毕业设计论文-混流式水轮机

白山水电站水轮机结构设计
摘要
水轮发电机组是将水能转化为电能的核心设备，水轮机结构设计得是否合理就成为电站能否有效运行得关键。

本设计的主要内容为白山水电站水轮机结构设计。

白山水电站位于吉林省桦甸市老恶河哨口，第二松花江上游，是国家电力公司东北公司直属的梯级水力发电厂，国家特大型企业。

白山发电厂介于东北电网南网、北网之间，地理位置适中，在东北电网中担负调峰、调频和事故备用任务，目前是东北电网装机容量最大的水电厂。

这次设计的主要内容有三部分。

第一部分是对水轮机进行总体结构的设计。

第二部分是对导水机构进行设计。

第三部分则是对主要部件进行强度校核。

在本次毕业设计中，所有的图纸都采用AutoCAD软件进行绘制。

关键词：白山水电站；水轮机；结构设计；强度校核
The Structural Design of Hydraulic Turbine for Baishan Hydraulic Power Station
ABSTRACT
The water-turbine generator set transforms the hydro energy as the electrical energy core equipment, the hydraulic turbine structural design whether reasonable becomes the power plant whether effective movement to result in the key.
This design primary coverage Baishan hydroelectric power station hydraulic turbine structural design. The Baishan hydroelectric power station is located on Lao’e river sentry post mouth in Huadian city of the Jilin Province, upstream the second Songhua River, is the stave hydro-electric power station which SGCC Northeast Corporation subordinates, National Extra large type Enterprise. The Baishan power plant is situated between south and north of the northeast electrical network, the geographical position is moderate, shoulders in the northeast electrical network adjusts the peak, the frequency modulation and the accident spare duty, at present is the biggest hydroelectric power plant installed capacity in northeast electrical network. This design primary coverage has three parts. The first part carries on the design of the overall structure. The second part carries on the design of the water organization. The third part carries on the intensity checking of the major component.
In this graduation project, all blueprints use the AutoCAD to carry on the plan.
KEYWORD: Baishan hydro-power station; hydraulic turbine;
structural design; ntensity checking
目录
摘要 (1)
ABSTRACT (2)
目录 (3)
1 绪论 (5)
1.1选题的目的和意义 (5)
1.2白山水电站的基本情况 (5)
1.3基本参数 (6)
1.4毕业设计具体内容 (6)
2水轮机总体结构设计 (7)
2.1转轮流道尺寸 (7)
2.2导叶高度及分布圆直径 (8)
2.3主轴直径 (8)
2.4主要部件结构 (9)
2.4.1转轮 (9)
2.4.2接力器 (11)
2.4.3导叶 (12)
2.4.4座环 (19)
2.4.5顶盖 (20)
2.4.6底环 (20)
2.4.7 基础环 (21)
2.4.8主轴 (21)
2.4.9水导轴承 (23)
2.4.10主轴密封 (23)
2.4.11控制环 (24)
2.4.12 补气装置 (25)
3导水机构传动系统设计 (27)
3.1导叶开度 (27)
3.2导水机构运动系统的设计 (28)
3.2.1导水机构的装配尺寸 (28)
3.2.2导水机构的配合公差与间隙 (28)
3.2.3导水机构的传动部分 (29)
4 强度校核 (36)
4.1主轴的强度校核 (36)
4.1.1基本参数的定义 (36)
4.1.2轴身应力的计算 (36)
4.1.3薄臂轴法兰与轴身联接处应力的计算 (37)
4.2导叶强度计算 (42)
4.2.1 基本参数的意义： (42)
4.2.2 导叶上的作用力计算： (43)
4.2.3 各断面惯性矩、断面模数计算： (44)
4.2.4 挠度计算： (45)
4.2.5 各支反力及其应力计算： (47)
4.2.6 导叶轴颈C的最优间隙确定： (49)
4.2.7 按选定的挠度值，复核若干断面应力： (50)
致谢 (52)
参考文献 (53)
1 绪论
1.1选题的目的和意义
作为一名即将毕业的大学生，毕业设计是大学学习的最后一个重要的综合性教学环节，撰写毕业论文，主要有两个方面的目的：一是对所学知识进行一次全面的考核。

二是进行科学研究基本功的训练，培养综合运用所学知识独立地分析问题和解决问题的能力，为以后从事工作打下良好的基础。

具体说来，毕业设计可以巩固学习的内容，促进各科知识之间相互贯通，同时可以培养动手能力，创新能力，达到理论实践相结合的目的。

在本次《白山水电站水轮机结构设计》设计过程中，可以学习AutoCAD等软件并熟练应用，可以了解新科技进展，了解自己所学知识的优势和不足，为以后的学习打好基础。

同时，完成水轮机结构设计中对混流式水轮机的结构、特点和性能进行总结、归纳和综述，对不同种类的水轮机进行比较，了解不同水轮机结构的优缺点，适用条件，应用到现实工程当中对现有设备进行创新、改良。

1.2白山水电站的基本情况
白山水电站位于吉林省桦甸市老恶河哨口，第二松花江上游，是国家电力公司东北公司直属的梯级水力发电厂，国家特大型企业。

白山发电厂介于东北电网南网、北网之间，地理位置适中，在东北电网中担负调峰、调频和事故备用任务，目前是东北电网装机容量最大的水电厂。

白山水电站控制流域面积19万平方公里，年径流量74．03亿立方米，为不完全多年调节水库。

白山发电厂总装机170万千瓦，设计年平均发电量23.6亿千瓦时。

其中，白山地下水电站安装了3台30万千瓦混流式水轮发电机组；白山左岸水电站安装了2台30万千瓦混流式水轮发电机组；距白山下游39公里的红石水电站安装了4台5万千瓦轴流定桨式水轮发电机组。

白山电站一期工程于1975年动工兴建，1983年12月30日第一台30万千瓦机组发电。

二期工程于1985年动工，1992年六月机组全部投产
发电。

白山水电站由“一厂、三站”组成，以发电为主，兼有防洪、灌溉、养殖等综合效能。

1.3基本参数
水轮机型号：HL200-LJ-550
额定转速： 125 rpm
单机容量： 306 MW
吸出高度： -4.28 m
设计水头： 112 m
安装高程： 286 m
设计流量： 307ｍ³/ｓ
1.4毕业设计具体内容
（一）根据给定水轮机型号和转轮直径等参数进行水轮机结构设计1）按给定水轮机型号和转轮直径参数，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）确定水轮机主轴尺寸，并进行强度校核计算；
3）根据机组的型式和电站的自然条件进行主轴密封和水导轴承设计；
4）绘制水轮机总装配图；
5）绘制水轮机主要部件的组装图和零件图。

（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设计；
2）绘制导叶布置图；
3）导叶强度计算。

2水轮机总体结构设计
2.1转轮流道尺寸
白山水电站的转轮型号为HL200-LJ-550，根据参考文献[1]第224页混流式水轮机转轮流道尺寸，可查得HL200型转轮模型流道尺寸，再根据白
山水电站转轮标称直径
15500
D mm
得到真机的流道尺寸，计算结果见表2-1和图2-1。

表2-1 转轮流道尺寸（单位：mm）
参数符号数值参数符号数值
D1 D2 D3 D4 D5 Z0 b0 l1 L25500
4955
3025
638
5962
24
1100
286
946
l2
l4
l5
R1
R2
R3
R4
R5
H
1699.5
2112
1518
1518
6178.3
1106.72
275
239
2376
图2-1 转轮流道尺寸
2.2导叶高度及分布圆直径
查参考文献[1]第224页混流式转轮流道尺寸，查得白山水电站导叶相对高度2.0/10=D b ，可得导叶高度为：01100b mm =；查参考文献[1]第133页表8-1，可查得导叶分布圆直径06400D mm =。

由于本机组属于具有全包角蜗壳的低比转速混流式水轮机，所以导叶选择非对称型翼形，导叶数
240=Z 。

2.3主轴直径
主轴的外径尺寸可以根据机组的扭力矩初选，扭力矩按参考文献[1]第319页式（12-1）计算：
n
N
97400
M =（kg ·cm ） （2.1） 式中 ： N ——代表主轴传递的功率（千瓦） n ——代表主轴转速（转/分）
根据原始资料，白山水电站水轮机的参数如下：
N=306MW=3.06×105kW
n=125r/min
所以， )(104.238125
1006.397400
9740065
厘米公斤∙⨯=⨯==n N M 根据参考文献[1]第319页图12-12扭力矩与主轴外径的关系曲线查得
1700D mm =。

主轴内孔直径按参考文献[1]第320页式（12-2）计算：
4max
4496102τn ND
D d -
= （2.2）
式中 ：D ——主轴外径（cm ）
N ——主轴传递的功率（千瓦） n ——主轴转速（转/分）
τmax ——最大许用应力（kg/cm2）
选取主轴的材料为ZG20MnSi,τmax=550kg/cm 2 所以根据主轴内孔直径公式计算得：
)(956550
125170
1006.349610217045
4
厘米=⨯⨯⨯⨯-=d
主轴内径按标准直径系列取为)(1000mm d =。

所以白山水电站主轴外径1700D mm =，主轴内径1000d mm =,材料为ZG20MnSi 。

2.4主要部件结构
2.4.1转轮
混流式水轮机的转轮由上冠、叶片、下环组成。

上冠通常装有减少漏水损失的止漏环，减少轴向水推力的减压装置，它的上法兰面与主轴连接，下部接泄水锥。

下环上也装有止漏装置。

查参考文献[1]第229页表10-5 HL200型转轮系列尺寸,可得白山水电站水轮机转轮尺寸如图2-2和表2-2所示。

图2-2 转轮
表2-2 转轮尺寸（单位：mm）
参数符号数值计算参数数值
D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 D8 D9 5500
5400
2140
1500
1230
1607
2630
5900
6150
H
l1
l2
l3
l4
l5
l6
δ
2920
500
200
1356
210
83.5
350
76.59°
（1）止漏装置
止漏装置的作用是减少机组的容积损失，白山水电站设计水头H=112m，水质较清，所以本文设计中选择迷宫式止漏环，在转轮上采用红套固定。

其结构尺寸如表2-3和图2-3、2-4所示。

图2-3 上冠止漏环图2-4 下环止漏环
（2）泄水锥
泄水锥采用钢板焊接，与上冠连接方式为螺钉把合，选用连接螺钉M42，
连接螺钉数目32个。

2.4.2接力器
白山水电站水轮机的转轮直径为5.5m ，属于大型机组，故采用单导管直缸接力器，布置在水轮机机坑内，操作油压采用P H =40kg/cm 2。

接力器直径
H
c P D b H D
d 1
0max 1
/λ= （2.3）
式中：1D ——转轮直径
max H
——最高水头
10/D
b ——导叶相对高度 H P ——调速系统的额定油压 λ——计算系数
从参考文献[1]中的表查得15.0=λ，P H =40kg/cm2，Hmax=126m ， b 0/D 1=0.2
0.15 5.50.655()c d =⨯=米 根据接力器直径系列取)(700mm d c =,由于其采用单导管型式的直缸接力器，其主要特征尺寸如图2-5和表2-4所示。

图2-5 单导管型式的直缸接力器
2.4.3导叶
导叶的材料采用ZG14Cr5Cu铸造，其强度极限为σ 588MPa。

（1）叶型
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。

非对称形导叶一般使用于具有全包角蜗壳，并工作于较大开度的低比转速轴流式水轮机和中高比转速混流式水轮机中。

白山水电站的水轮机型号为HL200-LJ-550，本设计中采用非对称形的叶形。

根据转轮直径由参考文献[1]查得非对称形导叶叶形断面参数如表2-5和图2-6所示。

表2-5 导叶叶形的断面尺寸（单位：mm）
参数符号数值参数符号数值
D1 D0 Z0 a a1 b b1 c c1 d d1 e
5500
6400
24
110.1
28.6
113.1
50.3
112
68.4
103
77.3
92.9
e1
d0
r
f
Y max
L1
L2
L
m1
m
K
82.5
161.1
60.4
47.73
111.32
475
427
902
60.1
74.8
9
图2-6 导叶翼型图（2）导叶的结构系列尺寸和轴颈选择
按白山水电站水轮机转轮直径D
1=5500mm，使用水头H
1
（指最高水头）
=126m，导叶的相对高度b
0/D
1
=0.2，导叶的轴颈从参考文献[1]中初选轴颈
d b ，选得d
b
=270mm，再根据d
b
=270mm查得导叶结构的其它尺寸如图2-7和
表2-6所示。

图2-7 导叶结构图
表2-6 导叶结构的尺寸（单位：mm）
参数符号数值参数符号数值
d b d a d1 d c d2 d m 270
230
280
250
260
70
h B
h c
h1
h2
h3
h4
300
445
35
265
100
22
d3 d4 h A M56
248
230
H参考
R1
R2
1354
50
40
（3）导叶的密封结构
导叶关闭后，导叶体的立面应良好密封。

白山水电站设计水头为112m，水头较高，本文中其立面采用带压板的橡胶密封。

这种结构较复杂，采用成型三角橡皮条加压板固定（橡皮条不宜突出太多，压板和叶形表面要光滑过度），材料采用不锈钢，其结构尺寸如表2-7和图2-8所示。

表2-7 带压板的橡胶密封（单位：mm）
参数符号数值参数符号数值
a b c h h1 h2
58
40
15
18
27
9
H
d1
R1
R2
R3
θ
22
13
12
4
3
70°
图2-8 带压板的橡胶密封
（4）导叶套筒
导叶套筒是固定导叶上中轴套的部件，本设计中采用HT21-40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。

目前多数采用整体圆筒的模式，因为白山水电站设计水头为112m，所以在导叶套筒上设置导叶止推装置。

本次设计中采用的套筒的尺寸大小如图2-9和表2-8所示。

图2-9 导叶套筒
表2-8 导叶套筒尺寸（单位：mm）
参数符号数值参数符号数值
d b d1 d2 d3 d4 d5 d6 d7 d8270
660
420
270
300
310
560
40
8
d9
d10
h
h1
h2
h3
Z
H参考
445
M24
60
40
270
125
8
980
（5）止推装置
止推装置的形式有很多，本设计中采用在导叶臂上开槽，利用固定于套筒上法兰的止推压板，卡在导叶臂槽内，使导叶臂与导叶受轴向限位，从而限制了导叶向上浮动。

止推压板的材料选为ZQA19-2。

由于受周向结构的影响，止推压板扇面角度设计为30°。

其具体结构尺寸如图2-10和表2-9所示。

图2-10 止推压板
表2-9 止推压板尺寸（单位：mm）
参数符号数值参数符号数值
d1 d2 d3 d4510
445
405
375
d
h
H
b
26
33
78
32.5
（6）导叶轴颈密封及其轴套
导叶轴颈密封多数装在导叶套筒的下端。

目前不少机组中采用“L”型密封，实践证明，封水性能很好，结构简单，本设计中采用“L”型密封，其尺寸大小如表2-10和图2-11所示。

表2-10 “L”型密封尺寸（单位：mm）
参数符号数值参数符号数值
d b d d1 d2270
277
263
320
h
δ1
δ2
22
4.5
4.5
d
图2-11 “L”型密封
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
采用“O”型橡皮圈密封结构，其尺寸大小如表2-11和图2-12所示。

表2-11 “O”型密封圈尺寸（单位：mm）
参数符号数值
d b
270
（6）导叶轴套
导叶轴套大多数都采用铸锡青铜铸造，加注黄油润滑。

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，所以在本设计中采用的是尼龙1010材料。

上轴套尺寸系列如表2-12和图2-13所示。

表2-12 上轴套尺寸（单位：mm）
参数符号数值参数符号数值
d c d1 d2 d3 d4
250
250
270
269.6
270
h
h1
h2
δ′
310
8
12
1.0
图2-13 上轴套
中轴套尺寸系列如表2-13和图2-14所示。

表2-13 中轴套尺寸（单位：mm）参数符号数值参数符号数值
d b d1 d2 d3 d4
270
270
300
299.6
310
h
h1
h2
d5
δ′
270
40
8
8
1.0
下轴套尺寸系列如表2-14和图2-15所示。

表2-14 下轴套尺寸（单位：mm）参数符号数值参数符号数值
d a d1 d2 d3
230
230
250
249.6
h
h1
δ′
230
8
1.0
图2-15 下轴套
2.4.4座环
座环是反击式水轮机的基础部件，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。

座环的基本结构由上环、下环、和固定导叶组成。

座环的尺寸与转轮型号、直径、水头有关。

根据白山水电站转轮型号和设计水头，本文设计中采用带蝶形边形式的座环，与金属蜗壳连接。

座环材料采用ZG30铸钢铸造，24个固定导叶。

查参考文献[1]第105页表6-15金属蜗壳座环尺寸系列可得白山水电站座环高度如表2-15和图2-16所示。

表2-15 座环尺寸（单位：mm）
参数符号数值参数符号数值
D b D a k 7300
8600
175
R
H1=b0+20
δ
500
1120
25°
图2-16 座环
此外，还需对制造质量提出如下要求：
（1）所有过流表面打磨光滑，相当于光洁度▽3；
（2）固定导叶进口端节距误差不超过0.0015D
a
；
（3）顶盖与底环把合面平行度误差不超过0.025mm；
（4）分瓣结构的合缝面光洁度为▽5，合缝面间隙一般不超过0.05mm，局部允许有0.15～0.3mm间隙（深度小于接合缝的1/3，长度不超过接合缝总长的1/5）。

2.4.5顶盖
顶盖与支持盖是水轮机的主要部件，要求有足够的强度和刚度，因此在白山水电站水轮机结构设计中顶盖设计成箱形结构，此外还考虑到要留有一定的空间位置便于检修。

顶盖的材料采用ZG30。

本文设计中白山水电站水轮机的顶盖最大直径为7.66m，受运输条件的限制，顶盖采用分瓣结构。

顶盖与导叶配合面，铺设抗磨板，材料采用20mm厚的A3钢板。

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2-17所示。

图2-17 顶盖
2.4.6底环
底环是一个扁平的环形部件，固定于座环上，设计时主要考虑刚度，不作强度计算。

白山水电站中座环采用ZG30铸造。

在底环的过流表面应铺设抗磨板，材料采用20mm厚的A3钢板。

由于受运输条件的限制，本次设计中的底环分四瓣铸造，底环结构如图2-18所示。

图2-18 底环
2.4.7 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分，埋设于混凝土内，转轮的下环在其转动。

本设计中，基础环采用钢板焊接形式，上法兰与座环用螺钉把合，下法兰与尾水管进口椎管段的里衬用螺钉把合。

基础环与转轮下环间有一定间隙（图2-19），作为安装中放置斜楔、调整转轮水平用。

其结构如图2-20所示。

图2-19 基础环与转轮间隙（单位：mm）图2-20基础环
2.4.8主轴
（1）主轴
主轴是水轮机的主要部件，其毛坯采用ZG20MnSi整锻。

主轴一端与发电机相连，另一端与转轮相连。

连接方式均采用连轴螺钉连接方式。

主轴的尺寸如表2-16和图2-21所示。

表2-16 主轴尺寸（单位：mm）
参数符号数值参数符号数值参数符号数值
D DФD b D p D2 D3 d d′1700
2525
2140
1710
2510
1800
1540
1500
d b
d1
d2
h
h1
l
l1
l2
175
180
260
290
330
120
120
12
a
m
f
Z
C
C1
C2
20
2
10
10
16
22
4
图2-21 主轴
（2）根据主轴的外径D=1700mm选取联轴螺钉,其结构尺寸如图2-22和表2-17所示。

表2-17 联轴螺钉（单位：mm）
参数符号数值参数符号数值
螺钉l l0 l1 l2 l3 R C C1 M175×4
660
330
200
200
50
8
12
5
S
d b
D
h
d
d1
d2
d3
d4
240
175
255
120
170
164
164
16
20
2.4.9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、稀油润滑带有转动油盘、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，近期稀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。

考虑到白山水电站中主轴直径D=1700mm尺寸较大，水质比较干净，故采用稀油润滑油浸式分块瓦轴承。

其结构如图2-23所示。

图2-23 水导轴承（稀油润滑油浸式分块瓦轴承）
2.4.10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。

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、机械操作或抬机密封等多种。

在本文设计中，白山水电站水质较清，轴承选用稀油润滑分块瓦轴承；工作密封采用水压式端面密封，其结构如图2-24所示；检修密封采用空气围带式密封，采用的压缩空气压力是4～7kg/cm2，所采用的围带的剖面结
构见图2-25所示。

图2-24 主轴密封图2-25 检修密封
2.4.11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。

其结构尺寸如表2-18图2-26和所示。

表2-18 控制环尺寸（单位：mm）
参数符号数值参数符号数值
D C Z0 D y 4400
24
4550
R
S
18
35
图2-26 控制环
控制环大耳环处结构尺寸如图2-27和表
2-19所示。

图27 控制环大耳环
表2-19 大耳环处尺寸（单位：mm）
参数符号数值参数符号数值
dc d1 d2 700
180
175
d3
h1
h2
350
70
210
控制环小耳环处结构尺寸如表2-20和图2-28所示。

表2-20 小耳环处的尺寸（单位：mm）参数符号数值
d2 h1 D C
110D
100
4400
图28 控制环小耳环
2.4.12 补气装置
混流式水轮机运行时一般有两种情况需要进行补气：一种是在40～70%额定出力时，尾水管内会出现涡带，由于涡带强烈扰动，或其频率与机组固有频率重合，就会产生共振，将引起机组震动或负荷摆动，此时需要对尾水管内进行补气，消除或减小涡带。

另一种是导叶突然关闭时，尾水管内的水流由于惯性将继续流动，此时转轮室内会产生真空，由于压强差，尾水管内的水流会回流到转轮室，由于水流惯性很大，通常会产生抬机现象，影响机组稳定运行，严重时会将机组整个抬起，水流灌入厂房造成严重事故。

所以需要在这种情况下进行补气，消除转轮室内真空。

对于第一种情况，可以采用尾水管补气方式减弱或消除，尾水管补气包括十字架和短管补气两种方式。

白山水电站设计水头为112m，转轮直径为5.5m，若采用十字架补气，会被水流冲走，故本设计中采用尾水管短管补气方式，其结构如图2-29所示。

图2-29 短管补气装置
针对第二种情况采用顶盖加真空破坏阀强迫补气方式。

其结构如图2-30所示。

图2-30 真空破坏阀
3导水机构传动系统设计
3.1导叶开度
根据白山水电站水轮机的型号、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。

白山水电站的基本资料如下： 水轮机型号：HL200-LJ-550 额定转速： 125 rpm 单机容量： 306 MW 吸出高度： -4.28 m 设计水头： 112 m 安装高程： 286 m 设计流量： 307ｍ³/ｓ
所以额定工况时的单位转速和单位流量分别为：
min)/(98.64112
5.5125111r H D n n r r r =⨯=
=
)/(960)/(96.0112
)5.5(307322
1
11s l s m H D Q Q r
r r ＝=⨯=
=
根据r r Q n 1111,查HL200-LJ-550的模型综合特性曲线得模型的最大开度
)(34)(m ax 0mm a M =
因为：240=M Z 240=Z )(5500
0mm D = )(4600mm D M = 所以换算成真机的最大开口值为：
)(5.406460
55003400)
m ax(0m ax 0mm D D a a M M =⨯== 真机的最大可能开度为：
)(8.4265.40605.105.1m ax 0mm a a =⨯=＝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优0a ，查模型特性曲线得：
)(62)(0mm a M =优
所以真机得最优开口为：
)(9.31060
400
556200)
(00mm D D a a M M =⨯==优优 3.2导水机构运动系统的设计
3.2.1导水机构的装配尺寸
导水机构主要有导叶、导叶操作机构、环形部件和轴套、密封等组成，根据白山水电站转轮直径D 1=5500mm 可以查参考文献[1]第13页表8-1得白山水电站导水机构装配尺寸如表3-1和图3-1所示。

表3-1 导水机构的装配尺寸（单位：mm ）
参数符号 数值 参数符号 数值 D 0
Z 0 D c υ
6400 24 4400 42°
L H l p l c D y
740 370 588 4550
图3-1 导水机构
3.2.2导水机构的配合公差与间隙
（1）导水机构的配合公差参见导水机构装配图。

（2）配合间隙
导叶立面间隙。

立面不装密封橡皮条时，一般间隙为零，白山水电站
水轮机组是大型机组，因此允许在导叶高度约1/4的范围内有不大于0.15mm的局部间隙。

导叶与顶盖及底环配合面的端面间隙。

根据白山水电站水轮机的转轮直径与使用水头查参考文献[1]第134页表8-3得导叶的端面间隙为0.25～0.55mm，该间隙值是指上下端面间隙相等的单边间隙值。

局部间隙值。

环形部件的合缝面应贴合，对于白山水电站水轮发电机组来说，一般局部间隙不应大于0.15mm，间隙深度不应大于测量方向的1/3，长度不超过合缝面总长的20%。

3.2.3导水机构的传动部分
导叶传动机构的形式很多，比较常见的两种是叉头传动机构和耳柄传动机构。

由于叉头传动机构的受力情况良好，适用于大、中型机组，所以在本次设计中采用了叉头传动机构。

叉头传动机构主要由导叶臂、连接板、叉头、叉头销、连接螺杆、螺帽、分半键、剪断销、轴套、端盖和补偿环等组成。

导叶臂与导叶用分半键连接，直接传递操作力矩。

导叶臂上装有端盖，用调节螺钉把导叶悬挂在端盖上。

由于采用了分半键，因此在调节导叶体上下断面间隙时，导叶上下移动，而其他传动件位置不受影响。

叉头传动机构中，导叶臂与连接板上装有剪断销，如果导叶间因异物卡住，有关传动件的操作力将急剧增大，应力增高到1.5倍时，剪断销首先剪断，保护其他传动件不受损坏。

此外，连接板或控制环与插头连接处，为了使连接螺杆保持水平，可以装补偿环进行调整。

连接螺杆两端螺纹分别为左旋和与右旋，以便安装中调整连杆长度和导叶开度。

叉头传动机构的装配尺寸如表3-2所示。

表3-2 叉头传动机构装配尺寸（单位：mm）
参数符号数值参数符号数值
d c Z0700
24
d cn
d2
70D4/dc4
100D3/jd
d 1 d n
M72×4 90D/d c
h h 1
70 90
叉头传动机构的零件结构与尺寸如下： 导叶臂结构图如图3-2和表3-3、3-4所示。

图3-2 导叶臂
表3-3 导叶臂尺寸（单位：mm ）
参数符号 数值 参数符号 数值 d b D c D 1 D 2 D 3 D 4 d 2 d m
270 250D 360d 400 370 400 305 70D
d 3 H L 1 H 2 h 3
e R 1 ƒ1 M30 310-0.5 265 25 45 70 30 2
表3-4 导叶臂销孔尺寸（单位：mm ）
参数符号 数值 参数符号 数值 d cn R B
80D 110 300
C 1 h h 1
2 80 100
连接板的结构尺寸如图3-3和表3-5所示。

图3-3 连接板
叉头的结构尺寸如图3-4和表3-6所示。

表3-6 叉头尺寸（单位：mm ）
参数符号
数值 参数符号
数值 d 1 d 2 d 3 d 4 H h h 1
M80×4 100D 95D 145 210 130 40
L L 1 R r r 1 c 1 s
215 135 90 20 10 2 32
图3-4 叉头
连接螺杆的结构尺寸如表3-7和图3-5所示。

表3-7 连接螺杆的尺寸（单位：mm ）
参数符号
数值 参数符号
数值 d 1 d 2 d 3 s l
M80×4 90 74 80 190
b b 1 r c
30 8 2 3
d 1（
图3-5 连接螺杆
轴套的结构如表3-8和图3-6所示。

表3-8 轴套尺寸（单位：mm ）
参数符号
数值 参数符号
数值 d n d 2 d 1
100D 110jd 115
h h 1 c
110 10 3
图3-6 轴套
本设计选用的分半键是参考文献[1]推荐使用的b 型式的分半键，其结构尺寸如图3-7和表3-9所示。

图表3-9 参数符号
数值 参数符号
数值 d c d m L B l 1 l 2 h
210 60 225 58 285 230 10
b K
c b 1 h 2 h 3 h 4
27.7 5 1.5 32.9 25 40 10
剪断销的结构尺寸如图3-8和表3-10所示。

图3-8 剪断销
叉头销的结构尺寸如图3-9和表3-11所示。

表3-11 叉头销的尺寸（单位：mm ）
参数符号
数值 参数符号
数值 d n d d 1 d 2 d 3 h h 1
100dc 100gb 95gb 99 91 128 46 h 2 D b R c d 0 r
12 88 4.5 2 4 4 2
图3-9 叉头销
端盖的结构如图3-10和表3-12所示。

图3-10 端盖
表3-12 端盖的尺寸（单位：mm）
参数符号数值参数符号数值
d b d1 d2 d3 d4 d5 h 270
430
252
105
60
305
50
h1
R
Φ1
Φ2
Φ3
d6
40
125
M36
32
74
150
补偿环的结构尺寸如表3-13和图3-11所示。

图3-11 补偿环
表3-13 补偿环的尺寸（单位：mm）
参数符号数值
d d1 h 60 73 4
4 强度校核
4.1主轴的强度校核
4.1.1基本参数的定义
主轴传递的最大功率： N （kW ） 水轮机的正常转速： H n （r/min ）
水轮机的飞逸转速： p n
（r/min ） 轴向水推力： z P （kg ） 转轮重量： L G （kg ） 轴自重： Z G （kg ） 总轴向力： Z L Z G G P P ++=（kg ） 轴身外径： D （cm ）
轴身内径： 0D
（cm ） 轴发兰直径： F D （cm ） 法兰联轴螺钉分布圆直径：
b
D （cm ）
法兰厚度： 1h （cm ） 联轴螺钉数： z
4.1.2轴身应力的计算
此次设计的主轴材质为ZG20MnSi ，查参考文献[1]可得该轴身的许用应力：τ＝550kg/cm 2，σnp =1000kg/cm 2。

主轴传递的扭矩：
83
10384.2125
1030697400⨯⨯⨯＝＝K M （kg ·cm ）
水轮机的轴向水推力为：
487126)5.5(4
14
.325.04
2m ax 2
1=⨯⨯⨯
==H D k
P z π
(t) 轴身抗扭断面模数：。