【《某水电站水轮机主要部件的结构设计计算过程案例》3500字】

某水电站水轮机主要部件的结构设计计算过程案例目录TOC\o"1-3"\h\u22085某水电站水轮机主要部件的结构设计计算过程案例 1151.1转轮 1142681.1.1止漏环 2219571.1.2泄水锥 3163671.1.3减压装置 3149271.2基础环 4203541.3座环 5138561.4蜗壳 6138421.5尾水管 6265061.6主轴密封 864421.7水导轴承 8257001.8顶盖 101.1转轮转轮是整个水轮机机组的核心，转轮的具体功能就是利用水流的动能和势能进行转动，是机组中的原动件，其转动后通过别的机构带动机组主轴转动再带动发电机轴转动，从而发出电能，一系列运转最终完成水流的动能和势能转变为发电机组的动能，再到最后转变为电能，然后并网。混流式水轮机的转轮由三部分组成，这三部分分别是，叶片，转轮，和上冠。开设减压孔来减小水推力是现在的机组中常用的方式。主轴和上冠用联轴螺栓相连接，泄水锥和下半部分相连接。通常需要在转轮下环部分设计止漏环。转轮的设计既可以选择焊接也可以选择铸造。司贝尔水电站转轮材料根据文献[2]P521附表可查询为ZG30铸钢。再根据P229表10-7选择转轮尺寸，结果如表3-1。图3-1转轮尺寸图1.1.1止漏环止漏环目前常用型式有迷宫式，梳齿式和缝隙式三种。止漏环的作用是减少机组的容积损失。当电站水头小于200米时，一般应该选用缝隙式或者迷宫式的止漏环，在清水水域的电站可选用迷宫式止漏环，当水域中泥沙含量较高时，则应该选用缝隙式止漏环。在电站的水头大于200米时，通常选用梳齿式止漏环。在电站的运行过程中难免会有泥沙的磨损和空化空蚀现象发生，所以止漏环的更换和维修是机组检修过程中的重要任务，因此设计一个符合机组运行环境的好的止漏环也是设计过程中的重要任务，既要保证止漏环的使用寿命，也要保证电站的经济效益，这对设计者是一个不小的考验。止漏环在设计制作时可以直接与本体焊接在一起，但这种方式制作的话，本身的焊接工作量较大，而且直接在本体上焊接会导致本体发生形变，改变其尺寸，影响整个机组的运行情况。那么一般采用另一种制作方式，就是将止漏环自身焊接完整之后，再套入到机组上，一般来说，套入到机组中的止漏环不能再进行加工，而且需要保证一定的余量，但是这种配合方式经过研究表明能使止漏环所受的压力和应力更加均匀。司贝尔水电站的最高水头没有超过200米，且电站所在水域中泥沙含量较高，所以本次设计应该选用缝隙式止漏环。止漏环制作时有多种材料可以选用，一般有ZG30铸钢和A3钢板两种材料使用，所以本次设计选用ZG30铸钢为制作材料。考虑到拆卸时的难易程度，本次司贝尔水电站设计中的止漏环选用红套固定方式。表3-2及表3-3为止漏环尺寸。图3-2上冠止漏环图3-3下环止漏环1.1.2泄水锥本次司贝尔水电站设计，使用焊接的方式固定泄水锥，泄水锥的具体型式需满足使用需要，此外无具体特殊要求，故此次设计型式可参考图3-1的转轮尺寸图。1.1.3减压装置减压装置是用来排水的，它和排水装置相互配合，排水装置的作用是排出水，但仅靠排水装置不能将所有的水排出，所以需要减压装置相互配合，减压装置可以将排水装置未排出的水排出，达到减小轴向水推力的目的，因此本次电站设计需要设计合适的减压装置配合排水。减压装置可以设计成转轮泄水孔或者顶盖排水管两种，本次设计采用较为简单的转轮泄水孔形式。从减压装置中排出的漏水会直接排到尾水管。减压装置的设计如图3-4，其中，泄水孔开成顺水流方向，倾斜角度设计为20°。图3-4泄水孔1.2基础环基础环在混流式水轮机中的作用是连接座环和尾水管进口锥管段。是埋设在混凝土中的一种基础部件。其内部有着转轮的下环在其中转动。司贝尔水电站的水轮机转轮直径为7m，属于大中型水电机组，所以该基础环应该用钢板焊接制作，其上法兰用螺钉与座环把合，尾水管进口锥管段与其下法兰之间也采用螺栓连接，基础环钢板厚度的选取可以参考控制环，基础环本身受力并不大，所以本次设计的基础环钢板厚度应该取40mm。本次设计将连接螺栓倒置放置，这样可以方便安装，在安装之后，螺栓和基础环一起用混凝土浇筑，之后将无法拆卸。下法兰与尾水管进口锥管段之间的螺栓外部设计有外壳保护，因此在安装后可以拆卸，未被混凝土浇筑。为了方便转轮的安装和调整转轮的水平，在转轮下环与基础环的下法兰中间留出间隙，此间隙大小根据参考文献[2]P126表7-4查得。基础环具体的结构尺寸参照表3-4、图3-5：图3-5基础环1.3座环座环是混流式水轮机的基础部件之一，其需要承担水流提供的压力，同时还需要承担整个机组的重量和机组段混凝土的全部重量。所以座环的设计要求有较大的强度以及较好的承重能力。座环由上环，下环和固定导叶共同组成。目前一般有与混凝土蜗壳相连接的和与金属蜗壳相连接的座环两种形式。司贝尔水电站选用金属蜗壳，因此座环也采用与金属蜗壳相连接的座环，因为司贝尔水电机组是大中型水电机组，因此全焊结构，全焊结构的加工量小，用料较少，较为适用与大中型水电机组。铸造材料决定采用ZG30铸钢。全焊结构的座环带蝶形边，蝶形边的座环与蜗壳采用对接焊缝连接，但蝶形边厚度和蜗壳的钢板厚度一般是不一致的，这会导致在接缝处座环的强度下降，在蝶形边采用铸钢而蜗壳使用低合金钢板时这一问题尤为明显，所以蝶形边的设计需要采用加强措施。同时需要通过计算水力和强度来确定座环的固定导叶断面形状以及其分布位置和数量。在座环下部设置地脚螺钉来方便安装时拆卸与检修。司贝尔水电站座环结构尺寸见表3-5与图3-7：图3-7座环1.4蜗壳蜗壳根据制作材料不同分为两种，混凝土蜗壳在低水头电站中较为经济实用，而另一种通常来说造价更高的金属蜗壳在高水头电站中反而比混凝土蜗壳更实用。一般来说，混凝土蜗壳适用于水头小于40m的机组，因为在水头超过40m的机组中，如果要使用混凝土蜗壳，则需要加入大量的钢筋以及金属板里衬，此时混凝土蜗壳的成本极有可能超过金属蜗壳。本次司贝尔水电站的设计水头为92.8m，远大于40m，如果使用混凝土蜗壳则成本会大大增加，所以此处选用金属蜗壳[12]。蜗壳可以提高水轮机的运行效率，其工作原理是将水流导向引水机构的同时减小水利损失。在运行时将水流导入一定环量，保证水流进入转轮后的受力均匀，使导水机构内的水流量均匀分布，还要确保空气不仅如此转轮对机组造成破坏。司贝尔水电站设计水头为92.8m，为了简化制作工艺，本次设计采用ZG30铸钢整体铸造的金属蜗壳[12]。本次设计中未明确表示蜗壳结构，仅做示意图以供参考[7]。1.5尾水管1.5.1尾水管根据参考文献[1]P165，本次设计钟机组属于中高水头的大中型机组，决定采用圆形断面的直锥形的尾水管[10]。1.参考经验公式，计算得出尾水管出口速度V5：V2.计算尾水管出口断面面积F5和尾水管直径D5FD1.确定锥角θ根据要求，要求扩散管中水力损失最小，则此处取θ=6°。1.5.2尾水管里衬尾水管在水流流过时会受到冲击，有可能会对混凝土造成损坏，因此，一般需要在水流流速为6m/s的范围内铺设尾水管里衬，在水头大于200m的尾水管中，其肘管段也应该设有里衬，司贝尔水电站最大水头并未超过200m，故此次设计不需要在肘管段设置里衬，只需要进口锥管段设计里衬即可。因为水流在尾水管中的流动情况随机组工况变化，并不稳定，所以会造成一定程度的振动，故里衬在设计时必须保证一定的厚度和刚度，在安装过程中，为了保证其运行时的稳定，还应该设置拉筋焊在外壁的环筋和竖筋上，然后将拉筋浇灌进混凝土基础以提高运行时的稳定性。尾水管里衬的钢板厚度根据机组的转轮直径决定，具体数值可参照参考文献[2]表7-2，本次设计取尾水管里衬厚度δ=16mm，如图3-8与表3-6所示。图3-8尾水管里衬1.6主轴密封根据《水轮机设计手册》p372并结合司贝尔水电站实际资料，本次设计在机组正常运行时轴承压力水箱采用单层橡胶密封，轴承下方采用水压式端面密封，水压式端面密封结构特点与使用弹簧的机械式类似，但利用水压力代替弹簧力，目前使用时机组反应效果良好。机组检修时采用围带式检修密封。水压式端面密封形式参考图3-9，围带式检修密封形式参考图3-10.图3-9水压式端面密封图3-10围带式检修密封1.7水导轴承水轮机有很多种形式的轴承，比较常用的有四种。水润滑橡胶轴承，稀油润滑筒式轴承，分块瓦轴承以及毕托管上油方式轴承。根据水质及主轴轴径的不同选择合适的轴承，参考文献[2]P345表13-1，因为司贝尔水电站的泥沙含量较多，本次设计中选择稀油润滑筒式轴承，其结构简单运行可靠，刚性好，但检修不如水轴承方便。油槽升角β此处取55°。稀油润滑的筒式轴承具体的结构如图3-11所示。图3-11稀油润滑式水导轴承

1.8顶盖顶盖是水轮机的主要部件，它的设计需要保证足够的