数值 mm 参数符号数值 mm dcn R B 60D 95 230 C1 h h1 1 5 60 80 2 连接板的结构 连接板尺寸如表 3 14 其符号代表意义如下图 3 12 所示 表 3 14 连接板的结构尺寸 参数符号数值 mm 参数符号数值 mm D1 R1 K Dcn D2 d1 d2 260D 158 0 02 60D4 90D3 120 M20 R2 h h1 l l1 l2 c 65 60 80 25 90 1 5 2 45 c 45 lp 1 7Dcn lp l2l1 d1 h1 d2 1 45 Dcn c1 45 l c 45 2 45 h D1 R2 R1 图 3 12 连接板 41 3 叉头的结构 叉头的尺寸如表 3 15 其符号代表意义如下图 3 13 所示 表 3 15 叉头尺寸 参数符号数值 mm 参数符号数值 mm d1 d2 d3 d4 H h h1 M64 4 80D 75D 115 160 100 30 L L1 R r r1 c1 s 170 105 70 15 8 2 24 h H h1 S R d2 C1 45 C1 45 d3 L1 r1 r d4 d1 C1 30 图 3 13 叉头 4 连接螺杆的结构 连接螺杆的尺寸大小如表 3 16 其符号代表意义如下图 3 14 所示 表 3 16 连接螺杆的尺寸 参数符号数值 mm 参数符号数值 mm d1 d2 d3 s l M64 4 70 58 60 150 b b1 r c 26 8 2 3 42 l d1 b1 d2 b C 45 d1 左 d3 l L S r 图 3 14 连接螺杆 5 轴套的结构 轴套的尺寸大小如表 3 17 其符号代表意义如下图 3 15 所示 表 3 17 轴套尺寸 参数符号数值 mm 参数符号数值 mm dn d2 d1 80D 90jd 95 h h1 c 88 8 2 5 d1 C 45 h1 h dn d2 C 45 图 3 15 轴套 43 6 分半键的结构 水轮机设计手册推荐使用的 b 型式的分半键 其结构尺寸大小如表 3 18 其符号代表意义如图 3 16 所示 表 3 18 分半键尺寸 参数符号数值 mm 参数符号数值 mm dc dm L B l1 l2 h 170 50 190 48 240 195 8 b K c b1 h2 h3 h4 23 05 5 1 5 27 45 20 32 8 l1 hh k b B h4 C 45 h2 b1 斜度1 100 L dc dm h3 图 3 16 分半键 7 剪断销的结构 剪断销的尺寸如表 3 19 其符号代表意义如图 3 17 所示 表 3 19 剪断销的尺寸 参数符号数值 mm 参数符号数值 mm Dcn d d2 d3 d4 b b1 60dc4 25 59 65 60 5 4 r h1 h2 h l L 1 5 5 5 13 60 56 133 44 倒圆角R0 5 R1 60 b1 r bh1 d4 d1 Dcn d L 15 lh 45 d3 0 5 45 图 3 17 剪断销 8 叉头销的结构 叉头销的尺寸大小如表 3 20 其符号代表意义如下图 3 18 所示 表 3 20 叉头销