2014水轮机结构设计 (毕业设计指导书)

毕业设计（论文）

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年热能与动力工程专业

水轮机结构设计指导书

一、水轮机型号及参数

水轮机型号及参数详见任务书

二、水轮机总体结构设计

根据给定的水轮机型号、机组布置型式和转轮直径等参数，确定水轮机的主要特征尺寸。

1.确定转轮的流道尺寸；

2.确定导叶高度及分布圆直径；

3.确定座环高度；

4.根据水轮机的出力、转速，估算主轴直径；

5.参照现有资料，分别设计转轮、导叶、座环、顶盖、底环、基础环、主轴

等部件的结构；

6.参照现有资料，分析各种主轴密封的结构特点，选择合适的主轴密封；

7.参照现有资料，分析各种水导轴承的结构特点，选择合适的水导轴承；

8.参照现有资料，根据顶盖、主轴密封、水导轴承的结构，合理布置控制环

的结构；

9.参照现有资料，选择合适的补气装置。

二、导水机构传动系统设计（导叶布置图绘制）

1.根据水轮机的型号、转轮直径，确定最大可能开度所要求的最大接力器行

程S max，从而最后确定传动系统的参数；

2.绘制导叶开度a0和接力器行程S的关系曲线S=f（a0）），检查导叶传动与

接力器移动的均衡性；

3.绘制角度λ、β与a0的关系λ=f（a0）、β=f（a0）；

4.确定推拉杆销孔与连杆销孔在控制环上的相对位置，以使在运动中接力器

活塞杆的偏斜角度最小；

5.确定限位块的位置；

6.检查传动件在不同位置是否相碰，尤其是易坏连接件破断后，连杆或转臂

是否相碰；

7.确定导叶关闭时，相邻导叶的密封位置及端面密封分布圆直径；

三、导水机构结构设计

根据导水机构运动图设计所确定的尺寸，参考现有的设计资料，确定导叶、套筒、连杆、转臂、剪断销、控制环等结构尺寸。

四、水导轴承设计

根据所确定的水导轴承结构，参考资料（1）、（2）、（3）、（4）分别进行润滑及冷却系统设计。

五、强度校核与编程实现

1.主轴强度校核

根据所确定的主轴结构及尺寸，参考资料（1）、（2）进行强度校核。

2.导叶强度校核

根据所确定的导叶结构及尺寸，参考资料（1）、（2）进行强度校核。

六、零件图绘制

根据总装图、部件装配图，参考资料(6)和所给图册拆绘主要零件的加工图。

七、参考文献：

1.哈尔滨大电机研究所编，水轮机设计手册，机械工业出版社，1976年；

2.哈尔滨大电机研究所译，水轮机设计者手册，机械工业出版社，1976年；

3.高建铭等，水轮机及叶片泵结构，清华大学出版社，1992年；

4.陈新方等，水轮机结构分析，水利电力出版社，1994年；

5.水电站机电设计手册编写组，水电站机电设计手册（水力机械），水利电

力出版社，1983年；

6.天津电气传动设计研究所编，水轮机结构图册，科学出版社，1978年。

7.成大先主编，机械设计手册，化学工业出版社，2004年9月。

八、附录：水轮机导叶布置图绘制的目的与步骤

（一）绘制导水机构运动图的目的

1.确定最大可能开度0a 下的接力器行程m ax S ，绘制)(0a f S =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β、γ值，绘制)(0a f =β、)(0a f =γ曲线，检查β、γ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20～30mm,小型为5～10mm ）

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。 （二）绘制径向式导水机构运动图的步骤

1.确定导叶翼型：

首先根据水轮机的蜗壳类型、比转速或水头范围确定采用合适的导叶翼型，一般：

多数轴流式水轮机和少数混流式水轮机(一般H ＜40m)采用混凝土蜗壳，应采用标准对称型导叶；

高水头、低比转速混流式水轮机(一般H ≥100m)，一般采用负曲度翼型； 中、高比转速混流式水轮机(H ＜100m)和少数低比转速轴流式水轮机(H ≥40m)，一般采用正曲度叶型。

确定导叶翼型后，即可根据1D 查设计手册，画出导叶的翼型图。而实际设计时，须根据水轮机的工况、流道及固定导叶的形状，经过水力计算，确定导叶的翼型。

标准导叶的几何尺寸如下：

图1和图2给出的是转轮标称直径(m ) 00.11=D 且导叶数240=Z 的几何尺寸，当1D 或0Z 不同时，需将上述几何尺寸进行放大（或缩小）相应倍数，一般，放大倍数λ为：0

124

00.1)(Z m D ⋅=

λ。 按上述比例缩放后，即为导叶的最终几何尺寸。

图2 标准对称型导叶的几何尺寸

图1 标准正曲度导叶的几何尺寸

表1 导水机构装配尺寸系列

2.确定传动件的相关尺寸及角度

由1D 查上表1，得到0D 、0Z 、y D 、c D ，φ，其中：

y D 、c D ----- 分别为控制环大、小耳环分布圆直径；

φ ---- 导叶全关位置时，转臂轴心线与D0圆切线的夹角； β ---- 连杆与小耳环分布圆切线的夹角；