水轮机选型与结构设计

1、2012届热能与动力工程专业毕业设计 毕业设计（论文） 题 目 水轮机 选型与结构设计 专 业 热能与动力工程 班 级 学 生 指导教师 2013 年iii摘 要 水轮机作为水力原动机，是水力发电机组能量转换的核心部件。水轮机参数选择的先进性和合理性，结构设计的可靠性和适用性对水轮发电机组的安全稳定运行乃至整个电力系统的生产和安全具有非常重要的意义。有必要加强转轮选型设计和水轮机结构设计方面的研究，进一步提高机组的性能和质量。本文根据山美电站的工程概况和相关参数，做了如下工作：（1）选择合适的水轮机机型。根据所给的电站原始资料和模型综合特性曲线，利用相关公式计算出原型水轮机的主要相关参数，然后

2、将所选参数转换为单位转速，在模型综合特性曲线上检验所选参数是否合适，并绘制水轮机综合运转特性曲线。（2）进行水轮机的结构设计。通过分析水轮机各零部件的作用和结构特点，寻找各零部件的特征尺寸以及各尺寸的关联关系，参照水轮机设计手册等现有资料，运用auto-cad绘图软件，对山美电站的水轮机结构进行设计。设计内容主要包括：埋入部件：座环、基础环、尾水管、蜗壳；导水机构以及顶盖、底环；转动部件：转轮的结构、主轴，并对主轴进行强度校核；其他部件：主轴密封、水导轴承、真空破坏阀和补气装置。设计中优先采用先进结构、新型材料，综合考虑安全性、制造工艺以及安装、维护检修各方面因素。关键词：山美水电站，混流式水

3、轮机，结构设计，强度校核abstract as a hydraulic prime mover, the turbine is the core components of energy conversion part among the hydro electric generating set. the advancement and rationality of turbine parameters selection as well as the reliability and applicability of the structure design possess great si

4、gnificance to the safe and stable operation of the hydroelectric generating set, even to the production and safety of the whole power system. it is necessary to further the study on the runner type-selection design and the structure design of turbine, thus improving the performance and quality of th

5、e set. according to the project profiles and associated parameters of shanmei hydropower station, this thesis completed the following tasks: 1. selecting appropriate model of turbine. based on the original materials and model synthetic characteristics curve provided by the plant, the paper calculate

6、d the main relative parameters of the model turbine with associated formula, and then transformed the parameters into the unit rotation speed to test the applicability on the synthetic characteristics curve, as well as drew a synthetic running features curve of the turbine. 2. designing the structur

7、e of the turbine. the design of the turbine in shanmei plant was completed by several steps as follows: analyze the function and structural features of all parts of the turbine, and ascertain the characteristic size of all parts and figure out their relation; then refer to the instruction of the mat

8、erials like design manual and use the auto-cad software to finish the design. the contents of the design mainly includes: 1. embedded parts: socket ring, foundation ring, draft tube and volute; 2. water distributor, coping and base ring; 3. rotatable parts: runners structure, principle axis and its

9、strength check; 4.other parts: shaft seal, guide bearings, vacuum breaker valve and air admission device. some advanced structure and new materials were adopted with the consideration of factors like safety, fabrication technology, installment and maintenance. key words: shanmei hydropower station,f

10、rancis turbine，structural design,strength calculation2012届热能与动力工程专业毕业设计目 录1.前 言11.1概述11.2原始资料21.3设计要求和设计内容31.3.1设计内容31.3.2设计要求32.水轮机的选型设计52.1 原始数据52.2 选择转轮型号52.3水轮机基本参数的计算52.4水轮机综合运转特性曲线的绘制82.4.1等效率曲线的绘制82.4.2等吸出高度线的绘制82.4.3等开度线的绘制93.水轮机总体结构设计113.1埋入部分123.1.1 座环123.1.2蜗壳123.1.3基础环123.1.4尾水管123.1.5基坑

11、里衬133.2导水机构133.2.1 顶盖和底环133.2.2 导叶133.2.3 控制环143.2.3 导叶操作机构143.3 转动部分143.3.1 转轮143.3.2 主轴153.4 其他部件153.4.1 水导轴承153.4.2 主轴密封152.4.3 补气装置153.4.4 真空破坏阀164. 埋入部件的结构设计174.1转轮的流道尺寸174.2 座环与蜗壳184.3 基础环204.4 尾水管214.5 基坑里衬及地板装置225. 导水机构结构设计235.1 导水机构总体结构设计235.2 导叶布置图的绘制245.2.1绘制导水机构运动图的目的245.2.2 确定导叶叶型255.2.

12、3确定传动件的相关尺寸及角度265.2.4 确定导叶开度275.2.5 绘制导叶布置图及相关曲线275.2.6 根据导叶布置图和检查、调整关系曲线285.3 导叶装置结构的设计295.3.1 导叶轴承及润滑295.3.2 导叶轴颈的密封315.3.3 导叶的止推装置315.3.4 导叶的套筒结构335.3.5 导叶的密封装置345.4 导叶传动机构的设计345.4.1 导叶臂345.4.2 耳柄355.4.3剪断销365.4.4 旋套365.5 顶盖、底环、控制环的结构设计385.5.1顶盖385.5.2 底环385.5.3控制环395.6 导叶的强度校核与结构设计405.7 导水机构的装配系

13、列与公差选择415.7.1导水机构装配尺寸415.7.2 导水机构的零件公差426.转动部件结构设计436.1 转轮的结构设计与减压措施436.1.1 转轮的结构设计436.1.2减压措施446.2混流式的止漏装置446.3主轴结构设计456.4主轴强度的校核476.4.1基本参数及意义476.4.2 轴身应力的计算486.4.3 法兰与轴身连接处应力计算496.4.4 强度校核结论507.轴承、密封及其它部件的设计517.1 水导轴承517.2 主轴密封527.3 补气方式的选择与设计537.4 其它部件的设计547.4.1真空破坏阀548.结论、讨论和建议56参考文献59致 谢61附录62

14、611.前 言1.1概述改革开放以来，我国电力工业的高速发展为我国国民经济持续、快速增长和人民生活水平的不断提高提供了强有力的能源支撑。水能资源是可再生能源，是技术上最成熟，经济上最合理的清洁能源，也是我国能源结构中的重要组成部分。党的十七届五中全会明确，要在保护生态的前提下积极发展水电。“十二五 ”期间，国家计划投资新能源5万亿元，常规水电将开工建设8300万千瓦。水电开发迎来难得的发展机遇。水轮机作为水力原动机，在水电建设项目中，水轮机选择设计具有重要意义：水轮机效率高，抗空蚀性能好，机组运行稳定，则发电效益就高。水轮机选型设计既是水电站设计的重要内容之一，也是编制设备采购招标文件的依据。

15、因此，需要加强转轮选型设计和整个水轮机机构的设计研究，进一步提高机组的性能和质量，以适应我国水电事业的飞速发展。新中国成立以来，我国的水轮机和水电设备研究设计和制造业经历了从无到有、从小到大、从性能一般水平跨入世界先进行列的过程。特别是近几年来，通过出口机组和与世界著名水轮机制造公司的合作和接触机会增多，了解了国际上在水轮机设计中的经验和特点。我国在新产品开发、新技术和新材料应用，设计手段等发面获得了飞速发展。本文根据山美电站的工程概况和相关参数，做了如下工作：（1）选择合适的水轮机机型。水轮机选型是水电站设计中的一项重要任务。本文根据水轮机型谱参数表和模型综合特性曲线，利用相关公式计算出原型

16、水轮机的基本参数转轮直径d1和转速，然后将计算所得到参数转换为单位转速在模型综合特性曲线上检验所选参数是否合适，并绘制出水轮机综合运转特性曲线。（2）分析水轮机各零部件的作用和结构特点，寻找各零部件的特征尺寸以及各尺寸的关联关系，参照水轮机设计手册等现有资料，运用auto-cad绘图软件，对山美电站的水轮机结构进行设计。设计中优先采用先进结构、新型材料，综合考虑安全性、制造工艺以及安装、维护检修各方面因素。 毕业设计不仅是对大学所学知识的一个总结，更是为以后的学习和工作打下良好的基础，培养自己独立思考，实事求是和解决问题的能力。此外，通过此次毕业设计可以加强自己的文字表达能力，更好地掌握一些办

17、公软件和绘图软件，使自己全面发展。此次毕业设计对我今后的学习和发展具有重大的意义，将是我人身中的一笔巨大财富。1.2原始资料山美水电站概述：山美水电站位于晋江支流东溪上，距泉州市约40km，地处晋江支流东溪中游。坝址以上控制流域面积1023km2，是一座以灌溉为主，结合防洪、供水、发电等综合利用的大型水利工程，位于晋江支流东溪上，距泉州市约40km，坝址以上控制流域面积1023km2，是一座以灌溉为主，结合防洪、供水、发电等综合利用的大型水利工程，水库总库容6.56亿m3，山美水库总库容6.56亿m3，调节库容4.53亿m3，为不完全多年调节水库。电站总装机容量为60mw，年设计发电量1.61

18、04亿kwh。 电站基本参数：额定出力p=15.6mw，额定水头hr=46.2m，最高水头hmax=56.3m，最低水头hmin=35m。1.3设计要求和设计内容1.3.1设计内容 （1）根据给定的单台水轮机额定出力和水头等参数，进行水轮机转轮的选型计算，确定合适的水轮机型号、机组同步转速和转轮直径等参数，并绘制水轮机运转综合特性曲线； (2) 按选型计算确定的水轮机型号和转轮直径等参数，确定水轮机的主要特征尺寸，进行座环、蜗壳、基础环、尾水管和机坑里衬等水轮机埋入部件的结构设计； (3) 进行转轮的结构设计，并根据机组的型式和电站的自然条件选择合理的止漏和减压方式； (4) 根据水轮机的出力

19、、转速等参数估算主轴直径，确定转轮与主轴的连接方式；进行主轴的强度校核计算，根据校核结果修改并最终确定主轴的结构； (5) 进行导水机构设计，进行顶盖、底环、控制环、导叶及其传动机构、导叶的立面和端面密封结构的设计，绘制导叶布置图，检查导叶传动与接力器移动的均衡性，检查传动件在不同位置是否相碰，并根据检查结果修改； (6) 根据水轮机的结构进行水轮机工作密封和检修密封装置设计； (7) 根据机组的型式和电站的自然条件水导轴承设计； (8) 根据水轮机的结构和电站的自然条件选择合适的补气方式；(9) 进行水轮机其它部分的结构设计。1.3.2设计要求(1) 充分查阅相关文献资料，按给定格式撰写毕业

20、设计开题报告；(2) 翻译至少一篇2000单词以上的本专业外文文献；(3) 按学校统一格式编写毕业设计说明书，要求书写整洁，语言简练，概念正确，条理清楚；计量单位规范统一；(4) 绘图要求：设计图纸相关格式符合国家规范要求，图幅和张数如下：1张水轮机总装配图（零号图）；1张导水机构装配图（1号图）；1张导叶布置图（1号或2号图）；1张水轮机主要部件的组装图或零件图（图幅根据内容自定）。2.水轮机的选型设计 2.1 原始数据水轮机的选型设计就是根据水电站设计部门提供的原始资料及参数，选择合理的水轮机型号和计算水轮机的各种数据。这是一项至关重要的工作，它直接关系到水电站的机组能否长期稳定运行和投资

21、的多少。主要原始参数和资料如下：（1） 最高水头hmax=56.3m；（2） 额定水头ha=46.2m；（3） 最低水头hmin=35m；（4） 单机额定出力p=15.6mw； 2.2 选择转轮型号 查水轮机转轮型谱参数，可供参考的机型为hl220、hl230、hl240。hl220使用水头为5085m，hl230为国外引进转轮，不推荐使用，hl240使用水头为2545m。考虑到强度要求，且中小型水轮机一般降低水头使用，选择hl220转轮。2.3水轮机基本参数的计算（1）计算转轮直径d1。 （2-1）发电机额定容量pg=15600kw，q11取模型特性曲线上最优单位转速与5%出力限制线交点对应

22、的q11。查附表2得=70(r/min)，查hl220模型综合特性曲线得q11=1.14()，对应的模型效率=0.89，暂取效率修正值=0.02，=+=0.89+0.02=0.91。发电机效率=0.97。设计水头。故 =(m)，取d1=2.34(m)。（2） 效率修正的计算 =。（3）转速n的计算 =203.3( r/min) 对比表9-9发电机标准同步转速，n介于187.5r/min214.3r/min。 n取214.3r/min ( r/min) ( r/min) ( r/min) 取n=187.5r/minn11a =( r/min)( r/min) ( r/min) 查附表2，得hl2

23、20推荐使用最优单位转速为n110=70r/min，并参照模型综合特性曲线，可以看出214.3r/min时，在水头范围内具有较高效率，故选择转速为n=214.3r/min。 （4）水轮机的设计流量 （5）几何吸出高度的计算 取1.15.模型空化系数=0.133m （6）飞逸转速nr的计算由表3-4，hl220单位飞逸转速为n11r=133r/min，( r/min)(7) 轴向水推力查文献【2】表5-5水轮机轴向水推力系数k和水轮机型号关系，查得hl220轴向水推力系数为0.240.3。取k=0.27。 （8）检验水轮机的工作范围设计工况单位流量() n11r 与交点刚好处于出力限制线偏左点，

24、并处于最高效率区内，满足要求。2.4水轮机综合运转特性曲线的绘制2.4.1等效率曲线的绘制（1）等效率曲线绘制的一般方法： 在水轮机工作水头范围内，取4、5个包括特征水头在内的水头，计算各水头对应的单位转速n11m,以各n11m值在模型综合特性曲线上做出水平线与其等效率线相交得一系列交点，根据交点处的q11，m计算出原型水轮机的效率与出力p，然后作出各水头下的=f(p)曲线。在曲线=f(p)上以某一效率作水平线与各=f(p)曲线相交，找出各点的h、p值。作ph坐标系，并在其中绘制出计算中所选水头值的水平线，将中所得到的各交点按其h、p值点到ph坐标系中，连接各点即得到某效率值的等效率曲线。出力

25、限制线如综合运转特性曲线所示。2.4.2等吸出高度线的绘制（1）等吸出高度线表达水轮机在各运行工况的最大允许吸出高度hs，等hs线是根据模型综合特性曲线的等线换算得到的。计算与绘制等hs线的步骤如下：计算各水头相应的单位转速n11m，在模型综合特性曲线上过各n11m作水平线与各等相交，记下各点的、q11及m值。根据吸出高度计算式计算各点hs，并计算各点出力p。根据各工况点的hs、p，绘出各水头下的曲线。在曲线上取某值作水平线与各曲线相交，记下各点的水头h以及出力p，将这些点（p，h）绘制到ph坐标系内，并用光滑曲线连接即为某hs值等吸出高度线。（2）绘制曲线的数据如下：根据h查表文献【2】4-

26、22，得到如下数据：h=56.3m，=0.02；h=50m，=0.025；h=43.89m，=0.03；h=40m，=0.034；h=35m，=0.04。从模型综合特性曲线上所得数据经过excel处理数据，绘制等吸出高度线。 等吸出高度线如综合运转特性曲线所示。2.4.3等开度线的绘制 (1)计算与绘制等开度线的步骤如下：计算各水头相应的单位转速，在模型综合特性曲线上过各作水平线与各等开度线相交，记下各点的a0、q11及值。根据模型水轮机与与原型机的几何相似关系，换算出对应的真机开度，并求出出力p。根据各工况点的a、p，绘出各水头下的曲线。在曲线上取某a值作水平线与各曲线相交，记下各点的水头h

27、以及出力p，将这些点（p，h）绘制到ph坐标系内，并用光滑曲线连接即为某a值等吸出高度线。得到的等开度线如综合运转特性曲线所示。 图1-1 水轮机综合运转特性曲线 3.水轮机总体结构设计 山美电站水质较好，设计中主要考虑机组的稳定性和可靠性。水轮发电机组为立轴混流式，俯视顺时针旋转，水轮发电机采用两根轴结构。水轮机轴与发电机轴通过联轴螺栓直接连接。水轮机主要部件有：埋入部件：座环、基础环、尾水管、蜗壳；导水机构以及顶盖、底环；转动部件：转轮的结构、主轴，并对主轴进行强度校核；其他部件：主轴密封、水导轴承、真空破坏阀和补气装置。水轮机剖面图如图2-1所示。 图3-13.1埋入部分3.1.1 座环

28、 座环是水轮机的承重部件，且是水轮机装配的一个主要基准件，设计中除了满足强度要求外，还必须具有足够的刚度。本电站座环采用整体型，铸焊结构，采用无蝶形边的平行式焊接结构，分为上环、下环、固定导叶三部分，不分瓣，上下环外圆焊有圆形导流环，改善进口的绕流情况。上下环板采用q345b-z35抗层状撕裂钢板，12个固定导叶采用zg06cr13ni4mo不锈钢制造。3.1.2蜗壳 蜗壳是水轮机重要的引水部件，蜗壳按不考虑与混泥土联合受力的条件下，遵循等速度距vur=k的规律设计。得出进口断面和与进口断面相差180度的中间断面尺寸，进口断面半径为1416mm，中间断面半径为890mm。蜗壳厚度为15mm，其

29、材料为b610cf钢板，为满足工地安装调整需要，蜗壳上设有两个凑合结。3.1.3基础环 基础环是水轮机的基础部件，形成转轮室，同是又是安装和拆卸水轮机是落放转轮的基础。它和座环以及尾水管进口直锥段相连。由于机组尺寸小，故将基础环和座环做成整体。材料采用q235钢板焊接。3.1.4尾水管 尾水管是水轮机过流通道的一部分，且有回收部分转轮出口动能的作用。尾水管的形状对水轮机性能具有较大的影响。采用弯肘形尾水管，直锥段单边扩散角为8度，厚度为11mm，采用钢板q235b。为方便检修，直锥段设800进人门。3.1.5基坑里衬 基坑里衬为钢板焊接结构，不分瓣，材料为10mm厚钢板q235b。基坑里衬在工

30、地调整组圆后装焊在座环上。3.2导水机构3.2.1 顶盖和底环顶盖除了封堵水流形成流道外，还起支持和固定水轮机一部分零件的作用，要求有足够的强度和刚度。顶盖采用q235b钢板和zg20simn焊接整体结构，满足刚度和抗磨要求。外径为3440mm，内径为1000mm，开有24个套筒孔以及两个真空破坏阀放置孔。顶盖与转轮上冠构成水轮机的缝隙式止漏装置。底环的功能主要是安装导叶的下轴承和形成流道的过流表面，外径为3150mm，内径为2520mm，高度为150mm，材料采用q235钢板。底环与转轮下环构成水轮机的下止漏装置。现场测试后在底环上加焊限位块。3.2.2 导叶 导叶为整铸不锈钢结构，材料为z

31、g06cr16ni5mo，有较好的抗空蚀、抗磨损性能。导叶为三支点正曲度导叶，导叶上轴颈95mm，中轴颈为105mm，下轴颈为85mm，瓣体高度为585mm，长度为387.4mm，总高为1245mm，导叶数为24个。与导叶三支点相对应的上、中、下轴承采用大连三环的自润滑轴承，分别安装在套筒和底环内。为了有效防止泥沙和封水，中轴颈处设置了l型密封圈，下轴颈处设置了o型密封圈。导叶立面密封为金属线接触密封，导叶端面密封为嵌入在导叶瓣体端面内的青铜块加橡胶条密封。3.2.3 控制环控制环为q235钢板焊接结构。上环板设有两个大耳孔与接力器推拉杆相连，下环板设24个小耳孔与导叶操作机构中耳柄相连。控制

32、环最大外径为2210mm，内径为1610mm，大耳环分布圆直径为2010mm，小耳环分布圆直径为1860mm。在控制环中部设置控制环的支撑装置，采用具有自润滑性能的抗磨板，用螺钉把合在控制环上，并且设置压板，以防止导叶操作机构应受力不均而引起控制环上抬。3.2.3 导叶操作机构 导叶传动机构采用耳柄传动机构，主要由导叶臂、分半键、耳柄、连杆销、剪断销和旋套组成。与叉头式相比，耳柄式工艺性好，结构简单，制造成本低，结构所空间小，但受力不如叉头式。在导叶臂与连杆之间设置剪断销，以保证在某个导叶被异物卡住后其他导叶能正常动作。为了防止剪断销和连杆销因上移而导致受力情况变化，在剪断销和连杆销上方设置了

33、压板。在旋套两端增加两个薄螺母，防止在工作中连杆长度因受力不均而改变，影响导叶的立面密封。3.3 转动部分3.3.1 转轮转轮采用铸焊结构，上冠、下环均为vod超低碳精炼的具有良好的抗空蚀和抗磨损性能不锈钢zg0cr16ni5mo。转轮直径2340mm，最大外径2630mm，高度1255mm。转轮各过流表面粗超度不超过3.2m。转轮焊接成整体加工后需做静平衡实验。转轮与主轴采用销套传递扭矩，具有互换性，连接螺栓需要按要求用液压拉伸器进行预紧，并精确测量其拉伸值。上冠上开有12个70减压孔。3.3.2 主轴 水轮机主轴采用双法兰厚壁空心轴，材质为35钢整锻。轴身外径350mm，内径250mm。水

34、轮机轴与转轮采用12个m70螺柱连接，采用销套传递扭矩，连轴螺柱不受剪切力。为了防止螺纹受泥沙磨损，在法兰处设置法兰护罩。3.4 其他部件3.4.1 水导轴承 水导轴承采用稀油润滑油浸式筒式轴承。轴瓦采用巴氏合金，分两瓣，内径为360mm，高度340mm。选用l-tsaar32透平油，第一次充油以设计正常油面为准。总装配图中所示油面为停机时的高度。轴承液位信号器应根据轴承实际运行情况现场设定，以保证机组安全运行。轴承设有热电阻测温计，轴承冷却水为双向进水式。3.4.2 主轴密封 工作密封采用水压式端面密封，在摩擦面之间形成一层很薄的水膜，漏水小，磨损也不大。实际装配时需将密封装置调试到最佳工作

35、条件。 检修密封为置于主轴工作密封下方的空气围带，充、放气自动控制，气压为0.50.7mpa，在机组停机和检修时使用。2.4.3 补气装置为保证机组在部分负荷工况下的稳定运行，发电机上端设置了中心孔补气装置。为防止尾水倒灌时保护机组不受损害，补气系统设置两道补气阀，分别为浮球阀和差压空气阀，浮球阀在正常工作时处于常开状态，水位上升时依靠浮力自动关闭。差压空气阀在正常工况处于常闭状态，当补气阀下腔的真空低于某一值时，依靠压力自动开启。3.4.4 真空破坏阀设置2个真空破坏阀，在紧急关闭导叶时补入空气，破坏真空，保护机组。4. 埋入部件的结构设计 4.1转轮的流道尺寸查文献【1】图10-1混流式转

36、轮流道图，查得hl220流道尺寸如下： 图4-1 hl220转轮流道图 按比例放大，得到真机的轴面流道图，如下： 图4-2 真机转轮流道图4.2 座环与蜗壳4.2.1座环座环是反击式水轮机的基础部件，除了承受水压力的作用外，还承受整个机组和机组段混泥土的重量，因此要有足够的强度和刚度。目前常用的结构形式有以下几种：（1）与混凝土蜗壳连接的座环（2）与金属蜗壳连接的座环。由于山美水电站水头大于40m，故采用与金属蜗壳连接的座环。而与金属蜗壳连接的座环又分为带蝶形边的座环和无蝶形边的座环。本次设计采用无蝶形边箱型结构的座环，与金属蜗壳相连。这种形式刚度好，与蜗壳的连接点离固定导叶中心近，改善了受力

37、状况。上下环外圆焊有圆形导流板，改善座环进口绕流条件。上下环板采用q345b-z35抗层状撕裂钢板，12个固定导叶采用zg06cr13ni4mo不锈钢制造根据转轮直径d1和水头，查文献【1】表6-15 金属蜗壳座环尺寸系列表 转轮直径d1=2340mm，h170，h70，查上表，采用插值运算。 （1）db的计算 x=55 db=3250+55=3305mm，圆整后取db=3300mm。 （2）da的计算 x=72 da=3850+72=3922mm，圆整后取da=3920mm。座环各部分尺寸如图4-4： 图4-4 座环 4.2.2 蜗壳 蜗壳可以将管道中的水流均匀地分配到转轮前导水叶的四周，使

38、水流对称地流入导水机构，然后再流入转轮，保证运行平稳。常见蜗壳分为金属蜗壳和混泥土蜗壳。由于山美电站水头大于40m，故选用钢板焊接金属蜗壳，蜗壳厚度为15mm其材料为b610cf钢板。查文献【2】 计算蜗壳进口断面尺寸。查图5-14金属蜗壳的流速系数与水头关系，得k=0.95，蜗壳包角。 （1） 进口断面流量 进口断面半径 进口断面中心距 h为座环固定导叶的高度，蜗壳系数 蜗壳常数 （2） 中间断面i 由文献【2】公式（5-12），得 中间断面与进口断面相差， 。4.3 基础环 基础环是混流式水轮机中座环与尾水管进口锥管段相连接的基础部件，埋设于混泥土中，转轮的下环在其内转动，其下法兰面是装拆

39、水轮机时转轮的落放基础。由于机组较小，将座环和基础环焊为一体。材料采用q235钢板焊接。查文献【1】表7-4，得间=30mm，环=10mm。基础环各部分尺寸如图4-5所示： 4-5 基础环4.4 尾水管 尾水管是水轮机过流通道的一部分，具有以下作用：（1）将转轮出口水流引向下游。（2）利用转轮高出下游水面那一段位能。（3）回收部分转轮动能。对于低水头大流量的水轮机，转轮的出口动能相对较大，尾水管的回收性能对水轮机的效率有显著影响。尾水管的型式基本上可以分为两类，即直锥型和弯肘型两种.本机采用弯肘形尾水管，直锥段单边扩散角为8度，厚度为11mm，采用钢板q235b。为方便检修，直锥段设800进人

40、门。直锥段有钢板里衬，弯肘段和扩散段均为混泥土。查文献【2】hl220轴面流道和标准混泥土肘管，尺寸如图4-6所示： 图 4-6 尾水管直锥段和肘管 4.5 基坑里衬及地板装置 基坑里衬用钢板q235b钢板卷焊而成。外壁设有若干环筋，浇灌在混泥土内。根据转轮直径查文献【1】，得基坑里衬尺寸如下：d机=3500mm，=10mm。5. 导水机构结构设计5.1 导水机构总体结构设计 水轮机导水机构的作用，主要是形成和改变进入转轮水流的环量，保证水轮机具有良好的水力特性，调节流量，以改变机组出力，正常与事故停机，封住水流，停止机组转动。大中型导水机构，按其导叶轴线布置位置可分为：圆柱式、圆锥式和径向式

41、山中类型。混流式水轮机适合采用圆柱式导水机构，这种导水机构制造方便，能保证水轮机有足够高的效率。在导水机构设计中，要求过流表面有一定的光洁度和尺寸公差要求，并根据电站条件，采取一定的抗汽蚀和抗泥沙磨损措施。对导水机构设计的基本要求如下：（1） 导叶最大开口必须保证水轮机总的过水能力，且裕量不小于5%；（2） 在关闭的状态下各导叶间以及导叶与顶盖和底环间的间隙必须很小，以保证漏水最少；（3） 在调节过程中若导叶间落入固体物时，必须防止损坏导水机构零件；（4） 在导叶失去控制时，导水机构在结构上应能防止导叶绕其自身轴线转动或旋转；（5） 导叶轴颈，销轴和导水机构的转动机构各摩擦面必须保持良好的润滑

42、；（6）导水机构零件的结构及其制造公差必须保证能正确地装配，调整及拆修该机构；（7）由接力器到导叶的传动系统必须使作用于导叶的水力矩和接力器产生的驱动力矩见具有最优比例关系；（8）设计承受水流冲击的零件时，其强度必须特别加以注意。本设计为混流式机组，选择径向式导水机构。根据水头范围选择正曲度叶型。根据水轮机型号和水头选择导叶中轴颈db。根据db选择导叶各部分尺寸。由于转轮直径d1=2340mm，中小型机组，采用耳柄式传动机构。以特征尺寸db查设计手册对套筒、轴套和传动机构进行设计。导水机构总体结构如图5-1所示： 图5-1导水机构结构图5.2 导叶布置图的绘制5.2.1绘制导水机构运动图的目的

43、1.确定最大可能开度下的接力器行程，绘制关系曲线，检查接力器行程与导叶开度的均衡性；2.确定传动件的尺寸及在不同开度下的、值，绘制、曲线，检查、值的范围是否符合要求；3.确定控制环大耳环和小耳环的相对位置；4.确定限位块的位置（一般限位块与最大可能开度位置时导叶的距离，大中型为2030mm,小型为510mm）5.检查传动件在不同位置是否相碰。尤其在剪断销破断后，连杆或转臂是否相碰。对混流式水轮机来说，还需检查导叶与固定导叶、转轮叶片是否相碰。6.确定导叶关闭时的密封位置；立面密封：接触面的位置端面密封：密封条分布圆位置7.确定固定导叶的位置及其出口角，绘制固定导叶翼型，并核定其分布圆直径。5.

44、2.2 确定导叶叶型本机为中、高比转速混流式水轮机(h100m)，采用正曲度叶型（图5-2）。 图5-2 标准正曲度叶型几何尺寸 （d1=1m，z=24）将上述尺寸放大=2.34倍，得到导叶最终几何尺寸如图5-3。 图5-3 导叶 5.2.3确定传动件的相关尺寸及角度根据转轮直径，查文献【1】表6-1导水机构装配尺寸系列，不能直接查出的，采用插值运算。z0=24，d0=2850mm，暂取，dc=1860mm，导叶臂长度lh=310mm，连杆长度lc=330mm。 ：导叶全关位置时，转臂轴心线与d0圆切线的夹角。根据上述数据，初绘导叶布置图，调整lh、lc、小耳环分布圆直径dc，使得导叶处于全关

45、位置时，连杆与小耳环分布圆切线的夹角=； 连杆与转臂的夹角。得到最终尺寸为：lh=370mm，lc=300mm，dc=1870mm。查文献【1】表8-52，采用插值算法，得到大耳环分布圆直径为dy=2010mm。5.2.4 确定导叶开度a. 查模型综合特性曲线，得模型水轮机的最大开度。以该单位转速作一条水平线与出力限制线交点处的开度即为模型转轮的最大开度=32。真机最大开度 b. 真机的最大可能开度 c. 查模型综合特性曲线中最优工况点对应的开度为模型转轮的最优开度=28，得真机的最优开度； d.选取6个开度值如下：0mm、90mm、110mm、130mm、142mm、163mm。5.2.5

46、绘制导叶布置图及相关曲线 （1）选择三个相连的导叶，以其中两个相连导叶的角平分线作为x轴，将x轴与大耳环分布圆交点作为大耳环的中间位置。（2）同时旋转三个导叶，使其处于不同开度，并绘出各开度下的小耳环位置以及导叶臂和耳柄中心线位置。（3）将小耳环全关位置和最大可能开度位置的中间位置作为小耳环的中间位置并测出两个极限位置对应的接力器最大行程。（4）根据小耳环从中间位置到全关位置和最大可能开度位置所转过的角度，得到大耳环的全关位置和最大可能开度位置。（5）测量各开度下的、和接力器行程s，画出接力器行程、随变化的关系曲线、和，如图5-4所示。 图5-4 接力器行程、与的关系曲线5.2.6 根据导叶布

47、置图和检查、调整关系曲线 检查项目包括：a.一般要求：的关系应符合合理的导叶关闭规律：即在机组在突然率全部负荷，需要紧急停机时，为了尽量降低机组转速上升和蜗壳压力上升，一般要求导水机构在接力器匀速向关闭方向移动时，导叶关闭应先快后慢（即随着开度值变大，曲线的斜率也变大）。b.检查、的范围.c.检查传动件在不同位置是否相碰，尤其在剪断销破断后，连杆或转臂是否相碰。还需检查导叶与固定导叶、转轮叶片是否相碰。经检查，导叶关闭规律符合要求，、的值在范围之内，剪断销剪断后连杆和转臂不会相碰，导叶与固定导叶和转轮不会相碰。最终得到的导叶布置图见附图。5.3 导叶装置结构的设计5.3.1 导叶轴承及润滑（1

48、）上轴套。由dc查文献【1】表8-22 上轴套尺寸系列，得到上轴套各部分尺寸如下图5-5。（2）中轴套。由db查文献【1】表8-23 上轴套尺寸系列，得到中轴套各部分尺寸如下图5-6。（2）下轴套。由da查文献【1】表8-24 上轴套尺寸系列，得到下轴套各部分尺寸如下图5-7。 图5-5 上轴套 图5-6 中轴套 图5-7 下轴套三种轴承均选择大连三环公司的具有自润滑性能的双金属镶嵌自润滑轴承fzb056。5.3.2 导叶轴颈的密封 （1）中轴颈密封。为了防止压力水从导叶中轴颈处泄漏，在导叶轴颈处有密封装置。选择“l”型密封。“l”型密封圈与导叶中轴颈之间靠水压贴紧而封水，实践证明，“l”型密

49、封结构简单，封水性能好。材料为丁腈橡胶。查文献【1】表8-17中轴颈“l”型密封，得到密封圈各部分尺寸如图5-8。 (2)下轴颈密封。导叶下轴颈的密封主要是防止泥沙进入，以免轴颈磨损，本机采用“o”型圈橡胶密封结构。“o”型密封圈各部分尺寸如图5-8所示。 图5-8 “l”型密封、“o”型密封5.3.3 导叶的止推装置 水头较高的机组应考虑导叶在水压力作用下的上浮力。当上浮力超过导叶自重时，需在设置止推装置，以防止导叶上抬，碰撞顶盖和影响连杆受力。导叶上浮力 最高水头下的水压力 在cad中通过查询工具得到导叶体的截面积，导叶瓣体高度为58.5cm，（）水的比重= 上浮力 导叶自重 有必要设置导

50、叶止推装置，材料为45钢。查文献【1】止推压板系列尺寸。每个导叶设置两块型式1的止推压板，其各部分尺寸如图5-9所示。 图5-9 止推压板5.3.4 导叶的套筒结构导叶套筒是固定上中轴套的部件，本机采用整体套筒。采用zg310-570铸造。查文献【1】导叶套筒系列尺寸表，最终的套筒各部分的尺寸如图5-10所示。 图5-10 套筒5.3.5 导叶的密封装置当停机时导水机构必须封水严密，否则不但会增加漏水量，而且会加剧加剧因间隙气蚀引起的破坏。严重时甚至会造成机组无法正常停机。导叶立面密封为金属线接触密封，导叶端面密封为嵌入在导叶瓣体端面内的青铜块加橡胶条密封。通过调节端盖上的螺钉，可以调节导叶上

51、下端面的间隙。通过调节连接两个耳柄的旋套从而改变连杆的实际长度，可以调节立面间隙。5.4 导叶传动机构的设计导叶传动机构采用耳柄传动机构，工艺性好，结构简单，制造成本低，结构所空间小，但受力情况不如叉头式，适合中小机组。接力器直径dc选择。查文献【1】公式（9-1），m取接力器直径dc=300mm。由接力器直径dc查文献【1】表8-42 耳柄传动机构尺寸系列，得到，。5.4.1 导叶臂选择a型带止推槽导叶臂，材料为zg270-500。由导叶中轴颈查文献【1】耳柄传动机构导叶臂尺寸系列，得到导叶臂各部分尺寸如图5-11所示。 图5-11 导叶臂 5.4.2 耳柄 耳柄材料采用zg270-500。

52、由耳柄螺纹d查文献【1】表8-46得耳柄各部分尺寸，如图5-12所示。 图5-12 耳柄5.4.3剪断销水轮机在关闭导叶过程中如导叶间有硬物卡住，有关传动零件的操作力矩将急剧增大，当操作力大至设计载荷的1.5倍时，剪断销剪断，从而避免整个传动机构的破坏。材料选用45钢。由耳柄螺纹查文献【1】表8-49剪断销。得到剪断销各部分尺寸如图5-13。5.4.4 旋套旋套可以改变连杆的实际长度，从而调整导叶的立面间隙。材料选用40mn。由耳柄螺纹查文献【1】表8-47旋套。得到旋套各部分尺寸如图5-14。 图5-13 剪断销 图5-14 旋套5.5 顶盖、底环、控制环的结构设计5.5.1顶盖 顶盖除了封堵水流形成流道外，还起支持和固定水轮机一部分零件的作用，要求有足够的强度和刚度。顶盖采用q235b钢板和zg20simn焊接整体箱形结构。顶盖的外径主要由座环尺寸决定，高度主要由导叶轴的高度决定，内径主要由主轴外径决定，钢板厚度主要参考现有图纸的厚度，实际工程应校核顶盖强度。由轴面流道和转轮上