水輪機畢業(yè)設計說明書參考模板

目錄摘要 41前言 52水輪機選型設計 62.1水輪機臺數(shù)及型號的選擇 62.2初選額定工況點 72.3確定轉輪直徑 72.4額定轉速的確定 82.5效率及單位參數(shù)修正值 82.6檢驗所選水輪機的實際工作區(qū)域 92.7確定導葉開度 112.8計算額定流量 112.9確定水輪機的吸出高度 112.10計算水輪機飛逸轉速 162.11估算軸向水推力 162.12估算水輪機質量 162.13繪制水輪機運轉綜合特性曲線 173蝸殼水力設計 213.1概述 213.2蝸殼類型的選擇 223.3金屬蝸殼主要參數(shù)的確定 223.4金屬蝸殼水力設計計算 234尾水管設計 294.1尾水管的作用及類型 294.2尾水管類型的選擇 294.3繪制尾水管水力單線圖 305水輪機導水機構運動圖的繪制 305.1導水機構的作用及類型 305.2繪制導水機構運動圖的目的 305.3徑向式導水機構運動圖的繪制 316水輪機結構設計 356.1概述 356.2轉輪的結構設計 366.3導葉的結構、系列尺寸和軸頸選擇 386.4導葉的傳動機構 386.5導水機構的環(huán)形部件設計 396.6真空破壞閥 406.7主軸的設計 416.8軸承的結構 436.9補氣裝置 436.10主軸的密封 447導葉加工圖的繪制 458蝸殼強度計算 468.1對金屬蝸殼的受力分析 468.2編程進行強度計算 499結論 54總結與體會 55謝辭 55參考文獻 56摘要本次設計是在給出仙溪水電站原始資料的情況下，為電站進行水輪機選型設計，并繪制出運轉綜合特性曲線。從最大水頭考慮，初步選定了和HL220/A153兩個轉輪型號，然后從機組的運行穩(wěn)定性和經(jīng)濟性（電站開挖量）對兩個轉輪進行綜合比較分析，最終確定出水輪機型號為，機組臺數(shù)為兩臺。在此基礎上，完成蝸殼及尾水管的水力設計及單線圖的繪制、導水機構運動圖的繪制、水輪機總裝圖的繪制、水輪機導葉零件圖的繪制以及蝸殼的強度計算等設計任務。關鍵詞：水輪機；選型設計；結構設計；強度計算AbstractBasedonthegivenoriginaldataofXianXihydroplant,thetypeselectiondesignofthishydropowerstationisputup,andtheperformancecombinedcharacteristiccurveofturbineisplotted.Byconsideringthemaximumhead,HL240/D41andHL220/A153arechosenprimarily.Afterwards,thehydraulicturbinetype,whichisHL220/A153-LJ-140,andthenumberofunitsistwo,areselectedbygeneralcomparisonandanalysisofthestabilityandeconomyaboutthetworunners.Basedontheresult,hydrauliccalculationandneatlinesofcasinganddrafttube,themovementdrawingoftheguideapparatus,theturbineassemblydrawingandpivotedguidevanedrawinghavebeenaccomplished.Theintensitycalculationofpivotedcasinghasbeenfulfilled.Keywords：HydraulicTurbine;TypeSelectionDesign;StructureDesign;IntensityCalculation1前言現(xiàn)代電力工業(yè)中，絕大部分發(fā)電量是由葉片式流體機械承擔的，所以水力機械（水輪機、水泵）在國民經(jīng)濟中的地位和作用是非常重要的。我國的水力資源非常豐富，水能又是清潔可再生能源，開發(fā)水能是實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的重要條件[3]。目前，我國水力機械事業(yè)的發(fā)展與世界發(fā)達國家還有一定的差距，因此在開發(fā)、設計、制造運行管理及人才培養(yǎng)等方面，還需加倍努力。畢業(yè)設計是大學畢業(yè)前的最后一門實踐性教學環(huán)節(jié)，系統(tǒng)的勾畫出了所學專業(yè)的相關知識結構，是將學習者從理論思想中引向實踐操作的無形橋梁。通過本次設計，能讓學習者對專業(yè)知識有更進一步的掌握，科學的反映出在之前學習中的各種問題，從而達到對知識結構的統(tǒng)一化，具體化，加強對所學知識的綜合運用，并熟悉各種計算機應用軟件的實際操作等，為即將走向工作崗位并能更快的適應的同學打下堅實的基礎。此次設計是根據(jù)所給定電站的已知參數(shù)（如裝機容量、水頭、電站海拔高度等），對仙溪水電站進行水輪機的選型設計，在水輪機型號選定后，對水輪機的相關參數(shù)進行了計算，并繪制了水輪機運轉綜合特性曲線。在此基礎上，根據(jù)相關尺寸作出水輪機蝸殼及尾水管的水力設計及單線圖的繪制、導葉的強度計算、導水機構運動圖的繪制、水輪機總裝圖的繪制和水輪機導葉零件圖的繪制等一系列任務。2水輪機選型設計2.1水輪機臺數(shù)及型號的選擇2.1.1原始資料額定水頭；平均水頭；最大水頭；最小水頭；水電站海拔高程；電站裝機容量；電站引用流量該電站離負荷中心較遠，有季節(jié)性調節(jié)水庫，在系統(tǒng)中擔任基荷。2.1.2在水電站裝機容量已定的情況下，機組臺數(shù)的確定，也就是單機容量的確定。有時時與水輪機型號的選擇及其主要參數(shù)的計算同時進行的，這實際上是一個技術經(jīng)濟比較的過程。機組容量越打，機組尺寸也就越大，給水輪機的制造及運輸帶來困難，更為重要的是，單機容量在電力系統(tǒng)中占的比重不能超過電力系統(tǒng)安全、靈活的運行所允許的容量大小，不能超過系統(tǒng)的事故備用容量大小。而電站機組臺數(shù)越多，越便于部分負荷時的機組負荷分配，可以使得水輪機避開在低效率區(qū)域運行，使得平均運行效率得以提高，同時也便于安排機組的檢修等工作。但機組臺數(shù)多，電站相應的維護工作量大大增加，操作次數(shù)就越多，出現(xiàn)故障的概率也就越大。所以綜上分析，此次總裝機容量為3萬千瓦的電站選用兩臺機組為比較適合，即為單機容量為1.5萬千瓦。2.1.3水輪機型號的選擇水輪機型號的選擇主要是根據(jù)水電站的特征水頭，特別是其最大水頭來選擇的。通常情況下，水輪機型號是根據(jù)水輪機的型譜性能參數(shù)進行選擇的；若在交界的水頭范圍，也就是某一水頭范圍有2種及其以上的轉輪型號可選擇時，就需要進行綜合比較分析后才能確定到底選用哪一種型號更合適。仙溪水電站的最大水頭，考慮到混流式水輪機具有比轉速高、機組尺寸小、造價低，水頭可以全部利用以及滿載時效率高等優(yōu)點，而適合該水頭的水輪機主要以混流式為主，因此初選水輪機模型轉輪型號為：和。下面將進行一系列的計算比較之后，最終確定一種最理想、最合適的水輪機型號。2.2初選額定工況點對已選定的水輪機轉輪型號，查出其模型綜合特性曲線。由于所選機組為和，在[1]中分別查出他們的額定工況點為：n11r=n11mo=77r/min,與5%功率限制線交點處的流量Q11r=1.098m3/和：n11r=n11mo=71r/min,與5%功率限制線交點處的流量Q11r=1.068m3/s。2.3確定轉輪直徑HL240/D41：P=式中：Pg—發(fā)電機額定功率，15000KWηg—發(fā)電機效率，取0.96計算得：P=20833KW轉輪直徑計算公式為：D1=式中：P—水輪機的軸功率，15625KW；—真機單位流量，1.098m計算得D1=1.36m查表1.1取D1=1.4mHL220/A153：依照以上算法求得D1=1.38米查表1.1取D1=1.4m表1.1轉輪公稱直徑D1尺寸系列（單位：cm）253035404250607180841001201401601802002252502753003303804104505005506006507007508008509009501000————2.4額定轉速的確定計算額定轉速時，一般希望加權平均水頭HW的單位轉速接近于最優(yōu)轉速n110,從而使水輪機大部分時間運轉在高效區(qū)。HL220/A153：額定轉速的計算公式：n=式中：n11r—額定單位轉速，71r/minHW—加權平均水頭，99.2D1—轉輪直徑，1.計算得：n=505.1r/min查表2.2得n=500r/minHL240/D41：計算得：n=547.8r/min查表2.2得n=500r/min或n=600r/min當n=500r/min時n11r=73.37r/min,當n=600r/min時n11r=88r/min，進行工作范圍檢查，Hmax對應的n11min=73.94r/min,Hmin對應的n11max=86.81r/min。此兩條直線不包含最優(yōu)效率區(qū)，不合理舍去。表2.2水輪發(fā)電機額定轉速系列表p234567891012n/(r*min-1)15001000750600500428.6375333.3300250p14161820222428303236n/(r*min-1)214.3187.5166.7150136.412510710093.883.3p404448525660————n/(r*min-1)7568.262.557.753.650————2.5效率及單位參數(shù)修正值HL220/A153：由國際電工委員會（IEC）推薦的公式，將模型最優(yōu)的工況效率ηom，換成真機最優(yōu)工況效率ηot對混流式水輪機，按Moody公式換算。即:=式中：ηo,m—模型機最優(yōu)效率，0.915D1m—模型機轉輪直徑，D1—真機轉輪直徑，1.計算得：效率修正：式中：；計算得：，—異形部件引起的效率修正，此處取；—加工工藝質量引起的效率修正，由[3]P20取1%。計算得：單位參數(shù)修正值公式：計算得；Δn11=0.65，ΔQ11=0.01而Δn11/n11m=ΔQ11/Q11=0.009≤3%所以Δn11<3%n11m所以轉速不需要修正取n11=71r/min,Q11=1.068m3/sHL240/D41：同上方法得：n11=77r/min,Q11=1.098m3/s2.6檢驗所選水輪機的實際工作區(qū)域HL220/A153：實際水輪機的轉速：式中：n—額定轉速，500r/minD1—轉輪直徑，1.Hr—額定水頭，91.1計算得：n11r=73.34r/min進行工作范圍檢查，Hmax對應的n11min=68.18r/min,Hmin對應的n11max=80.05r/min。此兩條直線包含最優(yōu)效率區(qū)。在綜合特性曲線上查得相關數(shù)據(jù)，列表如下：表2.3額定水頭下效率與流量曲線表ηm91%90%89%88%86%η92.7%91.7%90.7%89.7%87.7%Q11（m3/s）1.0011.0621.0951.1181.166做出η=f(Q11)曲線，如圖2.1示：8.98.999.19.29.39.49.59.69.79.89.911.021.041.061.081.11.121.141.161.181圖2.1額定水頭下效率與流量曲線由=9.168MW，n11r=73.34r/min在輔助曲線上找到一個Q11t=1.036m3/s，再返回到綜合特性曲線找出真實工況點B為n11r=73.34r/min,Q11r=1.036m3/s,η=90.48%，在最優(yōu)工況點附近，該D1和n是合理的。自此對兩種轉輪的比較得出—LJ—140更為適合該電站。2.7確定導葉開度在模型水輪機和真機之間保持幾何相似時有：式中：D0—真機導葉分布圓直徑，1.75mZ0—真機的導葉數(shù)，16D0m—模型機導葉分布圓直徑，Z0m—模型機的導葉數(shù)，24a0max(m)—模型機的導葉最大開度，查【1】得a0max(m)=33.計算得：aomax=162.06mm最大可能開度a0k=1.05aomax=170.17mm2.8計算額定流量額定流量的計算公式為：計算得：Qtr=19.33m3/s因為ZQtr=38.66m3/s<39.5m3/s=Qpl，所以滿足電站所給的條件，此方案可行2.9確定水輪機的吸出高度吸出高度的計算公式：在額定水頭時式中：—水電站海拔高程，600m—空蝕安全系數(shù)，由【3】取=1.18σ—額定水頭下的工況點的空蝕系數(shù)，由前面算的額定水頭下的參數(shù)H—額定水頭在進行各水頭下的工況點空蝕系數(shù)查找時，選取了設計水頭、最大水頭、加權平均水頭Hw、最小水頭Hmin和特殊水頭Hj五個工況點。在模型綜合特性曲線上，作各個水頭對應的直線與等效率線交于各點，根據(jù)算出對應的N11t，作出曲線，再根據(jù)各水頭真實值算出真實的N1t值，查出空蝕系數(shù)σ，計算出各工況點的吸出高度值，再進行比較，選取較小的作為水輪機的允許吸出高度值。(1)，表2.4最大水頭下的N11t=f(Q11)曲線數(shù)據(jù)表序號1234ηm0.900.890.880.860.9170.9070.8970.877988/8081025/7631062/7221116/658N11t8.694/7.118.919/6.6399.137/6.2129.382/5.532(2)，表2.5設計水頭下的N11t=f(Q11)曲線數(shù)據(jù)表序號1234ηm0.900.890.880.860.9170.9070.8970.8771062/8881092/8441118/8041165/722N11t9.345/7.8149.502/7.3449.618/6.9179.794/6.07(3)，表2.6加權平均水頭下的N11t=f(Q11)曲線數(shù)據(jù)表序號1234ηm0.900.890.880.860.9170.9070.8970.8771040/8421072/8021104/7581152/682N11t9.152/7.4099.328/6.9789.498/6.5219.685/5.734(4)，表2.7特殊水頭下的N11t=f(Q11)曲線數(shù)據(jù)表序號1234ηm0.900.890.880.860.9170.9070.8970.8771010/8131048/7741070/7321131/664N11t8.887/7.1549.119/6.7359.206/6.2989.508/5.582(5)，表2.8最小水頭下的N11t=f(Q11)曲線數(shù)據(jù)表序號1234ηm0.900.890.880.860.9170.9070.8970.8771068/9381104/8901123/8501170/768N11t9.398/8.2549.606/7.7449.661/7.3139.836/6.457按表2.3~2.8中的數(shù)據(jù)繪出各水頭下的N11t=f(Q11)曲線,如下：根據(jù)公式N11i=N/(D12Hi3/2),算出各水頭對應的N11t值在從上找Q11:HmaxN11t=6.397MWQ11=670l/s;HjN11t=7.103MWQ11=808l/s;HwN11t=8.069MWQ11=910l/sHrN11t=9.168MWQ11=1040l/sHminN11t=10.355MWQ11根據(jù)各水頭(n11t,Q11)在型譜上找出對應的空蝕系數(shù):max=0.07r=0.077w=0.071j=0.07min=0.14帶入公式計算對應吸出高度分別為:Hsmin=4.54mHsr=1.055mHsw=1.022mHsj=0.412m綜上比較，最大水頭下的較小，所以該型號水輪機的允許吸出高度為。2.10計算水輪機飛逸轉速水輪機飛逸轉速：式中：n11f——飛逸轉速，由[1]查得n11Hmax——最大水頭，115.8計算得：nf=1049.2r/min2.11估算軸向水推力對于混流式水輪機：式中：k——軸向水推力系數(shù)，查[1]得0.36計算得：Poc=53.45tf（1tf=9.81kN）2.12估算水輪機質量水輪機質量G（不包含調速器，油壓設備及其他的輔助設備時）可按下式計算：式中：a——與直徑D1有關的指數(shù)（以下各值均在表2.5中）b——與水頭有關的指數(shù)k——系數(shù)當HL式水輪機采用金屬蝸殼時，a,b,k可由表2.5查得a=2.6b=0.16k=8.1表2.5混流式水輪機的a,b,k值H/m30~200>200——D1/m——1.4~7.57.5~10.0a2.6—b0.160.20——k8.16.6——計算得：G=39.99t2.13繪制水輪機運轉綜合特性曲線1）繪制各水頭的工作特性曲線在間取5至6個水頭值，計算各水頭下，并在模型綜合特性曲線圖上作各水頭對應線，由這些等水頭直線與線交點代入公式計算。具體參數(shù)列表如下：（1）當時；表2.6下計算表0.900.890.880.860.900.890.880.860.9170.9070.8970.8770.9170.9070.8970.8771.0681.1041.1231.1700.9380.890.850.76814.18114.57614.57814.84212.45511.68511.0359.743（2）當時；表2.7水頭下計算表0.900.890.880.860.900.890.880.860.9170.9070.8970.8770.9170.9070.8970.8771.0621.0921.1181.1650.8880.8440.8040.72215.92616.19416.39116.69113.31712.51611.78810.345（3）當時；表2.8下計算表0.900.890.880.860.900.890.880.860.9170.9070.8970.8770.9170.9070.8970.8771.041.0721.1041.1520.8420.8020.7580.68217.72318.06418.39318.75514.34813.51312.62811.104（4）當時；表2.9水頭下計算表0.900.890.880.860.900.890.880.860.9170.9070.8970.8770.9170.9070.8970.8771.011.0481.071.1310.8130.7740.7320.66419.5520.0620.25220.91615.73814.81613.85512.279（5）當時；表2.10下計算表0.900.890.880.860.900.890.880.860.9170.9070.8970.8770.9170.9070.8970.8770.9881.0251.0621.1160.8080.7630.7220.65821.23421.78322.31622.91517.36516.21515.17213.511由上面的數(shù)據(jù)繪制各水頭下的工作特性曲線如圖2.3所示。圖2.3各水頭下曲線2)運轉綜合特性曲線的繪制（1）繪制等效率曲線在坐標，作各水頭的水平線，在曲線圖上每隔1%—2%作水平線，交各曲線于各點，將各點投影到坐標圖上，再將各效率相等的點連成光滑的曲線，即為等效率曲線，在繪制此曲線時，有時其拐點不易找出，此時應借助于輔助曲線，如圖2.5所示。圖2.5曲線（2）繪制出力限制線水輪機出力限制線由兩部分組成。在設計水頭到最大水頭范圍內，水輪機的出力受發(fā)電機額定容量的限制，所以這一段出力限制線為一條垂直線；在設計水頭到最小水頭范圍內，水輪機出力受水輪機最大過流能力的限制。此時，導葉開度已達最大值，所以出力限制線就是5%出力儲備線，為一條斜線。①垂線部分的繪制確定點：根據(jù)前面計算得：，在真機運轉綜合特性曲線中，由該點引垂線至線②斜線部分的繪制確定點，由前面計算得：，將點和點在水輪機運轉綜合特性曲線中用斜線連接。通過上面的兩步繪制出功率限制線。綜上所述：將等效率曲線、等吸出高度線、出力限制線結合在一起即得到水輪機運轉綜合特性曲線，見圖XX-01所示。3）繪制等吸出高度線（1）繪制各水頭下的曲線求出各下的，在[1]上作線，讀取該線與線交點處參數(shù)、、的值列表.具體參數(shù)列表如下：表2.11各下計算表序號1234560.0750.080.090.0750.080.091010/7611068/7201105971/7201078/685111213.4/9.7414.18/914.514.45/10.3516.1/9.8516.31.901.400.411.270.730.34序號1234560.070.0750.080.070.0750.08865/73510201070670940108814.8/12.217.418.514.9716.420.41.140.550.030.41-0.23-0.86序號1234560.070.0750.08850865102218.2518.721.7-0.23-0.92-1.5根據(jù)上面的數(shù)據(jù)作曲線如圖2.4所示。圖2.4各水頭下的曲線（2）在坐標，作各水頭的水平線，在曲線圖上每隔0.5—1m作水平線，交各曲線于各點，將各點投影到坐標圖上，再將各效率相等的點連成光滑的曲線，即為等吸出高度曲線。3蝸殼水力設計3.1概述水輪機的引水室是水流進入水輪機的第一個部件。引水室的作用是盡量地將管道中的水流均勻地分配到轉輪前導水葉的四周，使水流對稱地流入導水機構，然后再流入轉輪。保證運行平穩(wěn)。水流在從一個方向改變?yōu)榫鶆虻南蛐牧鲃舆^程中，水力損失要小從而提高水輪機的效率。如果沒有引水室，水流僅依靠導葉來改變流動方向，則水流可能以很大的沖角流向導葉造成撞擊損失。引水室的功用還能在導葉前造成一定的環(huán)量，使水流呈渦旋線形狀，均勻向心地流向導葉。為了適應不同流量和水頭條件，各種型式水輪機所采用的引水室形狀和材料是不一樣的。通常所采用的引水室類型分為：開敞式引水室、罐式引水室和蝸殼引水室。對于轉輪直徑較大的混流式水輪機而言，引水室一般選擇蝸殼引水室[6]。因為良好的蝸殼形引水室能使水流流動損失最小，同時又減小廠房尺寸，降低電站的投資。水輪機蝸殼應該滿足以下要求：1）保證水流在導水機構內形成一定的速度環(huán)量，在蝸殼內的平均流量和局部流速不超過水力損失所允許的流速范圍，同時不應使蝸殼斷面尺寸過大。2）保證水流軸對稱地進入導水機構，流量沿導水機構均勻分布，在主要工況下，水流均以不大的沖角繞流導葉。3）蝸殼的外形尺寸、斷面尺寸以及機構等，應滿足水電站廠房布置和水輪機的結構要求。4）保證蝸殼具有足夠的強度。水輪機蝸殼水力設計的主要任務是：選擇蝸殼型式、計算和選擇蝸殼主要參數(shù)以及繪制蝸殼的水力單線圖等。3.2蝸殼類型的選擇蝸殼分為混凝土蝸殼和金屬蝸殼兩種類型。其形式的選擇主要是根據(jù)水電站的水頭進行的，最大水頭在以內的機組，通常采用混凝土蝸殼；當水電站的最大水頭超過時，一般選用鋼板焊接蝸殼，斷面形狀有圓形和橢圓形兩種，包角大小一般為345°～360°。若水頭大于時仍要采用混凝土蝸殼，須在蝸殼內加鋼板里襯，但會使得成本增加，甚至還會超過采用金屬蝸殼的成本，此時應進行技術經(jīng)濟比較后決定采用何種形式的蝸殼。對于仙溪水電站，最大水頭，遠遠大于了，決定電站水輪機蝸殼選用金屬蝸殼。3.3金屬蝸殼主要參數(shù)的確定3.3.1蝸殼包角的確定蝸殼包角是指從蝸殼尾端到進口斷面的角度，它是蝸殼的主要參數(shù)之一，反映了蝸殼包圍導水機構的程度，它將會影響電站的投資及水輪機的效率。通常取座環(huán)特殊固定導葉出口邊作為蝸殼包角的起始斷面，取垂直于引水管道軸線的方向斷面作為蝸殼的進口斷面。對于高水頭的水電站，一般選取完全包角的金屬蝸殼，包角，通常采用；對于低水頭大流量的水電站，通常采用的蝸殼，對廠房布置有特殊要求時，也可以采用的蝸殼，有時為了減小蝸殼的進口斷面寬度和和便于蝸殼與進水管的連接，還可采用的大包角蝸殼。在本次設計中，電站選用。3.3.2蝸殼進口流速的確定蝸殼進口斷面的平均流速與蝸殼尺寸及蝸殼水力損失等因素有關。若較大，則蝸殼和導水機構中的水力損失相應增大，反之亦然。在流量相同的條件下，越大，則斷面尺寸可減小，從而減小對電站的投資。通常情況下，是由水輪機的設計水頭來決定的，即式中：—流速系數(shù)（對混凝土蝸殼，?。粚饘傥仛?，取。）—水電站額定水頭，91.1m計算得：3.4金屬蝸殼水力設計計算對于金屬蝸殼進行水力計算，就是在給定額定水頭，設計流量，導水機構高度及座環(huán)尺寸的條件下，確定蝸殼各斷面的形狀和尺寸，并繪制出蝸殼單線圖，列出蝸殼斷面尺寸表，以便制造及作為蝸殼強度計算和水電站廠房設計的依據(jù)。3.4.1進口斷面的計算水流沿圓周均勻地向導水機構供水，蝸殼任意斷面的流量為：式中：—流過任意斷面的流量，；—任意斷面至蝸殼鼻端的包角，；—水輪機的設計流量，19.33。因此，進口斷面流量為：式中：—蝸殼進口斷面至蝸殼鼻端的包角，—水輪機的額定流量，19.33。計算得：進口斷面的半徑：式中：—蝸殼包角，—蝸殼進口流速，計算得：蝸殼中心線到主軸中心線的距離為（見圖3.1）計算得：蝸殼斷面的外圓半徑：計算得：3.4.2蝸殼其余斷面的計算蝸殼其余斷面的計算是按照水流運動規(guī)律來進行的。由于受到與座環(huán)連接的影響，蝸殼圓形斷面從進口開始延續(xù)至某一斷面時，將過渡為橢圓斷面，下面的計算將分為兩個部分進行。1）從圓形斷面過渡到橢圓斷面的臨界包角式中：—蝸殼常數(shù)，由進口斷面參數(shù)確定：計算得：當計算斷面時，應采用橢圓形斷面；時應采用圓形斷面。2）圓形斷面尺寸的計算；；符號如圖3.1所示。圖3.1圓形斷面的計算3）橢圓斷面的計算公式和斷面示意圖如下：當時，如果此時蝸殼的斷面為圓形，那么圓半徑為：當時，由于圓斷面已不能與座環(huán)蝶形邊相連接，故應轉換為橢圓形狀，但這兩者的斷面面積相等。；；；；式中：，—橢圓形斷面長、短半徑；—座環(huán)固定導葉外緣半徑。其余符號如圖3.2所示。圖3.2橢圓形斷面的計算3.4.3金屬蝸殼水力計算的計算機輔助設計輔助設計包括圓形斷面及橢圓形斷面尺寸的計算機計算，以及根據(jù)計算結果由計算機繪制出蝸殼的平面圖及單線圖。用VB編寫的計算程序如下：PrivateSubCommand1_Click()DimD1!,Hr!,Qv!,b!,Ra1!,rb!,Kt!,a#,k#,r#,C0#,Ks#,RA#,h!,B0!,h1!,p0!,a0#,R0#,c#Dimi!,k1!,t!,xi!,pi!,ai!,ri!,rb1!,f!,e!,s!,l!,p1!,p2@,z!D1=1.4:Hr=91.1:Qv=19.319:b=0.225:Kt=0.9'設計條件Ra1=1.4:k=0.1:r=0.2'由設計條件查表得C0=Kt*(Hr^(1/2))'流速系數(shù)RA=Ra1+ka=55*3.141592/180B0=b*D1+0.01h1=r*(1-Cos(a))h=h1+B0/2p0=((345*Qv)/(360*3.141592*C0))^(1/2)'包角取345度a0=RA+(p0^2-h^2)^(1/2)R0=a0+p0c=345/(a0-(a0^2-p0^2)^(1/2))Ks=c*(RA+Tan(a)*h-(RA^2+2*RA*Tan(a)*h-h^2)^(1/2))Text1.Text=Ks'臨界包角Fori=345To15Step-15k1=i/cIfi>=KsThent=(2*RA*k1-h^2)^(1/2)xi=k1+tpi=(xi^2+h^2)^(1/2)ai=RA+xiri=ai+piPrinti,pi,ai,riElserb1=RA-h/Tan(a)f=k1*((0.49+2*rb1/k1)^(1/2)+1.221)e=3.141592*f^2s=1.428*(RA-rb1)^2l=1.045*(e+s)z=0.81*(1.221*h)^2p2=(l+z)^(1/2)-1.345*1.221*hp1=1.221*h+0.3*p2ai=rb1+1.221*p2ri=ai+p1y=ai+(p1-p2)*Cos(a)Printi,p1,ai,ri,p2,yEndIfNextiEndSub計算結果如下圖：圖3.1蝸殼各斷面尺寸參數(shù)根據(jù)以上得出的數(shù)據(jù)，繪制出蝸殼單線圖見圖XX-02所示。4尾水管設計4.1尾水管的作用及類型尾水管是反擊式水輪機的重要部件，尾水管性能的好壞，直接影響到水輪機的效率和穩(wěn)定性，其具體的作用如下：1）將轉輪出口處的水流引向下游；2）利用轉輪出口高出下游水面的那一段位能（如轉輪安裝得低于下游水位，則此功能不存在）；3）回收部分轉輪出口動能。尾水管的基本類型有：1）直錐形尾水管：是一種簡單的擴散形尾水管，廣泛適用于中小型水電站中（轉輪直徑），它制造容易，因為在直錐形尾水管內部水流均勻，阻力小，所以其水力損失小。2)彎錐形尾水管：是由等園彎頭接直錐形管構成。液流在其中彎頭部分轉彎后流速分布不均勻，致使液流在錐管中的流動狀態(tài)惡化，水里損失較大，多用于小型臥式水輪機。3）彎肘形尾水管：用于大中型水電站的立式水輪機中。它由三部分組成：進口錐管、肘管及擴散管。進口錐管是一個豎直的圓錐擴散管；肘管是一個的彎管，它的進口斷面為圓形，出口斷面為矩形；出口擴散管是一個水平放置的斷面為矩形的擴散管。在彎肘形尾水管中，水流經(jīng)過一段不長的直錐管后進入肘管，使水流變?yōu)樗椒较颍俳?jīng)過水平的擴散段而流入下游。彎肘形尾水管增加了轉彎的附加水力損失及出口水流不均勻的水力損失。4.2尾水管類型的選擇尾水管是水輪機過流通道的一部分。尾水管的形狀對不同比轉速水輪機的性能存在不同程度的影響，尤其對高比轉速水輪機影響更為明顯。大中型水輪機一般采用彎肘形尾水管。仙溪水電站采用的機組型號是,由于土建投資占電廠投資比例很大，因此在電站中，為了盡量降低水下開挖量和混凝土量，最后選用彎肘形的尾水管。4.3繪制尾水管水力單線圖在[1]上查取模型機轉輪型號為的尾水管單線圖，其轉輪直徑，而本設計中仙溪水電站機組選用的轉輪直徑為，按相似理論原則，等比例放大尾水管單線圖尺寸，且每一尺寸都放大1.8倍。水輪機尾水管單線圖見圖XX-03所示。5水輪機導水機構運動圖的繪制5.1導水機構的作用及類型水輪機導水機構的作用，主要是形成和改變進入轉輪的水流環(huán)量；按電力系統(tǒng)所需的功率調節(jié)水輪機流量，導葉在關閉位置時能使水輪機停止運行，并在機組甩負荷時防止產(chǎn)生飛逸。水輪機在進行負荷調節(jié)時，導水機構各運動部件（導葉、連桿、拐臂、控制環(huán)、推拉桿、接力器等）所在位置與導葉開度之間的關系圖，稱為導水機構運動圖。按照水流在水輪機導水機構中的流動方向來分，導水機構有以下3種基本類型：1）徑向式導水機構：水流沿垂直于水輪機軸線的平面徑向地流過導葉。2）斜向式導水機構：水流沿著以水輪機軸為中心線的圓錐面斜向地流過導葉。3）軸向式導水機構：水流沿著與水輪機同心的各個圓柱面軸向地流過導葉。5.2繪制導水機構運動圖的目的1）確定各開度下所需要的接力 器行程，從而最終確定各傳動機構的尺寸參數(shù)。2）確定最大可能開度下的接力器行程，繪制接力器行程與導葉任意開度的關系曲線，并檢查導水機構運行時的均衡性（即各曲線是否連續(xù)光滑）；3）確定不同導葉開度下的、值，并繪制及曲線。其中，為連桿與控制環(huán)小耳孔所在圓周切線方向的夾角，為連桿與導葉拐臂夾角。4）確定控制環(huán)大耳孔、小耳孔的相對位置，及相應的推拉桿位置，使得大耳孔在2個極限位置時，推拉桿的偏斜角度為最小。5）確定導葉限位塊的位置；對于大中型水輪機：；對于中小型水輪機：6）確定導葉關閉時，相鄰導葉間的密封位置及導葉端面密封條的分布圓直徑，或端面密封所需要的最小平面尺寸。7）確定固定導葉的布置位置及進、出口角，設計固定導葉形狀。5.3徑向式導水機構運動圖的繪制5.3.1確定模型機的幾何參數(shù)查[1]中（型號）可得：；；；由公式和計算可得：；由前面的水輪機選型設計時所確定的真機的額定工況點和模型機的最優(yōu)工況點在模型綜合特性曲線上查得模型機最大開度和最優(yōu)開度。5.3.2確定真機導水機構尺寸參數(shù)確定真機導水機構尺寸參數(shù)：查[8]可得：；。當導葉數(shù)及導葉分布圓直徑確定之后，即可按導水機構緊密關閉的原則來計算柵距及翼弦長度。柵距：式中：—導葉分度圓直徑；1.75m—導葉數(shù)；16計算得：通常取葉柵稠密度，即可計算得翼弦長度。5.3.3計算真機導葉開度水輪機的導葉開度是指從一個導葉的出口邊到相鄰導葉的最短距離。隨著導葉位置的不同，開度是不相同的。在繪制導水機構運動圖時，常用到的特征開度值為：1）導葉關閉開度2）最優(yōu)開度（水輪機在最優(yōu)工況下的開度）式中：—模型機的導葉最優(yōu)開度、、—分別為真機的導葉開度、轉輪直徑、和導葉數(shù)目、、—分別為模型機的最優(yōu)導葉開度、轉輪直徑、和導葉數(shù)目計算得：最大開度（水輪機在額定水頭發(fā)出額定功率時的水輪機導葉開度）計算得：25%50%75%最大可能開度（導葉所能開的最大開度）計算得：5.3.4確定真機導葉的形狀及尺寸因為該電站的較低，轉輪進口環(huán)量要求較小，使得導葉水流角大，則應選用較大的寬蝸殼，但為了減小機組的尺寸，應采用較小的窄蝸殼，致使，此時選用正曲率導葉減環(huán)量。在[7]上查取水輪機轉輪直徑為的正曲率導葉尺寸，其具體尺寸及形狀如圖5.1所示。圖5.1正曲率導葉翼形圖5.3.5繪制導水機構運動圖及其參數(shù)曲線圖在繪制導水機構運動圖中，所用到的參數(shù)如下：導葉分布圓直徑；拐臂長度；連桿長度，（在[7]查得）；由[7]查得：大耳柄控制環(huán)圓直徑；小耳柄控制環(huán)圓直徑1）確定β與γ值將導葉置于全關位置狀態(tài)，此時要求，，否則可適當調整連桿與拐臂的長度，在全關時，拐臂中心線與圓周切線夾角為（已知），從而可確定出初始位置，如圖5.2所示。圖5.2導葉全關位置圖圖中數(shù)據(jù)（由[7]查得）：；；2）確定大、小耳孔的位置及接力器行程由上面的數(shù)據(jù)畫出導水機構運動圖，圖中共取六個導葉開度，當導葉位于某一個開度時，量取此時的拐臂與連桿的夾角的值和連桿與控制環(huán)小耳孔圓周切線的夾角的值，連桿與圓周的交點即為小耳孔位置，然后以圓心為起點作過小耳孔的直線與圓周的交點即為相應的大耳孔的位置。以導葉全關時大耳孔的位置為起點到各開度下大耳孔的位置的距離就是大耳孔的行程，如圖5.3所示。圖5.3導水機構角度關系圖在導水機構運動圖中量取各個開度下的導葉運動關系值，根據(jù)所量取的參數(shù)值，分別作三條曲線、、曲線，然后再檢查所做曲線的光滑性，以檢查導水機構運行時的均衡性，數(shù)據(jù)記錄在表6.1中并作曲線圖，如圖5.4所示。表5.1導葉運動關系值25%50%75%7557453529272690848486909192058100.8140.48167.78175.8183.33圖5.4曲線及光滑性檢查水輪機導水機構運動圖見圖XX-04所示。6水輪機結構設計6.1概述混流式水輪機是一種采用最多的水輪機。其應用水頭范圍很廣：大中型的為；小型的。其比轉速，比沖擊式高；空蝕系數(shù)比軸流式??；滿負荷時效率高。低水頭大容量混流式水輪機的轉速低，尺寸大，要重視大型零部件的加工、運輸以及結構剛度問題。高水頭混流式水輪機的空蝕、磨損和振動問題比較突出，轉輪宜用不銹鋼或其他抗空蝕性能較好的材料制造，導水機構有關部位要采取抗磨和防止間隙空蝕的措施?；炝魇剿啓C本體主要由埋入部分、導水機構和轉動部分組成。埋入部分包括蝸殼、座環(huán)、基礎環(huán)、尾水管里襯、水輪機機坑里襯等，其均埋在混凝土中，既是機組的基礎件，也是水流通道的一部分；導水機構包括底環(huán)、活動導葉、頂蓋、套筒及導葉傳動機構等，它起著控制流量的作用，使水流以很小的能量損失沿圓周均勻進入轉輪；轉動部分主要由轉輪、主軸、軸承及密封裝置等組成。為了減輕空蝕和泥沙磨損對水輪機部件的破壞，需對過流部件采取一定的措施，如在頂蓋和底環(huán)過流面上裝置抗磨板，導葉立面合縫處堆焊不銹鋼或其它耐磨材料。對于普通碳鋼和低合金鋼鑄造的轉輪過流表面在其易氣蝕、磨損部分堆焊不銹鋼或耐磨材料。在前面已介紹了蝸殼、尾水管的水力設計和導水機構的結構，在此不再介紹。6.2轉輪的結構設計轉輪是水輪機的“心臟”，它直接把水流能量轉換成機械能，轉輪設計的優(yōu)劣直接影響著水輪機的過流能力、水力效率、空蝕性能、工作穩(wěn)定性以及水輪機對變工況的適應性。6.2.1結構型式及材質混流式轉輪由上冠、葉片和下環(huán)組成。上冠通常裝有減少漏水損失的止漏環(huán)，減少軸向水推力的減壓裝置，它的上法蘭面與主軸連接，下部接泄水錐。下環(huán)上也裝有止漏裝置。過去，混流式轉輪大多用鑄鋼鑄造，現(xiàn)在焊接結構有了很大發(fā)展。大型轉輪因受制造和運輸條件的限制，采用分瓣的組合結構。為了提高強度、抗空蝕性和耐磨性，有的轉輪采用了不銹鋼材料或低合金高強度鋼種。也有采用不銹鋼葉片和碳素鋼上冠和下環(huán)焊接的結構。采用普通碳素鋼的轉輪，在其容易空蝕和磨損的過流部位，堆焊抗空蝕、抗泥沙磨損的材料。轉輪上冠形狀對效率和最大流量的影響較大，其形狀有直線型和上抬曲線型兩種。直線型上冠具有較好的加工工藝性，但在大流量時會使效率降低，同時也會使單位流量減小，故現(xiàn)在很少采用。而上抬曲線型上冠，雖然制造加工稍麻煩些，但它使得轉輪流道在出口附近的過流面積大大增加，從而有利于提高水輪機的單位流量及水力效率，向上抬的曲線也不能太接近于水平位置，因有可能在小流量范圍內上冠區(qū)域出現(xiàn)二次回流，所以上冠形狀在向上抬處的切線與水輪機中心線的夾角應控制在左右。同時，保證上冠下部與泄水錐相接處，不產(chǎn)生脫流和撞擊，泄水錐與主軸中心夾角應控制在以內。下環(huán)形狀及下錐角與水輪機的比轉速有關。對于低比轉速水輪機，下環(huán)形狀為曲線形，能使水流能平順的拐彎，曲率半徑較大，否則易產(chǎn)生脫流。對于中高比轉速的水輪機，下環(huán)形狀為圓錐或圓柱形，這有助于增加轉輪出口的過流斷面面積，對提高過流量，降低轉輪出口水流速度，改善空化空蝕性能是有利的，但過大的下環(huán)錐角，將使下環(huán)曲線的曲率增大，脫流損失加大，而導致水力效率下降。采用軸心孔補氣時，泄水錐錐面應開補氣孔，其總面積應大于補氣閥孔口面積的2倍。轉輪是水輪機的關鍵部件，對水輪機的性能影響大，葉片表面光潔度不應低于，葉片型線要正確，相鄰葉片間的開口誤差相對于設計值不應大于，周圍平均開口誤差不大于。水輪機轉速較低，轉輪高度與直徑之比小于1，一般只作靜平衡。其殘留不平衡重量在飛逸轉速下引起的離心力，對于小型機組，一般不應超過轉輪自重的1%～2%，對于大中型機組，不大于0.2%。根據(jù)仙溪電站的實際情況，本設計轉輪采用整體鑄造，上冠和下環(huán)材料選用20MnSi,轉輪葉片的材質為鑄鋼ZG0Cr13Ni6Mn。其尺寸根據(jù)已選定的轉輪型譜確定6.2.2止漏裝置止漏裝置的作用是減少機組的容積損失。目前常用的形式有間隙式、迷宮式、梳齒式和階梯式四種。（1）形式的選擇當水頭時，混流式轉輪一般可采用間隙式或迷宮式止漏環(huán)，其中含泥沙較多的電站采用間隙式，清水電站采用迷宮式止漏環(huán)。當水頭時，采用梳齒式或階梯式止漏環(huán)。止漏環(huán)與轉輪的連接方式，為考慮拆卸方便，一般在整鑄轉輪上采用紅套固定。分瓣的大型轉輪可以在工地組裝焊接。止漏環(huán)的材料一般采用ZG30或Q235鋼板，泥沙較多的電站采用不銹鋼或其他耐磨鋼板。對水質干凈，轉輪尺寸較小的轉輪，也可以直接在上冠下環(huán)上車制迷宮槽。仙溪電站的最高水頭為115.8m，所以選用迷宮式式密封。6.2.3泄水錐結構泄水錐可采用鑄鋼或鋼板焊接。與上冠的連接方式可參考轉輪各典型結構圖。有的直接焊于上冠下部；有的螺釘把合，焊接加強，避免運行中脫落。在本設計中采用轉輪與泄水錐整鑄。6.3導葉的結構、系列尺寸和軸頸選擇由于混流式水輪機應用水頭較高，導葉承受的彎曲載荷大，因此導葉的相對高度與軸流式水輪機比較起來做得短一些，以減小跨度。此外，隨著水頭增高，相同功率下水輪機的過流量減小，這樣有可能減小流道的過流截面。一般隨水頭增加而減小。導葉的結構與導葉套筒、軸套、密封等形式有關。目前常用的帶有套筒、中軸頸采用“Y”形密封，下軸頸采用“O”形密封的導葉結構。導葉的材料一般采用ZG30或ZG20MnSi整鑄，大型機組中也有采用鑄焊結構的。為了保證導葉轉動靈活，導葉上、中、下三軸頸要同心，徑向擺度不大于中軸頸公差的一半，導葉體端面與軸線不垂直度允許誤差不超過。導葉過流表面型線要正確，制造中應用樣板檢查。使用于中、高水頭下的導葉，尾部可鋪焊不銹鋼板，提高抗空蝕能力。使用于水流含泥沙較多的電站，還在導葉頭部堆焊抗磨材料。根據(jù)本電站實際情況，活動導葉的材料為ZG20MnSi整鑄，在下軸頸處加有抗磨板，同時下軸頸采用“O”形密封圈。6.4導葉的傳動機構導葉傳動機構的型式較多，其中常用的兩種為叉頭傳動機構和耳柄傳動機構。叉頭傳動機構受力情況較好，適于大、中型機組采用，耳柄式結構簡單，比較適宜在中小型機組中使用。本設計采用耳柄式傳動機構。耳柄式傳動機構主要由導葉臂、分半鍵、端蓋、耳柄、旋套、連桿銷、剪斷銷和軸套組成。它的結構比叉頭傳動機構簡單，但其受力情況不如叉頭傳動機構好，連桿銷和剪斷銷上都有附加彎矩，剪斷銷的剪斷力容易隨軸套配合間隙和裝配質量變化，剪斷面尺寸不如叉頭傳動機構中的剪斷銷容易確定。由于本電站屬于中型機組，所以本設計采用叉頭式傳動機構，其結構示意圖如圖6.1所示。圖6.1叉頭式傳動機構6.5導水機構的環(huán)形部件設計導水機構的環(huán)形部件有底環(huán)、頂蓋、支持蓋、控制環(huán)、軸承支架、推力軸承支架等。它們的受力比較復雜、制造要求較高。6.5.1底環(huán)的結構底環(huán)是一個扁平的環(huán)形部件，固定于座環(huán)上，設計時主要考慮剛度，一般不作強度計算。大多數(shù)底環(huán)都采用ZG30鑄鋼鑄造，大型機組中因受運輸條件限制，可分為兩半或更多分瓣數(shù)組合。底環(huán)上部過流表面尺寸應符合各型轉輪的流道尺寸。對于有泥沙磨損的電站，過流表面應采取一定的抗磨措施。目前設計中與導葉相配端面上裝有抗磨板，用螺釘固定，圓弧部分則鋪焊3毫米厚不銹鋼或Cr5Cu鋼板條?？鼓グ宓暮穸纫话悴捎?6～20毫米，多數(shù)采用Q235鋼，也有采用Cr5Cu鋼板的，其工藝較困難，有的機組中試用了尼龍抗磨板，工藝性較好。在本次設計中，底環(huán)采用不分瓣的焊接結構，材料選用ZG30鑄鋼。6.5.2控制環(huán)的結構控制環(huán)是傳遞接力器作用力，并通過傳動機構轉動導葉的環(huán)形部件，可采用ZG30鑄鋼鑄造，但近來大量采用的是Q235鋼板焊接結構。大型機組中因受運輸條件限制，也可設計成分瓣結構，分瓣面應設計在應力最低部位，本設計采用整鑄結構?？刂骗h(huán)的尺寸系列應盡量作到標準化，提高結構的通用性。其結構如圖6.2所示。圖6.2控制環(huán)制造要求6.5.3頂蓋和支持蓋的結構頂蓋和支持蓋是水輪機的主要部件，要求有足夠的強度和剛度，因此多數(shù)設計成箱形結構。此外，還應考慮有一定的空間位置，便于檢修。頂蓋的材料有采用鑄鐵HT21—40和鑄鋼ZG30的，近來則廣泛用焊接結構。一般混流式水輪機中僅有頂蓋，頂蓋和支持蓋的外緣法蘭，有單層和雙層兩種型式，目前采用單層法蘭較多，因其結構簡單，但對法蘭的焊縫的焊接質量要求較高。頂蓋與導葉配合面，如果用橡皮條密封時，則在頂蓋上車有鴿尾槽或壓板式密封槽，槽形尺寸與導葉相同，分布圓位置與底環(huán)的密封槽位置相同，由導葉布置圖確定。采用鑄鐵作材料的頂蓋，為防止水流沖刷，在下部過流面上需鋪鋼板保護，對于多泥沙的電站，頂蓋過流表面與上述底環(huán)一樣，鋪設抗磨板。本設計中，頂蓋材料選用鑄鋼ZG30，采用不分瓣的焊接結構。6.6真空破壞閥當導水機構緊急事故關閉時，由于水流的慣性和轉輪的水泵作用，在導葉后轉輪室內可能產(chǎn)生較高真空，引起下游尾水反沖，產(chǎn)生很大的沖擊力或出現(xiàn)抬機現(xiàn)象。真空破壞閥就是在緊急關閉導葉時，補入空氣，破壞真空，減少上述有害的沖擊力或抬機現(xiàn)象，起到一定的保護作用。大中型水輪機中，真空破壞閥均安裝在頂蓋或支持蓋上。補氣裝置的作用是當水輪機偏離最優(yōu)工況時，由于水流擾動，尾水管內出現(xiàn)渦帶，引起機組振動或負荷擺動時補入空氣，借以吸振及降低旋渦強度，改善機組的運行狀態(tài)。真空破壞閥采用個，均勻分布于頂蓋內，并盡量靠近機組中心，以提高空氣補入速度。對于中小型機組，有時因頂蓋內位置狹窄，布置不便，也可以將閥用管路引出布置在機坑內。本設計中機組的真空破壞閥安裝在頂蓋內，共設置4只。其具體結構如圖6.3所示。圖6.3真空破壞閥6.7主軸的設計主軸是水輪機的主要部件。通過它，將水輪機轉輪的機械能傳遞給發(fā)電機。它的毛坯通常采用鑄鋼35、45或20MnSi整鍛，或采用鑄造法蘭、鍛造軸身并用環(huán)形電渣焊焊接成整軸。軸身采用鋼板卷焊的大型薄壁軸目前也有采用。大型水輪機主軸都有中心孔，它不僅可以消除軸心部分組織疏松等材質缺陷，便于檢查，在結構上還可以減輕重量，而且也是為實現(xiàn)中心孔補氣、裝操作油管的需要。主軸上部與發(fā)電機連接，下部與水輪機轉輪連接，一般都采用法蘭盤連接。如果廠房布置和鑄造條件允許，可把水輪機軸和發(fā)電機軸做成整軸結構，這樣由于沒有中間法蘭，減少加工量，有利于安裝。主軸直徑按其傳遞的扭矩大小選定：式中：—主軸傳遞功率，15975；—額定轉速，500。計算得：根據(jù)值，由[8]主軸扭矩與主軸直徑關系圖中查取直徑。主軸內徑按下式計算：對于大中型機組，主軸材料為20MnSi鋼時，厚壁軸取，薄壁軸取。與主軸對應的法蘭的尺寸:。計算數(shù)據(jù)見表6.1所示。表6.1主軸法蘭尺寸系列表序號系數(shù)1.70.251..450.120.91尺寸（mm）6008751044320主軸承受扭矩和軸向拉力（包括軸向水推力及計算斷面以下的轉動部分重量引起的拉力），應校核拉、扭應力。臥式主軸還應計算彎曲應力。對于小型機組的主軸直徑按下式初選：式中：，此時，計算主軸內徑參考同類型電站設計標準，確定本次設計的主軸材料為ZG40，主軸直徑為Dp=365mm，且為厚壁軸，主軸的內徑為。6.8軸承的結構水輪機軸承型式很多，目前比較常用的有水潤滑的橡膠軸承；稀油潤滑帶有轉動油盆、斜油槽自循環(huán)的筒式軸承和稀油潤滑油浸式分塊瓦軸承。其他型式軸承如稀油潤滑畢托管上油方式軸承，在中小型機組中雖有采用，近期已被斜油槽自循環(huán)的筒式軸承所代替。干油潤滑軸承國內應用不多。本設計中采用稀油潤滑筒式軸承。這種軸承平面布置緊湊，承載能力大，剛性好，運行可靠。但軸承密封位于下部，維護檢修不便；軸承離轉輪中心位置也較遠。用于較為合適。該軸承一般由二至四瓣組成，瓦面澆有軸承合金。其具體結構如圖6.4所示。圖6.4稀油潤滑筒式軸承1—油箱蓋；2—油箱；3—冷卻器；4—軸承體；5—回油管；6—轉動油盆；7—浮子信號器；8—溫度信號器；9—油盆差6.9補氣裝置6.9.1混流式水輪機偏離最優(yōu)工況運行時，由于水流擾動，不同程度地存在壓力脈動。一般在40%～70%額定出力時，尾水管內出現(xiàn)渦帶。由于渦帶強烈擾動，或其頻率與機組固有頻率重合而發(fā)生共振，將引起機組振動或負荷擺動。補氣裝置的作用就是在出現(xiàn)這種不穩(wěn)定工況時，補入空氣，借以吸振及降低旋渦強度，改善機組的運行狀態(tài)。6.9.2裝置形式補氣方式分為兩類。一類是自然補氣，大部分水輪機均采用此種方式；另一種是強迫補氣（即壓縮空氣或射流泵補氣），當尾水管內壓力較高時，自然補氣不能補入時采用此種方式。1）軸心孔補氣裝置這種補氣裝置結構比較簡單，但補氣效果不如尾水管補氣。只適用于自然補氣。2）尾水管十字架補氣補氣范圍較大，效果較好，用于自然補氣。3）尾水管短管補氣此補氣裝置在時使用。4）強迫補氣當負值較大，不能實現(xiàn)自然補氣時，可采用射流泵等強迫補氣方式。本設計采用尾水管十字架補氣裝置，在此裝置中：當時，用三根橫管；時，用四根橫管。橫管與水平面夾角。中心體與轉輪下環(huán)的距離。橫管直徑：當時，；當時，。本次設計采用四根橫貫的尾水管十字補氣裝置，如圖6.5所示圖6.5尾水管十字架補氣裝置6.10主軸的密封6.10.1工作密封1）橡膠平板密封密封性能較好，檢修方便。有單層和雙層平板密封兩種。前者，一般用作水潤滑軸承的上部密封，后者用作稀油軸承的下部密封或用于正常下游水位比軸承密封位置高的水潤滑軸承上的密封。2）水壓端面密封密封面一側是加工光滑的不銹鋼，另一側是中硬耐油耐磨橡膠。優(yōu)點是當橡膠塊磨損后，能自行補償以保持密封間隙。這種密封的接觸寬度取，隨主軸直徑增大而取大值。6.10.2檢修密封當下游水位高于軸承密封時，設有檢修密封，供停機或檢修軸承及其密封時使用?？諝鈬鷰綑z修密封是大、中型水輪機常用的檢修密封結構。使用時，可往空氣圍帶中通進壓力為左右的壓縮空氣。在無壓時，間隙取1.5～2。本設計中主軸密封選用的是水壓端面密封，檢修密封為空氣圍帶式檢修密封。這兩種密封的具體形式如圖6.6所示。圖6.6軸承密封裝置水輪機剖面圖的繪制見圖XX-05。7導葉加工圖的繪制導葉的零件圖是我們設計和加工導葉的關鍵資料。本設計所選導葉是正曲率導葉，導葉材料選擇ZG20MnSi。導葉加工圖見圖XX-06。8蝸殼強度計算8.1對金屬蝸殼的受力分析由于金屬蝸殼形狀及所受載荷均較復雜，為了使蝸殼的強度計算更能符合實際情況，就需要對其所受的載荷進行分析，并根據(jù)其幾何形狀確定計算時所需的簡化受力圖形。金屬蝸殼在工作的時候主要產(chǎn)生以下幾種應力：1)蝸殼在承受內水壓力時產(chǎn)生的薄壁應力水輪機蝸殼的壁厚和它本身的曲率半徑相比要小得多，因此可以把金屬蝸殼看作是一個薄壁容器。所以蝸殼不應承受壓在它上部的任何外部載荷，可以認為金屬蝸殼在工作時只承受作用于蝸殼內表面水壓力，這就是金屬蝸殼的主要載荷。蝸殼的內水壓力很水輪機的工況有關，當水輪機的工況不同的時，作用于蝸殼的水壓也隨之改變。當機組緊急停機而使導葉突然關閉時，會產(chǎn)生最大的水壓力的工況，作為蝸殼強度計算的計算工況。也就是計算蝸殼強度時，應包括水錘生涯在內的最大水壓力，作為其計算載荷。故蝸殼的強度計算所用的水壓力為[9]式中:蝸殼的內水壓力，Pa；率負荷時導水機構關閉瞬間，蝸殼中最大的壓力上升系數(shù)，通常；水的密度，；水輪機最大工作水頭，115.8。從蝸殼的水力設計知道，沿圓周方向從進口開始流量逐漸減少，因之蝸殼圓斷面面積也減少，當斷面小到一定程度的時候就不能和座環(huán)相連接，為此，必須將圓斷面改為橢圓斷面，所以蝸殼的薄壁應力計算時，就分為兩種情況：eq\o\ac(○,1)蝸殼圓斷面部分[9]：其中式中:子午向應力，Mpa；環(huán)向應力，Mpa；圓形斷面的半徑，m；圓斷面中心之水輪機旋轉軸的距離，m；計算應力點之水輪機旋轉軸的距離，m；作用在蝸殼上的內水壓力，Mpa；蝸殼壁厚，cm。由上式看出，的數(shù)值是隨的減小而增大，因此在座環(huán)連接處蝸殼的薄壁應力最大。座環(huán)與蝸殼連接處的半徑為rc，則與座環(huán)連接處的蝸殼薄壁應力為：式中：與座環(huán)連接處的薄壁應力，Mpa；座環(huán)與蝸殼連接處的半徑，m。eq\o\ac(○,2)蝸殼的橢圓部分[9]：式中：a.b橢圓斷面的短半徑和長半徑，m。由上式看出，的最大或者在蝸殼與座環(huán)的連接處，此處的值最小，或者在值的最大處,在常用的結構中，最大值均在蝸殼與座環(huán)的連接處。當時，應力值最大。2)與座環(huán)連接處由于座環(huán)的限制蝸殼的變形而產(chǎn)生的附加應力從結構相互關系來看，蝸殼和座環(huán)蝶形邊相連接。對于經(jīng)常采用的鋼板焊接蝸殼，蝸殼則焊接于座環(huán)的蝶形邊上。把蝸殼看作一個薄壁容器進行計算，在和座環(huán)連接處，蝸殼斷面是不是連續(xù)的。則在上面所說的內水壓力作用下，和座環(huán)連接處的蝸殼邊緣就要產(chǎn)生變形，但是座環(huán)的剛度比蝸殼大，起著限制蝸殼變形作用。因而和座環(huán)連接處的邊緣，將產(chǎn)生附加應力。蝸殼的圓斷面部分：式中：—鋼的泊松系數(shù)，。蝸殼與座環(huán)的連接處的總應力則是薄壁應力和附加彎曲應力之和，即若對于圓斷面鋼蝸殼，在和座環(huán)連接處蝸殼應力計算值是蝸殼的橢圓斷面部分：蝸殼的橢圓斷面部分與座環(huán)連接處的總應力（取絕對值）式中：蝸殼與座環(huán)連接處的附加彎曲應力，Mpa；蝸殼的橢圓斷面部分與座環(huán)連接處的總應力，Mpa。應當指出，在蝸殼圓形斷面的總應力中，薄壁應力占很大比重，而附加應力的比重較小，一般僅占許用應力的。從整個蝸殼計算中，可以得出一個規(guī)律：薄壁應力隨著蝸殼的斷面減小而減小，而附加彎曲應力隨蝸殼斷面減小而增加。因此，一般的說，在蝸殼圓形斷面中薄壁應力起主要作用，在橢圓形斷面中，附加彎曲應力起主要作用。3)不同厚度鋼板連接處的附加應力（此次設計采用各斷面同一厚度，這里不在敘述）(2)蝸殼材料的選擇本次設計選擇蝸殼材料為16Mn，材料的許用應力[]=1600kgf/cm2。根據(jù)此數(shù)據(jù)進行蝸殼厚度的計算及校核。8.2編程進行強度計算計算程序如下：optionExplicitPrivateSubForm_click() Dimv!,Ra1!,C!,h!,rB!,Ra!,L!,k!,T#,xi#,pi!,ai!,Ri!,o#,μ!DimP#,w#,X!,Y!,Z!,R2i!,R1i!,i%,δ圓計!,δ圓實!,δ橢計!,δ橢實!,A!,B!,D!Dimσ1圓!,σ2圓!,σb圓!,σ總圓!,σ1橢!,σ2橢max!,σb橢!,σ總橢!,σ總橢1!,σ總橢2!Dimξmax!,P1!,Hmax!,g!,ρ!,σ!v=8.59'進口流速Ra1=1.5'座環(huán)蝶形邊半徑C=1380'金屬蝸殼系數(shù)h=0.245'蝶形邊至導水機構水平中心線高度rB=1.19'計算得Ra=1.4'固導進水邊外圓半徑L=0.312'蝶形邊長度Hmax=115.8'水輪機最大工作水頭ξmax=0.35'蝸殼中最大的壓力上升系數(shù)ρ=1000'水的密度g=9.81'重力加速度常數(shù)σ=160'16Mn的許用應力μ=0.3'鋼板的泊松比P1=((1+ξmax)*Hmax*ρ*g)/1000000Print"1、蝸殼內水壓力P1=";P1;"(Mpa)"Print"2、以下長度單位均為:m,應力單位均為:Mpa"PrintPrint"δ圓計";Tab(11);"δ圓實";PrintTab(21);"σ1圓";PrintTab(31);"σb圓";PrintTab(41);"σ總圓";PrintTab(50);"δ橢計";PrintTab(60);"δ橢實";PrintTab(70);"σ總橢1";Tab(79);"σ總橢2";PrintTab(90);"σ總橢"Fori=345To15Step-15k=i/CIfi>=110ThenT=Sqr(2*Ra1*k-h^2)xi=k+Tpi=Sqr(xi^2+h^2)pi=Int(pi*1000)/1000ai=Ra1+xiai=Int(ai*1000)/1000Ri=ai+pi