ZZ560轴流式水轮机结构设计_毕业设计设计说明书.doc

2013 届热能与动力工程专业毕业设计（论文） 1 毕业设计（ 论文） 题 目 zz560 轴流式水轮机 结构设计 专 业 热能与动力工程 班 级 动 09*班 学 生 * * 指导教师 * 教授 2013 年 摘摘 要要 葛洲坝电站是我国代表性的低水头大流量、径流式水电站，兼具发电、 改善航道等综合效益。本次设计主要是通过查阅相关设计手册，对葛洲坝 电站型号为 zz560-lh-1130 的轴流转桨式水轮机结构进行设计，主要内容 包括水轮机总体结构设计、导水机构及其传动系统设计，水轮机部分零部 件，例如主轴，导叶等零件的设计。 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。 关键词关键词：葛洲坝水电站，轴流式水轮机，转轮设计，结构设计， 2013 届热能与动力工程专业毕业设计（论文） 3 abstract gezhouba dam power plant is chinas representative low head and largedischarge,runoff hydropower stations,power generation,wita comprehensive benefits improve navigation etc.this design is mainly through access to relevant design manual,design of the kaplan turbine structure of gezhouba dam power plant model for zz560-lh-1130,the main contents include design of water mechanism and its transmission system overall structure design of hydraulic turbine,guide,some parts of hydraulic turbine,such as the spindle,the design of guide vane and other parts. using the cad,the process of design is more convenient and the result is more accurate. key words: gezhouba hydropower station,kaplan turbine, station,runner,structural design. 2013 届热能与动力工程专业毕业设计（论文） 1 目目 录录 目 录 1 1 前言 1 1.1 概述 .1 1.2 设计内容 .2 1.3 原始资料 .2 2水轮机总体结构设计4 2.1 绘制轴面流道图4 2.2 座环设计 5 2.3 蜗壳 7 2.4 尾水管 7 2.5 活动导叶及导水机构装置零件 7 2.5.1 活动导叶翼型 .7 2.5.2 导叶结构系列尺寸和轴颈选择 .9 2.5.3 导叶的密封结构 10 2.5.4 导叶轴颈密封 12 2.5.5 导叶端面抗磨板 13 2.5.6 导叶止推装置 13 2.5.7 导叶套筒 14 2.5.8 导叶轴套 15 2.5.9 导叶臂 18 2.5.10 导水机构装配尺寸 .20 2.5.11 导叶传动机构 .21 2.5.12 连接板 .21 2.5.13 套筒23 2.5.14 叉头销 .23 2.5.15 叉头 .25 2.5.16 连接螺杆 .26 2.5.17 剪断销 .26 2.5.18 分半键 .27 2.5.19 端盖 .29 2 2.5.20 补偿环 .30 2.6 控制环 .31 2.6.1 控制环尺寸（总体） 32 2.6.2 控制环（大耳环处） 33 2.6.3 控制环（小耳环处） 33 3 主轴及其附属部分 34 3.1 主轴结构设计 .34 3.1.1 连轴螺栓 36 3.1.2 水导轴承 39 3.1.3 主轴密封 42 3.2 操作油管 .44 3.3 转轮部分 .45 3.3.1 叶片 45 3.3.2 转轮体 46 3.3.3 无操作架转桨机构.46 3.3.4 叶片密封装置 47 3.4 底环 .47 3.5 顶盖和支持盖 .48 3.6 真空破坏阀49 4 导水机构传动系统总设计.50 4.1 确定导叶开度 .50 5 总结 49 致 谢 .49 参考文献 54 2013 届热能与动力工程专业毕业设计（论文） 1 1 前前 言言 1.11.1 概述概述 我国资源绝对数量较大，而人均能源相对不足。仅为世界平均水平的 二分之一。能源和水资源是 21 世纪制约社会经济可持续发展的两大难题， 水资源是我国能源的重要组成部分，人均占有量为世界平均水平的 81%,是 我国能源的最大优势。随着国民经济的快速发展，能源供应已逐渐成为经 济社会发展的制约因素。石油储量不足，进口困难，而且价格一路攀升； 煤炭资源虽然相对丰富，但是产能不够，运力不够，矿难频发，污染严重。 能源安全形势十分严峻。随着世界化石能源资源的日益减少，这种能源紧 缺的局面将会越来越严峻，而解决这一矛盾的根本出路，恐怕就在于更多 的应用可再生能源。可再生能源最显著的优点就是它可以重复利用，源源 不断，但是，它也有最致命的弱点就是不能保存，如果你不开发利用，它 就要随着时间流逝。在这方面，风能、太阳能、生物质能等各种新型的可 再生能源的技术目前还不够十分成熟，开发成本和效率都还难以满足大规 模电网的需要。水电是目前唯一可以进行商业化大规模应用的可再生资源。 此外，水能可再生的特点决定，开发应用无穷无尽，而得不到开发，也不 能保存，其实际能源资源量就等于零。在我国当前的还有大量的水电资源 尚未开发的具体情况下，开发利用水电就是最大的节能，我们早一天、多 一点开发利用水电，必然就是把更多的不可再生资源留给后代的明智之举。 水轮机作为水电站的核心设备，其结构设计的合理性直接决定了电站 能否经济、高效、可靠、安全的运行。本次毕业设计通过查阅设计手册以 及参照已有设计电站等方法，对葛洲坝水电站 zz560 的水轮机作出了完整 的结构设计。旨在将大学期间对基础理论知识的学习应用到设计实践中去， 加深了我对水轮机结构的认识，弥补了在理论学习中的不足。通过本次毕 2 业设计，除了促进我将大学所学各专业知识相互贯通，锻炼了我的动手能 力，创新能力外，还使得我对水轮机结构设计这个行业上的一些新的科技 进展及基本设计过程有了一定的了解，另外，通过本次设计，我也认识到 自己本身存在的一些不足之处，希望自己在以后的工作学习过程中能积极 查漏补缺。 本次毕业设计所有出图皆为 cad 绘图所得，这不仅缩短了设计时间， 也让我更加熟练的掌握了 cad 绘图技术。 1.21.2 设计内容设计内容 （一）根据给定的葛洲坝水电站基本资料进行水轮机总体结构设计 1.根据给定的水轮机型号和转轮直径等基本参数，确定水轮机的主要 特征尺寸，对水轮机主要部件进行结构设计； 2.根据机组型式和电站基本条件设计主轴密封和水导轴承； 3.绘制水轮机总装配图及主要部件组装图或零件图。 （二）导水机构传动系统设计 1.根据机组的型式进行导水机构传动系统设计； 2.绘制导水机构装配图及导叶布置图； （三）对主要零件进行设计 1.设计活动导叶并绘制导叶零件图 2.设计主轴并绘制主轴零件图 1.31.3 原始资料原始资料 本次毕业设计基本参数如下： 单机容量：170mw 水轮机型号：zz560-lh-1130 2013 届热能与动力工程专业毕业设计（论文） 3 设计水头：18.6m 设计流量：1130m3/s 额定转速：54.6r/min 吸出高度：-7m 4 2 2 水轮机总体结构设计水轮机总体结构设计 2.12.1 绘制轴面流道图绘制轴面流道图 查阅水轮机设计手册得，型号为 zz560 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： d0 z0 d1 b0 r1 d2 d1 z1 d3 倒 db 倒 d1/2 r2 d5 h5 h4 r h3 h1 d4 图 2-1 zz560 流道尺寸 2013 届热能与动力工程专业毕业设计（论文） 5 表2-1 流道尺寸 参数符号真机数值（mm）参数符号真机数值（mm） d111300r27345 z16d24520 d013108d33955 z032d43955 b04520 d5118.65 db4520h12356 r12825h34520 2.22.2 座环设计座环设计 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。鉴于葛洲坝水电站水头较低，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，采用焊接形式； 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光洁度为 3.2，其余表面为 12.5； 3)固定导叶进口端节距误差不超过 0.0015da； 4)顶盖与底环把合面平行度误差不超过 0.025 毫米/米； 5)分瓣结构的合缝面光洁度为 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 6 不超过接合缝总长的 1/5） ，但不允许有突起。 根据转轮直径（11300mm）从水轮机设计手册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） db15936h1=b0+(10-20)4525 da19390r700 k100 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 2013 届热能与动力工程专业毕业设计（论文） 7 2.32.3 蜗壳蜗壳 蜗壳的作用是把水流均匀分布到转轮周围。当水头在 40 米以下时， 水轮机的蜗壳常用钢筋混凝土在现场浇注而成；水头高于 40 米时，则常 采用拼焊或整铸的金属蜗壳。由于葛洲坝水电站的设计水头为 18.7 米， 最低水头 8.3 米，最高水头 27m，故蜗壳的形式为混凝土梯形断面的蜗壳， 包角为 180，为防止水流冲刷及渗漏现象，在混凝土蜗壳和座环的连接 部位还加有钢板衬板。 2.42.4 尾水管尾水管 由于葛洲坝水电站工作水头较低，采用轴流转桨式水轮机，故其尾水 管是由混凝土浇筑而成的，但为了防止水流冲刷，在尾水管进口直锥段内 衬有钢板里衬，为保证转轮能高效安全运行，里衬厚度选为 60mm。 2.52.5 活动导叶及导水机构装置零件活动导叶及导水机构装置零件 2.5.12.5.1 活动导叶翼型活动导叶翼型 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。由水轮机设计手册中 137 页表8-5查得对称形导叶叶形的断面参数如下表： 8 表2-4 导叶翼型参数 参数符号数值(mm)参数符号数值(mm) d111300k11.4 d013092r89.6 z032r1267 a114.3r2242 b138.5r3544 c144.2l1340 d138.5l1649 e125.7l2691 d0217.1q30 m115.1t20 其符号所代表的意义见图 2-4: 图2-4 导叶翼型图 2013 届热能与动力工程专业毕业设计（论文） 9 2.5.22.5.2 导叶结构系列尺寸和轴颈选择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 =330mm，再根据db=330mm 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） db330hb360 da270hc515 d1340h135 dc300h2295 d2315h3120 dm70h425 d3m64h510 d478 h 参考 1569 d5298r1165 ha270r2135 10 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，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 0.15/1000。导叶过流表面型线要正确，制造中应用样板 检查。 2.5.3 导叶的密封结导叶的密封结构构 导叶关闭后，导叶体的立面应该有很好的密封。由于本机组属于大型 2013 届热能与动力工程专业毕业设计（论文） 11 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） a15 b16 c4 其中参数符号对应下图2-6中符号： 图2-6 导叶密封 12 2.5.42.5.4 导叶轴颈密导叶轴颈密封封 导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） db330h22 d33814.5 d132224.5 d2390r20.8 r53.5 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： 2013 届热能与动力工程专业毕业设计（论文） 13 表2-8 下轴颈密封 参数符号数值（mm） db330 d270 d10 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。对于葛洲坝水电站， 机组较大，可设两套水泵互为备用。 2.5.52.5.5 导叶端面抗磨板导叶端面抗磨板 由于水流冲刷及导叶转动过程中的摩擦，导叶端面位置容易磨损， 故而一般在此处加抗磨板。葛洲坝水电站工作水头较低，相应的，其承受 的水压低，而抗磨板价格昂贵，故可不设。 2.5.62.5.6 导叶止推装置导叶止推装置 对于水头较高的机组，应考虑导叶在水压作用下的上浮力，当上浮 力超过导叶的自重时，在套筒上必须装止推装置，以防止导叶向上抬起， 14 碰撞顶盖和影响连杆受力。葛洲坝水电站正常工作水头低，上浮力小，机 组自重大，不须再另设止推装置。 2.5.72.5.7 导叶套筒导叶套筒 导叶套筒是固定导叶上中轴套的部件，采用ht2140铸铁铸造。套筒 结构与主轴材质、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） db330d746 d1760d810 d2510h70 d3330h160 d4360h2330 d5370h3150 d6670z12 h 参考 1150 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=1150mm 2013 届热能与动力工程专业毕业设计（论文） 15 2.5.82.5.8 导叶轴套导叶轴套 导叶轴套目前已广泛采用具有自润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） dc300h150 d1300h110 d2330h214 d3329.61.2 d4370 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： 16 表2-11 中轴套尺寸 参数符号数值（mm）参数符号数值（mm） db330h330 d1330h160 d2360h210 d3359.6d510 d43701.2 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： 2013 届热能与动力工程专业毕业设计（论文） 17 表2-12 下轴套尺寸 参数符号数值（mm）参数符号数值（mm） da330h330 d1330h110 d23601.2 d3359.6 表中参数符号意义见图2-12： 图2-12 下轴套 2.5.92.5.9 导叶臂导叶臂 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 参数符号数值（mm）参数符号数值（mm） db330h350 18 dc300dl1295 d1430de70 d2480k11 d2370r140 dm70df12 d3m30t0.3 d439 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） dcn100dc13 r135h100 b380h1120 其中参数符号意义对应图2-13 ： 图2-13 导叶臂 2.5.102.5.10 导水机构装配尺寸导水机构装配尺寸 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 8-1 可得出按转轮系列尺寸编制的导水机构装配系列，下表 2013 届热能与动力工程专业毕业设计（论文） 19 2-15 是葛洲坝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) d111300dc9400 z032lh1356 d013092lp540 42lc1051 其中参数符号意义对应图2-37： 图2-37 导水机构装配 2013 届热能与动力工程专业毕业设计（论文） 20 2.5.112.5.11 导叶传动机构导叶传动机构 鉴于叉头传动机构受力情况好，因此对于葛洲坝这样的大型机组采用 比较多。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) 接力器行程 dc 900d2110d3/jd z032h80 d1m804h1100 dn100d/dc 导叶中轴颈 db 330 dcn90d4/dc4 分瓣键直径 dm 60d/gc 2.5.122.5.12 连接板连接板 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： 2013 届热能与动力工程专业毕业设计（论文） 21 表2-17 连接板尺寸 参数符号数值（mm）参数符号数值（mm） d1430dr2120 r1255h100 k0.03h1125 dcn100 d4l35 d2135d3l1=l2150 d1200c1.5 d2m30 其中参数符号意义对应图2-14： 图2-14 连接板 2013 届热能与动力工程专业毕业设计（论文） 22 2.5.132.5.13 套筒套筒 根据连接板d2=150，从水轮机设计手册上168 页的表833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） dn150dh165 d2165jdh115 d1172.5c3 其中参数符号意义对应图图 2-15： 图2-15 轴套 2.5.142.5.14 叉头销叉头销 根据套筒dn=150d，从水轮机设计手册上170页的表836查出剪 断销尺寸如下表2-19： 2013 届热能与动力工程专业毕业设计（论文） 23 表2-19 叉头销尺寸 参数符号数值（mm）参数符号数值（mm） dn150dch218 d150gbd132 d1142.5gbb6 d2148.5r3 d3136.5c6 h192d06 h169r3 h321 其中参数符号意义对应图2-16： 图2-16 叉头销 2013 届热能与动力工程专业毕业设计（论文） 24 2.5.152.5.15 叉头叉头 根据连接板dn=150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） d1m804l322 d2150l1202 d3142.5dr135 d4225r30 h315r115 h195c13 h160s48 其中参数符号意义对应图2-17： c1 d1 d4 r r1 l1 d3 c145 c145 d2 r s h1 h h 图2-17 叉头 2013 届热能与动力工程专业毕业设计（论文） 25 2.5.162.5.16 连接螺杆连接螺杆 根据连接板d1=m108从水轮机设计手册上168 页的表832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） d1m804b45 d2135b112 d3111r3 s120c4 l285 其中参数符号意义对应图2-18： (倒倒倒倒倒) l d1 b1 d2 b c45 d1倒倒倒 d3 l l s 图 2-18 连接螺杆 2.5.172.5.17 剪断销剪断销 根据连接板dcn=120mm，从水轮机设计手册上170页的表835查 出剪断销尺寸如下表2-22： 2013 届热能与动力工程专业毕业设计（论文） 26 表2-22 剪断销尺寸 参数符号数值（mm）参数符号 数值 （mm） dcn120dc4r2 d45h110 d2117h222 d3135h120 d4120l114 b9l263 b17 其中参数符号意义对应图2-19： h2 3 hl l d dcn d1 d4 h1b r b1 60 r1 倒倒倒r0.5 图 2-19 剪断销 2013 届热能与动力工程专业毕业设计（论文） 27 2.5.182.5.18 分半键分半键 根据上轴直径dc =300mm，从水轮机设计手册上169 页的表834 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） dc300b31.95 dm70k6 l295c2 b68b138.05 l1375h225 l2305h350 h10h412 其中参数符号意义对应图2-20： k l1 h h b b h4 cx45 h2h3 b1 倒倒1倒100 l dc dm 图2-20 分半键 2013 届热能与动力工程专业毕业设计（论文） 28 2.5.192.5.19 端盖端盖 根据轴颈db=330mm，从水轮机设计手册上171页的表837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） db330h142 d1580r150 d23081m42 d3100232 d472374 d5370d6170 h52 2013 届热能与动力工程专业毕业设计（论文） 29 其中参数符号意义对应图2-21： 2-21 端盖 2.5.202.5.20 补偿环补偿环 根据叉头销dc=100mm，从水轮机设计手册上172页的表838查出 2013 届热能与动力工程专业毕业设计（论文） 30 补偿环尺寸如下表2-25： 表2-25 补偿环尺寸 参数符号数值（mm） d150 d1168 h16 其中参数符号意义对应图2-22： 图2-22 补偿环 2.62.6 控制环控制环 控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 zg30 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： 2013 届热能与动力工程专业毕业设计（论文） 31 2.6.12.6.1 控制环尺寸（总体）控制环尺寸（总体） 表2-26 控制环尺寸（总体） 参数符号数值（mm）参数符号数值（mm） dc8648dy8872 z032s40 r20 其中参数符号意义对应图2-23： 图2-23 控制环（总体） 2013 届热能与动力工程专业毕业设计（论文） 32 2.6.22.6.2 控制环（大耳环处）控制环（大耳环处） 表2-27 控制环尺寸（大耳环处） 参数符号 数值 （mm） 参数符号数值（mm） d1300h1112 d2300h2360 d3550 其中参数符号意义对应图2-24： 图2-24 控制环（大耳环处） 2.6.32.6.3 控制环（小耳环处）控制环（小耳环处） 表2-28 控制环尺寸（大耳环处） 参数符号数值（mm） 2013 届热能与动力工程专业毕业设计（论文） 33 d2160d h1150 r165 其中参数符号意义对应图2-25： 表 2-25 控制环（小耳环处） 3 3 主轴及其附属部分主轴及其附属部分 3.13.1 主轴结构设计主轴结构设计 主轴是水轮机的关键部件之一，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 主轴法兰分开的结构。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： 2013 届热能与动力工程专业毕业设计（论文） 34 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） d1648d2255r125 d2666h290r130 db2143h1320r2400 dp1668l80r38 d22656l1110f2 d31700l212z20 d1446s600c16 d1445s 1660c120 db175a50c24 d1180m2 其符号所代表的意义如下图2-26所示: 2013 届热能与动力工程专业毕业设计（论文） 35 图2-26 主轴 （其中右边为水轮机端，左边为发电机端） 3.1.13.1.1 连轴螺栓连轴螺栓 连轴螺栓是将主轴与转轮连接起来的重要零件，它的性能直接影响到 水轮机的正常运转，该水轮机所选用材料为 zg20mnsi.根据主轴直径查的 连轴螺栓个数为 20 个，根据主轴的外径从水轮机设计手册316-317 页 的表 12-6，查的水轮机连轴螺栓尺寸入下表 2-30： 2013 届热能与动力工程专业毕业设计（论文） 36 表 2-30 连轴螺栓尺寸 参数符号数值（mm）参数符号数值（mm） 螺钉 m1704k214 db175m10 d255m132 h120c15 d1164c16 d2162l170 s240l270 d344l350 d4m30 d主轴 1700 d525l740 d632l660 d720l0370 r10l1160 2013 届热能与动力工程专业毕业设计（论文） 37 r16l3175 e35l5635 k114l5555 其符号所代表的意义如下图2-27所示: 2013 届热能与动力工程专业毕业设计（论文） 39 2013 届热能与动力工程专业毕业设计（论文） 40 图2-27 连轴螺栓 3.3.1.21.2 水导轴承水导轴承 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、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。葛洲坝水电站水质干净，有清洁水 2013 届热能与动力工程专业毕业设计（论文） 41 源，水质含悬浮物质不超过 0.1 克/升，选择分块瓦式轴承虽然转轮悬臂 大，但其仍有不可掩盖的优点。其结构如图 2-28： :图2-28 稀油润滑分块瓦式水导轴承 本次设计中，葛洲坝水电站nr=129000kw，n=54.6r/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： 2013 届热能与动力工程专业毕业设计（论文） 42 表2-31 水导轴承 参数符号数值参数符号数值 n（千瓦） 100000 瓦宽b（毫米） 520 n（转/分） 88.2 瓦数 10 轴颈直径 （毫米） 1500b/l0.8 轴颈直径de （毫米） 1800 轴瓦单边间隙 （毫米） 0.25 瓦高l（毫米） 650 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，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2-29： 2013 届热能与动力工程专业毕业设计（论文） 43 图2-29 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，瓦面光洁度8，瓦背面支顶垫板与背面贴紧不许有 间隙，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。 3.1.33.1.3 主轴密封主轴密封 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。 2013 届热能与动力工程专业毕业设计（论文） 44 另一种是机组停机检修轴承和轴承下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2-31： 图2-30水压式主轴密封 图2-31 空气围带 2013 届热能与动力工程专业毕业设计（论文） 45 3.23.2 操作油管操作油管 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，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，本次葛洲坝水电站操作油管水轮机段得结构如图 2-32 所示： 图 3-32 操作油管结构图 2013 届热能与动力工程专业毕业设计（论文） 46 3.33.3 转轮部分转轮部分 3.3.13.3.1 叶片叶片 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。 3.3.23.3.2 转轮体转轮体 转轮体外表面是过流通道的一部分，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，采用直接 连接。 图 2-33 葛洲坝水电站转轮结构图 3.3.33.3.3 无操作架转桨机构无操作架转桨机构 为了减轻转轮重量和加工工时，在国内不少的转桨机构中取消操作架 和活塞杆，而采用活塞或接力器缸代替了操作架结构我国东方电机厂为葛 洲坝水电站制造了当今最大尺寸的轴流转桨水轮机，采用了接力器安置在 2013 届热能与动力工程专业毕业设计（论文） 47 泄水锥内的缸动式结构。其具体结构如图所示： 3.3.43.3.4 叶片密封装置叶片密封装置 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。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。 3.43.4 底环底环 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 2013 届热能与动力工程专业毕业设计（论文） 48 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 2-37： 图2-37 水轮机底环 3.53.5 顶盖和支持盖顶盖和支持盖 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 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。葛洲坝水电站水轮机的顶盖最大直径为 16.5 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 2-38 所示： 2013 届热能与动力工程专业毕业设计（论文） 49 图2-38 焊接顶盖 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。支持盖见 2-39： 图2-39 支持盖 3.63.6 真空破坏阀真空破坏阀 当导水机构紧急关闭时，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。葛洲坝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。 2013 届热能与动力工程专业毕业设计（论文） 50 图2-38 真空破坏阀 4 4 导水机构传动系统总设计导水机构传动系统总设计 4.14.1 确定导叶开度确定导叶开度 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 11300mm； 设计水头：h r 18.7m； 设计流量：q r 1130m3/s； 额定转速： n r =54.6r/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： min)/(68.142 7 . 18 3 . 11 6 . 54 1 1 r h dn n r r r )/( 3 . 6787)/(7873 . 6 7 . 18 3 . 11 1130 3 22 1 1 slsm hd q q r r r 根据查zz560的模型综合特性曲线得模型得最大开度： 1 , 1 , rr qn )(42 )max(0 mma m 由： z0m=32，z0 =32，d0 = 13092(mm )，d0m =1108.6(mm ) 换算成真机的最大开度值为： )(744 24 32 6 .1108 13092 42 0 0 )max(0max0 mm z z d d aa o om m m 计算真机的最大可能开度： 2013 届热能与动力工程专业毕业设计（论文） 51 )( 2 .78174405 . 1 05 . 1 max0 mmaa 最大可能 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 ，根据设计水头hr下的单位转速54.6(r/min) 1查模型特性曲线得： 1r n )(36 )( mma moy 所以真机得最优开度为： )(638 24 32 6 . 1108 13092 36 0 )( mm z z d d aa o om om moyoy 2013 届热能与动力工程专业毕业设计（论文） 52 5 5 总结总结 本次设计首先是水轮机总体结构的设计。而后又对其中的主要零件进 行优化设计。绘制出了总装配图，导水机构装配图，导叶布置图，主轴零 件图,导叶零件图。 毕业设计要求结合平时所学的相关专业知识，对大学期间所学知识进 行系统总结，所以此设计可看做对大学所学知识的一个综合利用。通过本 次毕设，熟悉水轮机选型设计的过程，加深对水轮机结构的认识，熟悉各 部件的作用并掌握通过现有资料进行水轮机总体结构设计的方法，同时将 所学知识融入到实际的工程中，也对实际的工程有一个比较全面的认识。 在本次毕业设计过程中，我收获了很多，学到了很多。总结下来大致有以 下几个方面： 1、对整个水轮机结构有了更深刻的认识和了解。以前在课堂上学习 时只是对各零部件有个初步的认识，但这远远不够。由于采用 cad 制图， 作图的精度和准确性有了更高的要求，每个零件只有在