畢業(yè)設(shè)計--蓄能電站水泵水輪機結(jié)構(gòu)設(shè)計

1、<p><b>　　畢業(yè)設(shè)計（論文）</b></p><p>　　題 目 仙游電站水泵水輪機 </p><p>　　結(jié)構(gòu)設(shè)計 </p><p>　　專 業(yè) 熱能與動力工程 </p><p>　　班 級 動093班 </p><p

2、>　　學(xué) 生 **** </p><p>　　指導(dǎo)教師 *** 教授 </p><p><b>　　2013 年</b></p><p>　　**游蓄能電站水泵水輪機結(jié)構(gòu)設(shè)計</p><p><b>　　摘 要</b></p>

3、<p>　　抽水蓄能電站在電網(wǎng)中擔(dān)任填谷調(diào)峰的關(guān)鍵作用，對提高電網(wǎng)供電質(zhì)量和電網(wǎng)靈活性有著十分重要的意義。安裝在抽水蓄能電站的水泵水輪機，需要根據(jù)電網(wǎng)的調(diào)度在水輪機和水泵兩種工況間轉(zhuǎn)換運行，以此完成調(diào)頻調(diào)峰等重要任務(wù)。由于水頭高、轉(zhuǎn)速高、容量大、運行工況復(fù)雜、起停頻繁等特點，因而決定了水泵水輪機在結(jié)構(gòu)上表現(xiàn)出獨有的特征.</p><p>　　**游蓄能水電廠從電站規(guī)模、機組容量及高水頭水泵水輪機等方面

4、而言，都是極具代表性的抽水蓄能電站。本次畢業(yè)設(shè)計就是以該電站為對象，通過查閱相關(guān)資料及水輪機設(shè)計手冊，輔助以CAD繪圖工具，對其混流式水泵水輪機結(jié)構(gòu)進行設(shè)計，繪制了總裝配圖，導(dǎo)水機構(gòu)裝配圖，導(dǎo)葉布置圖，主軸零件圖。</p><p>　　關(guān)鍵詞：**游蓄能電站, 水泵水輪機, 結(jié)構(gòu)設(shè)計,CAD</p><p>　　The Structural Design of Pump-turbine i

5、n</p><p>　　Fujian Xianyou Pumped Storage Power station</p><p><b>　　Abstract </b></p><p>　　Pumped storage power station plays a pivotal role in peka-clipping of power gri

6、d，being significant to improve the quality of power supply and the flexibility of power network.Pump-turbine，which is specially applied to pumped storage power station，transfers between turbine and pump according to the

7、manage of power grid to fulfil the vital task of peak regulation and frequency adjustment. It also shows unique features in structure due to the characteristics of high water head, high speed, large ca</p><p&g

8、t;　　Fujian Xianyou pumped storage power station is extremely typical when it comes to the scale，unit capacity,or the high-head pump-turbine.The graduation project takes Guangzhou pumped storage power station as the objec

9、t,aiming at completing the structural design of Francis pump-turbine in this power station by refering to related data,the design hand book of hydraulic turbine and Computer Aided Design CAD.The overall assembly, the dis

10、tributor assembly, as well as some of the major parts are well d</p><p>　　Key Words: Fujian Xianyou pumped storage power station, pump-turbine, structural design, CAD</p><p><b>　　目錄</b&

11、gt;</p><p><b>　　1．前 言1</b></p><p><b>　　1.1概述1</b></p><p><b>　　1.2設(shè)計內(nèi)容2</b></p><p><b>　　1.3原始資料2</b></p><p

12、>　　2.水泵水輪機總體結(jié)構(gòu)設(shè)計3</p><p>　　2.1繪制軸面流道圖3</p><p><b>　　2.2轉(zhuǎn)輪部分3</b></p><p>　　2.2.1轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)3</p><p>　　2.2.2 轉(zhuǎn)輪連接4</p><p>　　2.2.3轉(zhuǎn)輪止漏裝置5</p&g

13、t;<p>　　2.2.4泄水錐5</p><p>　　2.2.5 轉(zhuǎn)輪減壓裝置5</p><p>　　3.主軸及其附屬結(jié)構(gòu)部分6</p><p>　　3.1.1主軸直徑計算6</p><p>　　3.1.2主軸結(jié)構(gòu)設(shè)計7</p><p>　　3.1.3水導(dǎo)軸承9</p><

14、;p>　　3.1.4主軸密封10</p><p>　　3.1.5檢修密封12</p><p><b>　　3.2座環(huán)14</b></p><p><b>　　3.3頂蓋15</b></p><p><b>　　3.4底環(huán)16</b></p><

15、;p><b>　　3.5基礎(chǔ)環(huán)17</b></p><p><b>　　3.6蝸殼17</b></p><p>　　3.7 接力器18</p><p>　　3.8真空破壞閥18</p><p><b>　　4.導(dǎo)水機構(gòu)19</b></p><

16、p>　　4.1 活動導(dǎo)葉翼型20</p><p>　　4.2 導(dǎo)葉開度的確定21</p><p>　　4.3導(dǎo)葉結(jié)構(gòu)、尺寸和軸頸選擇21</p><p>　　4.4 導(dǎo)葉的密封結(jié)構(gòu)23</p><p>　　4.5導(dǎo)葉套筒23</p><p>　　4.6 導(dǎo)葉止推裝置24</p><

17、p>　　4.7 導(dǎo)葉軸頸密封25</p><p>　　4.8導(dǎo)葉軸套26</p><p>　　5.導(dǎo)葉傳動機構(gòu)及零部件28</p><p><b>　　5.1導(dǎo)葉臂29</b></p><p>　　5.2 連接板30</p><p><b>　　5.3 叉頭31<

18、/b></p><p>　　5.4 連接螺桿32</p><p><b>　　5.5 端蓋32</b></p><p>　　5.6 分半鍵33</p><p>　　5.7 剪斷銷34</p><p>　　5.8 叉頭銷35</p><p>　　5.9 叉頭銷

19、軸套36</p><p>　　5.10控制環(huán)37</p><p><b>　　6.總結(jié)38</b></p><p><b>　　參考文獻40</b></p><p><b>　　1．前 言</b></p><p><b>　　1.1概述

20、</b></p><p>　　隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展,我國能源消耗不斷增大,環(huán)境污染不斷加劇,轉(zhuǎn)變能源結(jié)構(gòu)、促進電力系統(tǒng)節(jié)能減排已成為全社會共同關(guān)注的焦點。經(jīng)濟發(fā)展對電力的需求逐步加大，為滿足電力供需關(guān)系，各種新能源和核電開始投網(wǎng)運行，這致使電力系統(tǒng)日負(fù)荷峰谷差越來越大。抽水蓄能電站作為目前解決盈余電能儲存問題的最有效方式，其調(diào)峰填谷、調(diào)頻調(diào)相、旋轉(zhuǎn)備用的作用日益突出，對于提高電網(wǎng)穩(wěn)定性和供電質(zhì)量意義

21、重大。目前，世界抽水蓄能技術(shù)正在不斷超高水頭、大容量方向發(fā)展，我國蓄能電站技術(shù)雖起步較晚，但至今也取得了較快的進步，在諸多核心技術(shù)上實現(xiàn)了重大突破，正在逐步實現(xiàn)國產(chǎn)化進程。水泵水輪機作為蓄能電站的核心設(shè)備，其機構(gòu)設(shè)計的合理性直接影響到運行效率、運行穩(wěn)定性等諸多方面，因此合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計是保障電站經(jīng)濟運行的首要前提。</p><p>　　**游蓄能電站作為我國大型抽水蓄能電站的代表之一，對國內(nèi)整個抽水蓄能技術(shù)的發(fā)展起

22、到了極大的借鑒和推動作用。本次畢業(yè)設(shè)計通過查閱各種參考文獻和水輪機設(shè)計手冊，在掌握常規(guī)水輪機機組結(jié)構(gòu)的前提下，學(xué)習(xí)水泵水輪機的結(jié)構(gòu)特點。并以**游抽水蓄能電站為對象，參考相同水頭段其他蓄能電站機組結(jié)構(gòu)特點，完成對該電站水泵水輪機的結(jié)構(gòu)設(shè)計。既可以將平時的專業(yè)理論知識進行系統(tǒng)的實踐練習(xí)，又能通過各種中外文文獻的學(xué)習(xí)，了解專業(yè)領(lǐng)域最新的研究方向。更重要的是在完成畢業(yè)設(shè)計的過程中，能發(fā)現(xiàn)自己平時學(xué)習(xí)和認(rèn)識上的疏漏點，及時的進行完善和彌補。通過

23、本次畢業(yè)設(shè)計，進一步提高自己的動手和創(chuàng)新能力，深入了解常規(guī)水輪機及水泵水輪機的結(jié)構(gòu)，拓寬視野，為自己即將到來的研究生學(xué)習(xí)奠定良好的基礎(chǔ)。</p><p>　　CAD制圖技術(shù)是本次畢業(yè)設(shè)計中使用到的重要工具，既確保了繪圖計算的準(zhǔn)確性，也使得整個設(shè)計及修改過程更加快捷方便，讓我們對軟件使用的熟練程度和使用技巧也得到很大的提高。</p><p><b>　　1.2設(shè)計內(nèi)容</b&

24、gt;</p><p>　?。ㄒ唬└鶕?jù)給定的**游蓄能電站基本資料進行水輪機總體結(jié)構(gòu)設(shè)計 </p><p>　　1.根據(jù)給定的水輪機型號和轉(zhuǎn)輪直徑等基本參數(shù)，確定水輪機的主要特征尺寸，對水輪機主要部件進行結(jié)構(gòu)設(shè)計； </p><p>　　2.根據(jù)機組型式和電站基本條件設(shè)計主軸密封和水導(dǎo)軸承； </p&g

25、t;<p>　　3.繪制水輪機總裝配圖及主要部件組裝圖或零件圖。 </p><p>　?。ǘ?dǎo)水機構(gòu)傳動系統(tǒng)設(shè)計 </p><p>　　1.根據(jù)機組的型式進行導(dǎo)水機構(gòu)傳動系統(tǒng)設(shè)計； </p><p>　　2.繪制導(dǎo)水機構(gòu)裝配圖及導(dǎo)葉布

26、置圖； </p><p><b>　　1.3原始資料 </b></p><p>　　本次畢業(yè)設(shè)計的基本參數(shù)如下：</p><p>　　單機容量：300MW</p><p>　　擬用水輪機型號：HLX-LJ-410</p><p>　　額定轉(zhuǎn)速：428.6

27、r/min</p><p>　　水輪機設(shè)計流量：79.16 m3/s</p><p>　　水泵流量：最大68.05 m3/s最小54.63 m3/s</p><p><b>　　吸出高度：-65m</b></p><p><b>　　安裝高程：205m</b></p><p&g

28、t;　　2.水泵水輪機總體結(jié)構(gòu)設(shè)計</p><p>　　2.1繪制軸面流道圖</p><p>　　可逆式水泵水輪機的轉(zhuǎn)輪要適應(yīng)兩種工況的要求，故其流道的特征形狀與離心泵更為相似。高水頭水泵水輪機的軸面流道十分扁平，進口直徑D1與出口直徑D2的比率一般為2：1或更大，相對導(dǎo)葉高度b0不超過10%。本設(shè)計查閱**游抽水蓄能電站相關(guān)資料，擬用轉(zhuǎn)輪型號HLX-LJ-410，其流道尺寸符號及數(shù)值分別

29、如圖2-1、表2-1所示。</p><p>　　圖2-1 HLX-LJ-415.8流道圖</p><p><b>　　表2-1 流道尺寸</b></p><p><b>　　2.2轉(zhuǎn)輪部分</b></p><p><b>　　2.2.1轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)</b></p>&

30、lt;p>　　轉(zhuǎn)輪是水輪機中直接將水能轉(zhuǎn)換為機械能的部件，由于不受運輸條件的限制(3886mm)，所以轉(zhuǎn)輪采用整體鑄造，轉(zhuǎn)輪由上冠、下環(huán)、7個葉片和泄水錐等組成，材料為Z5CN1704M。圖2-2為轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)，尺寸如表2-2所示:</p><p>　　表2-2-1 轉(zhuǎn)輪尺寸</p><p>　　2.2.2 轉(zhuǎn)輪連接</p><p>　　混流式轉(zhuǎn)輪與主軸常用的連接

31、方式有兩種：連軸螺釘連接和鍵傳遞扭矩連接。后者在小型機組中應(yīng)用較廣，但由于本設(shè)計為大型機組，故采用法蘭螺釘連接的方式，轉(zhuǎn)輪重量由發(fā)電機推力軸承承擔(dān)，轉(zhuǎn)輪法蘭尺寸符號及數(shù)值如圖2-3、表2-2-2所示。</p><p>　　表2-2-2 轉(zhuǎn)輪法蘭尺寸</p><p>　　2.2.3轉(zhuǎn)輪止漏裝置</p><p>　　止漏裝置的作用是減少機組的容積損失，常用的形式有縫隙式

32、、迷宮式和梳齒式三種，材料選用碳素鋼、不銹鋼或其他抗磨鋼板。本設(shè)計中由于水頭大于200m，故采用梳齒式止漏環(huán)，機械裝配點焊與轉(zhuǎn)輪固定，根據(jù)《水輪機設(shè)計手冊》表10-11，由轉(zhuǎn)輪直徑查選梳齒密封間隙為1.5mm.</p><p><b>　　2.2.4泄水錐</b></p><p>　　泄水錐形式參照典型結(jié)構(gòu)，與上冠的連接方式采用16個布置在連軸螺釘內(nèi)側(cè)的M60螺釘把合

33、，為避免運行中脫落，另與上冠點焊加強，材料為Z5CN1704M。</p><p>　　2.2.5 轉(zhuǎn)輪減壓裝置</p><p>　　**游抽水蓄能電站屬于500米水頭段的高水頭電站，因此在上冠處設(shè)置減壓裝置，對于減小機組軸向水推力非常關(guān)鍵。常見的轉(zhuǎn)輪減壓結(jié)構(gòu)有兩種：一是減壓板和泄水孔方式，另有頂蓋排水管和泄水孔方式。本次選用第一種減壓裝置，減壓板與頂蓋的間隙值為30mm以保證抬機需要。&l

34、t;/p><p>　　泄水孔開向為順?biāo)鲀A斜25°，為了減小過流面的空蝕和磨損，設(shè)計自泄水孔流出的水經(jīng)泄水錐內(nèi)腔排入尾水管。</p><p>　　3.主軸及其附屬結(jié)構(gòu)部分</p><p>　　3.1.1主軸直徑計算</p><p>　　主軸的外徑尺寸可以根據(jù)機組的扭力矩初選，扭力矩按以下公式計算：</p><p>

35、;　　式中 ： N——代表主軸傳遞的功率（千瓦）</p><p>　　n——代表主軸轉(zhuǎn)速（轉(zhuǎn)/分）</p><p>　　由原始資料：N=300MW=30萬KW n=428.6r/min</p><p><b>　　所以， </b></p><p>　　根據(jù)《水輪機設(shè)計手冊》上 319 頁圖12-12 扭力矩與主軸外徑

36、的關(guān)系曲線查得D=1100（mm），根據(jù)薄壁軸的標(biāo)準(zhǔn)外徑系列，取標(biāo)準(zhǔn)植D=1100（mm）</p><p>　　當(dāng)主軸直徑>600mm時，選用薄壁軸，主軸內(nèi)孔直徑按《水輪機設(shè)計手冊》320 頁上的公式12—2 計算：</p><p>　　式中 ：D——主軸外徑（厘米）</p><p>　　N——主軸傳遞的功率（千瓦）</p><p>　

37、　n——主軸轉(zhuǎn)速（轉(zhuǎn)/分）</p><p>　　τmax——最大許用應(yīng)力（公斤/厘米2）</p><p>　　初選主軸的材料為ASTM A668 CLE，其中τmax=700（公斤/厘米）</p><p>　　所以根據(jù)主軸內(nèi)孔直徑公式計算得：</p><p><b>　　=979.0 mm</b></p>

38、<p>　　但為了保證主軸有足夠的剛強度，可將主軸內(nèi)徑按標(biāo)準(zhǔn)直徑系列取為600mm 。</p><p>　　3.1.2主軸結(jié)構(gòu)設(shè)計</p><p>　　水輪機主軸是水輪發(fā)電機組中關(guān)鍵部件，特別是大型的抽水蓄能機組，其雙向運行性更是對主軸材料的性能提出了更高的要求，既要保證高的強度和韌性，同時還要考慮焊接對材料碳當(dāng)量的要求，以前國內(nèi)水輪機主軸常選用的20SiMn 或18MnMoNb

39、等材料，其性能已經(jīng)逐漸不能滿足工作要求。</p><p>　　在本次畢業(yè)設(shè)計中，主軸材料選用力學(xué)性能更加優(yōu)良的A668CIE鍛鋼整體中空結(jié)構(gòu)，主要由上、下法蘭及軸身三部分組成，上端與發(fā)電機端的中間軸用螺栓聯(lián)接，下端與轉(zhuǎn)輪上冠法蘭用螺釘聯(lián)接。其作用是承受水輪機轉(zhuǎn)動部分的重量及軸向水推力所產(chǎn)生的拉力，同時傳遞轉(zhuǎn)輪產(chǎn)生的扭矩。主軸直徑1100mm，故采用薄壁軸標(biāo)準(zhǔn)，查《水輪機設(shè)計手冊》第312頁的表12-3 得軸的尺寸

40、如圖3-1、表3-1，主軸長度根據(jù)電站安裝要求決定。</p><p>　　表3-1-2 主軸尺寸</p><p><b>　　3.1.3水導(dǎo)軸承</b></p><p>　　水導(dǎo)軸承的作用，一是承受機組在各種工況下運行時通過主軸傳過來的徑向力，二是維持已調(diào)好的軸線位置。按潤滑劑不同，水輪機導(dǎo)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

41、滑有轉(zhuǎn)動油盤、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。其它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，但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(nèi)運用不多。</p><p>　　查《水輪機設(shè)計手冊》345頁，對不同軸承的使用條件及優(yōu)缺點進行比較，同時考慮各個軸承對水質(zhì)條件的要求，對所設(shè)計的水泵水輪機中，選用油外循環(huán)冷卻方式的筒式自潤滑水導(dǎo)軸承，主要由軸瓦、支座、旋轉(zhuǎn)油箱及

42、箱蓋等組成。油循環(huán)的動力是靠油隨油箱旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的慣性以及軸瓦進油口的特殊結(jié)構(gòu)提供的。</p><p>　　另外，由于水泵水輪機雙向運行，故其水導(dǎo)軸承油冷卻循環(huán)路徑作為水輪機工況和水泵工況是不同的?？紤]到不同工況啟動時機組轉(zhuǎn)速上升的速度差別較大，為確保軸瓦安全，水輪機工況時，油是先冷卻后潤滑瓦面，再回到油箱里的，水泵工況，油是先潤滑瓦面，然后再循環(huán)至冷卻器進行冷卻，再回到油箱的。結(jié)構(gòu)如下圖3-1-3：</p&g

43、t;<p>　　其中相對應(yīng)的尺寸如下表:</p><p>　　表3-1-3 水導(dǎo)軸承尺寸</p><p>　?。?）軸瓦高度L：統(tǒng)計資料表明，軸瓦高度與直徑的比值都在0.5～1 的范圍內(nèi)，一些試驗資料表明軸承的摩擦系數(shù)在上述范圍內(nèi)數(shù)值最小。所以軸瓦高度L=（500～1000）毫米，參照《水輪機設(shè)計手冊》中的366 頁表13—14 最終取L＝700mm。</p>

44、<p>　?。?）油槽升角β：模型試驗的資料表明，油槽升角β對上油量有一定的影響。目前設(shè)計中采用的油槽升角一般為50°～70°，實踐表明上油效果很好。在體外冷卻的方式中，采用β＝50°，所以本次設(shè)計中取β＝50°。</p><p>　?。?）軸承間隙：軸承總的平均間隙一般可參照下面的經(jīng)驗公式?jīng)Q定：</p><p>　　式中 DP——主軸

45、直徑</p><p>　　實踐表明，水輪機軸承間隙適當(dāng)放大對減少軸承磨損、降低軸承溫度有利，而對機組的運行穩(wěn)定性無明顯影響。</p><p>　?。?）冷卻方式：稀油潤滑筒式軸承一般都裝有冷卻裝置，本水輪機軸承選擇體外冷卻的方式。這種冷卻方式目前采用較多，這種結(jié)構(gòu)中通常由冷卻器、擋油箱、溢流板、擋油管等組成。冷卻器多數(shù)采用黃銅管，在布置條件許可下排列成扁方形，可以降低擋油箱的高度。擋油箱、

46、溢流板、擋油管的作用是保證熱油都能經(jīng)過冷卻器后再經(jīng)回油管返回轉(zhuǎn)動油盆，以改善冷卻效果。此外，擋油箱還可以避免上部油箱中的循環(huán)油隨著主軸旋轉(zhuǎn)而飛濺出來。在本機組上，擋油箱采用鋼板焊接，把合在軸承體上。</p><p><b>　　3.1.4主軸密封</b></p><p>　　主軸密封緊靠水輪機主軸下法蘭端面，在水導(dǎo)軸承下方由內(nèi)頂蓋支撐，其作用是有效地阻擋水流從主軸與頂

47、蓋之間的間隙上溢，防止水導(dǎo)軸承及頂蓋被淹，維持軸承和機組的安全運行。目前水泵水輪機主軸密封常用的典型形式有3種，即平衡式流體靜壓徑向雙端面機械密封、非平衡水壓自調(diào)整軸向式分瓣機械型平面密封和彈簧復(fù)位式浮動型雙端面機械密封。</p><p>　　**游蓄能水電廠抽水蓄能機組具有水頭高、轉(zhuǎn)速高、容量大、運行工況復(fù)雜、起停頻繁等特點，因而決定了封堵其水泵水輪機轉(zhuǎn)動部分和固定部分間隙漏水的主軸密封的高性能。為了適應(yīng)電站較

48、大吸出高度和較大密封表面線速度的功能，密封形式采用非平衡水壓自調(diào)整軸向式分瓣機械型平面密封。密封結(jié)構(gòu)如圖3-1-4：</p><p>　　彈簧復(fù)位式浮動型雙端面機械密封工作原理：</p><p>　　密封供水經(jīng)減壓并過濾處理后進入操作腔;在正常運行時,將不銹鋼移動環(huán)壓貼在旋轉(zhuǎn)抗磨環(huán)上; 密封腔潤滑水來自尾水。當(dāng)操作腔和密封腔的壓力達到平衡時,在不銹鋼移動環(huán)和旋轉(zhuǎn)抗磨環(huán)之間形成一層良好的潤滑

49、水膜, 使不銹鋼移動環(huán)與旋轉(zhuǎn)抗磨環(huán)不發(fā)生干摩擦或過度摩擦,從而減少磨損量,并帶走摩擦產(chǎn)生的熱量。</p><p>　　3.1.5 檢修密封</p><p>　　主軸的密封除了正常運行中的工作密封外，還有另一種是機組停機檢修軸承和軸承下部主軸密封時防止尾水往機坑內(nèi)泄漏的檢修密封。這種密封的結(jié)構(gòu)形式有空氣圍帶式、機械操作式或抬機密封等多種。</p><p>　　在本次設(shè)

50、計中采用的是空氣圍帶式密封，它適用于采用稀油軸承的結(jié)構(gòu)，檢修時所需的操作地位較小。在機組停機檢修或主軸密封損壞時，打開檢修密封操作閥，將壓縮空氣充入空氣圍帶使其抱緊法蘭軸面從而防止水淹水車室，在機組正常運行時或機組尚未完全停止時，不得投入檢修密封。采用的壓縮空氣壓力是4～7公斤，其所采用的圍帶的剖面尺寸見下圖。</p><p><b>　　3.2座環(huán)</b></p><p

51、><b>　　圖3-2 座環(huán)結(jié)構(gòu)</b></p><p>　　座環(huán)的作用，是承受整個機組及其上部混凝土的重量以及水泵水輪機的軸向水推力，以最小的水力損失將水流引入導(dǎo)水機構(gòu)。機組安裝時以它為基準(zhǔn)，所以，座環(huán)既是承重件，又是過流件，又是基準(zhǔn)件。因此，在設(shè)計和制造時，必須保證它具有足夠的強度、剛度和良好的水力性能。根據(jù)轉(zhuǎn)輪直徑（1000mm）從《水輪機設(shè)計手冊》104 頁表6-14 選出座環(huán)

52、基本尺寸，再根據(jù)實際情況稍作改動，設(shè)計如下圖3-2，表2-6所示：</p><p>　　表3-2 水輪機座環(huán)尺寸</p><p>　　(座環(huán)邊的延伸角度根據(jù)蝸殼的具體尺寸而定)</p><p>　　作為焊接件的座環(huán)，除了符合相應(yīng)的焊接規(guī)程保證其焊接質(zhì)量外，主要加工面的光潔度和公差也要達到精度要求，此外，對制造質(zhì)量還提出如下要求：</p><p&g

53、t;　　1) 考慮到其強度要求，鋼板厚度選取為100mm，固定頂蓋連接螺釘處，鋼板厚度為130mm。</p><p>　　2）所有過流表面打磨光滑至表面光潔度為3.2，其余表面為12.5；</p><p>　　3）固定導(dǎo)葉進口端節(jié)距誤差不超過0.0015Da，頂蓋與底環(huán)把合面平行度誤差不超過0.025 毫米/米；</p><p>　　4）座環(huán)分兩瓣，分瓣結(jié)構(gòu)的合縫面

54、光潔度為6.3，合縫面間隙一般不超過0.05 毫米。</p><p>　　5)合縫面局部允許有0.15～0.3 毫米凹陷部分（深度小于接合縫的1/3，長度不超過接合縫總長的1/5），但不允許有突起。</p><p><b>　　3.3頂蓋</b></p><p>　　頂蓋是水輪機的主要部件之一，需要有足夠的強度和剛度，因此多數(shù)設(shè)計成箱型結(jié)構(gòu)，并

55、考慮檢修而留有一定的空間位置。其主要作用有：</p><p>　　1）形成流道并承受相應(yīng)的流體壓力；</p><p>　　2)固定和支撐活動導(dǎo)葉及其連桿機構(gòu)；</p><p><b>　　3)支撐水導(dǎo)軸承；</b></p><p>　　4)支撐并組成機組的密封，包括主軸密封、檢修密封、上迷宮環(huán)等</p>&

56、lt;p>　　此次結(jié)構(gòu)設(shè)計中，頂蓋采用E28-4焊接而成，鋼板厚度為80mm,由于高水頭水泵水輪機導(dǎo)葉軸較長，導(dǎo)致頂蓋高度也增高，因此頂蓋外緣法蘭設(shè)計為雙層形式。頂蓋最大直徑處已達5m,受運輸條件限制，頂蓋采用兩瓣組合，為防止水流或泥沙的沖刷，在頂蓋的過流面鋪設(shè)抗磨板，并且頂蓋在制造時要求套筒孔與底環(huán)同心。頂蓋結(jié)構(gòu)如圖3-3：</p><p><b>　　圖3-3 頂蓋結(jié)構(gòu)</b>&l

57、t;/p><p><b>　　3.4底環(huán)</b></p><p>　　底環(huán)是水輪機主要環(huán)形部件之一，位于導(dǎo)葉下方，安裝在座環(huán)的下環(huán)上，它用來安裝導(dǎo)葉下軸承及支持導(dǎo)葉的下軸頸。底環(huán)也是形成流道的組成部件之一，由于受到運輸條件的限制，底環(huán)分兩瓣制造。對底環(huán)的重點要求是，導(dǎo)葉的下軸承孔與頂蓋導(dǎo)葉套筒同心，剛度應(yīng)力達到要求。結(jié)構(gòu)見圖3-4</p><p>

58、　　圖3-4 底環(huán)結(jié)構(gòu)</p><p><b>　　底環(huán)主要尺寸如下：</b></p><p>　　外徑 4958mm</p><p>　　內(nèi)徑 3896mm</p><p>　　高度 1498mm</p><p>　　材料 E28-4&

59、lt;/p><p><b>　　3.5基礎(chǔ)環(huán)</b></p><p>　　基礎(chǔ)環(huán)是混流式水輪機座環(huán)與尾水管進口椎管短段相連接的基礎(chǔ)部件，埋設(shè)于混泥土內(nèi)，轉(zhuǎn)輪的下環(huán)在其內(nèi)轉(zhuǎn)動。本設(shè)計中，基礎(chǔ)環(huán)采用鋼板焊接形式，與尾水管進口錐管段螺栓把合連接?；A(chǔ)環(huán)與轉(zhuǎn)輪下環(huán)間有一定間隙作為安裝中放置斜楔、調(diào)整轉(zhuǎn)輪水平用。結(jié)構(gòu)如圖3-5.</p><p><b&

60、gt;　　圖3-5 基礎(chǔ)環(huán)</b></p><p><b>　　3.6蝸殼</b></p><p>　　蝸殼是水輪機引水部件，安裝在座環(huán)與球閥之間，在機組作水輪機運行時，蝸殼在座環(huán)圓周方向提供均勻的流速不變的壓力水流進入轉(zhuǎn)輪。在機組作為水泵抽水時，蝸殼收集轉(zhuǎn)輪所泵出的水流并將水流的動能轉(zhuǎn)換成壓能輸入引水鋼管。做為常規(guī)水輪機來說，只要結(jié)構(gòu)條件和經(jīng)濟條件允許

61、，希望截面越大越好。而常規(guī)泵則希望蝸殼斷面擴散程度必須適當(dāng)。兩種工況下蝸殼的特性存在著一些相互矛盾的因素，要讓同一蝸殼實現(xiàn)兩種工況的最優(yōu)化，設(shè)計時必須兼顧兩方面的技術(shù)要求。從結(jié)構(gòu)尺寸看，水泵水機的蝸殼接近常規(guī)水泵的蝸殼，但水泵水輪機有活動導(dǎo)葉可以調(diào)節(jié)水流而保持高效運行，這一點普通水泵是無法做到的。</p><p>　　**游電廠為400m段高水頭水泵水輪機,蝸殼采用金屬蝸殼，材料為E500TR.蝸殼裝有進人門以便

62、于蝸殼、座環(huán)、導(dǎo)葉和轉(zhuǎn)輪的檢查，還設(shè)有相應(yīng)的管道和測孔。</p><p><b>　　3.7 接力器</b></p><p>　　本次畢業(yè)設(shè)計所選轉(zhuǎn)輪直徑為4.1米，屬于大型機組，故本次畢業(yè)設(shè)計采用單導(dǎo)管直缸接力器，其將布置在水輪機機墩內(nèi)，操作油壓采用pH=25公斤/厘米²。</p><p><b>　　接力器直徑</

63、b></p><p><b>　　式中：——轉(zhuǎn)輪直徑</b></p><p><b>　　——最高水頭</b></p><p><b>　　——導(dǎo)葉相對高度</b></p><p>　　——調(diào)速系統(tǒng)的額定油壓</p><p><b>　　

64、λ——計算系數(shù)</b></p><p>　　從《水輪機設(shè)計手冊》中的表查得λ=0.151，=40公斤/厘米²，取535m，b0/D1 =0.094</p><p><b>　　m</b></p><p>　　根據(jù)接力器直徑系列取dc=700(mm)</p><p><b>　　3.8真空破

65、壞閥</b></p><p>　　導(dǎo)葉突然關(guān)閉時，尾水管內(nèi)的水流由于慣性將繼續(xù)流動，此時轉(zhuǎn)輪室</p><p>　　內(nèi)會產(chǎn)生真空，由于壓強差，尾水管內(nèi)的水流會回流到轉(zhuǎn)輪室，由于水流慣性很大，通常會產(chǎn)生抬機現(xiàn)象，影響機組穩(wěn)定運行，嚴(yán)重時會將機組整個抬起，水流灌入廠房造成嚴(yán)重事故。所以需要在這種情況下進行補氣，消除轉(zhuǎn)輪室內(nèi)真空。針對這種情況采用頂蓋加真空破壞閥的方法。</p&

66、gt;<p><b>　　4.導(dǎo)水機構(gòu)</b></p><p>　　水輪機導(dǎo)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。</p><p>　　大中型導(dǎo)水機構(gòu)，按其導(dǎo)葉軸線布置位置可以分為圓柱式、圓錐式、徑向式三種形式。其中，圓柱式導(dǎo)水機構(gòu)導(dǎo)葉軸線布置在

67、圓柱面，這種導(dǎo)水機構(gòu)制造方便，保證水輪機有足夠的效率，因而應(yīng)用廣泛，故本次設(shè)計選用該形式的導(dǎo)水機構(gòu)。</p><p>　　導(dǎo)水機構(gòu)裝配尺寸根據(jù)轉(zhuǎn)輪直徑D1=4158mm查閱《水輪機設(shè)計手冊》中133 頁表8-1，差值法得參數(shù)如下表4-1：</p><p>　　表4-1 導(dǎo)水機構(gòu)裝配尺寸</p><p>　　4.1 活動導(dǎo)葉翼型</p><p>

68、;　　圖2-12 負(fù)曲率導(dǎo)葉翼型</p><p>　　圓柱式導(dǎo)水機構(gòu)的導(dǎo)葉葉形，通常有對稱形和非對稱形（正曲率、負(fù)曲率）兩種標(biāo)準(zhǔn)葉形。由于負(fù)曲率導(dǎo)葉一般使用于高水頭低比轉(zhuǎn)速水輪機中，故本設(shè)計中采用負(fù)曲率葉形。由《水輪機設(shè)計手冊》中141 頁表8-7查得正曲率導(dǎo)葉葉形的斷面參數(shù)，再將正曲率翼型沿中心線鏡像得到負(fù)曲率翼型，尺寸如圖2-12：</p><p>　　表2-8 導(dǎo)葉翼型參數(shù)<

69、;/p><p>　　4.2 導(dǎo)葉開度的確定</p><p>　　查閱電站相關(guān)資料，已知從導(dǎo)葉關(guān)閉位置到全開位置對應(yīng)的導(dǎo)葉轉(zhuǎn)角為0°～26.6°，如下圖2-12所示，作圖計算最大導(dǎo)葉轉(zhuǎn)角對應(yīng)的開度值amax,在從0開度值到amax之間取3～5組開度值，作圖計算每個開度值對應(yīng)</p><p>　　的導(dǎo)葉轉(zhuǎn)角，得到的導(dǎo)葉布置情況如表4-2：</p&g

70、t;<p>　　圖4-2 導(dǎo)葉布置</p><p><b>　　表4-2 導(dǎo)葉布置</b></p><p>　　4.3導(dǎo)葉結(jié)構(gòu)、尺寸和軸頸選擇</p><p>　　導(dǎo)葉的結(jié)構(gòu)與導(dǎo)葉套筒、軸套、密封等形式有關(guān)，常用的帶有套筒中軸頸采用“L”形密封,下軸頸采用”O(jiān)”形密封的導(dǎo)葉結(jié)構(gòu),高水頭水泵水輪機導(dǎo)葉寬短，導(dǎo)葉軸細(xì)長，導(dǎo)葉軸頸可按

71、轉(zhuǎn)輪直徑 D1，使用水頭H1，導(dǎo)葉的相對高度b0/D1，從《水輪機設(shè)計手冊》中147 頁表8-11 初選軸頸db，選得db =250mm，再根據(jù)db=250mm 從設(shè)計手冊中表8-9 查得導(dǎo)葉結(jié)構(gòu)的其它尺寸如下表：</p><p>　　表4-3 導(dǎo)葉參數(shù)</p><p>　　圖4-3 導(dǎo)葉結(jié)構(gòu)尺寸</p><p>　　4.4 導(dǎo)葉的密封結(jié)構(gòu)</p>

72、<p>　　導(dǎo)葉關(guān)閉后，導(dǎo)葉體的立面應(yīng)很好密封，低水頭機組中，常在導(dǎo)葉頭尾搭接面用鴿尾槽內(nèi)嵌入圓橡皮條進行密封。而在中高水頭機組中，常是直接靠金屬接觸面研合封水，本次水泵水輪機的導(dǎo)葉密封，就通過提高導(dǎo)葉密封面的精度來進行剛性密封，無其他附加密封設(shè)備。</p><p><b>　　4.5導(dǎo)葉套筒</b></p><p>　　導(dǎo)葉套筒是固定導(dǎo)葉上中軸套的部件，

73、一般采用鑄鐵鑄造。套筒結(jié)構(gòu)與主軸材質(zhì)、密封結(jié)構(gòu)和頂蓋的高度有關(guān)。目前多數(shù)采用整體圓筒的模式，因為本次設(shè)計的機組的水頭很高，所以導(dǎo)葉套筒上還必需設(shè)計導(dǎo)葉止推裝置。本次設(shè)計中采用的套筒的尺寸大小如圖4-5、表4-5：</p><p><b>　　圖4-5 導(dǎo)葉套筒</b></p><p>　　表4-5 導(dǎo)葉套筒尺寸</p><p>　　4.6 導(dǎo)葉

74、止推裝置</p><p>　　水頭較高的機組中應(yīng)考慮導(dǎo)葉在水壓作用下的上浮力，在導(dǎo)葉套筒上需要裝設(shè)止推裝置，以防止導(dǎo)葉向上抬起，碰撞頂蓋和連桿受力。止推裝置的結(jié)構(gòu)形式很多，采用比較多的是在導(dǎo)葉臂上開槽，利用固定在套筒上法蘭面的止推板，卡在導(dǎo)葉臂槽內(nèi)，使導(dǎo)葉臂和導(dǎo)葉受軸向限位，從而限制了導(dǎo)葉向上浮動。具體止推裝置的結(jié)構(gòu)和尺寸如圖4-6、表4-6：</p><p>　　表4-6 止推壓板尺寸&

75、lt;/p><p>　　4.7 導(dǎo)葉軸頸密封</p><p>　　導(dǎo)葉中軸頸密封多數(shù)裝在導(dǎo)葉套筒的下端，目前不少機組中已改用“L”型密封，“L”型密封圈與導(dǎo)葉中軸頸之間靠水壓貼緊封水，因此軸套和套筒上開有排水孔，形成壓差。實踐證明，封水性能很好，結(jié)構(gòu)簡單。其尺寸大小如下表4-7-1，參數(shù)含義如圖4-7-1：</p><p>　　表4-7-1 中軸頸“L”型密封</

76、p><p>　　圖4-7-1 導(dǎo)葉中軸頸“L”型密封</p><p>　　導(dǎo)葉下軸頸的密封主要是防止泥沙進入，發(fā)生軸頸磨損。下軸頸密封一般采用“O”型橡皮圈密封結(jié)構(gòu)，其尺寸大小如下表4-7-2</p><p>　　表4-7-2 下軸頸“O”型密封</p><p>　　圖4-7-2 導(dǎo)葉下軸頸“O”型密封</p><p&g

77、t;<b>　　4.8導(dǎo)葉軸套</b></p><p>　　導(dǎo)葉軸套以前常使用黃干油潤滑的鑄錫青銅，目前已廣泛采用具有自潤滑功能的工程塑料代替，這樣不僅簡化了結(jié)構(gòu)，而且節(jié)省了大量的有色金屬，降低成本。聚甲醛和尼龍1010適合在水輪機導(dǎo)葉連桿等部位作自潤滑的軸套材料。為了兼顧剛強度要求，本次機構(gòu)設(shè)計中，采用鋼背聚甲醛的符合軸套，導(dǎo)葉軸上、中、下軸套的結(jié)構(gòu)及尺寸依次如下各個對應(yīng)圖表所示：<

78、/p><p>　?。?）導(dǎo)葉上軸套結(jié)構(gòu)及參數(shù)</p><p><b>　　圖4-8-1上軸套</b></p><p>　　表4-8-1 上軸套參數(shù)</p><p>　　(2)導(dǎo)葉中軸套結(jié)構(gòu)及參數(shù)</p><p>　　圖4-8-2 中軸套</p><p>　　表4-8-2 中軸

79、套參數(shù)</p><p>　　(3)導(dǎo)葉下軸套結(jié)構(gòu)及參數(shù)</p><p>　　圖4-8-3 下軸套</p><p>　　表4-8-3 下軸套參數(shù)</p><p>　　5.導(dǎo)葉傳動機構(gòu)及零部件</p><p>　　常用的導(dǎo)葉傳動機構(gòu)有叉頭式和耳柄式兩種，前者受力情況較好，適宜于大中型機組上采用。叉頭傳動機構(gòu)主要由導(dǎo)葉臂、

80、連接板、叉頭、插頭銷、連接螺桿、分半鍵、剪斷銷、軸套、端蓋和補償環(huán)等組成。</p><p>　　根據(jù)接力器直徑dc=700mm，db=250mm，查閱《水輪機設(shè)計手冊》上164頁的表8-25、8-26，得到叉頭傳動機構(gòu)特征尺寸如表5</p><p>　　表5 導(dǎo)葉傳動機構(gòu)特征參數(shù)</p><p><b>　　5.1導(dǎo)葉臂</b></p&g

81、t;<p>　　圖5-1 導(dǎo)葉臂及銷孔結(jié)構(gòu)</p><p>　　根據(jù)叉頭傳動機構(gòu)裝配尺寸從《水輪機設(shè)計手冊》上166頁的表8-27、8-28查出導(dǎo)葉臂及其銷孔尺寸如下表5-1-1、5-1-2：</p><p>　　表5-1-1 導(dǎo)葉臂</p><p>　　其中參數(shù)符號意義對應(yīng)圖5-1(左) :</p><p>　　表5-1-

82、2 銷孔尺寸</p><p>　　其中參數(shù)符號意義對應(yīng)圖5-1（右）：</p><p><b>　　5.2 連接板</b></p><p><b>　　圖5-2 連接板</b></p><p>　　根據(jù)叉頭傳動機構(gòu)裝配尺寸從《水輪機設(shè)計手冊》上167 頁的表8—29到表8-30查出連接板尺寸如下表5

83、-2、圖5-2：</p><p>　　表5-2 連接板尺寸參數(shù)</p><p><b>　　5.3 叉頭</b></p><p>　　根據(jù)連接板d1=M72，從《水輪機設(shè)計手冊》上167 頁的表8-31查出叉頭尺寸如下表5-3： </p><p>　　表5-3 叉頭尺寸</p><p>　　其中

84、參數(shù)符號意義對應(yīng)圖5-3：</p><p><b>　　圖5-3 叉頭</b></p><p><b>　　5.4 連接螺桿</b></p><p>　　根據(jù)連接板d1=M72從《水輪機設(shè)計手冊》上168 頁的表8-32查出連接螺桿尺寸如下表5-4：</p><p><b>　　圖5-4

85、連接螺桿</b></p><p>　　表5-4 連接螺桿尺寸</p><p><b>　　5.5 端蓋</b></p><p>　　根據(jù)軸頸db=250mm，從《水輪機設(shè)計手冊》上171頁的表8-37查出端蓋尺寸如下表5-5：</p><p>　　表5-5 端蓋尺寸</p><p>

86、;　　表5-5中參數(shù)符號意義對應(yīng)如下圖：</p><p><b>　　圖5-5 端蓋</b></p><p><b>　　5.6 分半鍵</b></p><p>　　根據(jù)上軸直徑dc =230mm，查《水輪機設(shè)計手冊》上169 頁的表8-34，選用b型分半鍵，得分半鍵尺寸如下表5-6：</p><p&g

87、t;<b>　　圖5-6分半鍵</b></p><p>　　表5-6 分半鍵尺寸</p><p><b>　　5.7 剪斷銷</b></p><p>　　叉頭傳動機構(gòu)中，導(dǎo)葉臂和連接板上裝有剪斷銷，如果導(dǎo)葉間因異物卡住，有關(guān)傳動件的操作力將急劇增大，應(yīng)力增高的1.5倍時，剪斷銷首先剪斷，保護其他傳動件不受損壞。根據(jù)連接板

88、Dcn=70mm，從《水輪機設(shè)計</p><p>　　手冊》上170頁的表8-35查出剪斷銷結(jié)構(gòu)及尺寸如下圖5-7、表5-7：</p><p>　　表5-7 剪斷銷尺寸</p><p><b>　　圖5-7 剪斷銷</b></p><p><b>　　5.8 叉頭銷</b></p>

89、<p>　　根據(jù)叉頭傳動機構(gòu)尺寸中dn=90，從《水輪機設(shè)計手冊》上170頁的表8-36查出剪斷銷機構(gòu)及尺寸如下圖5-8、表5-8</p><p><b>　　圖5-8 叉頭銷</b></p><p>　　表5-8 叉頭銷尺寸</p><p><b>　　5.9 叉頭銷軸套</b></p><

90、p>　　根據(jù)連接板d2=100mm，從《水輪機設(shè)計手冊》上168 頁的表8-33查出叉頭銷軸套尺寸如下表5-9：</p><p>　　表5-9 軸套尺寸 </p><p>　　表中參數(shù)符號如下圖所示：</p><p><b>　　圖5-9 軸套</b></p><p><b>　　5.10控制環(huán)<

91、/b></p><p>　　控制環(huán)是傳遞接力器作用力，并通過傳動機構(gòu)轉(zhuǎn)動導(dǎo)葉的環(huán)形部件，在本次設(shè)計中采用A3鋼板焊接。根據(jù)水輪機轉(zhuǎn)輪直徑D1=4158mm,查《水輪機設(shè)計手冊》第185頁圖8-34及其表8-52到表8-54,插值法得出控制環(huán)尺寸。</p><p>　　表5-10 控制環(huán)尺寸</p><p>　　圖5-12 控制環(huán)</p>&l

92、t;p><b>　　6.總結(jié)</b></p><p>　　本次設(shè)計首先是水輪機總體結(jié)構(gòu)的設(shè)計。而后有對其中的主要零件進行設(shè)計優(yōu)化。繪制出了總裝配圖，導(dǎo)水機構(gòu)裝配圖，導(dǎo)葉布置圖，主軸零件圖。</p><p>　　通過本次畢業(yè)設(shè)計，不但對常規(guī)水輪機組結(jié)構(gòu)認(rèn)識的更深入，也學(xué)習(xí)掌握了水泵水輪機的結(jié)構(gòu)特點，彌補了課堂上所學(xué)知識的不足。同時對本專業(yè)的相關(guān)知識進行了系統(tǒng)的實踐

93、練習(xí)，對以后的工作和進一步學(xué)習(xí)都有極大幫助。</p><p><b>　　致謝</b></p><p>　　畢業(yè)設(shè)計是對我們知識運用能力的一次全面的考核，也是對我們進行科學(xué)研究基本功的訓(xùn)練，培養(yǎng)我們綜合運用所學(xué)知識獨立地分析問題和解決問題的能力，為以后撰寫專業(yè)學(xué)術(shù)論文和工作打下良好的基礎(chǔ)。</p><p>　　本次設(shè)計能夠順利完成，首先我要感謝

94、我的母校，是她為我們提供了學(xué)習(xí)知識的土壤，使我們在這里茁壯成長；其次我要感謝水利水電學(xué)院的老師們，他們不僅教會我們專業(yè)方面的知識，而且教會我們做人做事的道理；尤其要感謝在本次設(shè)計中給與我大力支持和幫助的*老師，每有問題，老師總是耐心的解答，使我能夠充滿熱情的投入到畢業(yè)設(shè)計中去；還要感謝我的學(xué)長學(xué)姐們，他們熱心的幫助，使我感到了來自兄弟姐妹的情誼；最后還要感謝相關(guān)資料的編著者和給予我們支持的社會各界人士，感謝您們?yōu)槲覀兲峁┮粋€良好的環(huán)境，

95、使本次設(shè)計圓滿完成。</p><p>　　再次感謝我的大學(xué)和所有幫助過我并給我鼓勵的老師，同學(xué)和朋友，謝謝你們！</p><p><b>　　參考文獻 </b></p><p>　　沈祖詒.抽水蓄能電站的機組設(shè)備[J].水利水電科技進展.1995年6月第15卷第3期.</p><p>　　姜茜,武杰.國外公司抽水蓄能機組

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