2014水轮机结构设计 (毕业设计指导书)

毕业设计（论文）
指导书
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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；
γ ---- 连杆与转臂的夹角。

若所给1D 不是上表直径系列，可用插值法求出各值（0Z 和φ除外）。

一般，φ的取值如下：⎩⎨⎧===)32,24(42)16(2200Z Z φ
若上述角度不符合要求，可以适当调整。

3.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M
a m ax 0：
(1) 混流式水轮机：
按照给定的参数计算：r
r H nD n 111=
，在模型综合特性曲线上以该单位
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
M
a m ax 0。

(2) 轴流式水轮机：
一般以上述计算的r n 11与r
r r H D Q Q ⋅=
2
111交点（即额定工况点）处的
开度作为模型转轮的最大开度M a m ax 0。

查得模型转轮的最大开度M
a m ax 0后，由公式：
000max 0max 0Z Z
D D a a M M M
⨯⨯
=； 即可求得真机的最大开度max 0a (mm)。

表2 部分模型转轮参数表
注：若无M D 0数据，可用0
011max 0max 0Z Z D D a a M
M M
⨯⨯
=近似。

b. 由max 0005.1a a k =，求得真机的最大可能开度k a 0(mm)；
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M
y a 0，
经公式换算，可得真机的最优开度y a 0； d. 在全关位置至最优开度之间任取2~4个开度值。

这样，加上全关位置、最优开度、最大开度和最大可能开度，共有6~8个开度值。

4.初选转臂长度H L 和连杆长度c L ，绘制导叶布置图和相关曲线
查上表1，初选H L 和c L ，按前述各开度值画出导叶及其传动件的位置，标出各角度（β、γ）值和控制环大耳环的相对位移（即接力器的行程S ），画出接力器行程S 、β、γ随0a 变化的关系曲线)(0a f S =、)(0a f =β和)(0a f =γ。

如果按照表1查出的数据绘图时，出现当连杆与控制环小耳环分布圆没有交点，则需调整φ、H L 和c L 值。

5.根据导叶布置图和关系曲线检查、调整
检查以下项目是否符合要求：
a.一般要求：)(0a f S =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0a 变大，曲线)(0a f S =的斜率也变大），如下图。

b.β=50°~70°；β角度较小时，传动操作力矩的效果最好，但β角度过小时，叉头式连杆有可能会与控制环相干涉，反之。

c.γ=80°~110°；γ角度呈 90时，传动操作力矩的效果最好，γ角度过小还可能会发生连杆和转臂相碰。

d.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。

图3 接力器行程S 、β、γ与0a 的关系曲线
如上述曲线不符合要求，则需适当调整角度φ或H L 、c L 值，重新上述绘制过程，直到符合要求为止。

6.确定相应部件的位置
a.确定控制环大耳环和小耳环的相对位置；
b.确定限位块的位置；
c.确定导叶关闭时的密封位置；
立面：导叶头部和相邻导叶尾部接触面的位置
端面：密封条分布圆位置
d.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。

负责指导教师
指导教师
接受设计论文任务开始执行日期
学生签名。