畢業(yè)設計(論文)-水輪機結(jié)構(gòu)設計

畢業(yè)設計說明書畢業(yè)設計說明書摘要本次畢業(yè)設計根據(jù)水電站的水力參數(shù)和要求，確定了水輪機的機型及型號（HL240/D41-LJ-200）。通過選型計算及相應的運行工況分析，繪制出水輪機運轉(zhuǎn)綜合特性曲線。在滿足選型設計的條件下,進行了導水機構(gòu)運動圖的繪制；進行了水輪機蝸殼水力設計；并繪制了蝸殼水力單線圖、尾水管設計、水輪機結(jié)構(gòu)設計，其中包括水輪機剖面圖及導葉加工圖，并且建立了活動導葉的三維模型。最后對蝸殼的強度進行了計算。關鍵詞：水輪機；選型設計；結(jié)構(gòu)設計；強度計算AbstractBasedontheactualrequestandhydraulicparametersprovidedofSonglinpohydropowerstation,thetypeselectiondesignandstructuredesignwerecompleted.TheseletedtypeofturbinetypeisHL220/D41-LJ-200.Throughthetypeselectiondesigncalculationaswellasthecorrespondingoperatingsituationanalysis,designerdrawstheperformancecombinedcharacteristiccurveofturbineandcarriesoutthecorrespondingfeasibilityanalysisabouttheselectedrunner.Aftermeetingtherequestofthetypeselectiondesign,designergoesonguidemechanismmotiondiagramandthestructurehydraulicturbinedesign,includingthehydraulicdesignofthecasinganddesignofthedrafttube,thendrawstheirhydraulicsinglelinedrawings,thehydraulicturbine’sassemblydrawingandtheguidevanedrawing，andtheauthormodeledthe3Dmodelofguidevane.Thefinaltaskofthedesignistheintensitycalculationofthecasing.Keywords:HydraulicTurbine；TypeSelectionDesign；StructureDesign；IntensityCalculation目錄0前言………………11水電站的水輪機選型設計……21.1水輪機的選型設計概述……………21.2水輪機選型的任務…………………21.3水輪機選型的原則………………21.4水輪機選型設計的主要參數(shù)………31.5確定電站裝機臺數(shù)及單機功率……31.6選擇機組類型及模型轉(zhuǎn)輪型號……31.7初選設計（額定）工況點…………41.8確定轉(zhuǎn)輪直徑D1…………………51.9確定額定轉(zhuǎn)速n…………………61.10效率及單位參數(shù)的修正……………71.11核對所選擇的真機轉(zhuǎn)輪直徑D1…………………81.12確定水輪機導葉的最大可能開度………………121.13計算水輪機額定流量Qr…………131.14水輪機允許吸出高度Hs…………………141.15確定水輪機的安裝高程…………171.16計算水輪機的飛逸轉(zhuǎn)速…………181.17計算軸向水推力Poc……………181.18估算水輪機的質(zhì)量………………181.19繪制水輪機運轉(zhuǎn)綜合特性曲線…………………192水輪機導水機構(gòu)運動圖的繪制……242.1導水機構(gòu)的基本類型……………242.2導水機構(gòu)的作用…………………242.3導水機構(gòu)結(jié)構(gòu)設計的基本要求…………………252.4導水機構(gòu)運動圖繪制的目的……252.5導水機構(gòu)運動圖的繪制步驟……263水輪機金屬蝸殼水力設計…………283.1蝸殼類型的選擇………………283.2金屬蝸殼的水力設計計算………294尾水管設計…………334.1尾水管概述………334.2尾水管的基本類型………………334.3彎肘形尾水管中的水流運動……335水輪機結(jié)構(gòu)設計……………………345.1概述……………435.2水輪機主軸的設計………………345.3水輪機金屬蝸殼的設計…………355.4水輪機轉(zhuǎn)輪的設計……………355.5導水機構(gòu)設計……………………375.6水輪機導軸承結(jié)構(gòu)設計…………395.7水輪機的輔助裝置……………416活動導葉的零件設計與三維模型…………436.1活動導葉的零件設計…………………436.2活動導葉的三維模型…………………437金屬蝸殼強度計算……………447.1金屬蝸殼受力分析………………447.2蝸殼強度計算……………………447.3計算程序及結(jié)果……………………468結(jié)論……………………50總結(jié)與體會……………51謝辭……………………51參考文獻………………52前言水輪機是水電站的重要設備之一，它是靠自然界水能進行工作的動力機械。與其他的動力機械相比，水輪機具有效率高、成本低、清潔等特點。另外，水輪機的好壞影響到水電站能量的轉(zhuǎn)換效率。在水輪機生產(chǎn)制造之前，我們必須首先根據(jù)給定水電站的水力條件進行水輪機的選型設計、并對水輪機零件進行結(jié)構(gòu)分析和部分零部件的強度計算及校核。此次畢業(yè)設計是本科教學計劃中最后一個綜合性、創(chuàng)造性的教學實踐環(huán)節(jié)，是對我在校期間所學基礎理論、專業(yè)知識和實踐技能的全面總結(jié)，是對我綜合能力和素質(zhì)的全面檢驗，也是教學、工程實踐的重要結(jié)合點。它主要是培養(yǎng)了我綜合運用所學知識和技能去分析和解決本專業(yè)范圍內(nèi)的工程技術(shù)問題，建立正確的設計思想，掌握了水輪機設計的一般程序和方法，使我在今后的工作崗位上具有應用專業(yè)技術(shù)解決工程實際問題的能力。本次畢業(yè)設計從水輪機的基本工作原理出發(fā)，系統(tǒng)地、較為全面地進行了水輪機的選型設計、水輪機的結(jié)構(gòu)設計、水輪機部分部件的強度計算及校核等。設計分為六部分:第一部分：水輪機的選型設計；第二部分：導水機構(gòu)運動圖的繪制；第三部分：蝸殼的水力設計；第四部分：尾水管設計；第五部分：水輪機結(jié)構(gòu)設計；第六部分：活動導葉的三維建模；第七部分：金屬蝸殼強度計算。在設計過程中，著重闡述了水輪機選型設計的具體方法及方案選擇、導水機構(gòu)運動圖的繪制和水輪機設計總裝圖設計三部分。1水電站的水輪機選型設計1.1水輪機的選型設計概述水輪機的選型設計是水電站設計中的一項重要任務，其計算結(jié)果直接關系到水電站的機組能否長期運行、投資的多少、經(jīng)濟效益的高低。它是根據(jù)水電站設計部門提供的原始資料及參數(shù)，選擇合理的水輪機型號和計算水輪機的各種性能參數(shù)。一般情況下，先根據(jù)水電站的類型、動能計算以及水工建筑物的布置等初選若干個方案，然后進行技術(shù)經(jīng)濟比較，再根據(jù)水輪機的生產(chǎn)情況和制造水平，最后確定最佳的水輪機型號及尺寸。1.2水輪機選型的任務本次水輪機選型的主要任務如下：(1)確定電站裝機臺數(shù)及單機功率(2)選擇機組的類型及模型轉(zhuǎn)輪型號(3)確定機組的裝置方式(4)確定轉(zhuǎn)輪直徑、額定轉(zhuǎn)速及飛逸轉(zhuǎn)速(5)繪制水輪機運轉(zhuǎn)綜合特性曲線(6)軸向水推力的計算(7)計算水輪機的外形尺寸上述為水電站水輪機設計的一部分。本次設計還包括水輪機的過流部件蝸殼、座環(huán)、導水機構(gòu)、尾水管的初步計算，最后繪制了水輪機總裝圖。1.3水輪機選型的原則從現(xiàn)代水輪機的選型設計計算來看，水輪機的選型設計是一門系統(tǒng)工程學，要在電站水能資源綜合利用、制造、運輸、安裝、土建電力用戶、運行方式等諸多技術(shù)經(jīng)濟因素中尋找一個最佳的方案。水輪機選型設計的一般原則如下：①所選水輪機要有較高的能量特性。不僅要選擇額定工況下較高的水輪機轉(zhuǎn)輪型號，還要根據(jù)水輪機的工作特性曲線即及曲線，選擇平均效率最高的水輪機型號，使水輪機在負荷和水頭變化的情況下都具有最高的運行效率。②所選水輪機要有良好的空蝕性能，較好的穩(wěn)定性能，運行平穩(wěn)、安全和可靠。③所選水輪機的尺寸盡量較小，結(jié)構(gòu)要合理、先進，便于運輸、安裝、運行及檢修。④轉(zhuǎn)輪在選擇比較時，應盡可能選用較高的水輪機，這樣轉(zhuǎn)速會比較高，相應的機組尺寸就偏小，并且使所選的水輪機經(jīng)常在最優(yōu)工況區(qū)運行。在選擇轉(zhuǎn)輪參數(shù)時應該使值稍高于，且值應接近于值。1.4水輪機選型設計的主要參數(shù)水輪機的選型是根據(jù)水電站設計部門提供的原始資料及數(shù)據(jù)，選擇合適的水輪機型號，并計算水輪機的性能參數(shù)。設計題目：水電站水輪機選型及結(jié)構(gòu)設計設計參數(shù)：總裝機容量：Ppl=40MW=4萬kW（2臺）最大工作水頭：Hmax=78.2m加權(quán)平均水頭：Hpj=72.5m最小工作水頭：Hmin=60.60m設計工作水頭：Hr=70.3m最大引用流量：=79m3/s電站海拔高程：509.8m該電站在電力系統(tǒng)中的地位及作用：本電站距負荷中心較遠，在系統(tǒng)中擔任基荷。1.5確定機組的單機容量（功率）此電站裝機臺數(shù)為2臺。確定電站的機組臺數(shù)后，就可以求水輪機的單機容量。單機容量：=40MWZ電站的裝機臺數(shù),Z=2。計算得：20MW。1.6選擇機組類型及模型轉(zhuǎn)輪型號根據(jù)水電站的實際情況，正確選擇水輪機型式是水輪機設計的一個重要環(huán)節(jié)。雖然各類水輪機有明確的適用水頭范圍，但由于它們的適用范圍存在著交叉水頭段，因此，必須根據(jù)水電站的具體條件對可供選擇的水輪機進行具體的分析比較，才能選擇出最合適的水輪機機型。水輪機型號的選擇是根據(jù)水電站的特征水頭，特別是其最大水頭Hmax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；若設計水頭在交界水頭段范圍內(nèi)，也就是有2種及其以上的轉(zhuǎn)輪型號可選擇時，就需要進行綜合分析比較后才能選出最佳的轉(zhuǎn)輪型號。根據(jù)本次設計的特征水頭：Hmax=78.2m，Hr=70.3m。通過中小型混流式水輪機模型轉(zhuǎn)輪主要參數(shù)表，可確定本次設計所選水輪機的型號為：HL260/D74和HL240/D41。兩個水輪機型號對應的相關模型轉(zhuǎn)輪參數(shù)如表1.1所示。表1.1模型轉(zhuǎn)輪主要參數(shù)表轉(zhuǎn)輪型號推薦使用水頭H(m)模型轉(zhuǎn)輪直徑(cm)流道尺寸最優(yōu)工況(r/min)(/s)(%)HL260/D745080350.28141.1624791.0892.70.123HL240/D4170105350.25141.1624770.9592.00.091.7初選設計（額定）工況點水輪機的選型設計工況點是指水輪機在額定水頭下發(fā)額定出力時的工況點，即（，），如圖1.1所示。對已選定的水輪機轉(zhuǎn)輪型號，查出其模型綜合特性曲線。圖1.1初選設計工況點1.7.1選擇設計單位轉(zhuǎn)速式中：模型的最優(yōu)單位轉(zhuǎn)速。計算結(jié)果如表1.2所示。表1.2設計單位轉(zhuǎn)速計算結(jié)果水輪機型號HL260/D74HL240/D41(r/min)80.23確定額定工況下的單位流量在模型轉(zhuǎn)輪綜合特性曲線上作的水平線交5%功率限制線于A點，A點即為初選設計工況點，見圖1.2。A點的單位流量即為初選設計工況點下的單位流量，計算結(jié)果如表1.3所示。圖1.2初選設計工況點表1.3額定工況下的單位流量計算結(jié)果水輪機型號HL260/D74HL240/D41(m3/s)1.241.121.8確定轉(zhuǎn)輪直徑1.8.1水輪機的額定出力式中：水輪機額定功率，kW；發(fā)電機額定功率,20000kW；初步設計時：大中型發(fā)電機=0.96~0.98，中小型發(fā)電機=0.92~0.94，功率較大、轉(zhuǎn)速較高時取上限值。本次設計取0.94。計算得：21270kW。1.8.2轉(zhuǎn)輪直徑式中：水輪機額定功率，kW；轉(zhuǎn)輪直徑，m；，m3/s。為水輪機的效率，也可根據(jù)水輪機的型號近似的取值，即HL水輪機為0.890.90。由于本次設計為混流式水輪機，所以本次設計取0.90。計算結(jié)果如表1.4所示。表1.4轉(zhuǎn)輪直徑的計算結(jié)果水輪機型號HL260/D74HL240/D41(cm)179.6190查《水力機械及工程設計》書15頁表1.3轉(zhuǎn)輪公稱直徑尺寸系列表，結(jié)果如表1.5所示。表1.5轉(zhuǎn)輪公稱直徑水輪機型號HL260/D74HL240/D41(cm)1802001.9確定額定轉(zhuǎn)速n額定轉(zhuǎn)速nr:式中:n110設計單位轉(zhuǎn)速,；加權(quán)平均水頭,=72.5m；真機的轉(zhuǎn)輪直徑,m。計算結(jié)果如表1.6所示。表1.6額定轉(zhuǎn)速的計算結(jié)果水輪機型號HL260/D74HL240/D41(r/min)373.7327.8查水輪發(fā)電機額定轉(zhuǎn)速系列表，接近標準額定轉(zhuǎn)速可以選擇，選取結(jié)果見表1.7。表1.7水輪發(fā)電機標準額定轉(zhuǎn)速水輪機型號HL260/D74HL240/D41(r/min)375333.31.10效率及單位參數(shù)的修正1.10.1效率修正真機的效率修正：式中：—主要由尺寸效應引起的修正值；—由過流部件影響引起的修正值，本次設計未采取翼形過流部件，故取=0；—由機械的加工工藝質(zhì)量引起的修正值，它與水輪機的尺寸及加工的工藝質(zhì)量有關，對于大型水輪機，取=1%~2%；對于中小型水輪機，參照相應規(guī)范取不同的值。式中：—真機的最優(yōu)工況效率；—模型機的最優(yōu)工況，由中小型混流式水輪機模型轉(zhuǎn)輪主要參數(shù)表確定。算得HL260/D74：；HL240/D41：；1.10.2單位參數(shù)的修正值及上述修正值可在最優(yōu)工況點進行選取，其他工況點采用等值修正處理。當，時，單位參數(shù)可不予修正。最終計算結(jié)果見表1.8。表1.8效率及單位參數(shù)的修正水輪機型號轉(zhuǎn)輪直徑（cm）效率修正值單位參數(shù)修正值是否修正HL260/D74=1801.5%11.27%131.05%否HL240/D41=2002%0.981.2%141.27%否1.11核對所選擇的真機轉(zhuǎn)輪直徑1.11.1確定水輪機的真實工況點B實際水輪機的轉(zhuǎn)速：故式中：——額定單位轉(zhuǎn)速，r/min；——真機的轉(zhuǎn)輪直徑，m；——設計水頭，=70.3m；——單位轉(zhuǎn)速修正值，取=0。B點在水平線上，在其上查找點，計算出功率，并作輔助曲線P1t=f(Q’1t)。而，在輔助曲線上有與之對應，從而得到，將的值返回到模型綜合特性曲線圖上與線相交于B點，即為真實工況點。兩種方案計算結(jié)果如下：(1)HL260/D74：轉(zhuǎn)輪直徑=1.8m，轉(zhuǎn)速n=375kW表1.9HL260/D74輔助曲線P'1ti=f(Q’1t)計算數(shù)據(jù)表Ηm(%)ηt(%)Q'1m(m3/s)P'1ti(kW)0.920.9351.1410.620.910.9251.2011.020.900.9151.2311.220.890.9051.2611.37圖1.3HL260/D74輔助曲線P'1ti=f(Q’1t)找出B點位置為Q=1.235m3/s,n’1t=80.5r/min。(2)HL240/D41：轉(zhuǎn)輪直徑=2m，單位額定轉(zhuǎn)速kW表1.10HL240/D41輔助曲線P'1ti=f(Q’1t)計算數(shù)據(jù)表ηm(%)ηt(%)Q'1m(m3/s)P'1t(kW)0.911.930.928.350.910.931.039.400.900.921.089.750.890.911.109.82圖1.4HL240/D41輔助曲線P'1ti=f(Q’1t)找出B點位置為Q=0.98m3/s,n’1t=79.5r/min。1.11.2工作范圍的檢查最大水頭Hmax下，對應一個；最小水頭下Hmin下，對應一個。這2條直線之間應包含主要綜合特性曲線的優(yōu)效率區(qū)；同時，B點應在最優(yōu)工況點的附近，則可認為所選擇的和n是合理的、正確的，否則應重新選擇和n的值。模型機的單位轉(zhuǎn)速為：式中：額定轉(zhuǎn)速，r/min；真機的轉(zhuǎn)輪直徑，m；單位轉(zhuǎn)速修正值；Hi水頭，分別取m和m。下面分別求出各種方法下的和大小，計算結(jié)果見表1.11。表1.11和大小水輪機型號轉(zhuǎn)輪直徑D1（cm）轉(zhuǎn)速HL260/D7418037576.385.6HL240/D41200333.368.4975.27兩方案的工作范圍及真實工況點B如下：圖1.5HL260/D74=1.8m，=375圖1.6HL240/D41=2m，=333.3綜上兩種方案的工作范圍和真實工況點B的檢查，HL240/D41的真實工況點更接近高效區(qū)。1.12確定水輪機導葉的最大可能開度1.12.1確定真機的導葉分布直徑D0由真機轉(zhuǎn)輪直徑，查得非對稱導葉葉形斷面尺寸系列表，知D0。1.12.2計算模型機的導葉分布直徑D0m式中：—導葉相對分布圓直徑，；1.12.3計算水輪機導葉的最大開度模型機和真機保持幾何相似，可按進行相似換算:式中：分別為真機、模型機的導葉分布直徑；模機在相似工況下的最大開度，在模型轉(zhuǎn)輪綜合特征曲線上，找到點所對應的開度值，可得。分別為真機、模型機的導葉數(shù)目，由中小型混流式水輪機模型轉(zhuǎn)輪主要參數(shù)表知：；由非對稱導葉葉形斷面尺寸系列表可知：。計算得：HL260/D74:mmHL240/D41:mm1.12.4計算水輪機導葉的最大可能開度式中：真機導葉的最大開度，計算得：HL260/D74：=207mm；HL240/D41：=231mm。1.13計算水輪機額定流量Qr水輪機額定流量Qr：式中：——水輪機的軸功率，kW；——設計水頭，m；——設計工況點B點的真機效率。方案一計算得：HL260/D74：=207mm；Qr=33.89m3/sm3/s方案二計算得：HL240/D41：=231mm,Qr=32.57m3/sm3/s式中：Z——機組臺數(shù)，本次設計中為2臺?！娬疽昧髁?，=79m3/s。所以，兩個方案設計流量均滿足要求。1.14確定水輪機允許吸出高度水輪機的吸出高度計算時可選擇Hmin、Hr、Hmax等若干水頭分別計算，從中選擇一個最小值作為允許吸出高度，本次設計計算m，m，m，m下的，選擇最小值作為水輪機的允許吸出高度。水輪機允許吸出高度按下式計算：·式中：▽——水電站水輪機安裝海拔高度，m；σ——各水頭下的工況點的空蝕系數(shù)；Δσ——空蝕系數(shù)的修正值；在進行各水頭的工況點空蝕系數(shù)查找時，需作輔助曲線，為此列表計算，結(jié)果見表1.12，并得出各水頭下的輔助曲線。且在各水頭下，為已知，從輔助曲線上即可找到該水頭下發(fā)出的額定功率的工況點，從而得出其空蝕系數(shù)。方案一：HL260/D74:=1.8m，n=375表1.12HL260/D74各水頭下的輔助曲線P1t=f(Q’1t)表HiHi=78.2mHi=72.5mn,1t=nD1/76.3079.30n,1m=n,1t-Δn,176.3079.30Δσ0.020.02ηm(%)ηt(%)Qt（m3/s）P1t（kW）ηmηtQt（m3/s）P1t（kW）10.920.9351.1010.090.920.9351.1410.4620.910.9251.1710.620.910.9251.1910.8030.900.9151.2110.820.900.9151.2210.9540.890.9051.2411.010.890.9051.2611.19HiHi=70.3mHi=60.6mn,1t=nD1/80.5086.70n,1m=n,1t-Δn,180.5086.70Δσ0.020.02ηm(%)ηt(%)Qt（m3/s）P1t（kW）ηm(%)ηt(%)Qt（m3/s）P1t（kW）10.920.9351.1510.550.910.9251.2110.9820.910.9251.2010.890.900.9151.2511.2230.900.9151.2311.04(a)H1=78.2m(b)H2=72.5m(c)H3=70.3m(d)H4=60.6m圖1.7HL260/D74P1t=f(Q’1t)輔助曲線方案二：HL240/D41:=2m，=333.3表1.13HL240/D41較大水頭下的輔助曲線P1t=f(Q’1t)表HiHi=78.2mHi=72.5mn,1t=nD1/75.478.3n,1m=n,1t-Δn,175.478.3Δσ0.020.02ηm(%)ηt(%)Qt（m3/s）P1t（kW）ηm(%)ηt(%)Qt（m3/s）P1t（kW）10.900.920.857.670.910.930.918.3020.910.930.898.120.910.931.029.3130.910.931.009.120.900.921.079.6140.890.911.089.600.890.911.099.7350.880.901.119.760.880.901.129.89表1.14HL240/D41較小水頭下的輔助曲線P1t=f(Q’1t)表HiHi=70.3mHi=60.6mn,1t=nD1/79.585.6n,1m=n,1t-Δn,179.585.6Δσ0.020.02ηm(%)ηt(%)Qt（m3/s）P1t（kW）ηm(%)ηt(%)Qt（m3/s）P1t（kW）10.910.930.938.480.900.920.978.8520.910.931.039.400.900.921.069.5730.900.921.079.660.890.911.109.7840.890.911.109.8250.890.911.139.93(a)H1=78.2m(b)H2=72.5m(c)H3=70.3m(d)H4=60.6m圖1.8HL240/D41輔助曲線P1t=f(Q’1t)各水頭下的P1t=f(Q’1t)曲線，再根據(jù)QUOTE值查出對應的單位流量QUOTE，再將各水頭下單位流量的和對應的單位轉(zhuǎn)速值查出綜合效率特性曲線，依次得出各空蝕系數(shù),空蝕系數(shù)修正值經(jīng)查《水輪機》取值為0.02：方案一：HL260/D74:=1.8m，=3750.145，0.14，0.138，0.14在各水頭下，計算水輪機的吸出高度，見表1.15。表1.15水輪機吸出高度（m)mmmmσ0.1450.140.1380.14(m)-3.473-2.172-0.266-1.68故==-3.473m方案二：HL240/D41:=2m，=333.30.087，0.088，0.089，0.102在各水頭下，計算水輪機的吸出高度，見表1.16。表1.16水輪機吸出高度Hs（m)mmmmσ0.0870.0880.0890.102(m)1.061.61.772.04故==1.06m通過上面兩個方案的對比，方案一比方案二的開挖量大，成本高。故選用方案二，最終確定水輪機型號為HL240/D41，=2m，=333.3。1.15確定水輪機的安裝高程對立式機組：式中：電站下游水位，已知：=509.8m；Hs——水輪機允許吸出高度，Hs=1.06m；b0——導葉高度。式中：——導葉的相對高度，由中小型混流式水輪機模型轉(zhuǎn)輪主要參數(shù)表可知：=0.25。計算得：=511.11m。1.16計算水輪機的飛逸轉(zhuǎn)速混流式水輪機飛逸轉(zhuǎn)速的計算公式為：式中：原型機的飛逸轉(zhuǎn)速；模型機最大可能開度的單位飛逸轉(zhuǎn)速，由中小型混流式水輪機模型轉(zhuǎn)輪主要參數(shù)表，可知：=146.7r/min；最大水頭，=78.2m。計算得，=648.6r/min。1.17計算軸向水推力對于混流式水輪機：式中：軸向水推力，tf（1tf=9.81kN）；轉(zhuǎn)輪直徑，=2m；軸向水推力系數(shù)，由中小型混流式水輪機模型轉(zhuǎn)輪主要參數(shù)表，可知：k=0.33。計算得：。1.18估算水輪機的質(zhì)量G水輪機的質(zhì)量G（不包括調(diào)速器、油壓設備及其他的輔助設備時）可按下式計算：式中：G水輪機質(zhì)量，t；H水頭，取H=Hmax=78.2m；k系數(shù)，由混流式水輪機的值表，查得：k=8.1；a與直徑有關的指數(shù)，查得混流式水輪機的值表，查得：=1.98；b與水頭有關的指數(shù)，查混流式水輪機的值表，查得：b=0.16計算得：G=62.32t。1.19繪制水輪機運轉(zhuǎn)綜合特性曲線在內(nèi)取5個水頭，并計算各個水頭對應的模型單位轉(zhuǎn)速，其計算公式為：式中：HiHmin~Hmax內(nèi)取的5個水頭，包括及一個任意水頭；單位轉(zhuǎn)速修正值，=0。Hmax=78.2m加權(quán)平均水頭：Hpj=72.5m最小工作水頭：Hmin=60.60m設計工作水頭：Hr=70.3m當H1=Hmax=78.2m計算得：75.4r/min；當H2=Hr=70.3m，計算得：79.5r/min；當H3=Hpj=72.5m，計算得：78.3r/min；當H4=65m，計算得：82.7r/min；當H5=Hmin=60.6m，計算得：=85.6r/min。1.19.1繪制各水頭H下，工作特性曲線的水平線，取該水平線與各等效率線的交點，讀出各點對應的，并將數(shù)據(jù)記入表1.17。表1.17HL240/D41水輪機運轉(zhuǎn)綜合特性曲線計算表HiHi=78.2mHi=72.5mn,1t=nrD1/75.478.3n,1m=n,1t-Δn,175.478.3工作特性曲線P=(L/s)P(kW)(L/s)P(kW)0.880.90.8195370.880.90.82178760.890.90.83202690.890.910.85185300.90.920.85209890.90.920.89196180.910.930.89222180.910.930.91202790.910.931252350.910.931.02229780.90.921.04259620.90.921.06236220.890.911.08266680.890.911.09240270.880.91.105269850.880.91.1224417HiHi=70.3mHi=65mn,1t=nD1/79.582.7n,1m=n,1t-Δn,179.582.7工作特性曲線P=(L/s)P(kW)(L/s)P(kW)0.880.90.84174850.880.90.85157300.890.910.87181090.890.910.91168400.90.920.9189420.90.920.94175890.910.930.93197880.910.930.96181600.910.931.03221540.910.931.04198870.90.921.07227670.90.921.07202410.890.911.1231510.890.911.120582HiHi=60.6mn,1t=nD1/85.6n,1m=n,1t-Δn,185.6工作特性曲線P=(L/s)P(kW)0.880.90.92153260.890.910.94158330.90.920.97165180.90.921.06180500.890.911.118528在繪制工作特性曲線時，有些最高效率點不易找出。在作等效率曲線時，其拐點也不易找到，此時都應借助于輔助曲線。由在HL240/D41模型特性曲線上的等效率曲線上作等效率曲線的切線，讀出此時切點的單位轉(zhuǎn)速值，再根據(jù)計算出與之對應的水頭H。圖1.9各H下，工作特性曲線1.19.2繪制各水頭H下，關系曲線先根據(jù)表1.17的數(shù)據(jù)，繪制輔助曲線，如圖1.10所示。圖1.10各H下，輔助曲線在HL240/D41轉(zhuǎn)輪綜合特性曲線上，分別作5個水頭下對應的線，讀出該線與線的每個交點對應的，，值，然后根據(jù)公式：，式中查得空化系數(shù)修正值與水頭的關系圖。然后分別代入不同的，，，計算出各個對應的。數(shù)據(jù)記入表1.18。表1.18等吸出高度曲線計算表HiHi=78.2mHi=72.5mn,1t=nD1/75.4078.30n,1m=n,1t-Δn,175.4078.30Δσ0.020.02吸出高度曲線的計算σQ'1P/kWσ+σHs/mσQ'1P/kWσ+σHs/m0.090.77190000.110.830.090.82180000.111.460.091.04262000.110.830.091.04237000.111.460.101.10270200.120.050.101.10248000.120.730.111.15274000.13-0.740.111.15250000.130.00HiHi=70.3Hi=65n,1t=nD1/79.5082.70n,1m=n,1t-Δn,179.5082.70Δσ0.020.02吸出高度曲線的計算σQ'1P/kWσ+σHs/mσQ'1P/kWσ+σHs/m0.090.84176000.111.700.100.79150000.121.630.091.03222000.111.700.101.06204000.121.630.101.10234000.120.990.111.13210000.130.980.111.14238000.130.29HiHi=60.6n,1t=nD1/85.60n,1m=n,1t-Δn,185.60Δσ0.02吸出高度曲線的計算σQ'1P/kWσ+σHs/m0.100.921540011.09186000.131.550.121.16192000.140.95根據(jù)表1.18中的數(shù)據(jù)，繪制所選水頭下的等吸出高度線，見圖1.11。圖1.11各H下，等吸出高度線及等吸出高度線繪制1.19.3繪制水輪機運轉(zhuǎn)綜合特性曲線(1)繪制等效率曲線在圖1.11各H下，工作特性曲線中分別令，這里=0.90，0.91，0.92，0.93，作的水平線，每條水平線與5個不同H下的曲線有多個交點，分別記下這幾個交點對應的H和N，然后在水輪機運轉(zhuǎn)綜合特性曲線上描出對應的多個（），再把各點用光滑曲線連接起來，即得到真機的等效率曲線。(2)繪制等吸出高度線在圖1.11中，分別令，作=1m，1.5m，1.7m的水平線與各H下，等吸出高度線的交點，分別記下各個交點對應的H和N，在水輪機運轉(zhuǎn)綜合特性曲線上描出對應的點，然后把點用光滑曲線連接起來，從而得到真機的等吸出高度線。(3)繪制功率限制線水輪機的功率限制線由2部分組成。在設計水頭到最大水頭范圍內(nèi)，水輪機功率受發(fā)電機額定容量的限制，所以這一段功率限制線為一條垂直線；在設計水頭到最小水頭范圍內(nèi)，水輪機功率受水輪機的最大過流能力限制。此時，導葉開度已達最大，所以功率限制就是5%功率儲備線。在下，根據(jù)公式Pmin，式中：為最小水頭對應的=85.6r/min與HL240/D41模型轉(zhuǎn)輪綜合特性曲線上的5%功率限制線的交點所對應的流量=1.1m3/s，為該點對應的與之和，計算出Pmin=18.53MW，于是在H-N坐標圖上，得到B點。連接AB即為設計水頭的功率限制線。再根據(jù)前面算出的，找到點A，然后，通過A點作線的垂線，即為發(fā)電機的功率限制線。此次設計水輪機機型為HL240/D41-LJ-200，運轉(zhuǎn)綜合特性曲線見圖SLP-01。2水輪機導水機構(gòu)運動圖的繪制2.1導水機構(gòu)的基本類型按照水流在水輪機導葉中的流動方向分為：(1)徑向式導水機構(gòu)：水流沿著垂直于水輪機軸線的平面徑向地流過導葉。此時由于導葉軸線均布在水輪機同心的圓柱面上，故又稱圓柱式導水機構(gòu)。其導葉傳動機構(gòu)為平面運動機構(gòu)，結(jié)構(gòu)較簡單。(2)斜向式導水機構(gòu)：水流沿著以水輪機軸為中心線的圓錐面斜向地流過導葉。此時由于導葉軸線均布在水輪機同心的圓錐面上，故又稱為圓錐式導水機構(gòu)。這種導水機構(gòu)主要用于斜流式水輪機和燈泡式水輪機。其導葉傳動機構(gòu)不是平面運動機構(gòu)，致使機構(gòu)較復雜。(3)軸向式導水機構(gòu)：水流沿著與水輪機同心的各個圓柱面軸向地流過導葉。此時由于導葉軸線位于半徑方向上，故又稱圓盤式導水機構(gòu)。這種導水機構(gòu)主要用于全貫流式水輪機，其功用和缺點與斜向式導水機構(gòu)較相似，且因?qū)~的排擠使流速大為增加，造成較大的水力損失，性能不如斜向式導水機構(gòu)優(yōu)越。本次設計采用的是徑向式導水機構(gòu)。2.2導水機構(gòu)的作用導水機構(gòu)的作用是：①形成或改變進入轉(zhuǎn)輪的水流環(huán)量。②協(xié)同引水室向轉(zhuǎn)輪均勻引水。③按電力系統(tǒng)所需要的功率調(diào)節(jié)通過水輪機的過流量。④導葉在關閉位置時能使水輪機停止轉(zhuǎn)動，并在機組甩負荷時防止發(fā)生飛逸。2.3導水機構(gòu)結(jié)構(gòu)設計的基本要求在導水機構(gòu)結(jié)構(gòu)設計中，許多結(jié)構(gòu)尺寸和傳動關系決定了導水機構(gòu)的傳動運動關系，以達到設計要求。因此，水輪機導水機構(gòu)運動關系圖是結(jié)構(gòu)設計中非常的。在結(jié)構(gòu)上導水機構(gòu)應滿足以下要求：①導水機構(gòu)過流部件應與模型水輪機過流部件保持幾何相似。②導葉的最大開度和最大可能開度要可靠，以保證水輪機有足夠的過流能力。③在導葉全關狀態(tài)下，導葉與導葉之間的間隙（立面間隙），導葉上端面與頂蓋的間隙以及導葉下端面與底環(huán)的間隙（端面間隙）要合理，要求既能保證機組可靠地停機和水輪機的調(diào)相運行，又能便于導葉的安裝及調(diào)整。④導水機構(gòu)中應有安全保護裝置，如設置剪斷銷防止導葉被異物卡住而引起主要傳動部件的破壞。⑤導水機構(gòu)應轉(zhuǎn)動靈活，各部件之間的摩擦面應有良好的潤滑。⑥導葉應具有足夠的強度和剛度。⑦對多泥沙河流中的水輪機導水機構(gòu)，應在結(jié)構(gòu)設計及材料選擇上采取措施，以減小泥沙磨損。2.4導水機構(gòu)運動圖繪制的目的水輪機在進行負荷調(diào)節(jié)時，導水機構(gòu)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(gòu)運動圖。繪制導水機構(gòu)運動圖有以下目的：①確定最大可能開度下所需的接力器行程，從而最終確定各傳動機構(gòu)的尺寸參數(shù)；②確定最大可能開度下的接力器行程Smax，繪制接力器行程S與導葉任意開度的關系曲線，并檢查導水機構(gòu)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β，λ值，并繪制β=f(),λ=f()曲線。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。⑤確定導葉限位塊的位置，檢查傳動件在不同位置下是否相撞，尤其是在剪斷銷斷裂時是否會造成連桿與導葉臂相撞。限位塊一般位于底環(huán)上（為了減少水力損失及提高水輪機的抗空蝕能力，現(xiàn)在更多地把它設計在非過流部件上），其位置的確定是在導葉最大可能開度下推一個適當?shù)木嚯x△。⑥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，或端面密封所需的最小平面尺寸。⑦確定固定導葉的布置位置。2.5導水機構(gòu)運動圖的繪制步驟2.5.1確定真機基本結(jié)構(gòu)及布置導葉圖(1)確定真機導水機構(gòu)尺寸參數(shù)：及真機導葉形狀尺寸。本次設計采用正曲率導葉導葉相關尺寸見表2.1。表2.1導葉葉形斷面尺寸表(單位：mm)由非對稱導葉葉形斷面尺寸系列表可知：mm，及如圖3.1中所示的導葉葉形斷面尺寸見表2.1：（單位：mm）真機導水機構(gòu)的裝配尺寸，根據(jù)導水機構(gòu)裝配尺寸系列表得到以下參數(shù)，見表2.2。表2.2真機導水機構(gòu)裝配尺寸mmmmmmmmmmφ=22°α=9°確定了以上參數(shù)后，即可根據(jù)實際情況選取合適的比例，計算出對應的各個參數(shù)值并繪制導葉斷面型線示意圖，見圖2.1。圖2.1導葉斷面型線示意圖(2)對于中小型機組，需簡化結(jié)構(gòu)，模型與真機之間的幾何相似。繪圖時旋轉(zhuǎn)導葉，使開度達到指定的開度大小時，即為指定開度下的導葉開度下。分別做出開度下的HL240/D41水輪機導水機構(gòu)運動圖。2.5.2確定β，λ值β為連桿與控制環(huán)小耳孔所在圓周切線方向的夾角，λ為連桿與導葉轉(zhuǎn)臂夾角。將導葉置于全關狀態(tài)，此時要求β=70°~80°，λ90°~100°，否則可適當調(diào)整拐臂與連桿的長度，在全關時，拐臂中心線與D0圓周切線夾角為φ0=22°，從而可確定出初始位置。此次設計的導葉開度位置如下所示：（單位：mm）轉(zhuǎn)動導葉，使相鄰導葉間的開度等于上述計算出的開度值，量取角度β，λ值，并填入表2.3中。根據(jù)表2.3作出β=f(),λ=f()、S=f()曲線及檢查光滑性，如圖2.2。表2.3導葉運動關系值導葉位置全關25%50%75%/mm055110165220231β/(°)755944362826λ/(°)908584879293S/mm071.5139.6187.7236.3246.4圖2.2及其光滑性檢查2.5.3確定大、小耳孔的相對位置及接力器行程S首先使導葉處于全關狀態(tài)，得到小耳孔中心全關位置點A，使導葉處于時，得到小耳孔中心最大可能開度的位置點B，的一半即是小耳孔的中間位置，將A，B兩點作射線與大耳孔圓的交點為，則的一半即是大耳孔的中間位置，大耳孔移動的弦長即是接力器行程S?，F(xiàn)在更多的是把限位塊設計在非過流部件上，其位置的確定是在導葉最大可能開度下外推一個適當?shù)木嚯x△。對于大中型水輪機：△=20~30mm;b.對于小型水輪機：△=0~10mm，本次設計取△=9mm。HL240/D41-LJ-200導水機構(gòu)運動圖見圖SLP-02。3水輪機金屬蝸殼水力設計3.1蝸殼類型的選擇蝸殼的作用是將水流均勻引入導水機構(gòu)，并形成一定的速度環(huán)量。蝸殼分為混凝土蝸殼和金屬蝸殼兩種類型。其型式的選擇主要是根據(jù)水電站的水頭進行的，最大水頭在40m以內(nèi)的機組，通常采用金屬蝸殼，這類蝸殼的斷面形狀為圓形或橢圓形；當直徑D1<3m,通常采用鋼板焊接金屬蝸殼，端面形狀有圓形及橢圓形兩種，包角一般為345°360°。金屬蝸殼斷面形狀為圓形，斷面面積及半徑隨著由進口到尾部流量的減少而減小。設計中在臨界包角時，由于圓面積小到不能和座環(huán)蝶形邊連接，因此這部分斷面形狀由圓過渡到橢圓。良好的蝸殼設計使蝸殼中水流流動損失最小，同時還要合理地選擇參數(shù)。因為本次設計的最大水頭為：=78.2m，D1<2m所以采用金屬蝸殼包角為345°。3.2金屬蝸殼的水力設計計算金屬蝸殼進行水力計算，就是在給定設計水頭，設計流量，導水機構(gòu)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，并繪制出蝸殼的單線圖，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)。3.2.1設計參數(shù)HL240/D41-LJ-200，=2m，=78.2m，=32.57m3/s，=0.25。3.2.2確定蝸殼包角及進口斷面平均流速取=345°，流速系數(shù)=0.87，==7.3m/s。3.2.3根據(jù)座環(huán)結(jié)構(gòu)確定連接尺寸圖3.1蝸殼與座環(huán)的連接結(jié)構(gòu)尺寸圖由、查金屬蝸殼座環(huán)尺寸系列表得：=3.4m、=2.85m、=0.1m、=0.2m=/2=1.7m=/2=1.425m=+=1.8m==0.5m=+0.01=0.51m=×(1-cos)=0.1706m=0.6806m3.2.4蝸殼進口斷面參數(shù)計算=1.167m=2.916m=4.083m3.2.5求蝸殼常數(shù)C=3.933.2.6求臨界包角==100.8°3.2.7當時按橢圓斷面公式計算圖3.2橢圓斷面的計算圖=0.4154m3.2.8當時按圓斷面公式計算圖3.3進口斷面及圓形斷面的計算，3.2.9編寫Excel表格計算蝸殼斷面尺寸表3.1蝸殼斷面尺寸計算表（單位：m)斷面號(°)13450.2441.80.8780.1160.8731.1171.2481.1682.9174.08423300.2331.80.8400.1160.8511.0841.1751.1362.8844.02033150.2231.80.8020.1160.8281.0511.1041.1042.8513.95543000.2121.80.7630.1160.8051.0171.0341.0722.8173.88952850.2011.80.7250.1160.7810.9820.9651.0392.7823.82262700.1911.80.6870.1160.7560.9470.8961.0062.7473.75372550.1801.80.6490.1160.7300.9100.8290.9722.7103.68282400.1701.80.6110.1160.7040.8730.7630.9372.6733.61092250.1591.80.5730.1160.6760.8350.6970.9022.6353.537102100.1481.80.5340.1160.6470.7960.6330.8652.5963.461111950.1381.80.4960.1160.6170.7550.5700.8282.5553.383121800.1271.80.4580.1160.5850.7120.5070.7892.5123.302131650.1171.80.4200.1160.5520.6680.4470.7502.4683.218141500.1061.80.3820.1160.5160.6220.3870.7092.4223.131151350.0951.80.3440.1160.4770.5730.3280.6662.3733.039161200.0851.80.3050.1160.4360.5200.2710.6222.3202.942斷面號(°)171050.0912.11539E-050.2210.5611.0690.5620.5842.1772.76018900.0781.55416E-050.1900.5130.9080.4840.5602.0822.64219750.0651.07928E-050.1580.4620.7520.4030.5361.9832.51820600.0526.90739E-060.1260.4070.6020.3170.5101.8782.38921450.0393.88541E-060.0950.3470.4590.2270.4831.7682.25222300.0261.72685E-060.0630.2770.3220.1310.4541.6512.10523150.0134.31712E-070.0320.1910.1950.02660.4231.5241.9473.2.10繪蝸殼單線圖根據(jù)表3.1金屬蝸殼的參數(shù)和斷面尺寸繪制蝸殼單線圖，見圖SLP-03。4尾水管單線圖的繪制4.1尾水管概述尾水管是水輪機過流部件的一部分。水流流經(jīng)轉(zhuǎn)輪，完成了能量交換后，將從轉(zhuǎn)輪的出口邊流出轉(zhuǎn)輪，水流被引入尾水管再流向下游。尾水管的作用是將水流引向下游外，還可以回收一部分水流能量，使水輪機能多發(fā)一些電。裝置了尾水管，能夠使水輪機轉(zhuǎn)輪出口水流能量有所降低，增加了轉(zhuǎn)輪前后的能量差。尾水管的形狀對不同比轉(zhuǎn)速水輪機的性能存在不同程度的影響，尤其對高比轉(zhuǎn)速水輪機影響更為明顯。4.2尾水管的基本類型尾水管主要分為3種：直錐形、彎肘形和彎形尾水管。(1)直錐形尾水管。當尾水管的軸線為直線時，稱為直錐形尾水管。這是一種最簡單的擴散形尾水管。這種尾水管廣泛地使用在中小型水電站中（轉(zhuǎn)輪直徑在D1＜0.50.8m）。(2)彎肘形尾水管。當尾水管的中心線具有90°或接近90°的轉(zhuǎn)彎時，則稱為彎肘形尾水管。它由三部分組成：進口錐管，肘管段及出口擴散管。進口錐管是一豎直的圓錐擴散管。肘管是一個90°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。幾乎所有大、中型立式水輪機都使用這種尾水管，因為對于大型水輪機組，如采用直錐形尾水管，將會帶來巨大的挖深，因而是不經(jīng)濟的。因此，盡管彎肘形尾水管的水力損失大些，水力性能不如直錐形尾水管，但由于挖深較小，大型水輪機仍全部采用彎肘形尾水管。(3)彎形尾水管這種尾水管一般適用于臥式水輪機。本次設計采用的就是彎肘形尾水管。4.3彎肘形尾水管中的水流運動水流由轉(zhuǎn)輪流出后首先進入直錐管，然后進入肘管，并在肘管中改變流向，經(jīng)擴散管流向下游。本設計按HL240/D41水輪機尾水管流道尺寸相似換算繪制出了尾水管單線圖，見圖SLP-04。5混流式水輪機結(jié)構(gòu)設計5.1概述混流式水輪機結(jié)構(gòu)簡單，高效率區(qū)寬，可以在很大的水頭和流量范圍內(nèi)有效而可靠地工作?；炝魇剿啓C的結(jié)構(gòu)，由于布置方式、單機容量、應用水頭的不同，會有不同程度的差異?；炝魇剿啓C的主要部件有主軸、轉(zhuǎn)輪、導軸承、導水機構(gòu)、座環(huán)、基礎環(huán)、蝸殼、尾水管、止漏裝置、減壓裝置、密封裝置等。位于水輪機中心的是轉(zhuǎn)輪及與其直接相連的水輪機主軸，在轉(zhuǎn)輪四周布置著導水部件的導葉，導葉與其上面的控制機構(gòu)相連結(jié)。導葉的下軸頸裝在其下面的底環(huán)內(nèi)，而底環(huán)安裝在座環(huán)的下環(huán)上。導葉的上軸頸裝在頂蓋內(nèi)，頂蓋被安裝在座環(huán)的上環(huán)上，它將轉(zhuǎn)輪蓋住。5.2水輪機主軸的設計水輪機主軸是水輪機轉(zhuǎn)動部分的一個重要部件，通過它，將水輪機轉(zhuǎn)輪的機械能傳遞給發(fā)電機，它把水輪機產(chǎn)生的扭矩傳給發(fā)電機軸，同時承受轉(zhuǎn)輪的軸向水壓力及轉(zhuǎn)動部件的重力。主軸由上法蘭，軸身和下部法蘭三部分組成。主軸的毛坯通常采用ZG45整鍛。根據(jù)生產(chǎn)條件和技術(shù)經(jīng)濟比較，也可以采用鑄造法蘭、鍛造軸身并用環(huán)形電渣焊接的主軸，也可以采用鋼板卷焊的大型薄壁軸軸身結(jié)構(gòu)。大型水輪機主軸都采用空心軸，這不僅可以消除軸心部分材料組織疏松等材質(zhì)缺陷，便于進行軸身質(zhì)量檢查，同時在結(jié)構(gòu)上也有這個需要。主軸兩端的法蘭應盡可能的小，以免增加法蘭根部的彎曲應力，同時減少鍛造的困難。但由于在法蘭上布置有聯(lián)軸螺栓孔，法蘭尺寸必須滿足其布置要求。為便于安裝時對準中心，法蘭兩端車有凸凹止口，止口的配合間隙不超過0.020.06mm；止口與軸頸要同心；法蘭端面與軸線要垂直，不允許有凸起；法蘭端面的不平度不能大于0.03mm。主軸軸頸的結(jié)構(gòu)與導軸承型式有關，對于本次設計采用稀油潤滑的筒式導軸承，與主軸接觸部分的軸頸處直接精加工便可。主軸外徑尺寸可根據(jù)機組的扭矩初選。主軸扭矩按下式計算:式中：—主軸傳遞最大功率，=21270kW；n—主軸轉(zhuǎn)速，n=333.3r/min。計算得：M=0.609。水輪機主軸選取ZG45，主軸直徑為415mm的厚壁軸。即：D0=415mm,Dp=430mm。此次水輪機設計，主軸與轉(zhuǎn)輪采用了螺栓加鍵的連接方式。5.3水輪機金屬蝸殼的設計蝸殼分為混凝土蝸殼和金屬蝸殼兩種類型。其形式主要是根據(jù)水電站的水頭進行的，對于水頭大于40m的水輪機，由于強度需要，一般采用金屬蝸殼。金屬蝸殼按其制造方法有焊接和鑄造兩種結(jié)構(gòu)型式。在廠房的基礎上設有若干個均布的支墩用以安放蝸殼，并用千斤頂支撐和拉桿拉緊，把蝸殼牢固地固定在基礎上，以免澆注混凝土時蝸殼位置變動。本次設計采用的是金屬焊接蝸殼。5.4水輪機轉(zhuǎn)輪的結(jié)構(gòu)設計轉(zhuǎn)輪是水輪機的心臟，它的設計、制造的優(yōu)劣直接影響水輪機的出力、效率和運行穩(wěn)定性、可靠性以及使用壽命。5.4.1混流式轉(zhuǎn)輪的組成混流式水輪機轉(zhuǎn)輪基本上都是由上冠、葉片、下環(huán)、止漏環(huán)、泄水錐和減壓裝置等組成。(1)轉(zhuǎn)輪上冠上冠位于轉(zhuǎn)輪的上部，外形近似一個倒錐形，其邊線叫上冠的型線。上冠中間部分為上冠法蘭，與主軸相連。在上冠的外緣上部裝有上部轉(zhuǎn)動止漏環(huán)。在上冠法蘭外圍開有幾個減壓孔，其目的在于將轉(zhuǎn)輪前后的水連成通路，從而減小作用在轉(zhuǎn)輪上的軸向水推力。上冠的下部裝有空心的泄水錐，上冠的外側(cè)錐面均布著轉(zhuǎn)輪葉片，葉片的下部與下環(huán)相連。(2)轉(zhuǎn)輪葉片葉片是組成轉(zhuǎn)輪最重要的部分，是直接將水能轉(zhuǎn)換為機械能的部件。葉片上端與上冠相連，下端與下環(huán)連成一整體。葉片自上而下呈扭曲狀，其斷面形狀為翼型。葉片數(shù)一般為1024片，通常采用1418片（本次設計選用16片），葉片的形狀、光潔度和厚度，以及葉片數(shù)目，對轉(zhuǎn)輪的性能影響很大，尤其對效率和氣蝕的影響更大。葉片的材料多采用低合金鋼和不銹鋼，如ZG20MnSi、ZG1Cr13、ZG0Cr13Ni6等。本次葉片材料采用的是ZG20MnSi。(3)轉(zhuǎn)輪的下環(huán)下環(huán)位于葉片下端，將葉片連成整體，增加轉(zhuǎn)輪的強度和剛度，與上冠形成過流通道，在下環(huán)的輪緣上，安裝有下部轉(zhuǎn)動止漏環(huán)。下環(huán)的材料多為一般低合金鑄鋼。本次設計采用的是ZG20MnSi。(4)止漏環(huán)止漏環(huán)由兩部分組成，一部分為固定部分，另一部分為轉(zhuǎn)動部分。為防止水流向上和向下漏出，每一個水輪機都裝有上、下兩道止漏環(huán)。上止漏環(huán)的固定部分裝在頂蓋上，轉(zhuǎn)動部分裝在上冠上；下止漏環(huán)的固定部分裝在座環(huán)或底環(huán)上，轉(zhuǎn)動部分裝在下環(huán)上。止漏環(huán)也稱為迷宮環(huán)，它的作用主要是用來減小轉(zhuǎn)動部分與固定部分之間的漏水損失。止漏環(huán)一般由忽大忽小的空間或直角轉(zhuǎn)向構(gòu)成，水流流經(jīng)止漏環(huán)時，受到很大的局部和沿程阻力，使水流不易通過，從而達到減小漏水損失的目的。(5)泄水錐泄水錐外形為錐體形，用螺栓連接在上冠的下方，用以引導由葉片出來的水流順利地向下泄，防止水流相互撞擊和向上旋轉(zhuǎn)所造成的水力損失，提高水輪機的效率。泄水錐的材料，中小型機組一般ZG30鑄造，此次材料用ZG30。(6)減壓裝置減壓裝置一般分為兩部分，均為環(huán)形減壓板，分別裝在頂蓋下面和上冠的上方，用來減小作用在轉(zhuǎn)輪上的軸向水推力，以減輕推力軸承的負荷。5.4.2止漏環(huán)結(jié)構(gòu)對不同水頭的水輪機，所采用止漏環(huán)的型式也不一樣。按止漏環(huán)構(gòu)成的間隙形狀的不同，止漏環(huán)可分為四種型式，即間隙式、迷宮式、梳齒式、階梯式。①間隙式止漏環(huán)間隙式止漏環(huán)，其間隙一般為0.001，其止漏效果較差，但與轉(zhuǎn)輪的同心度高，制造、安裝方便，抗磨性能好，一般應用在多泥沙的電站。②迷宮式止漏環(huán)迷宮式止漏環(huán)一般間隙為0.005，止漏效果較好，與轉(zhuǎn)輪同心度高，制造、安裝均較方便，一般應用在H<200m的水質(zhì)清潔的水電站。③梳齒式止漏環(huán)對于高水頭H＞200m混流式水輪機，需要采用梳齒式止漏裝置。④階梯式止漏環(huán)階梯式止漏環(huán)，其間隙一般為0.0005，它具有迷宮式及梳齒式止漏環(huán)作用，止漏效果好，與轉(zhuǎn)輪同心度易保證，本身剛度高，安裝、測量均較方便，多用在H>200m的水電站。本次設計采用的是迷宮式止漏環(huán)。5.4.3混流式轉(zhuǎn)輪的結(jié)構(gòu)型式由于轉(zhuǎn)輪的應用水頭和尺寸大小不同，它們的構(gòu)造型式和制造材料及方法都有所不同，歸結(jié)起來基本可以分為整鑄、焊接、和組合三種結(jié)構(gòu)型式。本次轉(zhuǎn)輪設計采用整鑄結(jié)構(gòu)。5.5導水機構(gòu)設計5.5.1導水機構(gòu)的結(jié)構(gòu)型式水輪機導水機構(gòu)的作用，主要是形成和改變進入轉(zhuǎn)輪水流的環(huán)量，保證水輪機具有良好的水力特性，調(diào)節(jié)流量，以改變機組出力，正常與事故停機時，封住水流，停止機組轉(zhuǎn)動。導水機構(gòu)中應保證足夠的強度和剛度，導葉操作機構(gòu)動作靈活可靠，能使導葉獲得最大的操作力矩。導葉關閉后還應有可靠的封水性能，減少漏水損失。導水機構(gòu)主要由導葉、導葉操作機構(gòu)、環(huán)形部件和軸套、密封等部件組成。5.5.2導葉傳動機構(gòu)型式導葉的傳動機構(gòu)型式最常用的有兩種：叉頭傳動機構(gòu)和耳柄傳動機構(gòu)。叉頭傳動機構(gòu)受力情況較好，適于大、中型機組采用。耳柄式結(jié)構(gòu)簡單、工藝性好、加工、制造比較方便，成本比較低，但其受力條件沒有叉頭式好。1—導葉臂；2—耳柄；3—剪斷銷；4—旋套；5—連桿銷圖5.1耳柄傳動結(jié)構(gòu)本次設計采用的是耳柄傳動機構(gòu)，其結(jié)構(gòu)如圖5.1所示，主要由導葉臂、分半鍵、端蓋、耳柄、旋套、連接銷、剪斷銷和軸套組成。為了轉(zhuǎn)動導葉，在結(jié)構(gòu)上必須考慮導葉的支點所用軸承的型式。導葉受力較大，在大中型水輪機中均采用三個軸承。導葉用三個軸承（軸套）來支承，其中一個軸套裝在底環(huán)上，其他兩個軸套裝在圓形套內(nèi)，此套筒用法蘭固定在水輪機的頂蓋內(nèi)。軸承套的材料取決于潤滑的方式，如采用油潤滑。5.5.3導水機構(gòu)的止漏裝置導水機構(gòu)的止漏裝置包括導葉軸承的止漏和導葉在全關閉時為防止蝸殼中的水流入下游而裝置的導葉與導葉之間和導葉與上下環(huán)之間的止漏設備。導葉上軸頸和中軸頸密封目前采用“L”型密封，如圖6.2(a)所示。實踐證明，這種結(jié)構(gòu)封水性好，結(jié)構(gòu)簡單。“L”型密封圈用套筒壓緊在水輪機頂蓋上，“L”型密封圈與導葉軸頸之間靠水壓貼緊封水。導葉下軸頸在采用工業(yè)塑料的潤滑軸承時，為了防止泥沙進入軸承發(fā)生軸頸磨損，一般需采用“O”型橡膠密封圈進行密封。密封結(jié)構(gòu)如圖6.2(b)。為了導葉在調(diào)整下部端面間隙后仍保證密封圈有一定的壓縮量，設計時對放置“O”型圈槽的尺寸，應按規(guī)定選定。本次設計采用O型密封。圖5.2(a)“L”型密封圖5.2(b)“O”型密封為了減少漏水，必須提高導葉的加工精度，使導葉上下端面和頂蓋、底環(huán)之間，導葉與導葉之間的間隙盡可能的小。但即使工藝達到規(guī)定的要求，而機組安裝投產(chǎn)后由于溫度變化和廠房變形等因素，亦可能造成導葉裝配間隙增大或?qū)~卡住現(xiàn)象。一般中型機組的總端面間隙不小于0.50.6mm，而大型機組則不大于11.5mm。5.5.4導水機構(gòu)接力器接力器是導葉傳動機構(gòu)中的動力部件，當水輪機負荷發(fā)生變化時，由調(diào)速器主配壓閥控制的壓力油進入接力器的油缸推動接力器活塞。當活塞移動時，通過推拉桿轉(zhuǎn)動控制環(huán)。控制環(huán)再通過連桿、轉(zhuǎn)臂使導葉轉(zhuǎn)動。本次設計導水機構(gòu)直缸接力器布置在機坑內(nèi)，導水機構(gòu)控制環(huán)由兩個布置在水輪機機坑內(nèi)的接力器來操縱，工作時一個接力器產(chǎn)生推力，另一個接力器產(chǎn)生拉力，一推一拉可轉(zhuǎn)動控制環(huán)，這種布置型式結(jié)構(gòu)簡單、制造方便、運行可靠。5.5.5導葉的結(jié)構(gòu)和材質(zhì)水輪機的導葉，由導體和上、下軸組成。上軸上部有鍵槽和調(diào)節(jié)螺釘孔。其結(jié)構(gòu)分為鑄、焊兩種。隨著焊接技術(shù)的發(fā)展，大、中型水輪機導葉，采用鍛焊結(jié)構(gòu)越來越多。將熱壓成型的弧形板拼焊起來，再與鍛軸焊為整體。鑄造導葉多用ZG30、ZG20MnSi，較高水頭，用不銹鋼整鑄最為理想。為防銹、耐磨起見，軸頸可鍍鉻。本次設計中，固定導葉采用的是材料是Q235，活動導葉采用ZG20MnSi。5.6水輪機導軸承結(jié)構(gòu)設計5.6.1概述水輪機導軸承的作用，一是承受機組在各種工況下運行時由主軸傳來的徑向力，二是維持已調(diào)好的機組軸線位置，提高機組運行的穩(wěn)定性。導軸承是水輪機的重要組成部分，它的工作質(zhì)量直接影響水輪機的運行。導軸承的維護、檢修是水輪機的主要維護、檢修項目。導軸承設計時應注意以下問題：(1)應盡量使軸承布置位置靠近轉(zhuǎn)輪；(2)合理的供油系統(tǒng)和帶油結(jié)構(gòu)；(3)合理的循環(huán)油路；(4)潤滑油應得到充分的冷卻；(5)結(jié)構(gòu)要便于安裝、檢測和維修。5.6.2導軸承的結(jié)構(gòu)型式水輪機導軸承隨機組布置形式分橫軸和立軸兩大類。橫軸導軸承結(jié)構(gòu)基本上是通用的徑向稀油潤滑滑動軸承；立軸導軸承結(jié)構(gòu)型式有水潤滑橡膠軸承、稀油潤滑筒式軸承及稀油潤滑油浸式軸承等。(1)水潤滑橡膠軸承水潤滑橡膠軸承利用清潔水潤滑，軸承體上鑲有6~12塊橡膠軸瓦，用螺釘把合，磨損后允許背面加墊調(diào)整，也可以單獨更換，潤滑水箱上部采用橡膠平板密封，便于檢修與維護。這種軸承使用在電站水質(zhì)干凈，有清潔水源。(2)稀油潤滑筒式軸承筒式軸承采用稀油潤滑，利用油盆旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生油壓，經(jīng)軸承體下部侵油盆的徑向孔和軸瓦面上的斜油槽自循環(huán)潤滑。它具有結(jié)構(gòu)簡單，平面布置緊湊，運行可靠，剛性好，避免了水潤滑橡膠軸承的缺點，軸瓦采用巴氏合金直接澆注在軸承體上，軸承體由24瓣組成筒式。這種軸承用于1100mm較為合適。本設計中采用稀油潤滑筒式軸承，如圖5.3所示。1—油箱蓋2—油箱3—冷卻器4—軸承體5—回油管6—轉(zhuǎn)動油盆7—浮子信號器8—溫度信號器9—油盆蓋圖5.3稀油潤滑筒式軸承5.6.3密封裝置水輪機密封有兩種：工作密封和檢修密封。(1)工作密封a.橡膠平板密封橡膠平板密封是利用橡膠平板與固定在主軸上的動環(huán)形成端面接觸，靠水壓壓緊接觸面進行密封。這種密封性能較好，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，后者用作稀油潤滑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部密封。密封面的一側(cè)是鋪焊有不銹鋼的鋼板，密封部位的加工光潔度不應低于7。另一側(cè)是厚810mm的中硬耐油耐磨橡膠板。接觸寬度B一般取2530mm，接觸面的安裝間隙一般取11.5mm。用于水軸承上部密封的單層平板密封，其封水壓力一般取11.5kgf/。b.水壓端面密封水壓端面密封的靜環(huán)為橡膠環(huán)（或尼龍環(huán)），在環(huán)的底部開有潤滑水孔。這種密封的接觸壓力、補償壓力和潤滑液膜都靠外引的清潔壓力水來形成。橡膠環(huán)和缸壁的配合要適當，既能形成水壓又能使橡膠環(huán)移動，起到補償作用。本次采用的正是水壓端面密封。(2)檢修密封當下游水位高于軸承密封（即水輪機允許吸出高度為負值）時，設有檢修密封，供停機或檢修軸承及其密封時使用。此次設計采用了心形密封檢修密封和水壓斷面工作密封，如下圖。圖5.4水壓式端面密封和檢修密封裝置5.7水輪機的輔助裝置5.7.1混流式水輪機的補氣裝置混流式水輪機的補氣方式分為二類：一類是自然補氣，大部分水輪機均采用此種方式；另一類是強迫補氣（即壓縮空氣或射流泵補氣），尾水管內(nèi)壓力較高，自然補氣不能補入時采用此種方式。1—尾水管2—補氣管3—補氣筒圖5.5尾水管補氣裝置補氣的位置，常見的有三處。一是主軸中心孔補氣；二是尾水管補氣；三是頂蓋補氣。一些試驗表明，水輪機在不穩(wěn)定工況區(qū)運行時，尾水管最低壓力區(qū)分布在距管壁1/41/8D之間。因此補氣入口應設在這個范圍內(nèi)。如在主軸中心孔補氣，則應在泄水錐外錐面壁上開通氣孔，改善補氣效果。尾水管補氣裝置有十字架補氣裝置及短管補氣裝置兩種結(jié)構(gòu)型式。本次設計采用十字架補氣裝置。5.7.2真空破壞閥當水輪機轉(zhuǎn)輪區(qū)出現(xiàn)(0.10.15)kgf/低壓，當導水機構(gòu)因事故而快速關閉時，由于水流的慣性和轉(zhuǎn)輪的水泵作用，在導葉后面的轉(zhuǎn)輪室內(nèi)，可能產(chǎn)生較高真空，引起下游尾水反沖而產(chǎn)生很大的沖擊力或出現(xiàn)抬機現(xiàn)象，嚴重時可將機組的主要部件損壞。真空破壞閥就是緊急關閉導葉時向頂蓋下部補充空氣，破壞真空以減少上述有害的沖擊力或抬機現(xiàn)象，而起到一定的保護作用。大中型水輪機中真空破壞閥均裝在頂蓋或支持蓋