水電站水輪機畢業(yè)設計說明書

1、<p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　摘 要5</b></p><p><b>　　1 前言6 </b></p><p>　　2 桂樹林水電站的水輪機選型設計7</p><p>　　2.1 水輪機選型的任務7 </p>

2、;<p>　　2.2 水輪機選型的原則7</p><p>　　2.3 水輪機選型的條件及主要參數8</p><p>　　2.4 水輪機機型及模型轉輪的選擇8</p><p>　　2.5 機組臺數的選擇9</p><p>　　2.6 初選設計工況點10</p><p>　　2.7 轉輪直

3、徑的確定10</p><p>　　2.8 確定額定轉速12</p><p>　　2.9 效率及單位參數的修正12</p><p>　　2.10 校核所選擇的真機轉輪直徑14</p><p>　　2.11 確定水輪機導葉的最大開度19</p><p>　　2.12 計算水輪機的設計流量19</

4、p><p>　　2.13 確定水輪機的允許吸出高度20</p><p>　　2.14 確定水輪機的安裝高程26</p><p>　　2.15 計算水輪機的飛逸轉速27</p><p>　　2.16 計算軸向水推力27</p><p>　　2.17 估算水輪機的質量28</p><p>

5、　　3水輪機導水機構運動圖的繪制29</p><p>　　3.1導水機構的基本類型29</p><p>　　3.2 導水機構的作用29</p><p>　　3.3 導水機構結構設計的基本要求29</p><p>　　3.4 導水機構運動圖繪制的目的30</p><p>　　3.5 導水機構運動圖的繪制步驟3

6、1</p><p>　　4 水輪機金屬蝸殼水力設計35</p><p>　　4.1 蝸殼類型的選擇35</p><p>　　4.2 金屬蝸殼的水力設計計算35</p><p>　　5 尾水管單線圖的繪制41</p><p>　　5.1 尾水管概述41</p><p>　　5.2 尾水管

7、的基本類型42</p><p>　　5.3 彎肘形尾水管中的水流運動42</p><p>　　6混流式水輪機結構設計43 </p><p>　　6.1 概述43 </p><p>　　6.2 水輪機主軸的設計43</p><p>　　6.3 水輪機金屬蝸殼的設計45</p><p>

8、　　6.4 水輪機轉輪的結構設計46</p><p>　　6.5 導水機構設計49</p><p>　　6.6 水輪機導軸承結構設計52</p><p>　　6.7 水輪機的輔助裝置55</p><p>　　7結論.............................................................

9、..................................................57</p><p><b>　　總結與體會57</b></p><p><b>　　謝 辭58</b></p><p>　　參 考 文 獻59 </p><p><b>　　摘

10、 要</b></p><p>　　本次畢業(yè)設計是根據桂樹林水電站的水力參數和具體要求，確定了水輪機機型及型號（HL260/A244-LJ-190）。對于選型設計，首先根據電站提供的原始參數分析并初步選擇合理的模型轉輪型號。然后通過對不同方案轉輪進效率、強度、穩(wěn)定性和經濟性等各方因素進行比較，最終確定模型轉輪型號。在滿足選型設計要求后進行導水機構運動圖的繪制，接著進行了水輪機的結構設計，包括水輪機蝸殼

11、水力設計,尾水管設計并繪制出了蝸殼、尾水管水力單線圖、水輪機總剖面圖及導葉零件圖。</p><p>　　關鍵詞：水輪機；選型設計；結構設計；水力設計</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　The main process of this graduation project is based on the h

12、ydraulic parameter and specific request of the GuiShuLin hydropower station, selects the hydraulic turbine type and the model(HL260/A244-LJ-190). As to turbine type selection design, firstly, preliminary model runner typ

13、es were selected through analysing original information offered by the plant .Then to determine the optimum solution among the roughly chosen after weighing up the pros and cons of the different schemes in terms of the &

14、lt;/p><p>　　Key words: hydraulic turbine；type selection design；structure design；hydraulic design</p><p><b>　　1 前言</b></p><p>　　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動力機械相比，它具有

15、效率高、成本低、環(huán)境衛(wèi)生等顯著特點。另外，水輪機的好壞直接影響到水電站的能量轉換效率，在水輪機生產制造前，我們必須首先根據給定電站的水力條件對水輪機進行選型設計、對其零件進行結構分析以及對部分零部件進行強度計算及校核等。 作為熱能與動力工程專業(yè)的學生，就必須熟練掌握水輪機的設計思想、設計方法以及設計步驟，所以在學習各種專業(yè)課程后開始本次畢業(yè)設計。</p><p>　　畢業(yè)設計是本科教學計劃中最后一個綜合性、創(chuàng)造性

16、的教學實踐環(huán)節(jié)，是對學生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，是對學生綜合能力和素質的全面檢驗，也是教學、工程實踐的重要結合點。它主要是培養(yǎng)學生綜合運用所學知識和技能去分析和解決本專業(yè)范圍內的工程技術問題，建立正確的設計思想，掌握水輪機設計的一般程序和方法，使學生在進行了工程實踐能力的綜合訓練后，在今后的工作崗位上具有應用專業(yè)技術解決工程實際問題的能力。</p><p>　　2 桂樹林水電站的水輪機

17、選型設計</p><p>　　水輪機的選型和計算就是根據水電站設計部門提供的原始資料及參數，選擇合理的水輪機型號和計算水輪機的各種數據。這是一項非常重要的工作，他直接關系到水電站的機組能否長期穩(wěn)定運行、投資的多少。一般情況下，先根據水電站的類型、動能計算以及水工建筑物的布置等初選若干個方案，然后進行技術經濟比較，再根據水輪機生產情況制造水平，最后確定所需的水輪機的型號及尺寸。</p><p&g

18、t;　　2.1 水輪機選型的任務</p><p>　　水輪機選型的主要任務如下：</p><p>　　(1)確定電站裝機臺數及單機功率</p><p>　　(2)選擇機組類型及模型轉輪型號</p><p>　　(3)確定機組的裝置方式</p><p>　　(4)確定轉輪直徑、額定轉速、飛逸轉速</p>

19、<p>　　(5)計算所有運行水頭和功率下水輪機的效率和吸出高度值，繪制水輪機運轉綜合特性曲線。</p><p>　　(6)軸向水推力的計算</p><p>　　(7)調節(jié)保證計算（本設計不要求）</p><p>　　(8)計算水輪機的外形尺寸，估算重量及其價格</p><p>　　上述內容為水電站水輪機初步設計的一部分，水電站初步

20、設計還包括水輪機的通流部件的設計、如蝸殼、座環(huán)、導水機構、尾水管等的初步計算及初步繪制水輪機剖面圖等。</p><p>　　2.2 水輪機選型的原則</p><p>　　水輪機選型設計計算是水電站設計中的一項重要任務，其計算結果對水電站的投資、建設速度和發(fā)電量以及水電站的經濟效益都有很大的影響。水輪機的選型并不是簡單地查閱產品目錄，從現代水輪機的選型設計計算來看，它是一門系統(tǒng)工程學，要在

21、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經濟因素中尋求最佳方案。水輪機選型設計的一般原則如下：</p><p>　　①所選水輪機要具有較高的能量特性。不僅要選擇額定工況下較高的水輪機轉輪型號，而且還要根據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具有最高的平均運行效率。</p><p>　?、谒x水輪機不僅

22、要具有良好的空蝕性能，還要有較好的工作穩(wěn)定性能，運行要靈活、平穩(wěn)、安全和可靠。</p><p>　?、鬯x水輪機的尺寸應較小，結構要合理、先進，便于運輸、安裝、運行及檢修。</p><p>　?、苻D輪選擇比較時，應盡可能選用較高的水輪機，這樣轉速較高，相應的</p><p>　　機組尺寸就小，并且使所選的水輪機經常在最優(yōu)區(qū)運行。選擇轉輪參數時應該使</p>

23、;<p>　　值稍高于，而且值應接近于值。</p><p>　　2.3 水輪機選型的條件及主要參數</p><p><b>　　主要設計參數：</b></p><p><b>　　總裝機容量 </b></p><p><b>　　工作水頭</b></p>

24、;<p>　　引用流量，電站海拔高程 </p><p>　　2.4 水輪機機型及模型轉輪的選擇</p><p>　　水輪機型號的選擇主要是根據水電站的特征水頭，特別是其最大水頭來選擇的。通常情況下，水輪機型號是根據水輪機的型譜性能參數進行選擇的；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。

25、桂樹林水電站的最大水頭，根據最大水頭，查中小型軸流式混流式水輪機轉輪系列型譜，可得選水輪機模型轉輪型號為：HL260/A244。其對應的相關模型轉輪參數如表2.1所示。</p><p>　　表2.1 HL260/A244模型轉輪主要參數</p><p>　　2.5 機組臺數的選擇</p><p>　　對于一個確定了總裝機容量的水電站，機組臺數的多少直接影響到電廠

26、的動能經濟指標與運行的靈活性、可靠性，還影響到電廠建設的投資等。因此，確定機組的臺數時，必須考慮以下有關因素，并進行充分的技術經濟論證。</p><p>　　( 1)機組臺數對工程建設費用的影響</p><p>　　機組臺數多少直接影響單機容量的大小，單機容量不同時，機組的單位千瓦造價不同，一般情況下，小機組的單位千瓦造價高于大機組。小機組的單位千瓦金屬消耗高于大機組；因此，在同樣的裝機容

27、量下，水電站的土建工程及動力廠房成本也隨機組數的增加而增加。</p><p>　　(2)機組臺數對電廠運行維護的影響</p><p>　　機組臺數較少時，其優(yōu)點是運行方式靈活，發(fā)生事故時對電站及所在系統(tǒng)的影響較小，檢修也容易安排。但臺數較多時，運行人員增加，運行用的材料、消耗品增加，因而運行費用較高。同時，較多的設備與較頻繁的開停機會使整個電站的事故發(fā)生率上升。</p>&l

28、t;p>　　(3)機組臺數對設備制造、運輸及安裝的影響</p><p>　　機組臺數增加時，水輪機和發(fā)電機的單機容量減小，則機組的尺寸小，制造、運輸及現場安裝都較容易。因此，最大單機容量的選擇要考慮制造廠家的加工水平及設備的運輸、安裝條件。</p><p>　　(4)機組臺數對電力系統(tǒng)的影響</p><p>　　對于占電力系統(tǒng)容量比重較大的水電廠及大型機組，發(fā)

29、生事故時對電力系統(tǒng)的影響較大，考慮到電力系統(tǒng)中備用容量的設置及電力系統(tǒng)的安全性，在確定臺數時，單機容量不應大于系統(tǒng)的備用容量，即使在容量較小的電網中，單機容量也不宜超過系統(tǒng)容量的1/3。</p><p>　　本次選型對于機組裝機臺數有兩種方案，裝機一臺為方案一，裝機兩臺為方案二。</p><p>　　2.6 初選設計工況點</p><p>　　水輪機的選型設計工況

30、點是指在額定水頭下發(fā)額定出力時的工況點，即。對已選定的水輪機轉輪型號，查出其模型綜合特性曲線。 </p><p>　　圖2.1 初選設計的工況點 </p><p>　　式中：——模型的最優(yōu)單位轉速。</p><p&

31、gt;　　在模型綜合特性曲線上，作與5%功率限制線交于A點，此點即為初選設計工況點。交點處的流量。 </p><p>　　2.7 轉輪直徑的確定</p><p>　　轉輪直徑的計算公式為：</p><p>　　式中：——水輪機的軸功率，KW。</p><p>

32、<b>　　——轉輪直徑，m。</b></p><p>　　——真機單位流量，。</p><p>　　式中：N——發(fā)電機額定功率N=P/2,KW。</p><p><b>　　——發(fā)電機的效率。</b></p><p>　　初步設計時：大中型發(fā)電機=0.96~0.98，中小型發(fā)電機=0.92~0.9

33、4，功率較大、轉速較高時取上限值。本次設計取0.94。</p><p>　　計算得：方案一：=18085.11KW</p><p>　　方案二：=9042.55KW。</p><p>　　η為水輪機的效率，可根據水輪機的型號近似地取值，即HL水輪機=0.89~0.90，ZZ水輪機=0.85~0.87。本次設計取=0.9。</p><p>　　

34、計算得：方案一：=2.64m</p><p>　　方案二：=1.87m</p><p>　　查《水力機械及工程設計》書P15頁表1.3轉輪公稱直徑尺寸系列表，結果可選方案一和方案二公稱直徑為2.7m和1.9m。</p><p>　　表2.2 轉輪直徑D1</p><p>　　2.8 確定額定轉速</p><p>　

35、　計算額定轉速時，一般希望加權平均水頭的單位轉速接近于最優(yōu)轉速,從而使水輪機大部分時間運轉在高效區(qū)。</p><p>　　額定轉速的計算公式：</p><p>　　式中：——設計單位轉速,r/min。</p><p>　　——加權平均水頭，=45.6m。</p><p>　　計算結果如表2.3所示。</p><p>　

36、　表2.3 額定轉速n的計算結果</p><p>　　將轉速n經過整合，由《水力機械及工程設計》P15表1.4取n=187.5和n=214.3為方案一的整合轉速，n=250和n=300為方案二的整合轉速。</p><p>　　2.9 效率及單位參數的修正</p><p>　　2.9.1 效率修正</p><p>　　對混輪流式水輪機真

37、機最優(yōu)工況效率按moody公式計算，即</p><p>　　式中：—模型的轉輪直徑，由中小型混流式水輪機模型轉輪主要參數表；</p><p>　　—真機的轉輪直徑。 </p><p>　　因此，真機與模型機因直徑及水頭不同而導致效率不同的修正值為：</p><p><b>　　真機的效率修正：</b&g

38、t;</p><p>　　式中：—主要由尺寸效應引起的修正值；</p><p>　　—由翼形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，取=0；</p><p>　　—由機械的加工工藝質量而引起的修正值，它與水輪機的尺寸及加工的工藝質量有關，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。 </p><

39、p>　　式中：—真機的最優(yōu)工況效率；</p><p>　　—模型機的最優(yōu)工況小蘿卜，由中小型混流式水輪機模型轉輪主要參數表，知=0.917。 </p><p>　　2.9.2 單位參數的修正值及</p><p>　　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，單位參數可不予修

40、正。最終計算結果見表2.4。</p><p>　　表2.4 效率及單位參數的修正</p><p><b>　　真機的效率為：</b></p><p>　　2.10 校核所選擇的真機轉輪直徑</p><p>　　2.10.1 找出水輪機的真實工況點B </p><p><b>

41、　　實際水輪機的轉速：</b></p><p>　　故 </p><p>　　式中：n——額定單位轉速，r/min；</p><p>　　——真機的轉輪直徑，m；</p><p>　　——設計水頭，=76.5；</p><p>　　——單位轉速修正值，取=0

42、。</p><p>　　B點在水平線上，在其上查找點，計算功率，并作輔助曲線，即：</p><p>　　而，在輔助曲線上有一個與之對應，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。各種方案計算結果如下：</p><p>　　HL260/A244方案一：轉輪直徑=270cm，轉速n=187.5</p><p>　　

43、表2.5 輔助曲線計算數據表</p><p>　　輔助曲線如圖2.2所示。</p><p>　　圖2.2 輔助曲線</p><p>　　找出B點位置為Q=1.168/S,=0.905</p><p>　　(2)HL260/A244方案二：轉輪直徑=190cm，轉速n=250</p><p>　　表2.6 輔助曲線計

44、算數據表</p><p>　　輔助曲線如圖2.3所示。</p><p>　　圖2.3 輔助曲線</p><p>　　找出的B點的位置為Q=1.211/S,=0.879</p><p>　　2.10.2 工作范圍的檢查</p><p>　　最大水頭下，對應一個；最小水頭下下，對應一個。這2條直線之間應包含主要綜合特性

45、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。</p><p>　　模型機的單位轉速為：</p><p>　　式中：n額定轉速，r/min；</p><p>　　真機的轉輪直徑，m；</p><p><b>　　單位轉速修正值；</b></p>

46、<p><b>　　水頭，分別取和。</b></p><p>　　下面分別求出各種方法下的和大小，計算結果見表2.7。</p><p><b>　　表2.7 和大小</b></p><p>　　各方案的工作范圍及真實工況點B如下：</p><p>　　圖2.4 各方案的工況范圍和真實工況

47、點</p><p>　　根據運行轉速區(qū)間圖可以看出轉輪型號HL260裝機一臺在額定轉速187.5r/min和裝機二臺在額定轉速250r/min時最大轉速和最小轉速所包圍的區(qū)間包含了模型綜合特性曲線的最優(yōu)效率區(qū)，而轉輪型號HL260裝機一臺在額定轉速為214.3r/min和裝機二臺在額定轉速300r/min時，最大轉速和最小轉速所包圍的區(qū)間偏離了模型綜合特性曲線的最優(yōu)效率區(qū)，所以排除轉輪型號HL260裝機一臺額定轉

48、速214.3r/min和裝機二臺額定轉速300r/min方案。綜上各種方案的工作范圍和真實工況點的檢查，可以選擇出HL260/A244裝機一臺轉輪直徑，轉速n=187.5r/min和裝機二臺轉輪直徑，轉速n=250r/min兩種方案。</p><p>　　2.11 確定水輪機導葉的最大開度</p><p>　　對于中小型機組：由于簡化結構的需要，常常使得減少，使得模型與真機之間的幾何相似

49、關系遭到破壞，此時不能利用幾何相似關系進行導葉開度的計算。為了使真機與模型機導水機構水流運動相似，只有使模型機與真機的導葉出流角相等，即保證。</p><p>　　式中： ——導葉出流角</p><p>　　K,——考慮導葉的擠壓、水流的粘性及環(huán)量損失等的影響系數。通常k=1.07,對于最優(yōu)工況=1.15~1.20，對于限制工況=0.95~1。</p><p>　　

50、——分別帶最優(yōu)工況和限制工況下的流量和轉速?？梢缘贸鲎畲箝_度和最優(yōu)開度下的出流角。</p><p><b>　　計算結果： </b></p><p>　　2.12 計算水輪機的設計流量</p><p><b>　　的計算式</b></p><p>　　式中：——水輪機的軸功率，kw；</

51、p><p><b>　　——設計水頭，m；</b></p><p>　　——設計工況點B點的真機效率。</p><p>　　方案一計算得：=53.67</p><p>　　方案二計算得：=27.6</p><p>　　式中： Z ——機組臺數，本設計中方案一為一臺，方案二為兩臺。</p>

52、<p>　　——電站引用流量，=56。</p><p>　　所以，該設計流量滿足要求。</p><p>　　2.13 確定水輪機的允許吸出高度</p><p>　　水輪機在不同工況下的空蝕系數σ是不同的。所以應根據不同水頭的軸功率</p><p>　　即根據相應的值，從綜合特性去線上查找相應的空蝕參數σ，并按下式計算：</

53、p><p>　　或 </p><p>　　式中：▽——水電站水輪機安裝海拔高度，m；</p><p>　　σ ——各水頭下的工況點的空蝕系數；</p><p>　　Δσ——空蝕系數的修正值；</p><p><b>　　——空蝕安全系數。</b></p><

54、;p>　　空蝕系數修正值可通過手冊查找，而在進行各水頭的工況點的空蝕系數查找時，需作輔助曲線，為此列表計算，結果見表1.8，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的輔助曲線。且在各水頭下付出額定功率的工況點，從而得到其空蝕系數。列表計算時，包括了，，，，五個水頭。</p><p>　　方案一： n=187.5r/min </p><p>　　

55、表2.8 各水頭下的輔助曲線</p><p><b>　　續(xù)表2.8</b></p><p>　　根據查出的數據，畫出曲線，見圖2.5：</p><p>　?。╝） (b） </p><p>　　(c) (d) &l

56、t;/p><p><b>　　(e) </b></p><p>　　圖2.5 輔助曲線</p><p>　　各水頭下的曲線，再根據 值查出對應的單位流量 ，再將各水頭下單位流量的和對應的單位轉速值查HL260/A244綜合效率特性曲線，依次得出各空蝕系數,空蝕系數修正值經查《水輪機》取值為0.032：</p><p>　　

57、0.19，0.196 ，0.132 ，0.11 ，0.124</p><p>　　在各水頭下，計算水輪機的吸出高度，見表2.9。</p><p>　　表2.9 水輪機吸出高度</p><p><b>　　則==1.06m</b></p><p>　　方案二： n=250r/min</p><p&g

58、t;　　表2.10 各水頭下的輔助曲線</p><p><b>　　續(xù)表2.10：</b></p><p>　　根據查出的數據，畫出曲線，見圖2.6：</p><p>　　(a) (b) </p><p>　　(c) (d) </

59、p><p><b>　　(e) </b></p><p><b>　　圖2.6 輔助曲線</b></p><p>　　各水頭下的曲線，再根據 值查出對應的單位流量 ，再將各水頭下單位流量的和對應的單位轉速值查HL260/A244綜合效率特性曲線，依次得出各空蝕系數,空蝕系數修正值經查《水輪機》取值為0.032：</p&g

60、t;<p>　　0.196，0.194 ，0.138 ，0.116 ，0.126</p><p>　　在各水頭下，計算水輪機的吸出高度，見表2.11。</p><p>　　表2.11 水輪機吸出高度</p><p><b>　　則==0.95m</b></p><p>　　2.14 確定水輪機的安裝高程

61、</p><p><b>　　對立式機組：</b></p><p>　　式中：電站下游水位，已知：=590m；</p><p>　　水輪機允許吸出高度，方案一Hs=1.06m；方案二Hs=0.95m</p><p><b>　　導葉高度。</b></p><p>　　式中：導

62、葉的相對高度，由[1] 中小型混流式水輪機模型轉輪主要參數表 可知：=0.315。</p><p>　　計算得：方案一=591.48525m，方案二=591.24925m。</p><p>　　2.15 計算水輪機的飛逸轉速</p><p>　　混流式水輪機飛逸轉速的計算公式為：</p><p>　　式中：原型機的飛逸轉速

63、；</p><p>　　模型機最大可能開度的單位飛逸轉速，由[1]中小型混流式水輪機模型轉輪主要參數表，可知：=158.7r/min；</p><p>　　最大水頭，=53.1m。</p><p>　　計算得，方案一=428.3r/min，方案二=608.6r/min。</p><p>　　2.16 計算軸向水推力</p>&l

64、t;p><b>　　對于混流式水輪機：</b></p><p>　　式中：軸向水推力，tf（1tf=9.81kN）；</p><p>　　轉輪直徑，方案一=2.7m，方案二=1.9m；</p><p>　　軸向水推力系數，由[1]中小型混流式水輪機模型轉輪主要參數表，可知：k =0.38。</p><p>　　計算

65、得：方案一=1133.055kN,方案二=561.132kN。</p><p>　　2.17 估算水輪機的質量G</p><p>　　水輪機的質量G（不包括調速器、油壓設備及其他的輔助設備時）可按下式計算：</p><p>　　式中：G水輪機質量，t；</p><p>　　H水頭，取H==53.1m；</p><p>

66、　　系數，由[2]混流式水輪機的值表，查得：k=8.1；</p><p>　　與直徑有關的指數，由[2]混流式水輪機的值表，查得：=2.6；</p><p>　　b與水頭有關的指數，由[2]混流式水輪機的值表，查得：b=0.16</p><p>　　計算得：方案一G=202.32t，方案二G=81.14t。</p><p>　　表2.12

67、方案比較</p><p>　　綜合各方面因素和經濟成本上面的考慮，本次選型設計選擇方案二，即機組的型號為HL260/A244-LJ-190，裝機二臺。</p><p>　　3水輪機導水機構運動圖的繪制</p><p>　　3.1導水機構的基本類型</p><p>　　按照水流在水輪機導葉中的流動方向分為：</p><p&g

68、t;　　(1)徑向式導水機構：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。其導葉</p><p>　　傳動機構為平面運動機構，結構較簡單。</p><p>　　(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。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。這種導水機構主要用于斜流

69、式水輪機和燈泡式水輪機。其導葉傳動機構不是平面運動機構，致使機構較復雜。</p><p>　　(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。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。這種導水機構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較相似，且因導葉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優(yōu)越。</p><p>　　本

70、次設計采用的是徑向式導水機構。</p><p>　　3.2 導水機構的作用</p><p><b>　　導水機構的作用是：</b></p><p>　?、傩纬苫蚋淖冞M入轉輪的水流環(huán)量。</p><p>　?、趨f(xié)同引水室向轉輪均勻引水。</p><p>　?、郯措娏ο到y(tǒng)所需要的功率調節(jié)通過水輪機的過

71、流量。</p><p>　?、軐~在關閉位置時能停止水輪機運行，并在機組甩負荷時防止產生飛逸 。</p><p>　　3.3 導水機構結構設計的基本要求</p><p>　　在導水機構結構設計中，許多結構尺寸和傳動關系必須取決于導水機構的傳動運動關系，以達到以上設計要求。因此，水輪機導水機構運動關系圖是結構設計中最重要的圖紙。</p><p>

72、;　　在結構上導水機構應滿足以下要求：</p><p>　　①導水機構過流部件應與模型水輪機相應部件保持幾何相似。即在所有工況下，水流應平滑繞流導葉，導葉尾部不應形成旋渦。</p><p>　?、趯~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。</p><p>　?、墼陉P閉狀態(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

73、面與底環(huán)的間隙（端面間隙）要合理，既能保證機組可靠地停機和水輪機的調相運行，又能便于導葉的安裝及調整。</p><p>　　④導水機構中應有安全保護裝置，如設置剪斷銷、限位銷等，以防止導葉被異物卡住而引起主要傳動部件破壞。</p><p>　　⑤導水機構應轉動靈活，各部件之間的摩擦面應有良好的潤滑。</p><p>　?、迣~應具有足夠的強度和剛度。</p&g

74、t;<p>　?、邔Χ嗄嗌澈恿髦械乃啓C導水機構，還應在結構設計及材料選擇上采取適當措施，以防止磨損破壞。</p><p>　　3.4 導水機構運動圖繪制的目的</p><p>　　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。</p><p>　　繪制導水機

75、構運動圖有以下目的：</p><p>　?、俅_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的尺寸參數；</p><p>　?、诖_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，并檢查導水機構運行時的均衡性（即各曲線是否連續(xù)光滑）</p><p>　?、鄞_定不同導葉開度下的β，λ值，并繪制β=f(), λ=f()曲線。<

76、;/p><p>　?、艽_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。</p><p>　?、荽_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（或其他保護裝置）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

77、可能開度下推一個適當的距離△。</p><p>　　a.對于大中型水輪機：△=2030mm; b.對于小型水輪機：△=010mm</p><p>　　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，或端面密封所需的最小平面尺寸。</p><p>　?、叽_定固定導葉的布置位置及進、出口角，設計固定導葉的形狀。</p><p&g

78、t;　　3.5 導水機構運動圖的繪制步驟</p><p>　　3.5.1 確定真機基本結構及布置導葉圖</p><p>　?。?）確定真機導水機構尺寸參數：及真機導葉形狀尺寸。</p><p>　　本次設計采用正曲率導葉導葉相關尺寸見表3.1。</p><p>　　表3.1 導葉葉形斷面尺寸表</p><p>　　由

79、[3]非對稱導葉葉形斷面尺寸系列表可知：，及如圖3.1中所示的導葉葉形斷面尺寸見表3.1：（單位：mm）</p><p>　　真機導水機構的裝配尺寸，由[3]導水機構裝配尺寸系列表得到以下參數，見表3.2。</p><p>　　表3.2 真機導水機構裝配尺寸</p><p>　　確定了以上參數后，即可根據實際情況選取合適的比例（本次設計選取的比例為：1：2），計算

80、出對應的各個參數值并繪制導葉斷面型線示意圖，見圖3.1。</p><p>　　圖3.1 導葉斷面型線示意圖</p><p>　　(2) 對于中小型機組：由于簡化結構的需要，常常使得減少，使得模型與真機之間的幾何相似關系遭到破壞，此時不能利用幾何相似關系進行導葉開度的計算。為了使真機與模型機導水機構水流運動相似，只有使模型機與真機的導葉出流角相等，即保證。</p><p&

81、gt;　　式中： ——導葉出流角</p><p>　　K,——考慮導葉的擠壓、水流的粘性及環(huán)量損失等的影響系數。通常k=1.07,對于最優(yōu)工況=1.15~1.20，對于限制工況=0.95~1。</p><p>　　——分別帶最優(yōu)工況和限制工況下的流量和轉速。</p><p>　　可以得出最大開度和最優(yōu)開度下的出流角。</p><p><

82、b>　　計算結果： 。</b></p><p>　　在得出了出流角的大小后，旋轉導葉，使導葉的骨線和導葉軸線所在圓的切線成所得的出流角的角度。則此時導葉的開度即分別為導葉的最大開度和導葉的最優(yōu)開度。作最大開度和全關狀態(tài)下的導葉間的切圓，切圓的直徑即為最大開度。得到最大開度后，分別計算出。</p><p>　　3.5.2 確定β，λ值</p><p&

83、gt;　　β為連桿與控制環(huán)小耳孔所在圓周切線方向的夾角，λ為連桿與導葉轉臂夾角。確定β與λ值的步驟為：</p><p>　　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。所選開度值為： </p><p>　　

84、轉動導葉（傳動機構隨之改變位置），讓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，并填入表3.3中。</p><p>　　根據表3.3作出β=f(),λ=f()、S=f()曲線及檢查光滑性，如圖3.2。</p><p>　　表3.3 導葉運動關系值</p><p>　　圖2.2 及其光滑性檢查</p><p>　　3.5.3 確定

85、大、小耳孔的相對位置及接力器行程S</p><p>　　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。</p><p>　　3.5.4 確定限位塊的位置</p><p>　　限位塊

86、在導水機構中的作用是為了減少水力損失及提高水輪機的抗空蝕能力，現在更多的是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外推一個適當的距離△。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△=20mm 。</p><p>　　導水機構運動圖見圖GSL-03。</p><p>　　4 水輪機金屬蝸殼水力設計</p><

87、;p>　　4.1 蝸殼類型的選擇</p><p>　　蝸殼的功用是將水流均勻引入導水機構并形成一定的速度環(huán)量。</p><p>　　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水電站的水頭進行的，最大水頭在40m以內的機組，通常采用混凝土蝸殼，這類蝸殼的斷面形狀呈“T”或“τ”形，其包角為135°270°；當水頭超過40m時，一般選用鋼板焊接蝸殼，

88、端面形狀有圓形及橢圓形兩種，包角一般為345°360°。因為本次設計的最大水頭為：=100.25m，所以采用金屬蝸殼。</p><p>　　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。本次設計中在118.07°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。</p><p>　　良好的蝸殼設計使蝸殼中水流流

89、動損失最小，同時還要合理地選擇參數。</p><p>　　4.2 金屬蝸殼的水力設計計算</p><p>　　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。</p><p>　　4.2.1 設計參數</p

90、><p>　　HL260/A244-LJ-190，=1.9m，=38m，=27.6，=0.315。</p><p>　　4.2.2 確定蝸殼包角及進口斷面平均流速</p><p>　　取=345°，流速系數=0.9 ，==5.55 。</p><p>　　4.2.3 根據座環(huán)結構確定連接尺寸</p><p>　　

91、圖4.1 蝸殼與座環(huán)的連接結構尺寸圖</p><p>　　由、查金屬蝸殼座環(huán)尺寸系列表得：</p><p>　　= 3.25 m、= 2.725 m、= 0.1m、= 0.2 m</p><p>　　= / 2 = 1.625 m</p><p>　　= / 2= 1.3625 m</p><p>　　= + =

92、 1.725 m</p><p>　　= = 0.6 m</p><p>　　= + 0.015 = 0.615 m</p><p>　　= ×(1-cos) = 0.0852847 m </p><p>　　= 0.392785 m &

93、lt;/p><p>　　4.2.4 蝸殼進口斷面參數計算</p><p>　　= 1.23 m </p><p>　　= 2.9 m </p><p><b>　　= 4.12 m</b></p><p>　　4.2.5 求蝸殼常數C</p><p&g

94、t;　　= 1252.712</p><p>　　4.2.6 求臨界包角</p><p>　　== 131.25°</p><p>　　4.2.7 當時按橢圓斷面公式計算</p><p>　　圖3.2 橢圓斷面的計算圖</p><p>　　=0.275 m </p>&l

95、t;p>　　4.2.8 當時按圓斷面公式計算</p><p>　　圖3.3 進口斷面及圓形斷面的計算</p><p>　　4.2.9 編寫VB程序計算蝸殼斷面尺寸</p><p><b>　　計算程序如下：</b></p><p>　　Private Sub Command1_Click()</p>

96、<p>　　Dim D1!, Hr!, qvr!, b0_!, Kv!, ρ!, ф0!, α!, Da!, Db!, K!, R!, C0!, h!, RA!, h1!</p><p>　　Dim b0!, B!, ρ0!, a0!, R0!, C!, фs!, r1!, фi!, Xi!, ρi!, Ri!, L!, ρ2i!, ρ1i!, ai1!, raa!, rb!</p>&l

97、t;p><b>　　D1 = 1.9</b></p><p><b>　　Hr = 38</b></p><p>　　qvr = 27.6</p><p>　　b0_ = 0.315</p><p><b>　　Kv = 0.9</b></p><p&

98、gt;<b>　　ф0 = 345</b></p><p><b>　　Da = 3.25</b></p><p>　　Db = 2.725</p><p><b>　　K = 0.1</b></p><p><b>　　R = 0.2</b></p

99、><p>　　α = 55 * 3.1415926 / 180 </p><p>　　C0 = Kv * Sqr(Hr)</p><p>　　raa = Da / 2</p><p>　　rb = Db / 2</p><p>　　RA = raa + K</p><p>　　b0 = b0_ *

100、D1</p><p>　　B = b0 + 0.015</p><p>　　h1 = R * (1 - Cos(α))</p><p>　　h = h1 + B / 2</p><p>　　ρ0 = Sqr((ф0 * qvr) / (360 * 3.1415926 * C0))</p><p>　　a0 = RA +

101、 Sqr(ρ0 ^ 2 - h ^ 2)</p><p>　　R0 = a0 + ρ0</p><p>　　C = ф0 / (a0 - Sqr(a0 ^ 2 - ρ0 ^ 2))</p><p>　　фs = C * (RA + 1.43 * h - Sqr(RA ^ 2 + 2.86 * RA * h - h ^ 2))</p><p>

102、　　r1 = RA - h / Tan(α)</p><p>　　Debug.Print "已知參數及數值："</p><p>　　Debug.Print " D1="; D1, " Hr ="; Hr, " qvr ="; qvr, " b0_ ="; b0_; " Kv =&

103、quot;; Kv, " ф0 ="; ф0</p><p>　　Debug.Print " Da ="; Da, " Db ="; Db, " K ="; K, " R ="; R, " α ="; α, "r1="; r1, "B="; B</

104、p><p>　　Debug.Print "蝸殼進口斷面參數及蝸殼系數："</p><p>　　Debug.Print " C0="; C0, "ρ0="; ρ0, "a0="; a0, "R0="; R0, "C="; C, "фs="; фs</

105、p><p>　　Debug.Print "與座環(huán)連接的蝸殼尺寸："</p><p>　　Debug.Print " ra="; raa, "rb="; rb, "RA="; RA, "h1="; h1, "h="; h</p><p>　　Debug

106、.Print "蝸殼各斷面尺寸："</p><p>　　For фi = 345 To 15 Step -15</p><p>　　If фi >= фs Then</p><p>　　Xi = фi / C + Sqr(2 * RA * фi / C - h ^ 2)</p><p>　　ρi = Sqr(Xi ^

107、 2 + h ^ 2)</p><p>　　ai = RA + Xi</p><p>　　Ri = ai + ρi</p><p>　　Debug.Print "圓斷面："</p><p>　　Debug.Print "фi="; фi, "ai="; CInt(1000 * ai)

108、, " ρi="; CInt(1000 * ρi), " Ri="; CInt(1000 * Ri)</p><p><b>　　Else</b></p><p>　　L = h / Sin(α)</p><p>　　ρi = (фi / C) * (Sqr(0.49 + 2 * r1 / (фi / C

109、)) + 1.221)</p><p>　　ρ2i = Sqr(1.045 * (3.1415926 * ρi ^ 2 + 1.428 * (raa - r1) ^ 2) + 0.81 * L ^ 2) - 1.345 * L</p><p>　　ρ1i = L + 0.3 * ρ2i</p><p>　　ai = r1 + 1.221 * ρ2i</p>

110、;<p>　　Ri = ai + ρ1i</p><p>　　ai1 = ai + (ρ1i - ρ2i) * Cos(α)</p><p>　　Debug.Print "橢圓斷面："</p><p>　　Debug.Print "фi="; фi, " ai="; CInt(1000 * a

111、i), " ai1="; CInt(1000 * ai1), " ρ1i="; CInt(1000 * ρ1i), " ρ2i="; CInt(1000 * ρ2i), " Ri="; CInt(1000 * Ri)</p><p><b>　　End If</b></p><p><

112、;b>　　Next фi</b></p><p><b>　　End</b></p><p><b>　　End Sub</b></p><p><b>　　蝸殼斷面尺寸如下：</b></p><p>　　表4.1 圓形斷面尺寸表</p><

113、;p>　　表4.2 橢圓形斷面尺寸表</p><p>　　4.2.10 繪蝸殼單線圖</p><p>　　根據蝸殼參數和斷面尺寸繪制蝸殼單線圖，見圖GSL-01。</p><p>　　5 尾水管單線圖的繪制</p><p><b>　　5.1 尾水管概述</b></p><p>　　尾水管是

114、水輪機過流通道的一部分。水流流經轉輪，完成了能量交換后，將從轉輪的出口邊流出轉輪。這時，水流被引入尾水管再流向下游。尾水管的功用是除了將水流引向下游外，還可以回收一部分水流能量，使轉輪能多發(fā)一些電能。也就是說，裝置了尾水管能夠使水輪機轉輪出口水流能量有所降低，增加了轉輪前后的能量差。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。</p><p>　　5.2 尾水管的基本

115、類型</p><p>　　尾水管主要有3種類型：直錐形、彎肘形和彎形尾水管。</p><p>　　(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（轉輪直徑在D1＜0.50.8m）。</p><p>　　(2)彎肘形尾水管。當尾水管的中心線具有90°或接近90°的轉彎

116、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。</p><p>　　本次設計采用的就是彎肘形尾水管。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，因而是不經濟的。因此，盡管彎肘形尾水管的

117、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。</p><p><b>　　(3)彎形尾水管</b></p><p>　　這種尾水管一般適用于臥式水輪機，在這就不做詳細介紹。</p><p>　　5.3 彎肘形尾水管中的水流運動</p><p>　　在彎肘形尾水管中水流由轉輪流

118、出后首先進入直錐管，然后進入肘管，并在肘管中改變流向。水流流經彎曲部分時，流場發(fā)生變化，壓強沿離開曲率中心的方向增大而流速則相對降低，亦即水流由直錐段進入肘管轉彎時，靠近外壁處壓力增大，流速降低，而內壁則壓力減小，流速增大。因此，內壁處液流收縮而外液流則擴散，形成渦流滯水區(qū)。水流經肘管流入水平擴散段時，由于離心力的作用逐漸消失使斷面壓力分布又趨于均勻。這樣，原在彎管段內具有較高壓力的水流進入出口段時壓力要降低，液流加速而呈收縮狀。而靠近

119、內壁原來壓力較低流速較高的水流在水平擴散段會有壓力增加流速降低，使液流呈擴散狀而形成另一渦流滯水區(qū)。</p><p>　　本設計按HL260/A244水輪機尾水管流道尺寸相似換算繪制尾水管單線圖，見圖GSL-02。</p><p>　　6混流式水輪機結構設計</p><p><b>　　6.1 概述</b></p><p&g

120、t;　　混流式水輪機是水輪機中應用最為廣泛的一種型式。它結構簡單，高效率區(qū)寬，可以在很大的水頭和流量范圍內有效而可靠地工作。在我國已建成的水電站中，它亦是應用最多的一種型式。</p><p>　　混流式水輪機的結構，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，但水輪機作為一種把水能變?yōu)闄C械能的動力機械，每一種結構型式都具有把水能轉換為機械能所必需的四大部分。</p><p>

121、;　　混流式水輪機的大致結構和組成，見本次設計水輪機結構圖。其主要部件有主軸、轉輪、導軸承、導水機構、座環(huán)、基礎環(huán)、蝸殼、尾水管、止漏裝置、減壓裝置、密封裝置以及附屬裝置等。位于水輪機中心的是轉輪及與其直接相連的水輪機主軸，在轉輪四周布置著導水部件的導葉，導葉與其上面的控制機構相連結。導葉的下軸頸裝在其下面的底環(huán)內，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，頂蓋被安裝在座環(huán)的上環(huán)上，它將轉輪蓋住。在頂蓋和導水部件控制機構的控制環(huán)

122、之間，裝有支持環(huán)，用來支持控制環(huán)。</p><p>　　6.2 水輪機主軸的設計</p><p>　　水輪機主軸是水輪機轉動部分的一個重要部件，通過它，將水輪機轉輪的機械能傳遞給發(fā)電機，它把水輪機產生的扭矩傳給發(fā)電機軸，同時承受轉輪的軸向水壓力及轉動部件的重力。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ZG35、45或20MnSi整鍛。根據生產條件和技術經濟比較，也可以采用