1、 爱的力量大到可以使人忘记一切，却又小到连一粒嫉妒的沙石也不能容纳。 少为失败找理由 多为成功找方法 大多数人想要改革这个世界 却不晓得即时从小事做起 毕业设计（论文） 题 目轴流式水轮机结构设计 及导叶应力分析 专 业 热能与动力工程 班 级 动 094 班 学 生 指导教师 教 授 2013 年 摘 要 本次设计主要是通过查阅相关设计手册 对型号为 ZZ600-LH-300 的水轮机进行结构设计和对导叶进行应力应变分析 并且对带裂纹的导叶进行了应力应变分析 首先对水轮机总体结构作出设计 其次完成了导水机构装配情况的设计及其传动系统设计 另外 结合电站的具体情况以及我国制造业发展现状 还对水
2、轮机部分零部件 例如主轴 导叶 控制环 导叶臂等零件作了设计 通过使用 CAD 绘图 本次设计过程更加便捷 设计成果更加精确 本次设计的应力应变分析是通过 ANSYS 平台软件进行的 其中包括用 NX.UG 软件建模 用 ANSYS ICEM CFD 软件对导叶流场进行网格划分 用 CFX 软件进行流场数值计算 用 ANSYS 软件进行模态分析和静力分析 关键字：水轮机 结构设计 数值分析 模态分析 应力分析 ABSTRACT According to consulting the design book and referring the built up station the prese
3、nt paper is to design the structure of Kaplan turbine ZZ600-LH-300 and make analysis of stress and strain firstly make the design of the architectural structure the guide vanes machanism assembly and the system of the way to drive the guide vanes.Besides considering the situation of the power statio
4、n and now the development of the manufactory at home we have designed some of the parts in details such as the principal axis the guide vanes the discharged ring the arms of the guide vanes.Using the CAD the process of design is more convenient and the result is more accurate. This design made analy
5、sis of stress and strain on the guide vane of the models through the ANSYS platform software including using NX.UG software modeling meshing the flow field of the guide vane through ANSYS ICEM CFD software CFX software is used to numerical calculation modal analysis and static analysis is done throu
6、gh ANSYS software. KEY WORDS: hydroturbine architectural design numerical analysis modal analysis stress analysis 目 录 1 前言 1 1.1 概述 1 12 设计内容 2 1.3 原始资料 2 2 水轮机总体结构设计 3 2.1 绘制轴面流道图 3 2.2 座环设计 5 2.3 活动导叶及导水机构装置零件 7 2.3.1 活动导叶翼型 7 2.3.2 导叶结构系列尺寸和轴颈选择 8 2.3.3 导叶的密封结构 9 2.3.4 导叶轴颈密封 10 2.3.5 导叶套筒 12 2.3
7、.6 导叶轴套 13 2.3.7 导叶臂 15 2.3.8 导水机构装配尺寸 17 2.3.9 导叶传动机构 18 2.3.10 连接板 19 2.3.11 套筒 20 2.3.12 叉头销 20 2.3.13 叉头 22 2.3.14 连接螺杆 23 2.3.15 剪断销 24 2.3.16 分半键 25 2.3.17 端盖 26 2.4 控制环 27 2.5 主轴及其附属部分 28 2.5.1 主轴直径计算 28 2.5.2 主轴结构设计 29 2.5.3 水导轴承 30 2.5.4 主轴密封 33 2.6 操作油管 33 2.7 转轮部分 34 2.7.1 叶片 34 2.7.2 转轮体
8、 35 2.7.3 叶片操作机构与接力器 36 2.7.4 泄油阀 37 2.7.5 叶片密封装置 37 2.8 底环 38 2.9 顶盖和支持盖 39 2.10 真空破坏阀 39 2.11 导水机构传动系统总设计 40 2.11.1 确定导叶开度 40 3 应力分析 43 3.1 导叶模型建立 43 3.2 导叶周边流道模型建立 43 3.2.1 单周期流道网格划分 44 3.3 CFX 数值计算 45 3.3.1 边界条件 45 1.定常流动计算边界条件 45 2.进口边界条件 46 3.出口边界条件 46 4.固壁面边界条件 46 3.4 定常流动计算结果分析 46 3.5 导叶的模态分
9、析与静力分析 48 3.5.1 约束施加 48 3.5.2 荷载施加 49 3.5.3 模态分析 49 3.5.4 静力分析 51 3.6 带裂纹缺陷的导叶的导叶分析 52 3.6.1 带裂纹导叶的模型 52 3.6.2 带裂纹导叶有限元网格划分 52 3.6.3 模态分析结果 53 3.6.4 静力分析结果 54 3.6.5 结论 55 4 总结 56 致谢 57 参考文献 58 1 前 言 1.1 概述 能源作为经济发展的物质基础 在我国社会主义现代化建设中起着决定性作用 为保证国民经济的可持续发展 能持续供应的能源就必须得到保证 随着我国经济的快速发展 能源需求逐年上升 这样 以煤炭为主
10、的能源结构 不仅在很大程度上限制了经济的快速发展 同时也引发了能源安全以及环境污染等重大问题 基于以上问题的考虑 水能 作为安全、可靠、清洁的可持续能源越来越受到人们的重视 我国拥有世界上最为丰富的水能资源 但水能的开发率较低 为了满足人民日渐增长的电力需求和化石能源的有限性之间的矛盾 积极开发水电 已经成为我国的当务之急 近年来 水轮发电机组的容量、尺寸及转速不断提高 水轮机尺寸越来越大 而叶片厚度越来越小 其固有频率大大降低 水轮机各过流部件在运行过程中 受到各种不平衡力的作用 工作环境非常复杂 各种水力不平衡力和激振源的相互藕合使过流部件产生振动 近年来投产的容易引起由于导叶与转轮动静干
11、扰或叶道涡等影响产生的水压脉动共振 成为叶片产生裂纹的主要根源 水轮机过流部件的刚强度、振动特性与疲劳破坏是设计、运行部门等所关注的问题 随着有限元方法的日益成熟 在水轮机过流部件的刚强度分析中的应用逐渐普及 对于叶片的振动问题 是涉及到固体力学、振动力学、水力学、计算流体力学、材料力学等多学科的综合性课题 其包含的知识内容极为广泛 因此 在工程实际中 对转轮叶片的刚强度分析显得越来越重要 尤其对于分析水轮机叶片裂纹的事故并防止其发生 具有重要作用 目前 工程中在轴流式转轮的刚强度分析中 大多利用现代的计算机技术 采用 ANSYS 有限元分析计算方法 对该水轮机叶片在最大水头下的强度进行分析计
12、算 1.2 设计内容 一、绘制水轮机转轮 1.按给定水轮机型号和转轮直径等参数 确定水轮机转轮流道的 主要特征尺寸绘制转轮流道图 2.应用 CAD 软件绘制导叶单线图 导叶布置图 3.导叶最优开度下实体造型 4.划分网格并计算 进行流场分析； 二、应力应变分析 1.正常导叶和带裂纹导叶有限元网格划分 2.正常导叶和带裂纹导叶固有频率分析 3.正常导叶和带裂纹导叶静力分析 三、外文翻译 1.3 原始资料 本次毕业设计基本参数如下： 水轮机型号 ZZ600-LH-300 出力（kw） 2500 设计水头（m） 6.2 额定转速（r/min） 125 最大水头（m） 7.8 设计流量（m3/s） 5
13、1.5 最小水头（m） 4 2 水轮机总体结构设计 2.1 绘制轴面流道图 查阅水轮机设计手册得 型号为 ZZ600-LH-300 的水轮机模型流道尺寸和转轮室尺寸分别如图 2-1 图 2-2 所示 根据比例换算所得真机的流道尺寸和转轮室尺寸如表 2-1 表 2-2 所示： 图 2-1 ZZ600 流道尺寸 表 2-1 流道尺寸 参数符号 真机数值（mm） 参数符号 真机数（mm） D1 3000 R2 2832 Z1 4 d2 876 D0 3765 d3 876 Z0 20 d4 832.5 b0 1464 h1 717 dB 999 h2 276 R1 708 h3 324 轴流式水轮机
14、转轮室是水轮机过流通道的一部分 转轮室的外形和选用的转轮型号有关 本水电站转轮型号为 ZZ600 其转轮室结构如下图所示 图 2-2 ZZ600 转轮室尺寸 表 2-2 ZZ600 转轮室尺寸 参数符号 模型数值 mm 真机数值 mm R1 50 150 R2 100 300 R3 500 1500 R4 385 1155 R（球） 500 1500 h1 209 627 h2 154 462 H5 55 165 h4 81 243 D2 973 1919 D3 981 2943 8 8 在电站运行时 由于水流的压力脉动在转轮室上作用有很大的周期性载荷 为加强转轮室的刚度并改善转轮室与混凝土的
15、结合 在转轮室四周有环向和竖向的加强筋 并用千斤顶和拉紧杆将转轮室牢牢固定在二期混凝土中 2.2 座环设计 座环是反击式水轮机的基础部件之一 除了承受水压力作用外 还承受整个机组和机组段混凝土重量 因此要有足够的强度和刚度 其基本结构是由上环、下环和固定导叶组成 由于本水电站水头较低 小于 40m 故而选择与混凝土蜗壳连接的座环 考虑到电站的基本资料 现对制造质量提出如下要求： 1)此座环所选材料为 ZG30 采用铸造结构； 2)考虑到其强度要求 钢板厚度选取为 75mm； 2)所有过流表面打磨光滑至表面粗糙度为 3.2； 3)固定导叶进口端节距误差不超过 0.0015Da； 4)顶盖与底环把
16、合面平行度误差不超过 0.025 毫米/米； 5)分瓣结构的合缝面粗糙度为 6.3 合缝面间隙一般不超过 0.05 毫米 局部允许有 0.150.3 毫米凹陷部分（深度小于接合缝的 1/3 长度不超过接合缝总长的 1/5） 但不允许有突起 座环的尺寸和转轮型号、直径有关 其固定导叶的形状又取决于水力和强度计算 所以座环尺寸变化的因素较多 不可能完全统一 参考水轮机设计手册104 页表 6-14 选出座环基本尺寸 再根据电站实际情况稍作改动 设计如下图 2-3 表 2-3 所示： 表 2.3 水轮机座环尺寸 参数符号 数值（mm） 参数符号 数值（mm） Db 5150 H1=b0+10-25
17、1475 Da 4500 R 200 k 75 其中参数符号对应 图 2-3 水轮机座环（ 根据蜗壳而定） 图 2-3 水轮机座环 2.3 活动导叶及导水机构装置零件 2.3.1 活动导叶翼型 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 正常与事故停机时 封住水流 停止机组转动 圆柱式导水机构的导叶叶形 通常有对称形和非对称形（正曲率）两种标准叶形 由于对称形导叶一般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 参考水轮机设计手册中 137 页表 8-5 再根据本水轮机的具体情况 得对称形导叶叶形的
18、断面参数如下表： 表 2-4 导叶翼型参数 参数符号 数值(mm) 参数符号 数值(mm) D1 3000 k 5.8 D0 3765 r 44.4 Z0 20 L 665 a 56.7 L1 322.5 b 69.1 L2 342.5 c 71.8 d0 138.7 d 69.1 m 57.1 e 62.5 其符号所代表的意义见图 2-4: 图 2-4 导叶翼型图 2.3.2 导叶结构系列尺寸和轴颈选择 导叶轴颈可按转轮直径 D1 使用水头 H1（指最高水头） 导叶的相对高度 b0/D1 从水轮机设计手册中 146 页表 8-10 初选轴颈 db 选得 db =115mm 再根据 db=11
19、5mm 从设计手册中表 8-9 查得导叶结构的其它尺寸如下表： 表 2-5 导叶尺寸 参数符号 数值（mm） 参数符号 数值（mm） db 115 hA 95 da 95 hB 140 d1 125 hc 200 dc 105 h1 20 d2 110 h2 110 dm 30 h3 45 d3 M24 h4 12 d4 32 h5 6 d5 109 H 参考 617 其中参数符号所代表下图 2-5 中符号 图 2-5 导叶结构尺寸 导叶的材料为 ZG20MnSi 整铸 为保证导叶转动灵活 导叶上、中、下三个轴颈要同心 径向摆度不大于中轴颈公差的一半 导叶体端面与不垂直度允许误差不超过 0.1
20、5/1000 导叶过流表面型线要正确 制造中应用样板检查 2.3.3 导叶的密封结构 导叶关闭后 导叶体的立面应该有很好的密封 由于本机组属于低水头的机组 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 从水轮机设计手册上 148 页表 8-12 查得圆橡皮条和鸽尾槽的尺寸如下表： （由于导叶体 较高 可在中间加焊数段钢筋 使橡皮条分段固定 ） 表 2-6 圆橡皮条和鸽尾槽的尺寸 参数符号 数值（mm） a 9 b 9.5 c 2 其中参数符号对应下图 2-6 中符号： 图 2-6 导叶密封 2.3.4 导叶轴颈密封 导
21、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 2-7： 表 2-7 中轴颈密封 参数符号 数值（mm） 参数符号 数值（mm） db 115 h 18 d 120 1 4 d1 110 2 4 d2 155 R2 0.5 R5 1.5 其中参数符号意义对应图 2-7： 图 2-7 中轴颈密封 导叶下轴颈的密封主
22、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 2-8： 表 2-8 下轴颈密封 参数符号 数值（mm） db 115 D 95 d 7.5 其中参数符号意义对应图 2-8： 图 2-8 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 2.3.5 导叶套筒 导叶套筒是固定活动导叶上中轴套的部件 采用 HT21-40 铸铁铸造 套筒结构与主轴材质、
23、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 2-9： 表 2-9 导叶套筒 参数符号 数值（mm） 参数符号 数值（mm） db 115 d7 26 d1 320 d8 6 d2 195 h 210 d3 120 h1 35 d4 130 h2 115 d5 135 h3 53 d6 280 Z 6 H 参考 430 其中参数符号对应下图 2-9 中符号： 图 2-9 导叶套筒 为满足于导叶臂的装配要求 最终取 H=430mm 2.3.6 导叶轴套 导叶轴套目前已广泛采用具有自润
24、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 a） 上轴套尺寸系列如表 2-10 所示： 表 2-10 上轴套尺寸 参数符号 数值（mm） 参数符号 数值（mm） dc 105 h 37 d1 105 h1 6 d2 120 h2 12 d3 119.6 1 d4 150 表中参数符号意义见图 2-10： 图 2-10 上轴套 b） 中轴套尺寸系列如表 2-11 所示： 表 2-11 中轴套尺寸 参数符号 数值（mm） 参数符号 数值（mm） db
25、 115 h 115 d1 115 h1 25 d2 130 h2 6 d3 129.6 d5 6 d4 135 0.8 表中参数符号意义见图 2-11： 图 2-11 中轴套 c） 下轴套尺寸系列如表 2-12 所示： 表 2-12 下轴套尺寸 参数符号 数值（mm） 参数符号 数值（mm） da 95 h 90 d1 95 h1 6 d2 110 0.8 d3 109.6 表中参数符号意义见图 2-12： 图 2-12 下轴套 2.3.7 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 2-13 2-14： 表 2-13 导叶臂
26、参数符号 数值（mm） 参数符号 数值（mm） db 115 H 154 Dc 105D L1 81 D1 144d e 42 D2 148 K 8 d2 120 R1 20 dm 35D f1 1 d3 M16 T 0.2 d4 22 其中参数符号意义对应图 2-13(左) : 表 2-14 导叶臂销孔尺寸 参数符号 数值（mm） 参数符号 数值（mm） dcn 40D C1 1 R 65 h 40 B 140 h1 55 其中参数符号意义对应图 2-13 ： 图 2-13 导叶臂 2.3.8 导水机构装配尺寸 导水机构大部分零件应做到标准化、系列化 在水轮机设计手册上 132 页查表 8-
27、1 可得出按转轮系列尺寸编制的导水机构装配系列 下表 2-15 是本水电站对应的导水机构装配尺寸： 表 2-15 导水机构装配尺寸 参数符号 数值（mm） 参数符号 数值(mm) D1 3000 Dc 2400 Z0 20 LH 500 D0 3765 lp 250 30 lc 410 其中参数符号意义对应图 2-14 图 2-14 导水机构装配 2.3.9 导叶传动机构 鉴于叉头传动机构受力情况好 所以本水电站采用叉头传动机构 其主要是由导叶臂、连接板、叉头、叉头销、连接螺杆、螺帽、分瓣键、剪断销、轴套、端 盖和补偿环等组成 参照水轮机设计手册164 页表 8-25 可得出本次设计的导叶传动
28、机构装配尺寸 如表 2-16 所示： 表 2-16 导叶传动机构装配尺寸 参数符号 数值(mm) 参数符号 数值(mm) 接力器直径 dc 410 d2 68D3/jd Z0 20 h 45 d1 M484 h1 60 dn 60D/dc 导叶中轴颈 db 115 dcn 45D4/dc4 分瓣键直径 dm 35D/gc 2.3.10 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 8-29 到表 8-30 查出连 接板尺寸如下表 2-17： 表 2-17 连接板尺寸 参数符号 数值（mm） 参数符号 数值（mm） D1 165D R2 50 R1 100 h 40 K 0
29、.02 h1 55 Dcn 40D4 l 20 D2 58D3 l1=l2 62 d1 150 c 1 d2 M24 其中参数符号意义对应图 2-15： 图 2-15 连接板 2.3.11 套筒 根据连接板 D2=100 从水轮机设计手册上 168 页的表 8-33 查出轴套尺寸如下表 2-18： 表 2-18 轴套尺寸 参数符号 数值（mm） 参数符号 数值（mm） dn 70D h 78 d2 78jd h1 8 d1 83 c 2.5 其中参数符号意义对应图图 2-16： 图 2-16 轴套 2.3.12 叉头销 根据套筒 dn=70D 从水轮机设计手册上 170 页的表 8-36 查出
30、剪断销尺寸如下表 2-19： 表 2-19 叉头销尺寸 参数符号 数值（mm） 参数符号 数值（mm） dn 70dc h2 10 d 70gb D 59 d1 65gb b 3.5 d2 69 R 1.5 d3 62 c 3 h 88 d0 3 h1 30 r 1.5 H 143 其中参数符号意义对应图 2-17： 图 2-17 叉头销 2.3.13 叉头 根据连接板 dn=70 从 水轮机设计手册 上 167 页的表 8-31 查出叉头尺寸如下表 2-20： 表 2-20 叉头尺寸 参数符号 数值（mm） 参数符号 数值（mm） d1 M564 L 150 d2 70D L1 95 d3
31、65D R 62 d4 100 r 12 H 140 r1 6 h 90 c1 2 h1 25 S 20 其中参数符号意义对应图 2-18： 图 2-18 叉头 2.3.14 连接螺杆 根据连接板 d1=M56 从 水轮机设计手册 上 168 页的表 8-32 查出叉头尺寸如下表 2-21： 表 2-21 连接螺杆尺寸 参数符号 数值（mm） 参数符号 数值（mm） d1 M564 b 24 d2 60 b1 8 d3 50 r 2 S 50 c 3 l 135 其中参数符号意义对应图 2-19： 图 2-19 连接螺杆 2.3.15 剪断销 根据连接板 Dcn=80mm 从水轮机设计手册上
32、170 页的表 8-35 查出剪断销尺寸如下表 2-22： 表 2-22 剪断销尺寸 参数符号 数值（mm） 参数符号 数值（mm） Dcn 40dc4 r 1 d 20 h1 4.5 d2 39 h2 10 d3 45 h 40 d4 40 l 38 b 4 L 90 b1 3 其中参数符号意义对应图 2-20： 图 2-20 剪断销 2.3.16 分半键 根据上轴直径 dc =230mm 从水轮机设计手册上 169 页的表 8-34 查出分半键尺寸如下表 2-23： 表 2-23 分半键尺寸 参数符号 数值（mm） 参数符号 数值（mm） dc 105 b 16.4 dm 35 K 4 L
33、 110 c 1 B 34 b1 18.6 l1 140 h2 10 l2 110 h3 25 h 5 h4 6 其中参数符号意义对应图 2-21： 图 2-21 分半键 2.3.17 端盖 根据轴颈 db=250mm 从水轮机设计手册上 171 页的表 8-37 查出端盖尺寸如下表 2-24： 表 2-24 端盖尺寸 参数符号 数值（mm） 参数符号 数值（mm） db 115 h1 24 d1 195 R 52.5 d2 106 1 M20 d3 45 2 18 d4 26 3 38 d5 135 d6 65 h 32 其中参数符号意义对应图 2-22： 2-22 端盖 2.4 控制环 控
34、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 A3 铸造 根据水轮机转轮直径查 水轮机设计手册 第 185 页图 8-34 及其表 8-52 到表 8-54 得出控制 环尺寸如下： 表 2-26 控制环尺寸（总体） 参数符号 数值（mm） 参数符号 数值（mm） DC 2400 Dy 2550 Z0 20 S 25 R 12 其中参数符号意义对应图 2-23： 图 2-23 控制环（总体） 2.5 主轴及其附属部分 2.5.1 主轴直径计算 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（
35、转/分） 由原始资料：N=8.8MW=8.8KW n=187.5r/min 所以 根据水轮机设计手册上 319 页图 12-12 扭力矩与主轴外径的关系曲 线查得 D200（mm） 主轴内孔直径按水轮机设计手册320 页上的公式 12-2 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： 但为了保证主轴有足够的刚强度 可将主轴内径按标准直径系列取为 400mm 2.5.2 主轴结构设计 主轴是水轮机的关键部件之
36、一 用来传递水轮机转轮产生的转矩（功率） 使发电机旋转 产生电能 同时承受轴向水推力及转动部分的重量 它的毛坯采用 ZG20MnSi 整锻 由于本机组是大型的轴流式水轮机 在主轴内装有操作油管 所以主轴必须要有中心孔 同时 这样的空心轴 不但减轻了主轴的质量 提高轴的刚度和强度 而且还能消除轴心部分组织疏松等缺陷 便于检查 主轴与转轮的连接结构在设计中采用转轮上盖与主轴法兰合一的结构 主轴一端与发电机相连 另一端与转轮相连 查水轮机设计手册上 312 页的表 12-3 得轴的尺寸如下表 2-29： 表 2-29 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）
37、D 400 d2 102 R 35 D 725 h 100 R1 6 Db 580 h1 115 R2 375 Dp 415 l 45 R3 5 D2 717 l1 45 f 2 D3 410 l2 8 Z 20 d 360 m 1.5 C 12 d 360 C1 15 db 68 d1 70 其符号所代表的意义如下图 2-24 所示: 图 2-24 主轴 （其中上边为水轮机端 下边为发电机端） 2.5.3 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、
38、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其结构如图 2-25： :图 2-25 稀油润滑分块瓦式水导轴承 本次设计中 Nr=2500kW n=125r/min 再参照国内部分运行机组的结构参数 其尺寸对应下表 2-31： 表 2-31 水导轴承 参数符号 数值 参数符号 数值 N（千瓦） 2500 瓦宽 B（
39、毫米） 250 n（转/分） 125 瓦数 10 轴颈直径（毫米） 610 B/L 0.8 轴颈直径 De（毫米） 738 轴瓦单边间隙（毫米） 0.25 瓦高 L（毫米） 666 使用部位 水导 考虑本次设计中 其他部件的布置情况 针对以上数值作出了一定的变动 具体参照总装图中的尺寸 另外 对于稀油润滑分块瓦式轴承 本次设计选择将轴领作为主轴轴身上的附加物 之后与轴身焊成一体 轴领采用与主轴同样材质的铸件或者锻件 粗加工后焊于轴身上 并经退火处理 消除焊接应力 退火前主轴内孔灌以铸铁铁屑或者黄砂 两端封闭 以减少内孔氧化 轴颈下部开有成一定角度或径向的通油孔 当主轴旋转时 此孔起着油泵的作用
40、 将经过冷却器冷却后的润滑油输送到轴瓦面及轴承体空腔内 工作后的热油经轴承体上部油孔和顶部流向冷却器 形成油循环 轴领下部通油孔数目在 2432 范围内 孔直径取 30mm 挡油箱以上的轴领处 开有数个通气孔 以平衡轴领内外侧压力 防止油和油雾外溢 轴领处的结构如下图 2-26： 图 2-26 轴颈处结构 本次设计中 油盆选择用 A3 钢板焊接 并在制造过程中进行煤油渗漏试验 分块轴瓦采用 ZG30、滑动面浇注 ChSnSb11-6 锡基轴承合金 垫板采用 30Cr 并有以下制造要求：本体铸成整圈 分割成若干块 合金浇注前挂纯锡 不许脱壳 瓦面粗糙度为 8 瓦背面支顶垫板与背面贴紧不许有间隙
41、垫片热处理 HRC3540 支顶螺丝材料为锻钢 35 热处理 HRC40 细牙螺纹与螺帽选配 分块瓦轴承体材料为 ZG30 支顶螺丝孔中心线与轴心线垂直 轴承体法兰面与分块瓦承托面平行 误差不超过 0.030.05 毫米 2.5.4 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 本次设计中采用的是水压式端面密封 这种密封方式检修维护方便 结构简单 工作寿命长 其结构见图 2-30 另一种是机组停机检修轴承和轴承下
42、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 47 公斤/厘米 2 其所采用的围带的剖面尺寸见下图 2-27： 图 2-27 水压式主轴密封 2.6 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
43、加工、装卸方便 根据水轮机设计手册中的要求 参照已有电站资料 本水电站操作油管水轮机段得结构如图 2-28 所示： 图 2-28 操作油管示意图 2.7 转轮部分 2.7.1 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 2.7.2 转轮体 转轮体外表面是过流通道
44、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合一的结构 图 2-29 转轮结构图 2.7.3 叶片操作机构与接力器 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 故其在水轮机中应用较多 其具体结构如图 2-30 所示： 图 2-30 带操作架的直连杆机构 2.
45、7.4 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 2-31 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 2-31 泄油阀结构图 2.7.5 叶片密封装置 转轮体内充满低压油用以润滑转桨机构 机组运转时 接力器下腔的高压油会沿着活塞杆和转轮体衬套之间的间隙漏入转轮体内 为降低转轮体内腔的漏油压力 调节和补偿活塞推拉杆上下移动时引起的转轮体内腔油体积的变化 在推拉杆中心开设连通管 连通管与主轴中心孔内第一层环形空间相通 溢油由此上升至发电机转子顶上的受油器的回油腔 这样 连通管能起到溢油和补充回油的作用
46、为了防止转轮体内润滑油沿着叶片法兰的转动间隙露出 特别是因为叶片背面的压力常是真空 其法兰周边处更易露出 也为了防止转轮体外高压水渗漏入体内 在叶片和转轮体之间设有双向的密封装置 其具体结构如下图 2-32 所示： 图 2-32“型密封 2.8 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 ZG30 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 2-33： 图 2-33 水轮机底环 2.9 顶盖和支持盖 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
47、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 140mm 钢板 本水轮机的顶盖最大直径为 4.7 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 2-34 所示： 图 2-34 焊接顶盖 图 2-35 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 本文设计中电站水轮机的顶盖最大直径为 4 米之多 属于大型部件 受运输条件的限制 顶盖采用分四瓣组合 支持盖见 2-35 2.10 真空破坏阀 当导
48、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 2-38 所示 图 2-36 真空破坏阀 2.11 导水机构传动系统总设计 2.11.1 确定导叶开度 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 根据水轮机原始资料：转轮直径： D1 3000mm； 设计水头：H r 6.2m； 设计流量：Q r 51.5m3/s； 额定转速： n r =125r/min 进行计算设计 计算额定工况时的单位转速和单位流量分别为： 根据查 ZZ600-LH-300 的模型综合特性曲线得模型得最大开度： 由： Z0M=20 Z0 =20 D0 = 3765(mm ) D0M = 195(mm ) 换算成真机的最大开度值为： 计算真机的最大可能开度： 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 a0y
