ZZ560轴流式水轮机结构设计毕业设计设计说明书.docx
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ZZ560轴流式水轮机结构设计毕业设计设计说明书
毕业设计（论文）
题目ZZ560轴流式水轮机
结构设计
专业热能与动力工程
摘要
葛洲坝电站是我国代表性的低水头大流量、径流式水电站，兼具发电、改善航道等综合效益。
本次设计主要是通过查阅相关设计手册，对葛洲坝电站型号为ZZ560-LH-1130的轴流转桨式水轮机结构进行设计，主要内容包括水轮机总体结构设计、导水机构及其传动系统设计，水轮机部分零部件，例如主轴，导叶等零件的设计。
通过使用CAD绘图，本次设计过程更加便捷，设计成果更加精确。
关键词：
葛洲坝水电站，轴流式水轮机，转轮设计，结构设计，
ABSTRACT
GezhoubaDampowerplantisChina'srepresentativelowheadandlargeDischarge,runoffhydropowerstations,powergeneration,witacomprehensivebenefitsimprovenavigationetc.Thisdesignismainlythroughaccesstorelevantdesignmanual,designoftheKaplanturbinestructureofGezhoubaDampowerplantmodelforZZ560-LH-1130,Themaincontentsincludedesignofwatermechanismanditstransmissionsystemoverallstructuredesignofhydraulicturbine,guide,somepartsofhydraulicturbine,suchasthespindle,thedesignofguidevaneandotherparts.
UsingtheCAD,theprocessofdesignismoreconvenientandtheresultismoreaccurate.
KEYWORDS:
GeZhouBahydropowerstation,Kaplanturbine,station,runner,Structuraldesign.
1前言
1.1概述
我国资源绝对数量较大，而人均能源相对不足。
仅为世界平均水平的二分之一。
能源和水资源是21世纪制约社会经济可持续发展的两大难题，水资源是我国能源的重要组成部分，人均占有量为世界平均水平的81%,是我国能源的最大优势。
随着国民经济的快速发展，能源供应已逐渐成为经济社会发展的制约因素。
石油储量不足，进口困难，而且价格一路攀升；煤炭资源虽然相对丰富，但是产能不够，运力不够，矿难频发，污染严重。
能源安全形势十分严峻。
随着世界化石能源资源的日益减少，这种能源紧缺的局面将会越来越严峻，而解决这一矛盾的根本出路，恐怕就在于更多的应用可再生能源。
可再生能源最显著的优点就是它可以重复利用，源源不断，但是，它也有最致命的弱点就是不能保存，如果你不开发利用，它就要随着时间流逝。
在这方面，风能、太阳能、生物质能等各种新型的可再生能源的技术目前还不够十分成熟，开发成本和效率都还难以满足大规模电网的需要。
水电是目前唯一可以进行商业化大规模应用的可再生资源。
此外，水能可再生的特点决定，开发应用无穷无尽，而得不到开发，也不能保存，其实际能源资源量就等于零。
在我国当前的还有大量的水电资源尚未开发的具体情况下，开发利用水电就是最大的节能，我们早一天、多一点开发利用水电，必然就是把更多的不可再生资源留给后代的明智之举。
水轮机作为水电站的核心设备，其结构设计的合理性直接决定了电站能否经济、高效、可靠、安全的运行。
本次毕业设计通过查阅设计手册以及参照已有设计电站等方法，对葛洲坝水电站ZZ560的水轮机作出了完整的结构设计。
旨在将大学期间对基础理论知识的学习应用到设计实践中去，加深了我对水轮机结构的认识，弥补了在理论学习中的不足。
通过本次毕业设计，除了促进我将大学所学各专业知识相互贯通，锻炼了我的动手能力，创新能力外，还使得我对水轮机结构设计这个行业上的一些新的科技进展及基本设计过程有了一定的了解，另外，通过本次设计，我也认识到自己本身存在的一些不足之处，希望自己在以后的工作学习过程中能积极查漏补缺。
本次毕业设计所有出图皆为CAD绘图所得，这不仅缩短了设计时间，也让我更加熟练的掌握了CAD绘图技术。
1.2设计内容
（一）根据给定的葛洲坝水电站基本资料进行水轮机总体结构设计
1.根据给定的水轮机型号和转轮直径等基本参数，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.根据机组型式和电站基本条件设计主轴密封和水导轴承；
3.绘制水轮机总装配图及主要部件组装图或零件图。
（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传动系统设计；
2.绘制导水机构装配图及导叶布置图；
（三）对主要零件进行设计
1.设计活动导叶并绘制导叶零件图
2.设计主轴并绘制主轴零件图
1.3原始资料
本次毕业设计基本参数如下：
单机容量：
170MW
水轮机型号：
ZZ560-LH-1130
设计水头：
18.6m
设计流量：
1130m3/s
额定转速：
54.6r/min
吸出高度：
-7m
2水轮机总体结构设计
2.1绘制轴面流道图
查阅《水轮机设计手册》得，型号为ZZ560的水轮机模型流道尺寸和转轮室尺寸分别如图2-1，图2-2所示，根据比例换算所得真机的流道尺寸和转轮室尺寸如表2-1，表2-2所示：
图2-1ZZ560流道尺寸
表2-1流道尺寸
参数符号
真机数值（mm）
参数符号
真机数值（mm）
D1
11300
R2
7345
Z1
6
d2
4520
D0
13108
d3
3955
Z0
32
d4
3955
b0
4520
d5
118.65
dB
4520
h1
2356
R1
2825
h3
4520
2.2座环设计
座环是反击式水轮机的基础部件之一，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。
其基本结构是由上环、下环和固定导叶组成。
鉴于葛洲坝水电站水头较低，故而选择与混凝土蜗壳连接的座环，考虑到电站的基本资料，现对制造质量提出如下要求：
1）此座环所选材料为ZG30，采用焊接形式；
2）考虑到其强度要求，钢板厚度选取为75mm；
2）所有过流表面打磨光滑至表面光洁度为3.2，其余表面为12.5；
3）固定导叶进口端节距误差不超过0.0015Da；
4）顶盖与底环把合面平行度误差不超过0.025毫米/米；
5）分瓣结构的合缝面光洁度为6.3，合缝面间隙一般不超过0.05毫米，局部允许有0.15～0.3毫米凹陷部分（深度小于接合缝的1/3，长度不超过接合缝总长的1/5），但不允许有突起。
根据转轮直径（11300mm）从《水轮机设计手册》104页表6-14选出座环基本尺寸，再根据电站实际情况稍作改动，设计如下图2-3，表2-3所示：
表2.3水轮机座环尺寸
参数符号
数值（mm）
参数符号
数值（mm）
Db
15936
H1=b0+（10-20）
4525
Da
19390
R
700
k
100
其中参数符号对应图2-3水轮机座环（α，γ根据蜗壳而定）
图2-3水轮机座环
2.3蜗壳
蜗壳的作用是把水流均匀分布到转轮周围。
当水头在40米以下时，水轮机的蜗壳常用钢筋混凝土在现场浇注而成；水头高于40米时，则常采用拼焊或整铸的金属蜗壳。
由于葛洲坝水电站的设计水头为18.7米，最低水头8.3米，最高水头27m，故蜗壳的形式为混凝土梯形断面的蜗壳，包角为180°，为防止水流冲刷及渗漏现象，在混凝土蜗壳和座环的连接部位还加有钢板衬板。
2.4尾水管
由于葛洲坝水电站工作水头较低，采用轴流转桨式水轮机，故其尾水管是由混凝土浇筑而成的，但为了防止水流冲刷，在尾水管进口直锥段内衬有钢板里衬，为保证转轮能高效安全运行，里衬厚度选为60mm。
2.5活动导叶及导水机构装置零件
2.5.1活动导叶翼型
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。
由于对称形导叶一般用于具有不完全包角的高比转速轴流式水轮机中，故本设计中采用对称形的叶形。
由《水轮机设计手册》中137页表8-5查得对称形导叶叶形的断面参数如下表：
表2-4导叶翼型参数
参数符号
数值（mm）
参数符号
数值（mm）
D1
11300
k
11.4
D0
13092
r
89.6
Z0
32
R1
267
a
114.3
R2
242
b
138.5
R3
544
c
144.2
L
1340
d
138.5
L1
649
e
125.7
L2
691
d0
217.1
q
30
m
115.1
t
20
其符号所代表的意义见图2-4:
图2-4导叶翼型图
2.5.2导叶结构系列尺寸和轴颈选择
导叶轴颈可按转轮直径D1，使用水头H1（指最高水头），导叶的相对高度b0/D1，从《水轮机设计手册》中146页表8-10初选轴颈db，选得db=330mm，再根据db=330mm从设计手册中表8-9查得导叶结构的其它尺寸如下表：
表2-5导叶尺寸
参数符号
数值（mm）
参数符号
数值（mm）
db
330
hB
360
da
270
hc
515
d1
340
h1
35
dc
300
h2
295
d2
315
h3
120
dm
70
h4
25
d3
M64
h5
10
d4
78
H参考
1569
d5
298
R1
165
hA
270
R2
135
其中参数符号所代表下图2-5中符号
图2-5导叶结构尺寸
导叶的材料为ZG20MnSi，为保证导叶转动灵活，导叶上、中、下三个轴颈要同心，径向摆度不大于中轴颈公差的一半，导叶体端面与不垂直度允许误差不超过0.15/1000。
导叶过流表面型线要正确，制造中应用样板检查。
2.5.3导叶的密封结构
导叶关闭后，导叶体的立面应该有很好的密封。
由于本机组属于大型低水头的机组，因此采用圆橡皮条直接镶入鸽尾槽内封水，这种结构制造简单，但只适用于40米水头以下的机组，因为水头太高会把圆橡皮条冲掉。
从《水轮机设计手册》上148页表8-12查得圆橡皮条和鸽尾槽的尺寸如下表：
（由于导叶体较高，可在中间加焊数段钢筋，使橡皮条分段固定。
）
表2-6圆橡皮条和鸽尾槽的尺寸
参数符号
数值（mm）
a
15
b
16
c
4
其中参数符号对应下图2-6中符号：
图2-6导叶密封
2.5.4导叶轴颈密封
导叶中轴颈密封多数装在导叶套筒的下端，目前不少机组中已改用“L”型密封，实践证明，封水性能很好，结构简单。
“L”型密封圈与导叶中轴颈之间靠水压贴紧封水，因此轴套和套筒上开有排水孔，形成压差。
密封圈与顶盖配合端面，则靠压紧封水，所以套筒与顶盖端面配合尺寸应保证橡胶有一定的压缩量。
密封圈的材料采用中硬耐油橡胶，模压成型。
其尺寸大小如下表2-7：
表2-7中轴颈密封
参数符号
数值（mm）
参数符号
数值（mm）
db
330
h
22
d
338
δ1
4.5
d1
322
δ2
4.5
d2
390
R2
0.8
R5
3.5
其中参数符号意义对应图2-7：
图2-7中轴颈密封
导叶下轴颈的密封主要是防止泥沙进入，发生轴颈磨损。
下轴颈密封一般采用“O”型橡皮圈密封结构，其尺寸大小如下表2-8：
表2-8下轴颈密封
参数符号
数值（mm）
db
330
D
270
d
10
其中参数符号意义对应图2-8：
图2-8下轴颈“O”型密封
导叶中轴颈处虽有密封装置，但因导叶是转动的，不可避免会有少量漏水，其排除方法主要是通过自流排水或水泵排水将漏水排出。
对于轴流式水轮机，导水机构套筒处得漏水由排水管集中到顶盖下部的轴承支架内，连同主轴密封处的漏水，由水泵抽水至电站集水井。
对于葛洲坝水电站，机组较大，可设两套水泵互为备用。
2.5.5导叶端面抗磨板
由于水流冲刷及导叶转动过程中的摩擦，导叶端面位置容易磨损，故而一般在此处加抗磨板。
葛洲坝水电站工作水头较低，相应的，其承受的水压低，而抗磨板价格昂贵，故可不设。
2.5.6导叶止推装置
对于水头较高的机组，应考虑导叶在水压作用下的上浮力，当上浮力超过导叶的自重时，在套筒上必须装止推装置，以防止导叶向上抬起，碰撞顶盖和影响连杆受力。
葛洲坝水电站正常工作水头低，上浮力小，机组自重大，不须再另设止推装置。
2.5.7导叶套筒
导叶套筒是固定导叶上中轴套的部件，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。
分段套筒虽有质量小，便于加工，容易调整装配等优点，但由于受到机组尺寸的限制，本次设计仍选择传统的整体圆筒形结构。
套筒的尺寸大小如下表2-9：
表2-9导叶套筒
参数符号
数值（mm）
参数符号
数值（mm）
db
330
d7
46
d1
760
d8
10
d2
510
h
70
d3
330
h1
60
d4
360
h2
330
d5
370
h3
150
d6
670
Z
12
H参考
1150
其中参数符号对应下图2-9中符号：
图2-9导叶套筒
为满足于导叶臂的装配要求，最终取H=1150mm
2.5.8导叶轴套
导叶轴套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。
该设计中，导叶套筒采用尼龙1010，其吸水性小，尺寸较为稳定，通过离心熔铸成型，适合在水轮机导叶、连杆等部位应用。
a）上轴套尺寸系列如表2-10所示：
表2-10上轴套尺寸
参数符号
数值（mm）
参数符号
数值（mm）
dc
300
h
150
d1
300
h1
10
d2
330
h2
14
d3
329.6
δ′
1.2
d4
370
表中参数符号意义见图2-10：
图2-10上轴套
b）中轴套尺寸系列如表2-11所示：
表2-11中轴套尺寸
参数符号
数值（mm）
参数符号
数值（mm）
db
330
h
330
d1
330
h1
60
d2
360
h2
10
d3
359.6
d5
10
d4
370
δ′
1.2
表中参数符号意义见图2-11：
图2-11中轴套
c）下轴套尺寸系列如表2-12所示：
表2-12下轴套尺寸
参数符号
数值（mm）
参数符号
数值（mm）
da
330
h
330
d1
330
h1
10
d2
360
δ′
1.2
d3
359.6
表中参数符号意义见图2-12：
图2-12下轴套
2.5.9导叶臂
根据叉头传动机构装配尺寸从《水轮机设计手册》上165页的表
8-23查出导叶臂及其销孔尺寸如下表2-13,2-14：
表2-13导叶臂
参数符号
数值（mm）
参数符号
数值（mm）
db
330
H
350
Dc
300D
L1
295
D1
430d
e
70
D2
480
K
11
d2
370
R1
40
dm
70D
f1
2
d3
M30
T
0.3
d4
39
其中参数符号意义对应图2-13（左）:
表2-14导叶臂销孔尺寸
参数符号
数值（mm）
参数符号
数值（mm）
dcn
100D
C1
3
R
135
h
100
B
380
h1
120
其中参数符号意义对应图2-13：
图2-13导叶臂
2.5.10导水机构装配尺寸
导水机构大部分零件应做到标准化、系列化，在《水轮机设计手册》上132页查表8-1可得出按转轮系列尺寸编制的导水机构装配系列，下表2-15是葛洲坝水电站对应的导水机构装配尺寸：
表2-15导水机构装配尺寸
参数符号
数值（mm）
参数符号
数值（mm）
D1
11300
Dc
9400
Z0
32
LH
1356
D0
13092
lp
540
ψ
42°
lc
1051
其中参数符号意义对应图2-37：
图2-37导水机构装配
2.5.11导叶传动机构
鉴于叉头传动机构受力情况好，因此对于葛洲坝这样的大型机组采用比较多。
其主要是由导叶臂、连接板、叉头、叉头销、连接螺杆、螺帽、分瓣键、剪断销、轴套、端盖和补偿环等组成。
参照《水轮机设计手册》164页表8-25，可得出本次设计的导叶传动机构装配尺寸，如表2-16所示：
表2-16导叶传动机构装配尺寸
参数符号
数值（mm）
参数符号
数值（mm）
接力器行程dc
900
d2
110D3/jd
Z0
32
h
80
d1
M80×4
h1
100
dn
100D/dc
导叶中轴颈db
330
dcn
90D4/dc4
分瓣键直径dm
60D/gc
2.5.12连接板
根据叉头传动机构装配尺寸从《水轮机设计手册》上167页的表8—29到表8-30查出连接板尺寸如下表2-17：
表2-17连接板尺寸
参数符号
数值（mm）
参数符号
数值（mm）
D1
430D
R2
120
R1
255
h
100
K
0.03
h1
125
Dcn
100D4
l
35
D2
135D3
l1=l2
150
d1
200
c
1.5
d2
M30
其中参数符号意义对应图2-14：
图2-14连接板
2.5.13套筒
根据连接板D2=150，从《水轮机设计手册》上168页的表8—33查出轴套尺寸如下表2-18：
表2-18轴套尺寸
参数符号
数值（mm）
参数符号
数值（mm）
dn
150D
h
165
d2
165jd
h1
15
d1
172.5
c
3
其中参数符号意义对应图图2-15：
图2-15轴套
2.5.14叉头销
根据套筒dn=150D，从《水轮机设计手册》上170页的表8—36查出剪断销尺寸如下表2-19：
表2-19叉头销尺寸
参数符号
数值（mm）
参数符号
数值（mm）
dn
150dc
h2
18
d
150gb
D
132
d1
142.5gb
b
6
d2
148.5
R
3
d3
136.5
c
6
h
192
d0
6
h1
69
r
3
H
321
其中参数符号意义对应图2-16：
图2-16叉头销
2.5.15叉头
根据连接板dn=150从《水轮机设计手册》上167页的表8-31查出叉头尺寸如下表2-20：
表2-20叉头尺寸
参数符号
数值（mm）
参数符号
数值（mm）
d1
M80×4
L
322
d2
150
L1
202
d3
142.5D
R
135
d4
225
r
30
H
315
r1
15
h
195
c1
3
h1
60
S
48
其中参数符号意义对应图2-17：
图2-17叉头
2.5.16连接螺杆
根据连接板d1=M108从《水轮机设计手册》上168页的表8—32查出叉头尺寸如下表2-21：
表2-21连接螺杆尺寸
参数符号
数值（mm）
参数符号
数值（mm）
d1
M80×4
b
45
d2
135
b1
12
d3
111
r
3
S
120
c
4
l
285
其中参数符号意义对应图2-18：
图2-18连接螺杆
2.5.17剪断销
根据连接板Dcn=120mm，从《水轮机设计手册》上170页的表8—35查出剪断销尺寸如下表2-22：
表2-22剪断销尺寸
参数符号
数值（mm）
参数符号
数值（mm）
Dcn
120dc4
r
2
d
45
h1
10
d2
117
h2
22
d3
135
h
120
d4
120
l
114
b
9
L
263
b1
7
其中参数符号意义对应图2-19：
图2-19剪断销
2.5.18分半键
根据上轴直径dc=300mm，从《水轮机设计手册》上169页的表8—34查出分半键尺寸如下表2-23：
表2-23分半键尺寸
参数符号
数值（mm）
参数符号
数值（mm）
dc
300
b
31.95
dm
70
K
6
L
295
c
2
B
68
b1
38.05
l1
375
h2
25
l2
305
h3
50
h
10
h4
12
其中参数符号意义对应图2-20：
图2-20分半键
2.5.19端盖
根据轴颈db=330mm，从《水轮机设计手册》上171页的表8—37查出端盖尺寸如下表2-24：
表2-24端盖尺寸
参数符号
数值（mm）
参数符号
数值（mm）
db
330
h1
42
d1
580
R
150
d2
308
Φ1
M42
d3
100
Φ2
32
d4
72
Φ3
74
d5
370
d6
170
h
52
其中参数符号意义对应图2-21：
2-21端盖
2.5.20补偿环
根据叉头销dc=100mm，从《水轮机设计手册》上172页的表8—38查出补偿环尺寸如下表2-25：
表2-25补偿环尺寸
参数符号
数值（mm）
d
150
d1
168
h
16
其中参数符号意义对应图2-22：
图2-22补偿环
2.6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。
根据水轮机转轮直径查《水轮机设计手册》第185页图8-34及其表8-52到表8-54得出控制环尺寸如下：
2.6.1控制环尺寸（总体）
表2-26控
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