水電站輪機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析報告

1、專業(yè)文檔水電站輪機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析報告這次畢業(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，通過查閱相關(guān)的設(shè)計(jì)手冊， 對水輪機(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)傳動系統(tǒng)。最后一部分則是根據(jù)設(shè)計(jì)手冊上推薦的方法對主 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

2、設(shè)計(jì)采用了計(jì)算機(jī)繪圖，因此使得設(shè)計(jì)過程變得簡單快捷。第1章前言1.1概述.1.2設(shè)計(jì)內(nèi)容1.3原始資料第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2.2導(dǎo)葉高度及分布圓直徑.2.3座環(huán)高度2.4主軸直徑2.5主要部件的結(jié)構(gòu)2.5.1轉(zhuǎn)輪2.5.2接力器2.5.3導(dǎo)葉2.5.4座環(huán).2.5.5頂蓋與支持蓋.2.5.6底環(huán).2.5.7主軸2.5.8主軸密封.2.5.9水導(dǎo)軸承.2.5.10控制環(huán)2.6葉片操作系統(tǒng).2.6.1帶操作架的直連桿機(jī)構(gòu)2.6.2不帶操作架的直連桿機(jī)構(gòu)2.6.3帶操作架的斜連桿機(jī)構(gòu)第3章導(dǎo)水機(jī)構(gòu)運(yùn)動系統(tǒng)的設(shè)計(jì).101820211923252931313232343.1導(dǎo)葉

3、開度343.2導(dǎo)水機(jī)構(gòu)傳動系統(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：.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5256附錄1:導(dǎo)葉校核程序56附錄2:導(dǎo)葉部分?jǐn)嗝鎻?fù)核程序61附錄3:程序中各符號所代表的意義65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，水力資源的開發(fā)幾乎達(dá)到了百 分百。而水電站作為

4、水能開發(fā)的主要手段，它能否經(jīng)濟(jì)、高效的運(yùn)行對水能的 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蘭州市以東中心河道距離 65km處，是一個以發(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，機(jī)組全為軸流 轉(zhuǎn)槳式。本次設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容是針對大峽水電站的具體情況對其水輪機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn) 行設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)中不僅對其總體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)， 還特別對水輪機(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，除了查閱手冊外，還查閱了一些國內(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)

5、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)型號和轉(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)型號和轉(zhuǎn)輪直徑等參數(shù)，確定水輪機(jī)的主要特征尺寸, 對水輪機(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)

6、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: 單機(jī)容量： 水輪機(jī)型號： 設(shè)計(jì)水頭： 設(shè)計(jì)流量： 額定轉(zhuǎn)速： 吸出高度： 安裝高程：77.3MWZZF23-LH-70023(m)369.688.2-5.5(m3 3 S)(rpm)(m1444.7(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)符號數(shù)值（mm）參數(shù)符號數(shù)值（mm）Di7000R26636Zi5d23269Do8100d33045Zo

7、24d43045bo2800h11715dB3150h2861Ri1652h32086其符號所代表的意義見下圖1：表2轉(zhuǎn)輪室的尺寸參數(shù)符號數(shù)值（mm）計(jì)算參數(shù)數(shù)值（mm）R1525h21491R2861h36965R31834h4728R46608D26608R （球）3500D49100h11715a110其符號所代表的意義見下圖2：D0 Zo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0°50°。由于本機(jī)組屬于高比轉(zhuǎn)

8、速 軸流式水輪機(jī)，所以導(dǎo)葉選擇對稱型翼形，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)符號數(shù)值（mm）參數(shù)符號數(shù)值（mm）Db9250Hi=b0+302830Da107505300k100Y31.50R600其符號所代表的意義見下圖3:圖3座環(huán),.1鼻£2.4 主軸直徑主軸的外尺寸可以根據(jù)機(jī)組的扭力矩初選，扭力矩按以下公式計(jì)算:NM = 97400（公斤厘米）n式中：N 代表主軸傳遞的功率（千瓦） 代表主軸轉(zhuǎn)速（轉(zhuǎn)/分）由原始資料得：N=77.3MW=77.：3 103KWn=88.2r/min3所以,M =974OON =9740077空型=8.54X1O7（公斤厘米）n88

9、.2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)手冊上的公式計(jì)算：d* 一Vnmax式中：D主軸外徑（厘米）主軸傳遞的功率（千瓦） 主軸轉(zhuǎn)速（轉(zhuǎn)/分）T max最大許用應(yīng)力（公斤/厘米2） 初選主軸的材料為ZG20MnSi其t 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：d #204 _496102x77.3>d03x12088.2x550= 1029（厘米）但為了保證主軸有足夠的剛強(qiáng)度,800mm?？蓪⒅鬏S內(nèi)徑按標(biāo)準(zhǔn)直徑系列取為2.5主要部件的結(jié)構(gòu)2.5.1轉(zhuǎn)輪葉片操作機(jī)構(gòu)、葉片

10、等組成。軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)的轉(zhuǎn)輪由轉(zhuǎn)輪體、（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 ZG20 Mn Si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，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

11、結(jié) 構(gòu)。在后面會專門有葉片操作機(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。專業(yè)文檔表4活塞桿的尺寸參數(shù)符號數(shù)值（mm）參數(shù)符號數(shù)值（mm）di245d148D250h168-0.1d2X t 260 X 6h236dsX t3159 X 6h325d475h412Z3h535d5180h685d6210h710d758b52d82”R6d962k3di0135k12diiM1258di2140S=S 148di334S220其符號所代表的意義如下圖4和圖5:iri glliF11專業(yè)文檔rillHI .、 '

12、- 、圖5油管連接法蘭1JzI十L mf 1hA-、上一I 1:jen'T*廠-2圖6活塞環(huán)表5活塞尺寸參數(shù)符號數(shù)值(mm)dp2322H485Hl353其符號所代表的意義見圖6。(4) 葉片密封葉片密封采用“入”型密封，因其結(jié)構(gòu)簡單，裝拆方便。其尺寸如下表所示:表6“入”型密封尺寸參數(shù)符號數(shù)值(mm)參數(shù)符號數(shù)值(mm)D1061+1d9C21000+0.13e44+0.2D31030f2a11.5R3b10內(nèi)圓緊量1.87 2.1c12.5外圓緊量0.8 2(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

13、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Ph =25公斤/厘米2。接力器直徑de =NDi IH maxbo / DiPH式中：Di轉(zhuǎn)輪直徑H max最高水頭bo/Di 導(dǎo)葉相對高度 Ph 調(diào)速系統(tǒng)的額定油壓入一一計(jì)算系數(shù)從水輪機(jī)設(shè)計(jì)手冊中的表查得入=0.15，PH =25公斤/厘米2，Hmax=31.4m,b0 / D1 =0.4丿31 4X04dc=0仞7 彳一25-"744（米）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)符號數(shù)值（mm）參數(shù)符號數(shù)值（mm）dc750乙8d19

14、0d3M24di190d4M190X 311450dd30021340H550Z216K420d2© 52S0.5-0.753220dc375-562.52.5.3導(dǎo)葉導(dǎo)葉的材料采用ZG14Cr5CL鑄造，該材料適用于制造水輪機(jī)導(dǎo)葉，其強(qiáng)度極限為（T > 570兆帕。（1）葉形圓柱式導(dǎo)水機(jī)構(gòu)的導(dǎo)葉葉形，通常有對稱形和非對稱形（正曲率）兩種標(biāo) 準(zhǔn)葉形。由于對稱形導(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)中采用對稱形的葉形。由水輪機(jī)設(shè)計(jì)手冊中查得對稱形導(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)符號數(shù)值（mm）參數(shù)符號數(shù)值（mm）D7000r80.6D

15、08100R1271Zo24Ra214a102.9R487b124.7f112c129.9L1584d124.7L2622e113.1L1206do195.4q25m103.5t15k10.3其符號所代表的意義見圖 &圖8導(dǎo)葉葉形斷面（2）導(dǎo)葉的結(jié)構(gòu)系列尺寸和軸頸選擇導(dǎo)葉的軸頸可按機(jī)組的轉(zhuǎn)輪直徑 D,使用水頭H （指最高水頭），導(dǎo)葉的相對高度bo/Di，從手冊中初選軸頸db,選得db =230（mr）再根據(jù)db=230mm專業(yè)文檔從手冊中查得導(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)符號數(shù)值（mm）參數(shù)符號數(shù)值（mm）db230hB260da190hc385di240hi25dc

16、210h2225d2220h390dm60h420d3M48h58d458H參考1172d5208.5Ri115hA190Ra95其符號所代表的意義見下圖9：d5R1 1h3（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，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)制造簡單，但只 適用于40米水頭以下的機(jī)組，因?yàn)樗^太高會把圓橡皮條沖掉。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)符號數(shù)值（mm）d16a12b12.7c3其符號所代表的意義如下圖10所示:44圖1

17、0導(dǎo)葉的密封結(jié)構(gòu)專業(yè)文檔（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 HT21 40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小如下表：表11導(dǎo)葉套筒尺寸參數(shù)符號數(shù)值（mm）參數(shù)符號數(shù)值（mm）db230d9385d1560d10M24d2365h52d3230h140d4250h2230d5260h3105d6480Z8d740H參考840d88其符號所代表的意義如下圖11所示:06（5）導(dǎo)葉軸頸密封及其軸套導(dǎo)葉軸頸密封多數(shù)裝在

18、導(dǎo)葉套筒的下端，目前不少機(jī)組中已改用“L”型密封，實(shí)踐證明，封水性能很好，結(jié)構(gòu)簡單。其尺寸大小如下表:表12“ L” 型密封尺寸參數(shù)符號數(shù)值（mm）參數(shù)符號數(shù)值（mm）db23018237d1d2223 280其符號所代表的意義如下圖12：d22圖12 “L” 型密封下軸頸密封一般導(dǎo)葉下軸頸的密封主要是防止泥沙進(jìn)入，發(fā)生軸頸磨損。 采用“O'型橡皮圈密封結(jié)構(gòu)，其尺寸大小如下表：表13“0”型密封圈尺寸參數(shù)符號數(shù)值（mm）db230D190d10其符號所代表的意義如下圖13所示:圖13 “0”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， 加注黃油潤滑。目前已廣泛采用具有自潤滑

19、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。本次設(shè)計(jì)中采用復(fù)合軸套，即采用HT18-38作套，內(nèi)表面涂復(fù)尼龍1010制成復(fù)合軸套S '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)符號數(shù)值（mm）參數(shù)符號數(shù)值（mm）dc210h105d1210h18d2230h212d3229.65，1d4270其符號所代表意義如下圖14所示:專業(yè)文檔d4trd1d2d3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)符號數(shù)值（mm）參數(shù)符號數(shù)值（mm）db230h230d1230h140d2250h28d3249.

20、6d58d4260A，1其符號所代表的意義如下圖15所示:d31圖15中軸套專業(yè)文檔c）下軸套尺寸系列如表16所示:表16下軸套尺寸參數(shù)符號數(shù)值（mm）參數(shù)符號數(shù)值（mm）da190h190d1190h18d22105，1d3209.6其符號所代表的意義如下圖16所示:d2d1d3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， 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，還需對制造質(zhì)量提出如下要求：a）所有過流表面打磨光滑，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 0.0015D

21、a；C）頂蓋與底環(huán)把合面平行度誤差不超過 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,長度不超過接合縫總長的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。支持蓋和頂蓋見下圖：專業(yè)文檔+T、/頂蓋8頂蓋=附2 % “鼻iW- ；1、；->圖19支支持蓋2.5.6底環(huán)底環(huán)是一個扁平的環(huán)形部件，固定于座環(huán)上，設(shè)計(jì)時主要考慮剛度，不作18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)對象所處的流域?qū)儆诙?泥

22、沙河流，故在底環(huán)的過流表面應(yīng)鋪設(shè)抗磨板。本次設(shè)計(jì)中的抗磨板采用 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:ilLJ2.5.7主車由（1）主軸主軸是水輪機(jī)的主要部件，它的毛坯采用 ZG20 MnS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)符號數(shù)值（mm）參數(shù)符號數(shù)值（mm）參數(shù)符號數(shù)值（mm）D1200d2188R12061830h240R30Db1575h127

23、0R>350DP1220l60R5D21815l 185f2C31300l 212Z20d1100s300c16d，1100S1360C120db125a35C24di130m2其符號所代表的意義如下圖21所示:專業(yè)文檔I圖21主軸端機(jī)輪水-出/;rDoDP：DDoh15、.專業(yè)文檔（2）聯(lián)軸螺釘?shù)某叽纾海ǜ鶕?jù)主軸的外徑選?。┍?8聯(lián)軸螺釘參數(shù)符號數(shù)值（mm）參數(shù)符號數(shù)值（mm）螺釘M120X 415455l600db1251,545D185lo300h85l1120d1114I2130d2112I5510s160其符號所代表的意義見下圖22：Ci X 45:iBL0-5-2.5.8主軸

24、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,其所采用的圍帶的剖面尺寸見下圖24:排水壓力水i17喙pgmiIL2.5.9水導(dǎo)軸承水輪機(jī)導(dǎo)軸承型式很多，

25、目前比較常用的有水潤滑的橡膠軸承 ；稀油潤滑 帶有轉(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(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。 干油潤滑軸承國內(nèi)運(yùn)用不多?？紤]到 本電站的水質(zhì)不干凈、含沙量大，清潔水源少，所以采用了稀油潤滑筒式軸承。tLA .r-'、JT'11-yL-J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= (6001200)毫米，參照水輪機(jī)設(shè)計(jì)手冊中的表 131

26、4最終取L = 750mm。(2) 油槽升角P模型試驗(yàn)的資料表明，油槽升角P對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50°700,實(shí)踐表明上油效果很好。在體外冷卻的方式中， 采用P = 500，所以本次設(shè)計(jì)中取P = 500。專業(yè)文檔牡/亠圖26油槽升角（3）油槽截面尺寸和槽數(shù)為了減少潤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 分的潤滑油，形成油膜，故采用下圖 27所示的油槽形狀。表19油槽截面尺寸參數(shù)符號數(shù)值（mm）參數(shù)符號數(shù)值（mm）a7Ri1b25R22.5c15Z8E2（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的縱向和環(huán)形槽，以保證合

27、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 導(dǎo)致瓦面受熱后相對變形增大，影響軸承間隙，增加磨損。目前設(shè)計(jì)中一般取5= a + （4 6）毫米=13（毫米）S 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)符號數(shù)值（mm）參數(shù)符號數(shù)值（mm）13H40h4Z20Li30Z14L2142.5R5li14c4I250其符號所代表的意義見下圖28:CX45°按中心線Z等分X-:LDP圖28合金澆注槽專業(yè)文檔(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:6= 0.10

28、：2Dp（毫米）1000式中Dp主軸直徑6= 0.15 + °."12°° =0.39（毫米）1000(6)冷卻方式與冷卻裝置的確定稀油潤滑筒式軸承一般都裝有冷卻裝置，在本次設(shè)計(jì)中選用了體外冷卻的 方式。這種冷卻方式目前米用較多，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 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(jī)組上，擋油箱采用鋼 板焊接，

29、把合在軸承體上。(7)確定稀油潤滑筒式軸承的尺寸查水輪機(jī)設(shè)計(jì)手冊確定稀油潤滑筒式軸承的尺寸如下表21所示:表21稀油潤滑筒式軸承尺寸參數(shù)符號數(shù)值(mm)參數(shù)符號數(shù)值(mm)Dp1220t5L750E2Da1850F80Db1900t112Dd1450Z032h420d0M42H950Z268b50d2M4250.4其符號所代表的意義如下圖29所示：e/2;一廠勿IJL 加LlDdDbt1邂MSPDaZ一亠 d0 Z02圖29稀油潤滑筒式軸承2.5.10控制環(huán)控制環(huán)是傳遞接力器作用力，并通過傳動機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動導(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)

30、尺寸見下表22:表22控制環(huán)尺寸參數(shù)符號數(shù)值（mm）參數(shù)符號數(shù)值（mm）Dc5600R18Zo24S35Dy5750表23 大耳環(huán)處尺寸參數(shù)符號數(shù)值（mm）參數(shù)符號數(shù)值（mm）d1190h170d2185h2220d3380其符號所代表的意義如下圖31所示:圖31大耳環(huán)處尺寸表24小耳環(huán)處的尺寸:參數(shù)符號數(shù)值（mm）d2110Dhi100R110其符號所代表的意義如下圖32所示 -7-1-八/?八XZZZ<x/；/乞J .” M f 小322.6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的直連桿機(jī)構(gòu)； 一種是不

31、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，轉(zhuǎn)臂水平，連桿垂直，動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)動簡圖如下圖33:-0 maxt-f

32、圖33運(yùn)動簡圖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。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。(2) 活塞上下運(yùn)動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)動簡圖見槳葉操作系統(tǒng)原理圖。本次設(shè)計(jì)中采用的槳葉操5個葉片的大型機(jī)組，且采用這種符合現(xiàn)代轉(zhuǎn)槳式轉(zhuǎn)輪的發(fā)展要作系統(tǒng)正是這種結(jié)構(gòu)，因?yàn)樵O(shè)計(jì)的對象是有 結(jié)構(gòu)可以減少維修的工作量和轉(zhuǎn)輪體的重量, 求。263帶操作架的斜連桿機(jī)構(gòu)其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)如下:這種結(jié)構(gòu)多采用于葉片數(shù)較多的轉(zhuǎn)輪中

33、，(1) 葉片轉(zhuǎn)角在中間位置時，轉(zhuǎn)臂與連桿都有較大的傾斜角，運(yùn)動中操作架 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)動簡圖如下圖34：圖34運(yùn)動簡圖在轉(zhuǎn)槳式轉(zhuǎn)輪設(shè)計(jì)應(yīng)力求減少輪轂比， 即縮小轉(zhuǎn)輪體的相對尺寸，同時減 少轉(zhuǎn)輪的重量。本次設(shè)計(jì)對葉片操作系統(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、轉(zhuǎn)輪直徑，確定最大可能開度所要求的接力器行程,從而確定傳動系統(tǒng)的參數(shù)。原始資料:水輪機(jī)型號：ZZ(F23) LH 700轉(zhuǎn)輪直

34、徑:D1 = 7000mm設(shè)計(jì)水頭:設(shè)計(jì)流量:H r = 23m3Qr = 369.6m /snr =88.2r/min所以額定工況時的單位轉(zhuǎn)速和單位流量分別為:額定轉(zhuǎn)速:nirnr D18827= =128.7(r/min)Jhr723369 63Q'1r= 廣 = 4二 =1.57( m3/s)=1570(l/s) D1 jHr 72xJ23Qr根據(jù)n'ir ,Q'ir查ZZF23LH 7000的模型綜合特性曲線得模型得最大開度:a0max(M)=31(mm)因?yàn)椋篫oM =24 Zo =24 Do =81 00mm) Dom =407(mm)所以換算成真機(jī)的最大開

35、口值為:Do8100a0m八a0max(M)D7=3仔石=617(mm)真機(jī)的最大可能開度為:a 最大可能=1.O5aomax =1.05咒617 =647.9(mm)取設(shè)計(jì)水頭下的單位轉(zhuǎn)速與最優(yōu)效率點(diǎn)對應(yīng)的開口值為最優(yōu)開口aoy，根據(jù)設(shè)計(jì)水頭Hr下的單位轉(zhuǎn)速n'ir =128.7(r/min)查模型特性曲線得:a0y(M)=24(mm)所以真機(jī)得最優(yōu)開口為:Do8100aoy =a0y(M) =24x =4 7 76(mm)Dom4073.2導(dǎo)水機(jī)構(gòu)傳動系統(tǒng)的設(shè)計(jì)3.2.1導(dǎo)水機(jī)構(gòu)的裝配尺寸:X.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

36、數(shù)符號數(shù)值(mm)參數(shù)符號數(shù)值(mm)Do8100Lh1033Zo24Ip47042ole727De5600Dy57503.2.2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，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1/4的范圍內(nèi)有不大于0.15毫米的局部間隙。還應(yīng)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，即要考慮頂蓋剛度對導(dǎo)葉端面間隙的影響， 考慮導(dǎo)葉在水壓力作用下可能向

37、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，對于本機(jī)組來說，一般局部間隙 不應(yīng)大于0.15mm,間隙深度不應(yīng)大于測量方向的1/3,長度不超過合縫面總 長的20%。323.導(dǎo)水機(jī)構(gòu)的傳動部分。由于叉頭傳動機(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)中采用了叉頭傳動機(jī)構(gòu)。叉頭傳動機(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。叉頭傳動機(jī)構(gòu)的各個部件的尺 寸主要根據(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 傳動機(jī)構(gòu)的裝配尺寸如下表26所示。表26叉頭傳動機(jī)構(gòu)裝配尺寸參數(shù)符號數(shù)值（mm）參數(shù)符號數(shù)值（mm）d

38、e750den80D4/de4Zo24d2110D3/jddiM80 X 4h80dn100D/dehi100然后根據(jù)叉頭傳動機(jī)構(gòu)裝配尺寸查出傳動機(jī)構(gòu)的各個零件尺寸。叉頭傳動機(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:HlDf 1X45°Ci X45°© iD2ZX45。20°d4k'dmR圖36導(dǎo)葉臂其符號所代表的尺寸大小如下表27:表27導(dǎo)葉臂尺寸參數(shù)符號數(shù)值（mm）參數(shù)符號數(shù)值（mm）db230H270-0.5Dc210DL1225Di310dh125D2340h345D3310e60D4340K10d2260R130dm60Df12d

39、3M24T0.3d432表28導(dǎo)葉臂銷孔尺寸參數(shù)符號數(shù)值（mm）參數(shù)符號數(shù)值（mm）dcn80DC12R110h80B300h1100（2）連接板的結(jié)構(gòu)如下:2X45°D1X45°0X45°cX45°DCn CX45表29連接板的結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)符號數(shù)值（mm）參數(shù)符號數(shù)值（mm）Di310DR290Ri190h80K0.03h1100D cn8OD4l30D2110D3I1 =12120di150c1.5d2M24（3）叉頭的結(jié)構(gòu)如下圖:d4圖38叉頭11叉頭尺寸如下表30：表30 叉頭尺寸參數(shù)符號數(shù)值（mm）參數(shù)符號數(shù)值（mm）d1M80 X 4L215

40、d2100DL1135d395DR90d4145r20H210r110h30C12h140s32（4）連接螺桿的結(jié)構(gòu)見下圖:L（設(shè)計(jì)時確定）連接螺桿的尺寸大小如下表圖39連接螺桿31:表31連接螺桿的尺寸參數(shù)符號數(shù)值（mm）參數(shù)符號數(shù)值（mm）diM80 X 4b30d290bi8d374r2s80c3l190（5）軸套的結(jié)構(gòu)見下圖:diCX 45°1CX 45°圖40軸套其尺寸大小如下表32所示:表32 軸套尺寸參數(shù)符號數(shù)值（mm）參數(shù)符號數(shù)值（mm）dn100D110d2110jdhi10di115（6）分半鍵的結(jié)構(gòu)見下圖:BTh4'NCX45°/b1

41、、斜度1： 100圖41分半鍵上述分半鍵的型式是水輪機(jī)設(shè)計(jì)手冊推薦使用的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)符號數(shù)值（mm）參數(shù)符號數(shù)值（mm）dc210b27.7dm60K5L225c1.5B58b132.9l1285h225I2230h340h10h410(7) 剪斷銷的結(jié)構(gòu)如下:d3倒圓角R0.5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)符號數(shù)值(mm)參數(shù)符號數(shù)值(mm)D cn80dc4r1.5d30hi6.5d279h215d390h80d480l76b6L175bi5(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:

42、表35叉頭銷的尺寸參數(shù)符號數(shù)值（mm）參數(shù)符號數(shù)值（mm）dnlOOdch212dlOOgbD88di95gbb4.5d299R2d391c4h128do4hi46r2H214（9）端蓋的結(jié)構(gòu)如下圖所示:d311d4 _ 1'11hlrd2 JJ11d11均布3- ©2- © 1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)符號數(shù)值（mm）參數(shù)符號數(shù)值（mm）db230h138d1370R105d22121M36d390226d4d5h52260483d664130(10) 補(bǔ)償環(huán)的結(jié)構(gòu)見下圖:diih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

43、尺寸參數(shù)符號數(shù)值(mm)110di125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:N （千瓦）主軸傳遞的最大功率:nH （轉(zhuǎn)/分）np （轉(zhuǎn)/分）水輪機(jī)的正常轉(zhuǎn)速:水輪機(jī)的飛逸轉(zhuǎn)速:軸向水推力:轉(zhuǎn)輪重量:軸自重:Pz （公斤）Gl（公斤）Gz（公斤）總軸向力:軸身外徑:P = Pz +Gl +Gz （公斤）D（厘米）D0（厘米）Df （厘米）Db（厘米）軸身內(nèi)徑: 軸法蘭直徑: 聯(lián)軸螺釘分布圓直徑:法蘭厚度:聯(lián)軸螺釘數(shù):hi （厘米） z （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ZG20 MnSi,查水輪機(jī)設(shè)計(jì)手冊可得該軸身的許用 應(yīng)力：T = 500 （公斤/厘

44、米2）, （T np=1000 （公斤/厘米2）。主軸傳遞的扭矩：37731037M k = 97400 咒 = 8.54 心088.2（公斤厘米）水輪機(jī)的軸向水推力為:Pzmax =0.87x314x72 x31.4x104 =1.05x107(N)44軸身抗扭斷面模數(shù):Wz=荀詩43.14>d203=2.72105(厘米3)扭應(yīng)力: 丁 Wr=H黑卜313（公斤/厘米2500（公斤/厘米2） 轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪總量的估算:Gl =1.4dBHmaxD12.6 =1.4咒 0.45咒31.40.1 x72.6 =133.8(噸)主軸總量:GZ =(0.4 0.6)Gl取 Gz =0.5G

45、l =0.5x133.8 =66.9（噸）則水輪機(jī)總的軸向力：P =Pz +Gl +Gz =Pz +9.81X103 x(Gz +Gl)P = 1.05X107 +9.81X103 x(133.8+66.9) =1.25咒 107(N)即P = 1.25心06（公斤）軸身斷面面積：Fz =M(D2 D。2) =-(1202 802) =6280(厘米 2)44軸身應(yīng)力 扭應(yīng)力:仁皿=8.54勺05 =313（公斤/厘米2）蟲50（公斤/厘米2）W2.72 勺05 由軸向力引起的軸身拉應(yīng)力為:4x1.25007bb V=話盤5=3.4爲(wèi)湍r199°4（牛/厘米2"19（公斤/厘米2） 則軸的相當(dāng)應(yīng)力為:crnP =Jcrb2 +4T2 =J1992 +4 X3132 =656.9（公斤 /厘米 2 1000（公斤 /厘米 2）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。1p4.1.3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