毕业设计(论文)-水轮机结构设计

毕业设计说明书毕业设计说明书摘要本次毕业设计根据水电站的水力参数和要求，确定了水轮机的机型及型号（HL240/D41-LJ-200）。通过选型计算及相应的运行工况分析，绘制出水轮机运转综合特性曲线。在满足选型设计的条件下,进行了导水机构运动图的绘制；进行了水轮机蜗壳水力设计；并绘制了蜗壳水力单线图、尾水管设计、水轮机结构设计，其中包括水轮机剖面图及导叶加工图，并且建立了活动导叶的三维模型。最后对蜗壳的强度进行了计算。关键词：水轮机；选型设计；结构设计；强度计算AbstractBasedontheactualrequestandhydraulicparametersprovidedofSonglinpohydropowerstation,thetypeselectiondesignandstructuredesignwerecompleted.TheseletedtypeofturbinetypeisHL220/D41-LJ-200.Throughthetypeselectiondesigncalculationaswellasthecorrespondingoperatingsituationanalysis,designerdrawstheperformancecombinedcharacteristiccurveofturbineandcarriesoutthecorrespondingfeasibilityanalysisabouttheselectedrunner.Aftermeetingtherequestofthetypeselectiondesign,designergoesonguidemechanismmotiondiagramandthestructurehydraulicturbinedesign,includingthehydraulicdesignofthecasinganddesignofthedrafttube,thendrawstheirhydraulicsinglelinedrawings,thehydraulicturbine’sassemblydrawingandtheguidevanedrawing，andtheauthormodeledthe3Dmodelofguidevane.Thefinaltaskofthedesignistheintensitycalculationofthecasing.Keywords:HydraulicTurbine；TypeSelectionDesign；StructureDesign；IntensityCalculation目录0前言………………11水电站的水轮机选型设计……21.1水轮机的选型设计概述……………21.2水轮机选型的任务…………………21.3水轮机选型的原则………………21.4水轮机选型设计的主要参数………31.5确定电站装机台数及单机功率……31.6选择机组类型及模型转轮型号……31.7初选设计（额定）工况点…………41.8确定转轮直径D1…………………51.9确定额定转速n…………………61.10效率及单位参数的修正……………71.11核对所选择的真机转轮直径D1…………………81.12确定水轮机导叶的最大可能开度………………121.13计算水轮机额定流量Qr…………131.14水轮机允许吸出高度Hs…………………141.15确定水轮机的安装高程…………171.16计算水轮机的飞逸转速…………181.17计算轴向水推力Poc……………181.18估算水轮机的质量………………181.19绘制水轮机运转综合特性曲线…………………192水轮机导水机构运动图的绘制……242.1导水机构的基本类型……………242.2导水机构的作用…………………242.3导水机构结构设计的基本要求…………………252.4导水机构运动图绘制的目的……252.5导水机构运动图的绘制步骤……263水轮机金属蜗壳水力设计…………283.1蜗壳类型的选择………………283.2金属蜗壳的水力设计计算………294尾水管设计…………334.1尾水管概述………334.2尾水管的基本类型………………334.3弯肘形尾水管中的水流运动……335水轮机结构设计……………………345.1概述……………435.2水轮机主轴的设计………………345.3水轮机金属蜗壳的设计…………355.4水轮机转轮的设计……………355.5导水机构设计……………………375.6水轮机导轴承结构设计…………395.7水轮机的辅助装置……………416活动导叶的零件设计与三维模型…………436.1活动导叶的零件设计…………………436.2活动导叶的三维模型…………………437金属蜗壳强度计算……………447.1金属蜗壳受力分析………………447.2蜗壳强度计算……………………447.3计算程序及结果……………………468结论……………………50总结与体会……………51谢辞……………………51参考文献………………52前言水轮机是水电站的重要设备之一，它是靠自然界水能进行工作的动力机械。与其他的动力机械相比，水轮机具有效率高、成本低、清洁等特点。另外，水轮机的好坏影响到水电站能量的转换效率。在水轮机生产制造之前，我们必须首先根据给定水电站的水力条件进行水轮机的选型设计、并对水轮机零件进行结构分析和部分零部件的强度计算及校核。此次毕业设计是本科教学计划中最后一个综合性、创造性的教学实践环节，是对我在校期间所学基础理论、专业知识和实践技能的全面总结，是对我综合能力和素质的全面检验，也是教学、工程实践的重要结合点。它主要是培养了我综合运用所学知识和技能去分析和解决本专业范围内的工程技术问题，建立正确的设计思想，掌握了水轮机设计的一般程序和方法，使我在今后的工作岗位上具有应用专业技术解决工程实际问题的能力。本次毕业设计从水轮机的基本工作原理出发，系统地、较为全面地进行了水轮机的选型设计、水轮机的结构设计、水轮机部分部件的强度计算及校核等。设计分为六部分:第一部分：水轮机的选型设计；第二部分：导水机构运动图的绘制；第三部分：蜗壳的水力设计；第四部分：尾水管设计；第五部分：水轮机结构设计；第六部分：活动导叶的三维建模；第七部分：金属蜗壳强度计算。在设计过程中，着重阐述了水轮机选型设计的具体方法及方案选择、导水机构运动图的绘制和水轮机设计总装图设计三部分。1水电站的水轮机选型设计1.1水轮机的选型设计概述水轮机的选型设计是水电站设计中的一项重要任务，其计算结果直接关系到水电站的机组能否长期运行、投资的多少、经济效益的高低。它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性能参数。一般情况下，先根据水电站的类型、动能计算以及水工建筑物的布置等初选若干个方案，然后进行技术经济比较，再根据水轮机的生产情况和制造水平，最后确定最佳的水轮机型号及尺寸。1.2水轮机选型的任务本次水轮机选型的主要任务如下：(1)确定电站装机台数及单机功率(2)选择机组的类型及模型转轮型号(3)确定机组的装置方式(4)确定转轮直径、额定转速及飞逸转速(5)绘制水轮机运转综合特性曲线(6)轴向水推力的计算(7)计算水轮机的外形尺寸上述为水电站水轮机设计的一部分。本次设计还包括水轮机的过流部件蜗壳、座环、导水机构、尾水管的初步计算，最后绘制了水轮机总装图。1.3水轮机选型的原则从现代水轮机的选型设计计算来看，水轮机的选型设计是一门系统工程学，要在电站水能资源综合利用、制造、运输、安装、土建电力用户、运行方式等诸多技术经济因素中寻找一个最佳的方案。水轮机选型设计的一般原则如下：①所选水轮机要有较高的能量特性。不仅要选择额定工况下较高的水轮机转轮型号，还要根据水轮机的工作特性曲线即及曲线，选择平均效率最高的水轮机型号，使水轮机在负荷和水头变化的情况下都具有最高的运行效率。②所选水轮机要有良好的空蚀性能，较好的稳定性能，运行平稳、安全和可靠。③所选水轮机的尺寸尽量较小，结构要合理、先进，便于运输、安装、运行及检修。④转轮在选择比较时，应尽可能选用较高的水轮机，这样转速会比较高，相应的机组尺寸就偏小，并且使所选的水轮机经常在最优工况区运行。在选择转轮参数时应该使值稍高于，且值应接近于值。1.4水轮机选型设计的主要参数水轮机的选型是根据水电站设计部门提供的原始资料及数据，选择合适的水轮机型号，并计算水轮机的性能参数。设计题目：水电站水轮机选型及结构设计设计参数：总装机容量：Ppl=40MW=4万kW（2台）最大工作水头：Hmax=78.2m加权平均水头：Hpj=72.5m最小工作水头：Hmin=60.60m设计工作水头：Hr=70.3m最大引用流量：=79m³/s电站海拔高程：509.8m该电站在电力系统中的地位及作用：本电站距负荷中心较远，在系统中担任基荷。1.5确定机组的单机容量（功率）此电站装机台数为2台。确定电站的机组台数后，就可以求水轮机的单机容量。单机容量：=40MWZ电站的装机台数,Z=2。计算得：20MW。1.6选择机组类型及模型转轮型号根据水电站的实际情况，正确选择水轮机型式是水轮机设计的一个重要环节。虽然各类水轮机有明确的适用水头范围，但由于它们的适用范围存在着交叉水头段，因此，必须根据水电站的具体条件对可供选择的水轮机进行具体的分析比较，才能选择出最合适的水轮机机型。水轮机型号的选择是根据水电站的特征水头，特别是其最大水头Hmax选择的。通常情况下，水轮机型号是根据水轮机的型谱性能参数进行选择的；若设计水头在交界水头段范围内，也就是有2种及其以上的转轮型号可选择时，就需要进行综合分析比较后才能选出最佳的转轮型号。根据本次设计的特征水头：Hmax=78.2m，Hr=70.3m。通过中小型混流式水轮机模型转轮主要参数表，可确定本次设计所选水轮机的型号为：HL260/D74和HL240/D41。两个水轮机型号对应的相关模型转轮参数如表1.1所示。表1.1模型转轮主要参数表转轮型号推荐使用水头H(m)模型转轮直径(cm)流道尺寸最优工况(r/min)(/s)(%)HL260/D745080350.28141.1624791.0892.70.123HL240/D4170105350.25141.1624770.9592.00.091.7初选设计（额定）工况点水轮机的选型设计工况点是指水轮机在额定水头下发额定出力时的工况点，即（，），如图1.1所示。对已选定的水轮机转轮型号，查出其模型综合特性曲线。图1.1初选设计工况点1.7.1选择设计单位转速式中：模型的最优单位转速。计算结果如表1.2所示。表1.2设计单位转速计算结果水轮机型号HL260/D74HL240/D41(r/min)80.23确定额定工况下的单位流量在模型转轮综合特性曲线上作的水平线交5%功率限制线于A点，A点即为初选设计工况点，见图1.2。A点的单位流量即为初选设计工况点下的单位流量，计算结果如表1.3所示。图1.2初选设计工况点表1.3额定工况下的单位流量计算结果水轮机型号HL260/D74HL240/D41(m³/s)1.241.121.8确定转轮直径1.8.1水轮机的额定出力式中：水轮机额定功率，kW；发电机额定功率,20000kW；初步设计时：大中型发电机=0.96~0.98，中小型发电机=0.92~0.94，功率较大、转速较高时取上限值。本次设计取0.94。计算得：21270kW。1.8.2转轮直径式中：水轮机额定功率，kW；转轮直径，m；，m³/s。为水轮机的效率，也可根据水轮机的型号近似的取值，即HL水轮机为0.890.90。由于本次设计为混流式水轮机，所以本次设计取0.90。计算结果如表1.4所示。表1.4转轮直径的计算结果水轮机型号HL260/D74HL240/D41(cm)179.6190查《水力机械及工程设计》书15页表1.3转轮公称直径尺寸系列表，结果如表1.5所示。表1.5转轮公称直径水轮机型号HL260/D74HL240/D41(cm)1802001.9确定额定转速n额定转速nr:式中:n110设计单位转速,；加权平均水头,=72.5m；真机的转轮直径,m。计算结果如表1.6所示。表1.6额定转速的计算结果水轮机型号HL260/D74HL240/D41(r/min)373.7327.8查水轮发电机额定转速系列表，接近标准额定转速可以选择，选取结果见表1.7。表1.7水轮发电机标准额定转速水轮机型号HL260/D74HL240/D41(r/min)375333.31.10效率及单位参数的修正1.10.1效率修正真机的效率修正：式中：—主要由尺寸效应引起的修正值；—由过流部件影响引起的修正值，本次设计未采取翼形过流部件，故取=0；—由机械的加工工艺质量引起的修正值，它与水轮机的尺寸及加工的工艺质量有关，对于大型水轮机，取=1%~2%；对于中小型水轮机，参照相应规范取不同的值。式中：—真机的最优工况效率；—模型机的最优工况，由中小型混流式水轮机模型转轮主要参数表确定。算得HL260/D74：；HL240/D41：；1.10.2单位参数的修正值及上述修正值可在最优工况点进行选取，其他工况点采用等值修正处理。当，时，单位参数可不予修正。最终计算结果见表1.8。表1.8效率及单位参数的修正水轮机型号转轮直径（cm）效率修正值单位参数修正值是否修正HL260/D74=1801.5%11.27%131.05%否HL240/D41=2002%0.981.2%141.27%否1.11核对所选择的真机转轮直径1.11.1确定水轮机的真实工况点B实际水轮机的转速：故式中：——额定单位转速，r/min；——真机的转轮直径，m；——设计水头，=70.3m；——单位转速修正值，取=0。B点在水平线上，在其上查找点，计算出功率，并作辅助曲线P1t=f(Q’1t)。而，在辅助曲线上有与之对应，从而得到，将的值返回到模型综合特性曲线图上与线相交于B点，即为真实工况点。两种方案计算结果如下：(1)HL260/D74：转轮直径=1.8m，转速n=375kW表1.9HL260/D74辅助曲线P'1ti=f(Q’1t)计算数据表Ηm(%)ηt(%)Q'1m(m³/s)P'1ti(kW)0.920.9351.1410.620.910.9251.2011.020.900.9151.2311.220.890.9051.2611.37图1.3HL260/D74辅助曲线P'1ti=f(Q’1t)找出B点位置为Q=1.235m³/s,n’1t=80.5r/min。(2)HL240/D41：转轮直径=2m，单位额定转速kW表1.10HL240/D41辅助曲线P'1ti=f(Q’1t)计算数据表ηm(%)ηt(%)Q'1m(m³/s)P'1t(kW)0.911.930.928.350.910.931.039.400.900.921.089.750.890.911.109.82图1.4HL240/D41辅助曲线P'1ti=f(Q’1t)找出B点位置为Q=0.98m³/s,n’1t=79.5r/min。1.11.2工作范围的检查最大水头Hmax下，对应一个；最小水头下Hmin下，对应一个。这2条直线之间应包含主要综合特性曲线的优效率区；同时，B点应在最优工况点的附近，则可认为所选择的和n是合理的、正确的，否则应重新选择和n的值。模型机的单位转速为：式中：额定转速，r/min；真机的转轮直径，m；单位转速修正值；Hi水头，分别取m和m。下面分别求出各种方法下的和大小，计算结果见表1.11。表1.11和大小水轮机型号转轮直径D1（cm）转速HL260/D7418037576.385.6HL240/D41200333.368.4975.27两方案的工作范围及真实工况点B如下：图1.5HL260/D74=1.8m，=375图1.6HL240/D41=2m，=333.3综上两种方案的工作范围和真实工况点B的检查，HL240/D41的真实工况点更接近高效区。1.12确定水轮机导叶的最大可能开度1.12.1确定真机的导叶分布直径D0由真机转轮直径，查得非对称导叶叶形断面尺寸系列表，知D0。1.12.2计算模型机的导叶分布直径D0m式中：—导叶相对分布圆直径，；1.12.3计算水轮机导叶的最大开度模型机和真机保持几何相似，可按进行相似换算:式中：分别为真机、模型机的导叶分布直径；模机在相似工况下的最大开度，在模型转轮综合特征曲线上，找到点所对应的开度值，可得。分别为真机、模型机的导叶数目，由中小型混流式水轮机模型转轮主要参数表知：；由非对称导叶叶形断面尺寸系列表可知：。计算得：HL260/D74:mmHL240/D41:mm1.12.4计算水轮机导叶的最大可能开度式中：真机导叶的最大开度，计算得：HL260/D74：=207mm；HL240/D41：=231mm。1.13计算水轮机额定流量Qr水轮机额定流量Qr：式中：——水轮机的轴功率，kW；——设计水头，m；——设计工况点B点的真机效率。方案一计算得：HL260/D74：=207mm；Qr=33.89m³/sm³/s方案二计算得：HL240/D41：=231mm,Qr=32.57m³/sm³/s式中：Z——机组台数，本次设计中为2台。——电站引用流量，=79m³/s。所以，两个方案设计流量均满足要求。1.14确定水轮机允许吸出高度水轮机的吸出高度计算时可选择Hmin、Hr、Hmax等若干水头分别计算，从中选择一个最小值作为允许吸出高度，本次设计计算m，m，m，m下的，选择最小值作为水轮机的允许吸出高度。水轮机允许吸出高度按下式计算：·式中：▽——水电站水轮机安装海拔高度，m；σ——各水头下的工况点的空蚀系数；Δσ——空蚀系数的修正值；在进行各水头的工况点空蚀系数查找时，需作辅助曲线，为此列表计算，结果见表1.12，并得出各水头下的辅助曲线。且在各水头下，为已知，从辅助曲线上即可找到该水头下发出的额定功率的工况点，从而得出其空蚀系数。方案一：HL260/D74:=1.8m，n=375表1.12HL260/D74各水头下的辅助曲线P1t=f(Q’1t)表HiHi=78.2mHi=72.5mn,1t=nD1/76.3079.30n,1m=n,1t-Δn,176.3079.30Δσ0.020.02ηm(%)ηt(%)Qt（m³/s）P1t（kW）ηmηtQt（m³/s）P1t（kW）10.920.9351.1010.090.920.9351.1410.4620.910.9251.1710.620.910.9251.1910.8030.900.9151.2110.820.900.9151.2210.9540.890.9051.2411.010.890.9051.2611.19HiHi=70.3mHi=60.6mn,1t=nD1/80.5086.70n,1m=n,1t-Δn,180.5086.70Δσ0.020.02ηm(%)ηt(%)Qt（m³/s）P1t（kW）ηm(%)ηt(%)Qt（m³/s）P1t（kW）10.920.9351.1510.550.910.9251.2110.9820.910.9251.2010.890.900.9151.2511.2230.900.9151.2311.04(a)H1=78.2m(b)H2=72.5m(c)H3=70.3m(d)H4=60.6m图1.7HL260/D74P1t=f(Q’1t)辅助曲线方案二：HL240/D41:=2m，=333.3表1.13HL240/D41较大水头下的辅助曲线P1t=f(Q’1t)表HiHi=78.2mHi=72.5mn,1t=nD1/75.478.3n,1m=n,1t-Δn,175.478.3Δσ0.020.02ηm(%)ηt(%)Qt（m³/s）P1t（kW）ηm(%)ηt(%)Qt（m³/s）P1t（kW）10.900.920.857.670.910.930.918.3020.910.930.898.120.910.931.029.3130.910.931.009.120.900.921.079.6140.890.911.089.600.890.911.099.7350.880.901.119.760.880.901.129.89表1.14HL240/D41较小水头下的辅助曲线P1t=f(Q’1t)表HiHi=70.3mHi=60.6mn,1t=nD1/79.585.6n,1m=n,1t-Δn,179.585.6Δσ0.020.02ηm(%)ηt(%)Qt（m³/s）P1t（kW）ηm(%)ηt(%)Qt（m³/s）P1t（kW）10.910.930.938.480.900.920.978.8520.910.931.039.400.900.921.069.5730.900.921.079.660.890.911.109.7840.890.911.109.8250.890.911.139.93(a)H1=78.2m(b)H2=72.5m(c)H3=70.3m(d)H4=60.6m图1.8HL240/D41辅助曲线P1t=f(Q’1t)各水头下的P1t=f(Q’1t)曲线，再根据QUOTE值查出对应的单位流量QUOTE，再将各水头下单位流量的和对应的单位转速值查出综合效率特性曲线，依次得出各空蚀系数,空蚀系数修正值经查《水轮机》取值为0.02：方案一：HL260/D74:=1.8m，=3750.145，0.14，0.138，0.14在各水头下，计算水轮机的吸出高度，见表1.15。表1.15水轮机吸出高度（m)mmmmσ0.1450.140.1380.14(m)-3.473-2.172-0.266-1.68故==-3.473m方案二：HL240/D41:=2m，=333.30.087，0.088，0.089，0.102在各水头下，计算水轮机的吸出高度，见表1.16。表1.16水轮机吸出高度Hs（m)mmmmσ0.0870.0880.0890.102(m)1.061.61.772.04故==1.06m通过上面两个方案的对比，方案一比方案二的开挖量大，成本高。故选用方案二，最终确定水轮机型号为HL240/D41，=2m，=333.3。1.15确定水轮机的安装高程对立式机组：式中：电站下游水位，已知：=509.8m；Hs——水轮机允许吸出高度，Hs=1.06m；b0——导叶高度。式中：——导叶的相对高度，由中小型混流式水轮机模型转轮主要参数表可知：=0.25。计算得：=511.11m。1.16计算水轮机的飞逸转速混流式水轮机飞逸转速的计算公式为：式中：原型机的飞逸转速；模型机最大可能开度的单位飞逸转速，由中小型混流式水轮机模型转轮主要参数表，可知：=146.7r/min；最大水头，=78.2m。计算得，=648.6r/min。1.17计算轴向水推力对于混流式水轮机：式中：轴向水推力，tf（1tf=9.81kN）；转轮直径，=2m；轴向水推力系数，由中小型混流式水轮机模型转轮主要参数表，可知：k=0.33。计算得：。1.18估算水轮机的质量G水轮机的质量G（不包括调速器、油压设备及其他的辅助设备时）可按下式计算：式中：G水轮机质量，t；H水头，取H=Hmax=78.2m；k系数，由混流式水轮机的值表，查得：k=8.1；a与直径有关的指数，查得混流式水轮机的值表，查得：=1.98；b与水头有关的指数，查混流式水轮机的值表，查得：b=0.16计算得：G=62.32t。1.19绘制水轮机运转综合特性曲线在内取5个水头，并计算各个水头对应的模型单位转速，其计算公式为：式中：HiHmin~Hmax内取的5个水头，包括及一个任意水头；单位转速修正值，=0。Hmax=78.2m加权平均水头：Hpj=72.5m最小工作水头：Hmin=60.60m设计工作水头：Hr=70.3m当H1=Hmax=78.2m计算得：75.4r/min；当H2=Hr=70.3m，计算得：79.5r/min；当H3=Hpj=72.5m，计算得：78.3r/min；当H4=65m，计算得：82.7r/min；当H5=Hmin=60.6m，计算得：=85.6r/min。1.19.1绘制各水头H下，工作特性曲线的水平线，取该水平线与各等效率线的交点，读出各点对应的，并将数据记入表1.17。表1.17HL240/D41水轮机运转综合特性曲线计算表HiHi=78.2mHi=72.5mn,1t=nrD1/75.478.3n,1m=n,1t-Δn,175.478.3工作特性曲线P=(L/s)P(kW)(L/s)P(kW)0.880.90.8195370.880.90.82178760.890.90.83202690.890.910.85185300.90.920.85209890.90.920.89196180.910.930.89222180.910.930.91202790.910.931252350.910.931.02229780.90.921.04259620.90.921.06236220.890.911.08266680.890.911.09240270.880.91.105269850.880.91.1224417HiHi=70.3mHi=65mn,1t=nD1/79.582.7n,1m=n,1t-Δn,179.582.7工作特性曲线P=(L/s)P(kW)(L/s)P(kW)0.880.90.84174850.880.90.85157300.890.910.87181090.890.910.91168400.90.920.9189420.90.920.94175890.910.930.93197880.910.930.96181600.910.931.03221540.910.931.04198870.90.921.07227670.90.921.07202410.890.911.1231510.890.911.120582HiHi=60.6mn,1t=nD1/85.6n,1m=n,1t-Δn,185.6工作特性曲线P=(L/s)P(kW)0.880.90.92153260.890.910.94158330.90.920.97165180.90.921.06180500.890.911.118528在绘制工作特性曲线时，有些最高效率点不易找出。在作等效率曲线时，其拐点也不易找到，此时都应借助于辅助曲线。由在HL240/D41模型特性曲线上的等效率曲线上作等效率曲线的切线，读出此时切点的单位转速值，再根据计算出与之对应的水头H。图1.9各H下，工作特性曲线1.19.2绘制各水头H下，关系曲线先根据表1.17的数据，绘制辅助曲线，如图1.10所示。图1.10各H下，辅助曲线在HL240/D41转轮综合特性曲线上，分别作5个水头下对应的线，读出该线与线的每个交点对应的，，值，然后根据公式：，式中查得空化系数修正值与水头的关系图。然后分别代入不同的，，，计算出各个对应的。数据记入表1.18。表1.18等吸出高度曲线计算表HiHi=78.2mHi=72.5mn,1t=nD1/75.4078.30n,1m=n,1t-Δn,175.4078.30Δσ0.020.02吸出高度曲线的计算σQ'1P/kWσ+σHs/mσQ'1P/kWσ+σHs/m0.090.77190000.110.830.090.82180000.111.460.091.04262000.110.830.091.04237000.111.460.101.10270200.120.050.101.10248000.120.730.111.15274000.13-0.740.111.15250000.130.00HiHi=70.3Hi=65n,1t=nD1/79.5082.70n,1m=n,1t-Δn,179.5082.70Δσ0.020.02吸出高度曲线的计算σQ'1P/kWσ+σHs/mσQ'1P/kWσ+σHs/m0.090.84176000.111.700.100.79150000.121.630.091.03222000.111.700.101.06204000.121.630.101.10234000.120.990.111.13210000.130.980.111.14238000.130.29HiHi=60.6n,1t=nD1/85.60n,1m=n,1t-Δn,185.60Δσ0.02吸出高度曲线的计算σQ'1P/kWσ+σHs/m0.100.921540011.09186000.131.550.121.16192000.140.95根据表1.18中的数据，绘制所选水头下的等吸出高度线，见图1.11。图1.11各H下，等吸出高度线及等吸出高度线绘制1.19.3绘制水轮机运转综合特性曲线(1)绘制等效率曲线在图1.11各H下，工作特性曲线中分别令，这里=0.90，0.91，0.92，0.93，作的水平线，每条水平线与5个不同H下的曲线有多个交点，分别记下这几个交点对应的H和N，然后在水轮机运转综合特性曲线上描出对应的多个（），再把各点用光滑曲线连接起来，即得到真机的等效率曲线。(2)绘制等吸出高度线在图1.11中，分别令，作=1m，1.5m，1.7m的水平线与各H下，等吸出高度线的交点，分别记下各个交点对应的H和N，在水轮机运转综合特性曲线上描出对应的点，然后把点用光滑曲线连接起来，从而得到真机的等吸出高度线。(3)绘制功率限制线水轮机的功率限制线由2部分组成。在设计水头到最大水头范围内，水轮机功率受发电机额定容量的限制，所以这一段功率限制线为一条垂直线；在设计水头到最小水头范围内，水轮机功率受水轮机的最大过流能力限制。此时，导叶开度已达最大，所以功率限制就是5%功率储备线。在下，根据公式Pmin，式中：为最小水头对应的=85.6r/min与HL240/D41模型转轮综合特性曲线上的5%功率限制线的交点所对应的流量=1.1m³/s，为该点对应的与之和，计算出Pmin=18.53MW，于是在H-N坐标图上，得到B点。连接AB即为设计水头的功率限制线。再根据前面算出的，找到点A，然后，通过A点作线的垂线，即为发电机的功率限制线。此次设计水轮机机型为HL240/D41-LJ-200，运转综合特性曲线见图SLP-01。2水轮机导水机构运动图的绘制2.1导水机构的基本类型按照水流在水轮机导叶中的流动方向分为：(1)径向式导水机构：水流沿着垂直于水轮机轴线的平面径向地流过导叶。此时由于导叶轴线均布在水轮机同心的圆柱面上，故又称圆柱式导水机构。其导叶传动机构为平面运动机构，结构较简单。(2)斜向式导水机构：水流沿着以水轮机轴为中心线的圆锥面斜向地流过导叶。此时由于导叶轴线均布在水轮机同心的圆锥面上，故又称为圆锥式导水机构。这种导水机构主要用于斜流式水轮机和灯泡式水轮机。其导叶传动机构不是平面运动机构，致使机构较复杂。(3)轴向式导水机构：水流沿着与水轮机同心的各个圆柱面轴向地流过导叶。此时由于导叶轴线位于半径方向上，故又称圆盘式导水机构。这种导水机构主要用于全贯流式水轮机，其功用和缺点与斜向式导水机构较相似，且因导叶的排挤使流速大为增加，造成较大的水力损失，性能不如斜向式导水机构优越。本次设计采用的是径向式导水机构。2.2导水机构的作用导水机构的作用是：①形成或改变进入转轮的水流环量。②协同引水室向转轮均匀引水。③按电力系统所需要的功率调节通过水轮机的过流量。④导叶在关闭位置时能使水轮机停止转动，并在机组甩负荷时防止发生飞逸。2.3导水机构结构设计的基本要求在导水机构结构设计中，许多结构尺寸和传动关系决定了导水机构的传动运动关系，以达到设计要求。因此，水轮机导水机构运动关系图是结构设计中非常的。在结构上导水机构应满足以下要求：①导水机构过流部件应与模型水轮机过流部件保持几何相似。②导叶的最大开度和最大可能开度要可靠，以保证水轮机有足够的过流能力。③在导叶全关状态下，导叶与导叶之间的间隙（立面间隙），导叶上端面与顶盖的间隙以及导叶下端面与底环的间隙（端面间隙）要合理，要求既能保证机组可靠地停机和水轮机的调相运行，又能便于导叶的安装及调整。④导水机构中应有安全保护装置，如设置剪断销防止导叶被异物卡住而引起主要传动部件的破坏。⑤导水机构应转动灵活，各部件之间的摩擦面应有良好的润滑。⑥导叶应具有足够的强度和刚度。⑦对多泥沙河流中的水轮机导水机构，应在结构设计及材料选择上采取措施，以减小泥沙磨损。2.4导水机构运动图绘制的目的水轮机在进行负荷调节时，导水机构各运动部件（导叶、连杆、拐臂、控制环、推拉杆、接力器等）所在位置与导叶开度之间的关系图，称为导水机构运动图。绘制导水机构运动图有以下目的：①确定最大可能开度下所需的接力器行程，从而最终确定各传动机构的尺寸参数；②确定最大可能开度下的接力器行程Smax，绘制接力器行程S与导叶任意开度的关系曲线，并检查导水机构运行时的均衡性（即各曲线是否连续光滑）③确定不同导叶开度下的β，λ值，并绘制β=f(),λ=f()曲线。④确定控制环大耳孔、小耳孔的相对位置及相应的推拉杆位置。⑤确定导叶限位块的位置，检查传动件在不同位置下是否相撞，尤其是在剪断销断裂时是否会造成连杆与导叶臂相撞。限位块一般位于底环上（为了减少水力损失及提高水轮机的抗空蚀能力，现在更多地把它设计在非过流部件上），其位置的确定是在导叶最大可能开度下推一个适当的距离△。⑥导叶关闭时，相邻导叶间的密封位置及导叶端面密封条的分布圆直径，或端面密封所需的最小平面尺寸。⑦确定固定导叶的布置位置。2.5导水机构运动图的绘制步骤2.5.1确定真机基本结构及布置导叶图(1)确定真机导水机构尺寸参数：及真机导叶形状尺寸。本次设计采用正曲率导叶导叶相关尺寸见表2.1。表2.1导叶叶形断面尺寸表(单位：mm)由非对称导叶叶形断面尺寸系列表可知：mm，及如图3.1中所示的导叶叶形断面尺寸见表2.1：（单位：mm）真机导水机构的装配尺寸，根据导水机构装配尺寸系列表得到以下参数，见表2.2。表2.2真机导水机构装配尺寸mmmmmmmmmmφ=22°α=9°确定了以上参数后，即可根据实际情况选取合适的比例，计算出对应的各个参数值并绘制导叶断面型线示意图，见图2.1。图2.1导叶断面型线示意图(2)对于中小型机组，需简化结构，模型与真机之间的几何相似。绘图时旋转导叶，使开度达到指定的开度大小时，即为指定开度下的导叶开度下。分别做出开度下的HL240/D41水轮机导水机构运动图。2.5.2确定β，λ值β为连杆与控制环小耳孔所在圆周切线方向的夹角，λ为连杆与导叶转臂夹角。将导叶置于全关状态，此时要求β=70°~80°，λ90°~100°，否则可适当调整拐臂与连杆的长度，在全关时，拐臂中心线与D0圆周切线夹角为φ0=22°，从而可确定出初始位置。此次设计的导叶开度位置如下所示：（单位：mm）转动导叶，使相邻导叶间的开度等于上述计算出的开度值，量取角度β，λ值，并填入表2.3中。根据表2.3作出β=f(),λ=f()、S=f()曲线及检查光滑性，如图2.2。表2.3导叶运动关系值导叶位置全关25%50%75%/mm055110165220231β/(°)755944362826λ/(°)908584879293S/mm071.5139.6187.7236.3246.4图2.2及其光滑性检查2.5.3确定大、小耳孔的相对位置及接力器行程S首先使导叶处于全关状态，得到小耳孔中心全关位置点A，使导叶处于时，得到小耳孔中心最大可能开度的位置点B，的一半即是小耳孔的中间位置，将A，B两点作射线与大耳孔圆的交点为，则的一半即是大耳孔的中间位置，大耳孔移动的弦长即是接力器行程S。现在更多的是把限位块设计在非过流部件上，其位置的确定是在导叶最大可能开度下外推一个适当的距离△。对于大中型水轮机：△=20~30mm;b.对于小型水轮机：△=0~10mm，本次设计取△=9mm。HL240/D41-LJ-200导水机构运动图见图SLP-02。3水轮机金属蜗壳水力设计3.1蜗壳类型的选择蜗壳的作用是将水流均匀引入导水机构，并形成一定的速度环量。蜗壳分为混凝土蜗壳和金属蜗壳两种类型。其型式的选择主要是根据水电站的水头进行的，最大水头在40m以内的机组，通常采用金属蜗壳，这类蜗壳的断面形状为圆形或椭圆形；当直径D1<3m,通常采用钢板焊接金属蜗壳，端面形状有圆形及椭圆形两种，包角一般为345°360°。金属蜗壳断面形状为圆形，断面面积及半径随着由进口到尾部流量的减少而减小。设计中在临界包角时，由于圆面积小到不能和座环蝶形边连接，因此这部分断面形状由圆过渡到椭圆。良好的蜗壳设计使蜗壳中水流流动损失最小，同时还要合理地选择参数。因为本次设计的最大水头为：=78.2m，D1<2m所以采用金属蜗壳包角为345°。3.2金属蜗壳的水力设计计算金属蜗壳进行水力计算，就是在给定设计水头，设计流量，导水机构高度及座环尺寸的条件下，确定蜗壳各断面的形状和尺寸，并绘制出蜗壳的单线图，列出蜗壳断面尺寸表，以便制造及作为蜗壳强度计算和水电站厂房设计的依据。3.2.1设计参数HL240/D41-LJ-200，=2m，=78.2m，=32.57m³/s，=0.25。3.2.2确定蜗壳包角及进口断面平均流速取=345°，流速系数=0.87，==7.3m/s。3.2.3根据座环结构确定连接尺寸图3.1蜗壳与座环的连接结构尺寸图由、查金属蜗壳座环尺寸系列表得：=3.4m、=2.85m、=0.1m、=0.2m=/2=1.7m=/2=1.425m=+=1.8m==0.5m=+0.01=0.51m=×(1-cos)=0.1706m=0.6806m3.2.4蜗壳进口断面参数计算=1.167m=2.916m=4.083m3.2.5求蜗壳常数C=3.933.2.6求临界包角==100.8°3.2.7当时按椭圆断面公式计算图3.2椭圆断面的计算图=0.4154m3.2.8当时按圆断面公式计算图3.3进口断面及圆形断面的计算，3.2.9编写Excel表格计算蜗壳断面尺寸表3.1蜗壳断面尺寸计算表（单位：m)断面号(°)13450.2441.80.8780.1160.8731.1171.2481.1682.9174.08423300.2331.80.8400.1160.8511.0841.1751.1362.8844.02033150.2231.80.8020.1160.8281.0511.1041.1042.8513.95543000.2121.80.7630.1160.8051.0171.0341.0722.8173.88952850.2011.80.7250.1160.7810.9820.9651.0392.7823.82262700.1911.80.6870.1160.7560.9470.8961.0062.7473.75372550.1801.80.6490.1160.7300.9100.8290.9722.7103.68282400.1701.80.6110.1160.7040.8730.7630.9372.6733.61092250.1591.80.5730.1160.6760.8350.6970.9022.6353.537102100.1481.80.5340.1160.6470.7960.6330.8652.5963.461111950.1381.80.4960.1160.6170.7550.5700.8282.5553.383121800.1271.80.4580.1160.5850.7120.5070.7892.5123.302131650.1171.80.4200.1160.5520.6680.4470.7502.4683.218141500.1061.80.3820.1160.5160.6220.3870.7092.4223.131151350.0951.80.3440.1160.4770.5730.3280.6662.3733.039161200.0851.80.3050.1160.4360.5200.2710.6222.3202.942断面号(°)171050.0912.11539E-050.2210.5611.0690.5620.5842.1772.76018900.0781.55416E-050.1900.5130.9080.4840.5602.0822.64219750.0651.07928E-050.1580.4620.7520.4030.5361.9832.51820600.0526.90739E-060.1260.4070.6020.3170.5101.8782.38921450.0393.88541E-060.0950.3470.4590.2270.4831.7682.25222300.0261.72685E-060.0630.2770.3220.1310.4541.6512.10523150.0134.31712E-070.0320.1910.1950.02660.4231.5241.9473.2.10绘蜗壳单线图根据表3.1金属蜗壳的参数和断面尺寸绘制蜗壳单线图，见图SLP-03。4尾水管单线图的绘制4.1尾水管概述尾水管是水轮机过流部件的一部分。水流流经转轮，完成了能量交换后，将从转轮的出口边流出转轮，水流被引入尾水管再流向下游。尾水管的作用是将水流引向下游外，还可以回收一部分水流能量，使水轮机能多发一些电。装置了尾水管，能够使水轮机转轮出口水流能量有所降低，增加了转轮前后的能量差。尾水管的形状对不同比转速水轮机的性能存在不同程度的影响，尤其对高比转速水轮机影响更为明显。4.2尾水管的基本类型尾水管主要分为3种：直锥形、弯肘形和弯形尾水管。(1)直锥形尾水管。当尾水管的轴线为直线时，称为直锥形尾水管。这是一种最简单的扩散形尾水管。这种尾水管广泛地使用在中小型水电站中（转轮直径在D1＜0.50.8m）。(2)弯肘形尾水管。当尾水管的中心线具有90°或接近90°的转弯时，则称为弯肘形尾水管。它由三部分组成：进口锥管，肘管段及出口扩散管。进口锥管是一竖直的圆锥扩散管。肘管是一个90°的弯管，它的进口断面为圆形，出口断面为矩形。出口扩散管是一个水平放置的断面为矩形的扩散管。几乎所有大、中型立式水轮机都使用这种尾水管，因为对于大型水轮机组，如采用直锥形尾水管，将会带来巨大的挖深，因而是不经济的。因此，尽管弯肘形尾水管的水力损失大些，水力性能不如直锥形尾水管，但由于挖深较小，大型水轮机仍全部采用弯肘形尾水管。(3)弯形尾水管这种尾水管一般适用于卧式水轮机。本次设计采用的就是弯肘形尾水管。4.3弯肘形尾水管中的水流运动水流由转轮流出后首先进入直锥管，然后进入肘管，并在肘管中改变流向，经扩散管流向下游。本设计按HL240/D41水轮机尾水管流道尺寸相似换算绘制出了尾水管单线图，见图SLP-04。5混流式水轮机结构设计5.1概述混流式水轮机结构简单，高效率区宽，可以在很大的水头和流量范围内有效而可靠地工作。混流式水轮机的结构，由于布置方式、单机容量、应用水头的不同，会有不同程度的差异。混流式水轮机的主要部件有主轴、转轮、导轴承、导水机构、座环、基础环、蜗壳、尾水管、止漏装置、减压装置、密封装置等。位于水轮机中心的是转轮及与其直接相连的水轮机主轴，在转轮四周布置着导水部件的导叶，导叶与其上面的控制机构相连结。导叶的下轴颈装在其下面的底环内，而底环安装在座环的下环上。导叶的上轴颈装在顶盖内，顶盖被安装在座环的上环上，它将转轮盖住。5.2水轮机主轴的设计水轮机主轴是水轮机转动部分的一个重要部件，通过它，将水轮机转轮的机械能传递给发电机，它把水轮机产生的扭矩传给发电机轴，同时承受转轮的轴向水压力及转动部件的重力。主轴由上法兰，轴身和下部法兰三部分组成。主轴的毛坯通常采用ZG45整锻。根据生产条件和技术经济比较，也可以采用铸造法兰、锻造轴身并用环形电渣焊接的主轴，也可以采用钢板卷焊的大型薄壁轴轴身结构。大型水轮机主轴都采用空心轴，这不仅可以消除轴心部分材料组织疏松等材质缺陷，便于进行轴身质量检查，同时在结构上也有这个需要。主轴两端的法兰应尽可能的小，以免增加法兰根部的弯曲应力，同时减少锻造的困难。但由于在法兰上布置有联轴螺栓孔，法兰尺寸必须满足其布置要求。为便于安装时对准中心，法兰两端车有凸凹止口，止口的配合间隙不超过0.020.06mm；止口与轴颈要同心；法兰端面与轴线要垂直，不允许有凸起；法兰端面的不平度不能大于0.03mm。主轴轴颈的结构与导轴承型式有关，对于本次设计采用稀油润滑的筒式导轴承，与主轴接触部分的轴颈处直接精加工便可。主轴外径尺寸可根据机组的扭矩初选。主轴扭矩按下式计算:式中：—主轴传递最大功率，=21270kW；n—主轴转速，n=333.3r/min。计算得：M=0.609。水轮机主轴选取ZG45，主轴直径为415mm的厚壁轴。即：D0=415mm,Dp=430mm。此次水轮机设计，主轴与转轮采用了螺栓加键的连接方式。5.3水轮机金属蜗壳的设计蜗壳分为混凝土蜗壳和金属蜗壳两种类型。其形式主要是根据水电站的水头进行的，对于水头大于40m的水轮机，由于强度需要，一般采用金属蜗壳。金属蜗壳按其制造方法有焊接和铸造两种结构型式。在厂房的基础上设有若干个均布的支墩用以安放蜗壳，并用千斤顶支撑和拉杆拉紧，把蜗壳牢固地固定在基础上，以免浇注混凝土时蜗壳位置变动。本次设计采用的是金属焊接蜗壳。5.4水轮机转轮的结构设计转轮是水轮机的心脏，它的设计、制造的优劣直接影响水轮机的出力、效率和运行稳定性、可靠性以及使用寿命。5.4.1混流式转轮的组成混流式水轮机转轮基本上都是由上冠、叶片、下环、止漏环、泄水锥和减压装置等组成。(1)转轮上冠上冠位于转轮的上部，外形近似一个倒锥形，其边线叫上冠的型线。上冠中间部分为上冠法兰，与主轴相连。在上冠的外缘上部装有上部转动止漏环。在上冠法兰外围开有几个减压孔，其目的在于将转轮前后的水连成通路，从而减小作用在转轮上的轴向水推力。上冠的下部装有空心的泄水锥，上冠的外侧锥面均布着转轮叶片，叶片的下部与下环相连。(2)转轮叶片叶片是组成转轮最重要的部分，是直接将水能转换为机械能的部件。叶片上端与上冠相连，下端与下环连成一整体。叶片自上而下呈扭曲状，其断面形状为翼型。叶片数一般为1024片，通常采用1418片（本次设计选用16片），叶片的形状、光洁度和厚度，以及叶片数目，对转轮的性能影响很大，尤其对效率和气蚀的影响更大。叶片的材料多采用低合金钢和不锈钢，如ZG20MnSi、ZG1Cr13、ZG0Cr13Ni6等。本次叶片材料采用的是ZG20MnSi。(3)转轮的下环下环位于叶片下端，将叶片连成整体，增加转轮的强度和刚度，与上冠形成过流通道，在下环的轮缘上，安装有下部转动止漏环。下环的材料多为一般低合金铸钢。本次设计采用的是ZG20MnSi。(4)止漏环止漏环由两部分组成，一部分为固定部分，另一部分为转动部分。为防止水流向上和向下漏出，每一个水轮机都装有上、下两道止漏环。上止漏环的固定部分装在顶盖上，转动部分装在上冠上；下止漏环的固定部分装在座环或底环上，转动部分装在下环上。止漏环也称为迷宫环，它的作用主要是用来减小转动部分与固定部分之间的漏水损失。止漏环一般由忽大忽小的空间或直角转向构成，水流流经止漏环时，受到很大的局部和沿程阻力，使水流不易通过，从而达到减小漏水损失的目的。(5)泄水锥泄水锥外形为锥体形，用螺栓连接在上冠的下方，用以引导由叶片出来的水流顺利地向下泄，防止水流相互撞击和向上旋转所造成的水力损失，提高水轮机的效率。泄水锥的材料，中小型机组一般ZG30铸造，此次材料用ZG30。(6)减压装置减压装置一般分为两部分，均为环形减压板，分别装在顶盖下面和上冠的上方，用来减小作用在转轮上的轴向水推力，以减轻推力轴承的负荷。5.4.2止漏环结构对不同水头的水轮机，所采用止漏环的型式也不一样。按止漏环构成的间隙形状的不同，止漏环可分为四种型式，即间隙式、迷宫式、梳齿式、阶梯式。①间隙式止漏环间隙式止漏环，其间隙一般为0.001，其止漏效果较差，但与转轮的同心度高，制造、安装方便，抗磨性能好，一般应用在多泥沙的电站。②迷宫式止漏环迷宫式止漏环一般间隙为0.005，止漏效果较好，与转轮同心度高，制造、安装均较方便，一般应用在H<200m的水质清洁的水电站。③梳齿式止漏环对于高水头H＞200m混流式水轮机，需要采用梳齿式止漏装置。④阶梯式止漏环阶梯式止漏环，其间隙一般为0.0005，它具有迷宫式及梳齿式止漏环作用，止漏效果好，与转轮同心度易保证，本身刚度高，安装、测量均较方便，多用在H>200m的水电站。本次设计采用的是迷宫式止漏环。5.4.3混流式转轮的结构型式由于转轮的应用水头和尺寸大小不同，它们的构造型式和制造材料及方法都有所不同，归结起来基本可以分为整铸、焊接、和组合三种结构型式。本次转轮设计采用整铸结构。5.5导水机构设计5.5.1导水机构的结构型式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，正常与事故停机时，封住水流，停止机组转动。导水机构中应保证足够的强度和刚度，导叶操作机构动作灵活可靠，能使导叶获得最大的操作力矩。导叶关闭后还应有可靠的封水性能，减少漏水损失。导水机构主要由导叶、导叶操作机构、环形部件和轴套、密封等部件组成。5.5.2导叶传动机构型式导叶的传动机构型式最常用的有两种：叉头传动机构和耳柄传动机构。叉头传动机构受力情况较好，适于大、中型机组采用。耳柄式结构简单、工艺性好、加工、制造比较方便，成本比较低，但其受力条件没有叉头式好。1—导叶臂；2—耳柄；3—剪断销；4—旋套；5—连杆销图5.1耳柄传动结构本次设计采用的是耳柄传动机构，其结构如图5.1所示，主要由导叶臂、分半键、端盖、耳柄、旋套、连接销、剪断销和轴套组成。为了转动导叶，在结构上必须考虑导叶的支点所用轴承的型式。导叶受力较大，在大中型水轮机中均采用三个轴承。导叶用三个轴承（轴套）来支承，其中一个轴套装在底环上，其他两个轴套装在圆形套内，此套筒用法兰固定在水轮机的顶盖内。轴承套的材料取决于润滑的方式，如采用油润滑。5.5.3导水机构的止漏装置导水机构的止漏装置包括导叶轴承的止漏和导叶在全关闭时为防止蜗壳中的水流入下游而装置的导叶与导叶之间和导叶与上下环之间的止漏设备。导叶上轴颈和中轴颈密封目前采用“L”型密封，如图6.2(a)所示。实践证明，这种结构封水性好，结构简单。“L”型密封圈用套筒压紧在水轮机顶盖上，“L”型密封圈与导叶轴颈之间靠水压贴紧封水。导叶下轴颈在采用工业塑料的润滑轴承时，为了防止泥沙进入轴承发生轴颈磨损，一般需采用“O”型橡胶密封圈进行密封。密封结构如图6.2(b)。为了导叶在调整下部端面间隙后仍保证密封圈有一定的压缩量，设计时对放置“O”型圈槽的尺寸，应按规定选定。本次设计采用O型密封。图5.2(a)“L”型密封图5.2(b)“O”型密封为了减少漏水，必须提高导叶的加工精度，使导叶上下端面和顶盖、底环之间，导叶与导叶之间的间隙尽可能的小。但即使工艺达到规定的要求，而机组安装投产后由于温度变化和厂房变形等因素，亦可能造成导叶装配间隙增大或导叶卡住现象。一般中型机组的总端面间隙不小于0.50.6mm，而大型机组则不大于11.5mm。5.5.4导水机构接力器接力器是导叶传动机构中的动力部件，当水轮机负荷发生变化时，由调速器主配压阀控制的压力油进入接力器的油缸推动接力器活塞。当活塞移动时，通过推拉杆转动控制环。控制环再通过连杆、转臂使导叶转动。本次设计导水机构直缸接力器布置在机坑内，导水机构控制环由两个布置在水轮机机坑内的接力器来操纵，工作时一个接力器产生推力，另一个接力器产生拉力，一推一拉可转动控制环，这种布置型式结构简单、制造方便、运行可靠。5.5.5导叶的结构和材质水轮机的导叶，由导体和上、下轴组成。上轴上部有键槽和调节螺钉孔。其结构分为铸、焊两种。随着焊接技术的发展，大、中型水轮机导叶，采用锻焊结构越来越多。将热压成型的弧形板拼焊起来，再与锻轴焊为整体。铸造导叶多用ZG30、ZG20MnSi，较高水头，用不锈钢整铸最为理想。为防锈、耐磨起见，轴颈可镀铬。本次设计中，固定导叶采用的是材料是Q235，活动导叶采用ZG20MnSi。5.6水轮机导轴承结构设计5.6.1概述水轮机导轴承的作用，一是承受机组在各种工况下运行时由主轴传来的径向力，二是维持已调好的机组轴线位置，提高机组运行的稳定性。导轴承是水轮机的重要组成部分，它的工作质量直接影响水轮机的运行。导轴承的维护、检修是水轮机的主要维护、检修项目。导轴承设计时应注意以下问题：(1)应尽量使轴承布置位置靠近转轮；(2)合理的供油系统和带油结构；(3)合理的循环油路；(4)润滑油应得到充分的冷却；(5)结构要便于安装、检测和维修。5.6.2导轴承的结构型式水轮机导轴承随机组布置形式分横轴和立轴两大类。横轴导轴承结构基本上是通用的径向稀油润滑滑动轴承；立轴导轴承结构型式有水润滑橡胶轴承、稀油润滑筒式轴承及稀油润滑油浸式轴承等。(1)水润滑橡胶轴承水润滑橡胶轴承利用清洁水润滑，轴承体上镶有6~12块橡胶轴瓦，用螺钉把合，磨损后允许背面加垫调整，也可以单独更换，润滑水箱上部采用橡胶平板密封，便于检修与维护。这种轴承使用在电站水质干净，有清洁水源。(2)稀油润滑筒式轴承筒式轴承采用稀油润滑，利用油盆旋转产生油压，经轴承体下部侵油盆的径向孔和轴瓦面上的斜油槽自循环润滑。它具有结构简单，平面布置紧凑，运行可靠，刚性好，避免了水润滑橡胶轴承的缺点，轴瓦采用巴氏合金直接浇注在轴承体上，轴承体由24瓣组成筒式。这种轴承用于1100mm较为合适。本设计中采用稀油润滑筒式轴承，如图5.3所示。1—油箱盖2—油箱3—冷却器4—轴承体5—回油管6—转动油盆7—浮子信号器8—温度信号器9—油盆盖图5.3稀油润滑筒式轴承5.6.3密封装置水轮机密封有两种：工作密封和检修密封。(1)工作密封a.橡胶平板密封橡胶平板密封是利用橡胶平板与固定在主轴上的动环形成端面接触，靠水压压紧接触面进行密封。这种密封性能较好，检修方便，有单层和双层平板密封两种。前者，一般用作水润滑轴承的上部密封，后者用作稀油润滑轴承的下部密封或用于正常下游水位比轴承密封位置高的水润滑轴承上部密封。密封面的一侧是铺焊有不锈钢的钢板，密封部位的加工光洁度不应低于7。另一侧是厚810mm的中硬耐油耐磨橡胶板。接触宽度B一般取2530mm，接触面的安装间隙一般取11.5mm。用于水轴承上部密封的单层平板密封，其封水压力一般取11.5kgf/。b.水压端面密封水压端面密封的静环为橡胶环（或尼龙环），在环的底部开有润滑水孔。这种密封的接触压力、补偿压力和润滑液膜都靠外引的清洁压力水来形成。橡胶环和缸壁的配合要适当，既能形成水压又能使橡胶环移动，起到补偿作用。本次采用的正是水压端面密封。(2)检修密封当下游水位高于轴承密封（即水轮机允许吸出高度为负值）时，设有检修密封，供停机或检修轴承及其密封时使用。此次设计采用了心形密封检修密封和水压断面工作密封，如下图。图5.4水压式端面密封和检修密封装置5.7水轮机的辅助装置5.7.1混流式水轮机的补气装置混流式水轮机的补气方式分为二类：一类是自然补气，大部分水轮机均采用此种方式；另一类是强迫补气（即压缩空气或射流泵补气），尾水管内压力较高，自然补气不能补入时采用此种方式。1—尾水管2—补气管3—补气筒图5.5尾水管补气装置补气的位置，常见的有三处。一是主轴中心孔补气；二是尾水管补气；三是顶盖补气。一些试验表明，水轮机在不稳定工况区运行时，尾水管最低压力区分布在距管壁1/41/8D之间。因此补气入口应设在这个范围内。如在主轴中心孔补气，则应在泄水锥外锥面壁上开通气孔，改善补气效果。尾水管补气装置有十字架补气装置及短管补气装置两种结构型式。本次设计采用十字架补气装置。5.7.2真空破坏阀当水轮机转轮区出现(0.10.15)kgf/低压，当导水机构因事故而快速关闭时，由于水流的惯性和转轮的水泵作用，在导叶后面的转轮室内，可能产生较高真空，引起下游尾水反冲而产生很大的冲击力或出现抬机现象，严重时可将机组的主要部件损坏。真空破坏阀就是紧急关闭导叶时向顶盖下部补充空气，破坏真空以减少上述有害的冲击力或抬机现象，而起到一定的保护作用。大中型水轮机中真空破坏阀均装在顶盖或支持盖