軸流式水輪機(jī)設(shè)計(jì)說(shuō)明書畢業(yè)設(shè)計(jì)論文

1、軸流式水輪機(jī)設(shè)計(jì)說(shuō)明書摘 要這次畢業(yè)設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容是進(jìn)行水輪機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)的對(duì)象是大峽水電站的軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)。本次設(shè)計(jì)是在給定水輪機(jī)基本參數(shù)的前提下，通過(guò)查閱相關(guān)的設(shè)計(jì)手冊(cè)，對(duì)水輪機(jī)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容有三部分，第一部分是對(duì)水輪機(jī)進(jìn)行總體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，其中包括了座環(huán)、主軸、接力器等由水輪機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)確定的部件。由于大峽水電站的機(jī)組是轉(zhuǎn)槳式的，所以在這一部分中還包括了葉片操作系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。第二部分是對(duì)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。這部分主要是根據(jù)接力器直徑設(shè)計(jì)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)傳動(dòng)系統(tǒng)。最后一部分則是根據(jù)設(shè)計(jì)手冊(cè)上推薦的方法對(duì)主要部件進(jìn)行強(qiáng)度校核。其中，導(dǎo)葉的校核采用編程計(jì)算。由于本次設(shè)計(jì)采用了計(jì)算機(jī)繪圖，因

2、此使得設(shè)計(jì)過(guò)程變得簡(jiǎn)單快捷。關(guān)鍵詞：水輪機(jī)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)繪圖、強(qiáng)度校核abstractthe main content of this graduate design is to carry on a structure design of hydro turbine .the object of this design is da xia hydraulic power station. under the premise of appointed essential parameter ,this design is to make a contrivance for hydro tu

3、rbine by referring relative design handbook .the main contents of this design contain three parts . the first part of this design is to make a general structural design of hydro turbine it conclude the component which can be designed by design factor of hydro turbine .such as stay vane ring、servomot

4、or、bottom lid、turbine main shaft and so on .because the hydro turbine of da xia hydraulic power station is kaplan turbine, so we have to design the controlling mechanism of waterturbine runner blades in this part .the second part is to design the distributor of hydro turbine .the major task of this

5、part is designing the drive system of guide apparatus based on the diameter of servomotor . the last is to check the strength of important region in hydro turbine by using the method which design manual recommend. and the strength checking of guide vane is programmed to calculate among it . due to t

6、he using of computer in drawing, the process of design become simple and rapid.key words : kaplan turbine ,structural design , computer produced drawing , strength checking 目 錄第1章 前 言11.1 概述11.2 設(shè)計(jì)內(nèi)容11.3 原始資料2第2章 水輪機(jī)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)32.1 轉(zhuǎn)輪的流道尺寸32.2 導(dǎo)葉高度及分布圓直徑42.3 座環(huán)高度42.4 主軸直徑52.5 主要部件的結(jié)構(gòu)62.5.1轉(zhuǎn)輪62.5.2接力器92.5

7、.3導(dǎo)葉102.5.4 座環(huán)182.5.5 頂蓋與支持蓋192.5.6 底環(huán)202.5.7主軸212.5.8 主軸密封232.5.9 水導(dǎo)軸承252.5.10 控制環(huán)292.6 葉片操作系統(tǒng)312.6.1帶操作架的直連桿機(jī)構(gòu)312.6.2不帶操作架的直連桿機(jī)構(gòu)322.6.3帶操作架的斜連桿機(jī)構(gòu)32第3章 導(dǎo)水機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)343.1 導(dǎo)葉開度343.2 導(dǎo)水機(jī)構(gòu)傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)353.2.1 導(dǎo)水機(jī)構(gòu)的裝配尺寸：353.2.2導(dǎo)水機(jī)構(gòu)的配合公差與間隙：363.2.3導(dǎo)水機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)部分。36第4章 強(qiáng)度校核454.1 主軸的強(qiáng)度校核454.1.1 基本參數(shù)的意義：454.1.2 軸身應(yīng)力計(jì)算：

8、454.1.3 薄壁軸法蘭與軸身聯(lián)接處應(yīng)力的計(jì)算：474.2 導(dǎo)葉強(qiáng)度的計(jì)算52致 謝56參考文獻(xiàn)57附 錄58附錄1：導(dǎo)葉校核程序58附錄2：導(dǎo)葉部分?jǐn)嗝鎻?fù)核程序63附錄3：程序中各符號(hào)所代表的意義67 第1章 前 言1.1 概述水能不僅是清潔的能源，而且是可再生的資源。目前水力發(fā)電在全世界范圍內(nèi)得到了優(yōu)先開發(fā)，尤其是挪威、巴西等國(guó)，水力資源的開發(fā)幾乎達(dá)到了百分百。而水電站作為水能開發(fā)的主要手段，它能否經(jīng)濟(jì)、高效的運(yùn)行對(duì)水能的利用程度有很大的影響。水力機(jī)組是水電站的核心設(shè)備，是整個(gè)水電樞紐工程最終經(jīng)濟(jì)效益的歸宿。因此，水輪機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)得是否合理就成為電站能否有效運(yùn)行得關(guān)鍵。大峽水電站位于甘肅省

9、蘭州市以東中心河道距離65km處，是一個(gè)以發(fā)電為主，兼有灌溉、航運(yùn)等綜合效益的大型工程。電站裝機(jī)4臺(tái)，機(jī)組全為軸流轉(zhuǎn)槳式。本次設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容是針對(duì)大峽水電站的具體情況對(duì)其水輪機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)中不僅對(duì)其總體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，還特別對(duì)水輪機(jī)的轉(zhuǎn)槳式機(jī)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。在這次設(shè)計(jì)中，除了查閱手冊(cè)外，還查閱了一些國(guó)內(nèi)、外已建成的水電站的資料以作參考。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，利用cad軟件進(jìn)行繪圖已成為設(shè)計(jì)的主要手段之一。在本次畢業(yè)設(shè)計(jì)中，由于所有的圖紙都采用cad軟件進(jìn)行繪制，所以不僅提高了利用cad軟件繪圖的能力 ，也使得設(shè)計(jì)的質(zhì)量大為提高。1.2 設(shè)計(jì)內(nèi)容本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容：（一）根據(jù)給定水輪機(jī)

10、型號(hào)和轉(zhuǎn)輪直徑進(jìn)行等參數(shù)進(jìn)行水輪機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)1按給定水輪機(jī)型號(hào)和轉(zhuǎn)輪直徑等參數(shù)，確定水輪機(jī)的主要特征尺寸，對(duì)水輪機(jī)埋入部件進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；2確定水輪機(jī)主軸尺寸，并進(jìn)行強(qiáng)度校核計(jì)算；3根據(jù)機(jī)組的型式和電站的自然條件進(jìn)行主軸密封和水導(dǎo)軸承的設(shè)計(jì)；4繪制水輪機(jī)總裝配圖及主要部件的組裝圖和部件圖。（二）導(dǎo)水機(jī)構(gòu)傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)1根據(jù)機(jī)組的型式進(jìn)行導(dǎo)水機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)；2繪制導(dǎo)水機(jī)構(gòu)裝配圖及導(dǎo)葉布置圖；3導(dǎo)葉強(qiáng)度計(jì)算。（三）葉片操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)1根據(jù)機(jī)組的布置型式進(jìn)行葉片操作系統(tǒng)的設(shè)計(jì)；2繪制葉片操作系統(tǒng)裝配圖及葉片操作系統(tǒng)原理圖；1.3 原始資料本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的基本參數(shù)如下：?jiǎn)螜C(jī)容量： 77.3mw水輪機(jī)型號(hào)：zzf2

11、3-lh-700設(shè)計(jì)水頭： 23(m)設(shè)計(jì)流量： 369.6（/）額定轉(zhuǎn)速： 88.2（rpm）吸出高度： -5.5（m）安裝高程： 1444.7（m）第2章 水輪機(jī)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)2.1 轉(zhuǎn)輪的流道尺寸表1 轉(zhuǎn)輪流道尺寸參數(shù)符號(hào)數(shù)值（mm）參數(shù)符號(hào)數(shù)值（mm）d1z1d0z0b0dbr170005810024280031501652r2d2d3d4h1h2h3663632693045304517158612086其符號(hào)所代表的意義見下圖1：表2 轉(zhuǎn)輪室的尺寸參數(shù)符號(hào)數(shù)值（mm）計(jì)算參數(shù)數(shù)值（mm）r1r2r3r4r（球）h15258611834660835001715h2h3h4d2d41491

12、696572866089100110其符號(hào)所代表的意義見下圖2： 圖1 轉(zhuǎn)輪流道尺寸圖2 轉(zhuǎn)輪室流道尺寸2.2 導(dǎo)葉高度及分布圓直徑由上一節(jié)可知，導(dǎo)葉高度為：b0=0.4d1=2800(mm)，分布圓直徑d0=1.16d1，所以d0=1.16d1=8100（mm），導(dǎo)葉轉(zhuǎn)角050。由于本機(jī)組屬于高比轉(zhuǎn)速軸流式水輪機(jī)，所以導(dǎo)葉選擇對(duì)稱型翼形，導(dǎo)葉數(shù)目z=24。2.3 座環(huán)高度表3 座環(huán)尺寸參數(shù)符號(hào)數(shù)值（mm）參數(shù)符號(hào)數(shù)值（mm）dbdakr925010750100600h1=b0+30283030031.50其符號(hào)所代表的意義見下圖3：圖3 座環(huán)2.4 主軸直徑主軸的外尺寸可以根據(jù)機(jī)組的扭力矩初

13、選，扭力矩按以下公式計(jì)算：（公斤厘米）式中 ： n代表主軸傳遞的功率（千瓦） n代表主軸轉(zhuǎn)速（轉(zhuǎn)/分）由原始資料得：n=77.3mw=77.3103kw n=88.2r/min所以，根據(jù)扭力矩與主軸外徑的關(guān)系曲線查得d=1155（mm），根據(jù)薄壁軸的標(biāo)準(zhǔn)外徑系列，取標(biāo)準(zhǔn)植d=1200（mm）主軸內(nèi)孔直徑按水輪機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)上的公式計(jì)算： 式中 ：d主軸外徑（厘米） n主軸傳遞的功率（千瓦） n主軸轉(zhuǎn)速（轉(zhuǎn)/分） max最大許用應(yīng)力（公斤/厘米2）初選主軸的材料為zg20mnsi,其max=550公斤/厘米2所以根據(jù)主軸內(nèi)孔直徑公式計(jì)算得： 但為了保證主軸有足夠的剛強(qiáng)度，可將主軸內(nèi)徑按標(biāo)準(zhǔn)直徑系列取

14、為800mm 。2.5 主要部件的結(jié)構(gòu)2.5.1轉(zhuǎn)輪軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)的轉(zhuǎn)輪由轉(zhuǎn)輪體、葉片操作機(jī)構(gòu)、葉片等組成。（1）葉片葉片由本體和樞軸構(gòu)成。葉片本體與樞軸的連接方式有兩種。一種是用分別整體鑄造；一種是采用分開鑄造，加工后用螺釘或銷釘?shù)葯C(jī)械零件組合。由于本機(jī)組屬于大型機(jī)組，所以葉片和樞軸采用分別鑄造，然后用螺釘連接。（2）轉(zhuǎn)輪體轉(zhuǎn)輪體上裝有全部葉片和操作機(jī)構(gòu)，上部與主軸聯(lián)接，下部接泄水錐，形狀較為復(fù)雜。在本次設(shè)計(jì)中轉(zhuǎn)輪體采用zg20mnsi整鑄而成。轉(zhuǎn)輪體外圓采用球形結(jié)構(gòu)，以減少容積損失。在本次畢業(yè)設(shè)計(jì)中，轉(zhuǎn)輪體與主軸聯(lián)接時(shí)，采用的是轉(zhuǎn)輪上蓋與主軸法蘭分開的結(jié)構(gòu)。（3）葉片操作機(jī)構(gòu)與接力器葉片

15、操作機(jī)構(gòu)的型式很多，本次畢業(yè)設(shè)計(jì)采用的是不帶操作架的結(jié)構(gòu)。在后面會(huì)專門有葉片操作機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。葉片操作機(jī)構(gòu)接力器的活塞直徑根據(jù)操作油壓確定?；钊麠U的尺寸即要滿足強(qiáng)度的要求，還應(yīng)滿足操作油管布置的需要。表4 活塞桿的尺寸參數(shù)符號(hào)數(shù)值（mm）參數(shù)符號(hào)數(shù)值（mm）d1dd2t2d3t3d4zd5d6d7d8d9d10d11d12d132452506061596753180210582”62135m1214034d14h1h2h3h4h5h6h7brkk1s=s1s2868-0.13625123585105263284820其符號(hào)所代表的意義如下圖4和圖5：圖4 活塞與活塞桿圖5 油管連接法蘭圖6活塞環(huán)

16、表5 活塞尺寸參數(shù)符號(hào)數(shù)值（mm）dphh12322485353其符號(hào)所代表的意義見圖6。（4）葉片密封葉片密封采用“”型密封，因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，裝拆方便。其尺寸如下表所示：表6 “”型密封尺寸參數(shù)符號(hào)數(shù)值（mm）參數(shù)符號(hào)數(shù)值（mm）d1d2d3abc1061+11000+0.13103011.51012.5defr內(nèi)圓緊量外圓緊量944+0.2231.872.10.82（5）泄水錐由于本次設(shè)計(jì)的機(jī)組屬于大型機(jī)組，故泄水錐采用鋼板焊接的泄水錐。2.5.2接力器由于本機(jī)組的轉(zhuǎn)輪直徑已達(dá)7米，屬于大型機(jī)組，故采用單導(dǎo)管直缸接力器，其將布置在水輪機(jī)機(jī)墩內(nèi)，操作油壓采用=25公斤/厘米2。接力器直徑式中：

17、轉(zhuǎn)輪直徑 最高水頭 導(dǎo)葉相對(duì)高度 調(diào)速系統(tǒng)的額定油壓 計(jì)算系數(shù)從水輪機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)中的表查得=0.15，=25公斤/厘米2，=31.4m， =0.4 根據(jù)接力器直徑系列取dc=750(mm),由于其采用單導(dǎo)管型式的直缸接力器，其主要特征尺寸如下表：表7 接力器尺寸參數(shù)符號(hào)數(shù)值（mm）參數(shù)符號(hào)數(shù)值（mm）dcdd112z2d23750190190145013401652220z3d3d4ddhksdc8m24m19033005504200.5-0.75375-562.5其符號(hào)所代表的意義見圖7。圖7 單導(dǎo)管型式的直缸接力器2.5.3導(dǎo)葉導(dǎo)葉的材料采用zg14cr5cu鑄造，該材料適用于制造水輪機(jī)導(dǎo)葉

18、，其強(qiáng)度極限為570兆帕。（1）葉形圓柱式導(dǎo)水機(jī)構(gòu)的導(dǎo)葉葉形，通常有對(duì)稱形和非對(duì)稱形（正曲率）兩種標(biāo)準(zhǔn)葉形。由于對(duì)稱形導(dǎo)葉一般使用于具有不完全包角的高比轉(zhuǎn)速軸流式水輪機(jī)中，故本設(shè)計(jì)中采用對(duì)稱形的葉形。由水輪機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)中查得對(duì)稱形導(dǎo)葉葉形的斷面參數(shù)如下表：表8 導(dǎo)葉葉形的斷面尺寸參數(shù)符號(hào)數(shù)值（mm）參數(shù)符號(hào)數(shù)值（mm）d1d0z0abcded0mk7000810024102.9124.7129.9124.7113.1195.4103.510.3rr1r2r3fl1l2lqt80.627121448711258462212062515其符號(hào)所代表的意義見圖8。圖8導(dǎo)葉葉形斷面（2）導(dǎo)葉的結(jié)構(gòu)系列尺

19、寸和軸頸選擇導(dǎo)葉的軸頸可按機(jī)組的轉(zhuǎn)輪直徑d1，使用水頭h1（指最高水頭），導(dǎo)葉的相對(duì)高度b0/d1，從手冊(cè)中初選軸頸db，選得db =230（mm），再根據(jù)db=230mm從手冊(cè)中查得導(dǎo)葉結(jié)構(gòu)的其它尺寸如下表： 表9 導(dǎo)葉結(jié)構(gòu)的尺寸參數(shù)符號(hào)數(shù)值（mm）參數(shù)符號(hào)數(shù)值（mm）dbdad1dcd2dmd3d4d5ha23019024021022060m4858208.5190hbhch1h2h3h4h5h參考r1r22603852522590208117211595其符號(hào)所代表的意義見下圖9：圖9 導(dǎo)葉結(jié)構(gòu)尺寸（3）導(dǎo)葉的密封結(jié)構(gòu)導(dǎo)葉關(guān)閉后，導(dǎo)葉體的立面應(yīng)該很好的密封。由于本機(jī)組屬于大型低水頭的機(jī)組

20、，因此采用圓橡皮條直接鑲?cè)滕澪膊蹆?nèi)封水，這種結(jié)構(gòu)制造簡(jiǎn)單，但只適用于40米水頭以下的機(jī)組，因?yàn)樗^太高會(huì)把圓橡皮條沖掉。圓橡皮條和鴿尾槽的尺寸如下表：（由于導(dǎo)葉體較高，可在中間加焊數(shù)段鋼筋，使橡皮條分段固定。） 表10 圓橡皮條和鴿尾槽的尺寸參數(shù)符號(hào)數(shù)值（mm）dabc161212.73其符號(hào)所代表的意義如下圖10所示：圖10導(dǎo)葉的密封結(jié)構(gòu)（4）導(dǎo)葉套筒 導(dǎo)葉套筒是固定導(dǎo)葉上中軸套的部件，一般都采用ht2140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?yàn)楸敬卧O(shè)計(jì)的機(jī)組的水頭不是很高，所以不考慮在導(dǎo)葉套筒上增設(shè)導(dǎo)葉止推裝置。本次設(shè)計(jì)中采用的套筒的尺寸大

21、小如下表：表11 導(dǎo)葉套筒尺寸參數(shù)符號(hào)數(shù)值（mm）參數(shù)符號(hào)數(shù)值（mm）dbd1d2d3d4d5d6d7d823056036523025026048040 8d9d10hh1h2h3zh參考385m2452402301058840其符號(hào)所代表的意義如下圖11所示：圖11導(dǎo)葉套筒（5）導(dǎo)葉軸頸密封及其軸套 導(dǎo)葉軸頸密封多數(shù)裝在導(dǎo)葉套筒的下端，目前不少機(jī)組中已改用“l(fā)”型密封，實(shí)踐證明，封水性能很好，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。其尺寸大小如下表：表12 “l(fā)” 型密封尺寸參數(shù)符號(hào)數(shù)值（mm）參數(shù)符號(hào)數(shù)值（mm）dbdd1d2230237223280h121844其符號(hào)所代表的意義如下圖12：圖12“l(fā)” 型密封導(dǎo)葉下

22、軸頸的密封主要是防止泥沙進(jìn)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： 表13 “o”型密封圈尺寸參數(shù)符號(hào)數(shù)值（mm）dbdd23019010其符號(hào)所代表的意義如下圖13所示：圖13 “o”型密封圈（6）導(dǎo)葉軸套 導(dǎo)葉軸套大多數(shù)都采用鑄錫青銅鑄造，加注黃油潤(rùn)滑。目前已廣泛采用具有自潤(rùn)滑功能的工程塑料代替，這樣不僅簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)，而且節(jié)省了大量的有色金屬，降低成本。本次設(shè)計(jì)中采用復(fù)合軸套，即采用ht1838作套，內(nèi)表面涂復(fù)尼龍1010制成復(fù)合軸套值指復(fù)合軸套尼龍層厚度的參考值。a）上軸套尺寸系列如表14所示： 表14 上軸套尺寸參數(shù)符號(hào)數(shù)值（mm）參數(shù)符號(hào)數(shù)值（mm

23、）dcd1d2d3d4210210230229.6270hh1h21058121 其符號(hào)所代表意義如下圖14所示：圖14上軸套b）中軸套尺寸系列如表15所示：表15 中軸套尺寸參數(shù)符號(hào)數(shù)值（mm）參數(shù)符號(hào)數(shù)值（mm）dbd1d2d3d4230230250249.6260hh1h2d523040881其符號(hào)所代表的意義如下圖15所示:圖15中軸套c）下軸套尺寸系列如表16所示： 表16 下軸套尺寸參數(shù)符號(hào)數(shù)值（mm）參數(shù)符號(hào)數(shù)值（mm）dad1d2d3190190210209.6hh119081其符號(hào)所代表的意義如下圖16所示:圖16 下軸套2.5.4 座環(huán)（1）與混凝土蝸殼連接的座環(huán)型式很多，

24、本設(shè)計(jì)中采用的是整體結(jié)構(gòu)的座環(huán)。（2）座環(huán)的鑄造應(yīng)符合一般大部件的鑄造技術(shù)條件，其加工面的光潔度和公差要求參見下圖：圖17 座環(huán)此外，還需對(duì)制造質(zhì)量提出如下要求：a)所有過(guò)流表面打磨光滑，相當(dāng)于光潔度3；b)固定導(dǎo)葉進(jìn)口端節(jié)距誤差不超過(guò)0.0015da；c)頂蓋與底環(huán)把合面平行度誤差不超過(guò)0.025毫米/米；d)分瓣結(jié)構(gòu)的合縫面光潔度為5，合縫面間隙一般不超過(guò)0.05毫米，局部允許有0.150.3毫米間隙（深度小于接合縫的1/3，長(zhǎng)度不超過(guò)接合縫總長(zhǎng)的1/5）。2.5.5 頂蓋與支持蓋頂蓋與支持蓋是水輪機(jī)的主要部件，要求有足夠的強(qiáng)度和剛度，因此再此次設(shè)計(jì)中采用了焊接頂蓋，材料zg30。支持蓋和

25、頂蓋見下圖：圖18 頂蓋圖19 支持蓋2.5.6 底環(huán)底環(huán)是一個(gè)扁平的環(huán)形部件，固定于座環(huán)上，設(shè)計(jì)時(shí)主要考慮剛度，不作強(qiáng)度計(jì)算。底環(huán)都采用zg30鑄造，而且由于本次設(shè)計(jì)對(duì)象所處的流域?qū)儆诙嗄嗌澈恿?，故在底環(huán)的過(guò)流表面應(yīng)鋪設(shè)抗磨板。本次設(shè)計(jì)中的抗磨板采用18毫米厚的a3鋼板。由于受運(yùn)輸條件的限制，本次設(shè)計(jì)中的底環(huán)應(yīng)分四瓣鑄造，底環(huán)大概結(jié)構(gòu)見下圖：圖20 底環(huán)2.5.7主軸（1） 主軸主軸是水輪機(jī)的主要部件，它的毛坯采用zg20mnsi整鍛。由于本機(jī)組是大型的軸流式水輪機(jī)，因此在主軸內(nèi)裝有操作油管，所以主軸必須要有中心孔。主軸與轉(zhuǎn)輪的連接結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)中采用轉(zhuǎn)輪上蓋與主軸法蘭分開的結(jié)構(gòu)。主軸一端與發(fā)電

26、機(jī)相連，另一端與轉(zhuǎn)輪相連。軸的尺寸如下表：表17 主軸尺寸參數(shù)符號(hào)數(shù)值（mm）參數(shù)符號(hào)數(shù)值（mm）參數(shù)符號(hào)數(shù)值（mm）dddbdpd2d3dddbd112001830157512201815130011001100125130d2hh1ll1l2ss1am188240270608512300360352rr1r2r3fzcc1c212030350522016204其符號(hào)所代表的意義如下圖21所示：圖21 主軸（2） 聯(lián)軸螺釘?shù)某叽纾海ǜ鶕?jù)主軸的外徑選取）表18 聯(lián)軸螺釘參數(shù)符號(hào)數(shù)值（mm）參數(shù)符號(hào)數(shù)值（mm）螺釘lll0l1l2l5m1204600545300120130510l5dbdhd1

27、d2s45512518585114112160其符號(hào)所代表的意義見下圖22：圖22聯(lián)軸螺釘2.5.8 主軸密封主軸部分的密封裝置分兩種，一種是機(jī)組正常運(yùn)行中，橡膠軸承壓力水箱的密封，稀油軸承下部防止機(jī)組漏水的主軸密封。這一種密封的結(jié)構(gòu)形式很多，如盤根、墊料式密封，單層或雙層橡膠密封，徑向式端面碳精塊（尼龍塊）密封，水泵密封等等。在本次設(shè)計(jì)中采用的是水壓式端面密封，其結(jié)構(gòu)見下圖23。另一種是機(jī)組停機(jī)檢修軸承和軸承下部主軸密封時(shí)防止尾水往機(jī)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(jī)械操作式或抬機(jī)密封等多種。在本次設(shè)計(jì)中采用的是空氣圍帶式密封，采用的壓縮空氣壓力是47公斤/厘米2，其所采

28、用的圍帶的剖面尺寸見下圖24：圖23 水壓式端面密封圖24 空氣圍帶式密封2.5.9 水導(dǎo)軸承水輪機(jī)導(dǎo)軸承型式很多，目前比較常用的有水潤(rùn)滑的橡膠軸承;稀油潤(rùn)滑帶有轉(zhuǎn)動(dòng)油盤、斜油槽自循環(huán)的筒式軸承和稀油潤(rùn)滑油浸式分塊瓦軸承。其它型式軸承如稀油潤(rùn)滑畢托管上油方式軸承，在中、小型機(jī)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(rùn)滑軸承國(guó)內(nèi)運(yùn)用不多。考慮到本電站的水質(zhì)不干凈、含沙量大，清潔水源少，所以采用了稀油潤(rùn)滑筒式軸承。圖25 水導(dǎo)軸承（1）軸瓦高度l統(tǒng)計(jì)資料表明，軸瓦高度與直徑的比值都在0.51的范圍內(nèi)，一些試驗(yàn)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=（60012

29、00）毫米，參照水輪機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)中的表1314最終取l750mm。（2）油槽升角模型試驗(yàn)的資料表明，油槽升角對(duì)上油量有一定的影響。目前設(shè)計(jì)中采用的油槽升角一般為500700，實(shí)踐表明上油效果很好。在體外冷卻的方式中，采用500，所以本次設(shè)計(jì)中取500。圖26 油槽升角（3）油槽截面尺寸和槽數(shù)為了減少潤(rùn)滑油在油槽中的阻力，并保證相鄰油槽間的瓦面上都能得到充分的潤(rùn)滑油，形成油膜，故采用下圖27所示的油槽形狀。圖27 油槽截面其尺寸如下表19所示：表19 油槽截面尺寸參數(shù)符號(hào)數(shù)值（mm）參數(shù)符號(hào)數(shù)值（mm）abce725152r1r2z12.58（4）軸承體上合金澆注層槽形軸承體內(nèi)壁加工有澆注巴式合金

30、的縱向和環(huán)形槽，以保證合金與軸承體嚴(yán)密貼合，防止脫殼。軸承體上合金層不宜太厚。較厚的合金層不僅增加合金材料的消耗，也會(huì)導(dǎo)致瓦面受熱后相對(duì)變形增大，影響軸承間隙，增加磨損。目前設(shè)計(jì)中一般取合金層厚度（毫米）a斜油槽的深度（毫米）合金澆注槽的尺寸大小如下表20所示：表20 合金澆注槽的尺寸參數(shù)符號(hào)數(shù)值（mm）參數(shù)符號(hào)數(shù)值（mm）hl1l2l1l213430142.51450hzz1rc4020454其符號(hào)所代表的意義見下圖28：圖28 合金澆注槽（5）軸承間隙軸承總的平均間隙一般可參照下面的經(jīng)驗(yàn)公式?jīng)Q定：式中 dp主軸直徑（6）冷卻方式與冷卻裝置的確定稀油潤(rùn)滑筒式軸承一般都裝有冷卻裝置，在本次設(shè)計(jì)

31、中選用了體外冷卻的方式。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、溢流板、擋油管的作用是保證熱油都能經(jīng)過(guò)冷卻器后再經(jīng)回油管返回轉(zhuǎn)動(dòng)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(lái)。在本機(jī)組上，擋油箱采用鋼板焊接，把合在軸承體上。（7）確定稀油潤(rùn)滑筒式軸承的尺寸 查水輪機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)確定稀油潤(rùn)滑筒式軸承的尺寸如下表21所示：表21 稀油潤(rùn)滑筒式軸承尺寸參數(shù)符號(hào)數(shù)值（mm）參數(shù)符號(hào)數(shù)值（mm）dpldadbddhhb1220750185019001

32、450420950500.4teft1z0d0z2d252801232m4268m42其符號(hào)所代表的意義如下圖29所示：圖29 稀油潤(rùn)滑筒式軸承2.5.10 控制環(huán)控制環(huán)是傳遞接力器作用力，并通過(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)葉的環(huán)形部件，在本次設(shè)計(jì)中采用zg30鑄造，由于該件尺寸太大，可采用分瓣鑄造的結(jié)構(gòu)。其結(jié)構(gòu)尺寸見下表22：表22 控制環(huán)尺寸參數(shù)符號(hào)數(shù)值（mm）參數(shù)符號(hào)數(shù)值（mm）dcz0dy5600245750rs1835其符號(hào)所代表的意義如下圖30所示：圖30 控制環(huán)表23 大耳環(huán)處尺寸參數(shù)符號(hào)數(shù)值（mm）參數(shù)符號(hào)數(shù)值（mm）d1d2d3190185380h1h270220其符號(hào)所代表的意義如下圖3

33、1所示：圖31 大耳環(huán)處尺寸表24 小耳環(huán)處的尺寸：參數(shù)符號(hào)數(shù)值（mm）d2h1r110d100110其符號(hào)所代表的意義如下圖32所示圖32 小耳環(huán)2.6 葉片操作系統(tǒng)葉片操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)型式有很多種，它們隨著接力器的布置方式的不同而不同，比較常用的有三種。一種是帶操作架傳動(dòng)的直連桿機(jī)構(gòu)；一種是不帶操作架的直連桿機(jī)構(gòu)；還有一種是帶操作架的斜連桿機(jī)構(gòu)。這三種結(jié)構(gòu)型式各有特點(diǎn)。2.6.1帶操作架的直連桿機(jī)構(gòu)這種結(jié)構(gòu)一般用在葉片數(shù)為46的中小型機(jī)組中，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)如下：（1）葉片轉(zhuǎn)角在中間位置時(shí)，轉(zhuǎn)臂水平，連桿垂直，動(dòng)作中操作架圓周分力較小。（2）轉(zhuǎn)臂與葉片用圓柱銷傳遞轉(zhuǎn)矩，徑向位置由卡環(huán)定位，轉(zhuǎn)臂下部

34、開口，用螺釘夾緊，便于裝拆和緊固卡環(huán)。（3）連桿采用二塊夾板，連桿銷受力均勻。（4）操作架上帶有耳柄，便于裝配中調(diào)整，耳柄與操作架配合端面有限位銷，防止耳柄固定時(shí)與夾板產(chǎn)生偏卡。（5）操作架多數(shù)采用“工”字形或單層壁加筋結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖如下圖33：圖33 運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖2.6.2不帶操作架的直連桿機(jī)構(gòu)這種結(jié)構(gòu)一般用在葉片數(shù)為45的大型機(jī)組，它的結(jié)構(gòu)比帶操作架的機(jī)構(gòu)緊湊，重量輕，但轉(zhuǎn)輪體加工工序比較復(fù)雜，周期長(zhǎng)。其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)如下：（1）取消操作架，連桿和轉(zhuǎn)臂由接力器活塞直接帶動(dòng)。（2）活塞上下運(yùn)動(dòng)由裝在活塞上的套筒和裝在轉(zhuǎn)輪體的銅套引導(dǎo)。（3）采用耳柄式的整體連桿。 這種結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖見槳葉操作

35、系統(tǒng)原理圖。本次設(shè)計(jì)中采用的槳葉操作系統(tǒng)正是這種結(jié)構(gòu)，因?yàn)樵O(shè)計(jì)的對(duì)象是有5個(gè)葉片的大型機(jī)組，且采用這種結(jié)構(gòu)可以減少維修的工作量和轉(zhuǎn)輪體的重量，符合現(xiàn)代轉(zhuǎn)槳式轉(zhuǎn)輪的發(fā)展要求。2.6.3帶操作架的斜連桿機(jī)構(gòu) 這種結(jié)構(gòu)多采用于葉片數(shù)較多的轉(zhuǎn)輪中，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)如下：（1）葉片轉(zhuǎn)角在中間位置時(shí)，轉(zhuǎn)臂與連桿都有較大的傾斜角，運(yùn)動(dòng)中操作架受較大的圓周分力。限制操作架的導(dǎo)向鍵的數(shù)量和接觸面積都比直連桿多。（2）轉(zhuǎn)臂有效臂長(zhǎng)增加，接力器直徑可縮小，行程增大。（3）耳柄與操作架在固定螺帽處有卡板限位。這種結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖如下圖34：圖34 運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖在轉(zhuǎn)槳式轉(zhuǎn)輪設(shè)計(jì)應(yīng)力求減少輪轂比，即縮小轉(zhuǎn)輪體的相對(duì)尺寸，同時(shí)減少轉(zhuǎn)輪

36、的重量。本次設(shè)計(jì)對(duì)葉片操作系統(tǒng)的選擇已力求滿足上述要求。第3章 導(dǎo)水機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)3.1 導(dǎo)葉開度根據(jù)水輪機(jī)的型號(hào)、轉(zhuǎn)輪直徑，確定最大可能開度所要求的接力器行程，從而確定傳動(dòng)系統(tǒng)的參數(shù)。 原始資料： 水輪機(jī)型號(hào)：zz(f23)lh700 轉(zhuǎn)輪直徑：7000mm 設(shè)計(jì)水頭：23m 設(shè)計(jì)流量：369.6m3/s 額定轉(zhuǎn)速： =88.2r/min所以額定工況時(shí)的單位轉(zhuǎn)速和單位流量分別為：根據(jù)查zzf23lh7000的模型綜合特性曲線得模型得最大開度： 因?yàn)椋?所以換算成真機(jī)的最大開口值為：真機(jī)的最大可能開度為：取設(shè)計(jì)水頭下的單位轉(zhuǎn)速與最優(yōu)效率點(diǎn)對(duì)應(yīng)的開口值為最優(yōu)開口，根據(jù)設(shè)計(jì)水頭下的單位轉(zhuǎn)速查模

37、型特性曲線得： 所以真機(jī)得最優(yōu)開口為： 3.2 導(dǎo)水機(jī)構(gòu)傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)3.2.1 導(dǎo)水機(jī)構(gòu)的裝配尺寸：圖35導(dǎo)水機(jī)構(gòu)上圖所示導(dǎo)水機(jī)構(gòu)的裝配尺寸大小如下表25所示： 表25 導(dǎo)水機(jī)構(gòu)的裝配尺寸參數(shù)符號(hào)數(shù)值（mm）參數(shù)符號(hào)數(shù)值（mm）d0z0dc81002442o5600lhlplcdy103347072757503.2.2導(dǎo)水機(jī)構(gòu)的配合公差與間隙：（1）導(dǎo)水機(jī)構(gòu)的配合公差參見導(dǎo)水機(jī)構(gòu)裝配圖。（2）配合間隙：導(dǎo)葉立面間隙。立面不裝密封橡皮條時(shí)，一般間隙為零，由于本機(jī)組是大型機(jī)組，因此允許在導(dǎo)葉高度約14的范圍內(nèi)有不大于0.15毫米的局部間隙。導(dǎo)葉與頂蓋及底環(huán)配合面的端面間隙。根據(jù)水輪機(jī)的轉(zhuǎn)輪直徑與

38、使用水頭查表得導(dǎo)葉的端面間隙為0.61.2mm，該間隙值是指上下端面間隙相等的單邊間隙值，具體設(shè)計(jì)選用時(shí)，即要考慮頂蓋剛度對(duì)導(dǎo)葉端面間隙的影響，還應(yīng)考慮導(dǎo)葉在水壓力作用下可能向上浮起，使間隙減少。局部間隙值。環(huán)形部件的合縫面應(yīng)貼合，對(duì)于本機(jī)組來(lái)說(shuō)，一般局部間隙不應(yīng)大于0.15mm，間隙深度不應(yīng)大于測(cè)量方向的13，長(zhǎng)度不超過(guò)合縫面總長(zhǎng)的20。3.2.3導(dǎo)水機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)部分。由于叉頭傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的受力情況良好，適用于大、中型機(jī)組，所以在本次設(shè)計(jì)中采用了叉頭傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。叉頭傳動(dòng)機(jī)構(gòu)主要由導(dǎo)葉臂、連接板、叉頭、叉頭銷、連接螺桿、螺帽、分半鍵、剪斷銷、軸套、端蓋和補(bǔ)償環(huán)等組成。叉頭傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的各個(gè)部件的尺寸主要根

39、據(jù)接力器直徑選定。先根據(jù)第二章計(jì)算得出的接力器直徑選得的叉頭傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的裝配尺寸如下表26所示。表26 叉頭傳動(dòng)機(jī)構(gòu)裝配尺寸參數(shù)符號(hào)數(shù)值（mm）參數(shù)符號(hào)數(shù)值（mm）dcz0d1dn75024m804100d/dcdcnd2hh180d4/dc4110d3/jd80100然后根據(jù)叉頭傳動(dòng)機(jī)構(gòu)裝配尺寸查出傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的各個(gè)零件尺寸。叉頭傳動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖與尺寸如下：（1）導(dǎo)葉臂結(jié)構(gòu)圖如下圖：圖36導(dǎo)葉臂其符號(hào)所代表的尺寸大小如下表27： 表27 導(dǎo)葉臂尺寸 參數(shù)符號(hào)數(shù)值（mm）參數(shù)符號(hào)數(shù)值（mm）dbdcd1d2d3d4d2dmd3d4230210d310d34031034026060dm2432hl1h1

40、h3ekr1f1t270-0.5225254560103020.3表28 導(dǎo)葉臂銷孔尺寸參數(shù)符號(hào)數(shù)值（mm）參數(shù)符號(hào)數(shù)值（mm）dcnrb80d110300c1hh1280100 （2）連接板的結(jié)構(gòu)如下：圖37 連接板表29 連接板的結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)符號(hào)數(shù)值（mm）參數(shù)符號(hào)數(shù)值（mm）d1r1kdcnd2d1d2310d1900.0380d4110d3150m24r2hh1ll1=l2c9080100301201.5 （3）叉頭的結(jié)構(gòu)如下圖：圖38 叉頭叉頭尺寸如下表30： 表30 叉頭尺寸參數(shù)符號(hào)數(shù)值（mm）參數(shù)符號(hào)數(shù)值（mm）d1d2d3d4hhh1m804100d95d1452103040l

41、l1rrr1c1s215135902010232（4）連接螺桿的結(jié)構(gòu)見下圖：圖39 連接螺桿連接螺桿的尺寸大小如下表31： 表31 連接螺桿的尺寸參數(shù)符號(hào)數(shù)值（mm）參數(shù)符號(hào)數(shù)值（mm）d1d2d3slm804907480190bb1rc30823（5）軸套的結(jié)構(gòu)見下圖：圖40 軸套其尺寸大小如下表32所示： 表32 軸套尺寸參數(shù)符號(hào)數(shù)值（mm）參數(shù)符號(hào)數(shù)值（mm）dnd2d1100d110jd115hh1c110103（6）分半鍵的結(jié)構(gòu)見下圖：圖41 分半鍵上述分半鍵的型式是水輪機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)推薦使用的b型式的分半鍵，其結(jié)構(gòu)尺寸大小如下表33：表33 分半鍵尺寸參數(shù)符號(hào)數(shù)值（mm）參數(shù)符號(hào)數(shù)值（

42、mm）dcdmlbl1l2h210602255828523010bkcb1h2h3h427.751.532.9254010（7）剪斷銷的結(jié)構(gòu)如下：圖42剪斷銷剪斷銷的尺寸如下表34： 表34 剪斷銷的尺寸 參數(shù)符號(hào)數(shù)值（mm）參數(shù)符號(hào)數(shù)值（mm）dcndd2d3d4bb180dc43079908065rh1h2hll1.56.5158076175（8）叉頭銷的結(jié)構(gòu)如下圖所示：圖43 叉頭銷叉頭銷的尺寸大小如下表35： 表35 叉頭銷的尺寸參數(shù)符號(hào)數(shù)值（mm）參數(shù)符號(hào)數(shù)值（mm）dndd1d2d3hh1h100dc100gb95gb999112846214h2dbrcd0r12884.52442

43、（9）端蓋的結(jié)構(gòu)如下圖所示：圖44 端蓋端蓋的尺寸大小如下表36： 表36 端蓋的尺寸參數(shù)符號(hào)數(shù)值（mm）參數(shù)符號(hào)數(shù)值（mm）dbd1d2d3d4d5h230370212905226048h1r123d638105m362664130（10）補(bǔ)償環(huán)的結(jié)構(gòu)見下圖：圖45 補(bǔ)償環(huán)補(bǔ)償環(huán)的尺寸大小如下表37：表37 補(bǔ)償環(huán)的尺寸參數(shù)符號(hào)數(shù)值（mm）dd1h1101256第4章 強(qiáng)度校核4.1 主軸的強(qiáng)度校核4.1.1 基本參數(shù)的意義：主軸傳遞的最大功率： (千瓦）水輪機(jī)的正常轉(zhuǎn)速： (轉(zhuǎn)分)水輪機(jī)的飛逸轉(zhuǎn)速： (轉(zhuǎn)分）軸向水推力： (公斤）轉(zhuǎn)輪重量： (公斤) 軸自重： (公斤)總軸向力： (公斤)

44、軸身外徑： (厘米)軸身內(nèi)徑： (厘米)軸法蘭直徑： (厘米)聯(lián)軸螺釘分布圓直徑： (厘米)法蘭厚度： (厘米)聯(lián)軸螺釘數(shù)： (厘米)4.1.2 軸身應(yīng)力計(jì)算：此次設(shè)計(jì)的主軸材質(zhì)為zg20mnsi，查水輪機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)可得該軸身的許用應(yīng)力：500（公斤厘米2），np=1000（公斤厘米2）。主軸傳遞的扭矩：（公斤厘米）水輪機(jī)的軸向水推力為：軸身抗扭斷面模數(shù)：扭應(yīng)力：轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪總量的估算：主軸總量：取則水輪機(jī)總的軸向力：即軸身斷面面積：軸身應(yīng)力扭應(yīng)力：由軸向力引起的軸身拉應(yīng)力為：則軸的相當(dāng)應(yīng)力為：故主軸的軸身的應(yīng)力滿足設(shè)計(jì)要求，其外徑為1.2米，內(nèi)徑為0.8米。4.1.3 薄壁軸法蘭與軸身聯(lián)接處應(yīng)力的計(jì)算：圖46主軸法蘭（1）計(jì)算法蘭實(shí)際預(yù)緊系數(shù)按聯(lián)軸螺釘預(yù)緊應(yīng)力為1200公斤/厘米2求法蘭實(shí)際預(yù)緊系數(shù)式中 f0聯(lián)軸螺釘螺紋最弱斷面面積 聯(lián)軸螺釘最弱斷面直徑（厘米）因?yàn)?，且?，所以得到：（2）計(jì)算法蘭聯(lián)接接觸面寬度 大的預(yù)緊系數(shù)對(duì)應(yīng)大的法蘭接觸寬度x，采用試算法確定法蘭聯(lián)接接觸面寬度x，使與x對(duì)應(yīng)的法