贯流式水轮机选型及结构设计Word文件下载.doc
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3.7.1导叶套筒 21
3.7.2导叶轴颈密封 22
3.7.3导叶轴套 24
3.7.4导叶臂 25
3.7.5接力器 27
3.7.6导叶传动机构 27
3.7.7连接板 28
3.7.8叉头销轴套 29
3.7.9叉头销 30
3.7.10叉头 31
3.7.11连接螺杆 32
3.7.12剪断销 33
3.7.13分半键 34
3.7.14端盖 35
3.7.15补偿环 36
3.8基础环 37
3.9座环 38
3.10尾水管 39
3总结 40
4参考文献 41
1．前言
1.1概述
随着我国经济突飞猛进的发展，人民生活水平不断的提高提高，生产和生活用电的需求也越来越大。
然而能源问题已成为当今世界三大主要问题之一，传统能源的短缺和用其发电带来的污染，以及新能源开发技术的不完善，水电资源作为洁净的可持续能源越来越得到人们的青睐。
据探测，我国水力资源丰富，但是目前的开发率和发达国家比起来还有很大的差距，因此开发水电已成为我国缓解资源短缺的重要手段之一！
水力机组是水电站的核心设备，是整个水电枢纽工程最终经济效益的归宿。
因此，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GZ（868）-WP-685型贯流式水轮机作了完整的结构设计。
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种专业知识相互贯通，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）根据给定电站基本参数进行水轮机选型，确定特征尺寸。
（二）完成所选型号水轮机的总体结构设计。
1.根据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。
（三）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；
（四）对主要零件进行设计
1.设计套筒并绘制套筒零件图
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：
29MW
设计水头：
8.7m
最大水头：
11m
最小水头：
5m
加权平均水头：
9.5m
额定转速：
75r/min
2水轮机选型
2.1水轮机选择的基本要求
水轮机选择必须充分考虑水电站的特点，包括水能、水文地质、工程地质以及电力系统构成、枢纽布置等方面对水轮机的要求。
在几个可能的方案中详细地进行以下几方面的比较，从中选择出技术经济综合指标最优的方案。
1）保证在设计水头下水轮机能发生额定出力，在低于设计水头时机组的受阻容量尽可能小。
2）根据水电站水头的变化及电站的运行方式，选择是的水轮机型式及参数，使电站运行中平均效率尽可能高。
3）水轮机的性能及结构要能够适应水电站水质的要求，运行灵活、稳定、可靠，有良好的抗空化性能。
在多河流的电站，水轮机的参数及过流部件的材质要保证水轮机具有良好的抗磨损、抗空蚀性能。
4）机组的结构先进、合理，易损部件应能互换并易于更换，便于操作及安装维护。
5）机组制造供货应落实，提出的技术要求应符合制造厂的设计、实验和制造水平。
6）机组的最大部件和最重要部件要考虑运输方式和运输的可行性。
2.2水轮机选型方案设计及比较
按我国水轮机型谱推荐的设计水头与比转速的关系，水轮机的ns为
ns=21000∕（H+17）+35=852.1（m·
kw）
综合考虑水轮机选择的几点要求，在设计工况下有GZ（868）-WP-685型和GZ-WP-560型两种转轮满足要求，所以对贯流式水轮机的选择拟定以下2种方案：
2.2.1方案1
选择GZ（868）-WP-685型号的贯流式水轮机
1）转轮直径D1的计算
水轮机额定出力：
Pr=29000∕0.95=30526.3kw
取n110=165r/min,Q11r=1.7m³
/s.
ηM=0.94,Δη=2%.
η=ηM+Δη=0.96
取Ｄ１＝8.7ｍ
2）效率η计算
ηmax=1-（1-ηM0）（0.3+0.7）=0.9746
Δη=2/3（1-ηmax）（1-）=0.0081
限制工况原型水轮机效率为η=ηM+Δη=0.94+0.0081=0.948
3）转速n的计算
n==58.456r/min
取水轮机的转速为60r/min.
4）设计流量的计算
Qr==379.53m3/s
5）几何吸出高度Hs
Hs=10-/900-HrHs=10-/900-1.35×
8.7
=w+Hs-D1/2=1229.3+Hs-8.7/2
解得Hs=-3.15m，=1221.8m
6）水轮机飞逸转速的估算
nR=kR×
n
其中，kR=2.0-2.2.所以，nR=2.1×
60=126r/min
7）检验其运行范围
Q11r===1.669m3/s
n11min===157.4r/min
n11min===218.64r/min
8）水轮机修正值计算表
φ
﹣10°
﹣5°
0°
5°
10°
15°
ηM0
0.927
0.934
0.942
0.938
0.931
0.928
ηT0
0.969
0.972
0.975
0.974
0.971
Δη
0.042
0.038
0.033
0.036
0.039
0.041
9）等效率线计算表
H
Hmin=5.7m
H1=7.2m
218.6r/min
194.5r/min
φ°
ηM
Q11
ηT
P（MW）
-10
0.894
1.26
0.936
31.948
0.906
1.25
0.948
32.1
-5
0.91
1.7
43.657
0.92
1.61
0.958
41.782
0.914
2.1
0.947
53.872
0.925
1.99
51.643
5
0.902
2.51
63.78
0.915
2.38
0.951
61.313
10
0.89
3.08
0.929
77.51
0.905
2.88
0.944
73.647
15
0.83
3.48
0.8711.
82.11
0.865
3.45
84.672
Hr=8.7m
H2=10m
176.9r/min
165r/min
0.921
1.18
0.963
30.782
0.926
1.1
0.968
28.84
1.47
38.586
0.935
1.4
0.973
36.9
0.937
1.8
0.97
47.297
44.9
2.17
0.967
56.843
2.0
52.66
0.923
2.58
0.962
67.234
0.93
2.41
63.26
3.05
78.243
2.87
0.956
74.32
Hmax=11m
157.4r/min
1.08
28.35
1.37
36.11
1.62
42.787
1.92
50.66
2.3
60.62
2.7
0.966
70.653
方案1的运转综合特性曲线
2.2.2方案2
选择GZ-WP-560型号的贯流式水轮机
水轮机额定出力：
取n110=195r/min,Q11r=2.0m³
ηM=0.92,Δη=2%.
η=ηM+Δη=0.94
取Ｄ１＝8.1ｍ
ηmax=1-（1-ηM0）（0.3+0.7）=0.958
Δη=2/3（1-ηmax）（1-）=0.0104
限制工况原型水轮机效率为η=ηM+Δη=0.92+0.0104=0.9304
n==74.2r/min
取水轮机的转速为75r/min.
Qr==387.04m3/s
Hs=10-/900-Hr
=w+Hs-D1/2
解得Hs=-6.03m，=2210.6m
75=157.5r/min
Q11r===1.9662m3/s
n11min===183.17r/min
n11min===254.45r/min
8）水轮机修正值计算表
-12°
-6°
6°
12°
18°
0.86
0.932
0.955
0.067
0.045
0.037
0.070
H1=7.2m
255.4r/min
226.4r/min
-12
0.8
1.2
0.867
24.43
0.84
1.0
0.907
21.297
-6
0.88
36.924
0.90
1.5
0.945
33.284
0.901
2.4
52.804
0.918
2.2
0.954
49.282
6
0.895
3.1
67.841
0.913
2.6
0.95
57.998
12
0.87
3.9
83.791
3.4
0.946
75.524
18
0.82
4.7
98.221
4.3
93.9
206r/min
192.1r/min
21.767
0.868
21.956
1.6
35.879
1.42
31.843
0.924
0.96
45.083
1.9
42.963
2.5
56.354
54.23
3.2
71.758
69.428
0.856
4.0
86.973
0.85
3.7
79.929
183.2r/min
0.862
0.9
19.632
0.959
31.526
1.88
42.467
0.965
52.116
54.664
3.5
78.896
方案2的运转综合特性曲线
2.2.3方案选择
GZ（868）-WP-685型水轮机的最高效率ηmax大于GZ-WP-560型水轮机的ηmax，同时GZ（868）-WP-685型水轮机的平均效率ηcp也大于GZ-WP-560型水轮机的ηcp，这表明GZ（868）-WP-685型水轮机运行时的经济性要好于GZ-WP-560型水轮机。
而GZ（868）-WP-685型水轮机的吸出高度Hs小于GZ-WP-560型水轮机的Hs，说明GZ（868）-WP-685型水轮机在安装时向下的土石开挖量要小于GZ-WP-560型水轮机，可大大节约土建投资。
综上所述，应选择方案1，水轮机型号为：
GZ（868）-WP-685。
3.水轮机总体结构设计
3.1绘制轴面流道图
根据水头及形式接近的已有贯流式水电站资料，设计出水电站贯流式发电机组的轴面流道，其形式及相关尺寸如图3-1所示:
3-1轴面流道图
3.2主轴及其附属结构部分
3.2.1主轴直径计算
主轴的外径尺寸可以根据机组的扭力矩初选，扭力矩按以下公式计算：
式中：
N——代表主轴传递的功率（千瓦）
n——代表主轴转速（转/分）
由原始资料：
N=29MW=29×
103KWn=60r/min
所以，
（公斤·
厘米）
根据《水轮机设计手册》上319页图12—12扭力矩与主轴外径的关系曲
线查得D=950（mm）。
当主轴直径>
600mm时，选用薄壁轴，主轴内孔直径按《水轮机设计手册》320页上的公式12—2计算：
D——主轴外径（厘米）
N——主轴传递的功率（千瓦）
n——主轴转速（转/分）
τmax——最大许用应力（公斤/厘米2）
初选主轴的材料为20MnSi，其中τmax=550（公斤/厘米2）
所以根据主轴内孔直径公式计算得：
d==78.04cm=780.4mm
但为了保证主轴有足够的刚强度，可将主轴内径按标准直径系列取为600mm。
3.2.2主轴结构设计
主轴是水轮机的关键部件之一，用来传递水轮机转轮产生的转矩（功率），使发电机旋转，产生电能，同时承受轴向水推力及转动部分的重量。
它的毛坯采用20MnSi整锻。
由于本机组是大型的贯流式水轮机，在主轴内装有操作油管，所以主轴必须要有中心孔。
同时，这样的空心轴，不但减轻了主轴的质量，提高轴的刚度和强度，而且还能消除轴心部分组织疏松等缺陷，便于检查。
主轴一端与发电机相连，另一端与转轮相连。
查《水轮机设计手册》上312页的表12-3得轴的尺寸如表3-1，主轴长度根据电站安装要求决定。
：
表3-1主轴尺寸
参数符号
数值（mm）
D
950
d1
102
d2
153
DФ
1490
h
195
m
2
Db
1280
h1
230
D0
600
Dp
970
L
50
D2
1560
1480
l1
65
f
D3
1050
l2
Z
20
d
900
S
250
C
16
d′
S1
310
C1
db
100
a
30
C2
4
图3-2主轴结构
3.2.3水导轴承
水导轴承的作用，一是承受机组在各种工况下运行时通过主轴传过来的径向力，二是维持已调好的轴线位置。
按润滑剂不同，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，但近期已被斜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。
查《水轮机设计手册》345页，对不同轴承的使用条件及优缺点进行比较，同时考虑各个轴承对水质条件的要求，对所设计的水轮机，选用稀油润滑筒式轴承。
根据已有贯流式水电站资料，设计水导轴承的结构，如图3-3所示：
3-3水导轴承
3.2.4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
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