混流式水輪機(jī)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)【說(shuō)明書(shū)+CAD+三維+仿真】
混流式水輪機(jī)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)【說(shuō)明書(shū)+CAD+三維+仿真】,說(shuō)明書(shū)+CAD+三維+仿真,混流式水輪機(jī)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)【說(shuō)明書(shū)+CAD+三維+仿真】,混流式,水輪機(jī),機(jī)構(gòu),設(shè)計(jì),說(shuō)明書(shū),仿單,cad,三維,仿真
摘要
本文主要以老師所給的基本參數(shù)為基礎(chǔ)，進(jìn)行混流式水輪機(jī)?導(dǎo)水機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。根據(jù)給出的數(shù)據(jù)，確定單臺(tái)水輪機(jī)的功率為80Mw，在此基礎(chǔ)上初步選定水輪機(jī)的型號(hào)為HL160，初步選定了轉(zhuǎn)輪型號(hào)，軸的直徑，然后從機(jī)組的運(yùn)行穩(wěn)定性在此基礎(chǔ)上，根據(jù)論文要求完成導(dǎo)水機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，主要包括導(dǎo)水機(jī)構(gòu)各零件圖、裝配圖、各零件的三維圖和三維仿真，以及軸的強(qiáng)度設(shè)計(jì)、計(jì)算。?
?
Abstract
?In this paper, the basic parameters of the teacher mainly given as the basis for Francis hydraulic turbine designs. According to data given to determine a single turbine power 80Mw, initially selected turbine model HL160 on this basis, the initial selection of the wheel models, shaft diameter, and from the running stability of the unit on the basis of , according to the papers required to complete the design guidelines of water bodies, including bodies of water guide parts and assembly drawings, three-dimensional map of each part and three-dimensional simulation, as well as the strength of the shaft design calculations.
第一章 緒論
1.1選題的目的和意義
作為一名即將畢業(yè)的大學(xué)生，畢業(yè)設(shè)計(jì)是大學(xué)學(xué)習(xí)的最后一個(gè)重要的綜合性教學(xué)環(huán)節(jié)，撰寫(xiě)畢業(yè)論文，主要有兩個(gè)方面的目的：一是對(duì)所學(xué)知識(shí)進(jìn)行一次全面的考核。二是進(jìn)行科學(xué)研究基本功的訓(xùn)練，培養(yǎng)綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)獨(dú)立地分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力，為以后從事工作打下良好的基礎(chǔ)。
具體說(shuō)來(lái)，畢業(yè)設(shè)計(jì)可以鞏固學(xué)習(xí)的內(nèi)容，促進(jìn)各科知識(shí)之間相互貫通，同時(shí)可以培養(yǎng)動(dòng)手能力，創(chuàng)新能力，達(dá)到理論實(shí)踐相結(jié)合的目的。在本次混流式水輪機(jī)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，可以學(xué)習(xí)AutoCAD，UG等軟件并熟練應(yīng)用，可以了解新科技進(jìn)展，了解自己所學(xué)知識(shí)的優(yōu)勢(shì)和不足，為以后的學(xué)習(xí)打好基礎(chǔ)。同時(shí)，完成水輪機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中對(duì)混流式水輪機(jī)的結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)和性能進(jìn)行總結(jié)、歸納和綜述，對(duì)不同種類(lèi)的水輪機(jī)進(jìn)行比較，了解不同水輪機(jī)結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)，適用條件，應(yīng)用到現(xiàn)實(shí)工程當(dāng)中對(duì)現(xiàn)有設(shè)備進(jìn)行創(chuàng)新、改良。
1.2水輪機(jī)的概況
1.2.1簡(jiǎn)介
水輪發(fā)電機(jī)由水輪機(jī)驅(qū)動(dòng)。它的轉(zhuǎn)子短粗，機(jī)組的起動(dòng)、并網(wǎng)所需時(shí)間較短，運(yùn)行調(diào)度靈活，除一般發(fā)電外，特別宜于作為調(diào)峰機(jī)組和事故備用機(jī)組。水輪發(fā)電機(jī)組的最大容量已達(dá)80萬(wàn)千瓦以上。
柴油發(fā)電機(jī)由內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)。它起動(dòng)迅速，操作方便，但發(fā)電成本高，主要用作應(yīng)急備用電源，或在大電網(wǎng)沒(méi)有達(dá)到的地區(qū)和流動(dòng)電站使用。容量多在幾千瓦至幾千千瓦之間。柴油機(jī)軸上輸出的轉(zhuǎn)矩呈周期性脈動(dòng)，須防止共振和斷軸事故。
水輪發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速將決定發(fā)出的交流電的頻率，為保證這個(gè)頻率的穩(wěn)定，就必須穩(wěn)定轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速。
為了穩(wěn)定轉(zhuǎn)速，可采用閉環(huán)控制的方式對(duì)原動(dòng)機(jī)（水輪機(jī)）轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，即將發(fā)出的交流電的頻率信號(hào)采樣，并將其反饋到控制水輪機(jī)導(dǎo)葉開(kāi)合角度的控制系統(tǒng)中，去控制水輪機(jī)的輸出功率，通過(guò)反饋控制原理，就可以讓發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定了。
世界第一座水電站于1878年建于法國(guó)。美洲第一座水電站于1882年建在美國(guó)威斯康星州，采用直流發(fā)電機(jī)。1889年后,開(kāi)始使用三相交流發(fā)電機(jī)。此后,單機(jī)容量增長(zhǎng)很快，1890年僅1.5萬(wàn)kW,至1955年已能生產(chǎn)10.5萬(wàn)kW的發(fā)電機(jī)。中國(guó)在1949年以前自制的水輪發(fā)電機(jī)單機(jī)容量不超過(guò)200kW,1949年以后電機(jī)工業(yè)獲得了蓬勃的發(fā)展，1958年已能生產(chǎn)7.25萬(wàn)kW單機(jī)，1972年已制造出30萬(wàn)kW雙水內(nèi)冷水輪發(fā)電機(jī)。位于世界前列的大容量水輪發(fā)電機(jī)為大古力水電站的 71.8萬(wàn)kVA定子水冷半傘式水輪發(fā)電機(jī)、伊泰普水電站73.7萬(wàn)kVA定子水冷半傘式水輪發(fā)電機(jī)和古里水電站70.0萬(wàn)kVA空冷傘式水輪發(fā)電機(jī)以及向家壩80.0萬(wàn)KW水輪發(fā)電機(jī)等。
1.2.2 分類(lèi)
水輪發(fā)電機(jī)按軸線位置可分為立式與臥式兩類(lèi)。大中型機(jī)組一般采用立式布置，臥式布置通常用于小型機(jī)組和貫流式機(jī)組。立式水輪發(fā)電機(jī)按導(dǎo)軸承支持方式又分為懸式和傘式兩種。傘式水輪發(fā)電機(jī)按導(dǎo)軸承位于上下機(jī)架的不同位置又分為普通傘式、半傘式和全傘式。懸式水輪發(fā)電機(jī)的穩(wěn)定性比傘式好，推力軸承小，損耗小，安裝維護(hù)方便，但鋼材耗量多。傘式機(jī)組總高度低，可降低水電站廠房高度。臥式水輪發(fā)電機(jī)一般用于轉(zhuǎn)速大于375r/min的情況，以及一些小容量電站。 水輪發(fā)電機(jī)
對(duì)于水輪發(fā)電機(jī)的容量和轉(zhuǎn)速等級(jí)劃分,世界各國(guó)尚無(wú)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)我國(guó)的情況,大致上可以按下表劃分其容量和轉(zhuǎn)速等級(jí)：
分類(lèi) 額定功率Pn(kW) 額定轉(zhuǎn)速Nn(r/min)
低速 中速 高速
微型水輪發(fā)電機(jī) <100 750-1500
小型水輪發(fā)電機(jī) 100-500 <375 375-600 750-1500
中型水輪發(fā)電機(jī) 500-10000 <375 375-600 750-1500
大型水輪發(fā)電機(jī) >10000 <100 100-375 >375
1.2.3 水輪機(jī)的結(jié)構(gòu)、
水輪發(fā)電機(jī)由轉(zhuǎn)子、定子、機(jī)架、推力軸承、導(dǎo)軸承、冷卻器、制動(dòng)器等主要部件組成（見(jiàn)圖）。定子主要由機(jī)座、鐵芯和繞組等部件組成。定子鐵芯用冷軋硅鋼片疊成，按制造和運(yùn)輸條件可做成整體和分瓣結(jié)構(gòu)。水輪發(fā)電機(jī)冷卻方式一般采用密閉循環(huán)空氣冷卻。特大容量機(jī)組傾向于以水作為冷卻介質(zhì)，直接冷卻定子。如同時(shí)冷卻定子和轉(zhuǎn)子則為雙水內(nèi)冷水輪發(fā)電機(jī)組
1.2.4 安裝結(jié)構(gòu)形式
水輪發(fā)電機(jī)的安裝結(jié)構(gòu)形式通常由水輪機(jī)的型式確定。主要有以下幾種型式:
1)臥式結(jié)構(gòu)
臥式結(jié)構(gòu)的水輪發(fā)電機(jī)通常有沖擊式水輪機(jī)驅(qū)動(dòng)。臥式水輪機(jī)組通常采用兩個(gè)或三個(gè)軸承。兩個(gè)軸承的結(jié)構(gòu)其軸向長(zhǎng)度短，結(jié)構(gòu)緊湊，安裝調(diào)整方便。但當(dāng)其軸系臨界轉(zhuǎn)速不能滿(mǎn)足要求或軸承負(fù)荷較大時(shí)，這需要采用三軸承結(jié)構(gòu)。國(guó)產(chǎn)臥室水輪機(jī)發(fā)電機(jī)組大部分屬于中小型機(jī)組。而容量為12.5MW的大型臥式機(jī)組也有生產(chǎn)，國(guó)外生產(chǎn)的臥式水輪發(fā)電機(jī)組，容量在60--70MW的并不罕見(jiàn)，而用抽水蓄能電站的臥式水輪發(fā)電機(jī)組，單機(jī)容量可達(dá)300MW。
2)立式結(jié)構(gòu)
國(guó)產(chǎn)水輪發(fā)電機(jī)組廣泛采用立式結(jié)構(gòu)。立式水輪發(fā)電機(jī)組通常由混流式或軸流式水輪機(jī)驅(qū)動(dòng)。立式結(jié)構(gòu)又可分為懸式和傘式。發(fā)電機(jī)推力軸承位于轉(zhuǎn)子上部的統(tǒng)稱(chēng)為懸式,位于轉(zhuǎn)子下部的統(tǒng)稱(chēng)為傘式。
3)貫流式結(jié)構(gòu)
貫流式水輪發(fā)電機(jī)組由貫流式水輪機(jī)驅(qū)動(dòng)。貫流式水輪機(jī)是一種帶有固定或可調(diào)轉(zhuǎn)輪葉片的軸流式水輪機(jī)的特殊型式。它的主要特征是轉(zhuǎn)輪軸線采取水平或傾斜布置,并與水輪機(jī)進(jìn)水管和出水管水流方向一致。貫流式水輪發(fā)電機(jī)具有結(jié)構(gòu)緊湊,重量輕的優(yōu)點(diǎn),廣泛用于低水頭的電站中。
1.3 導(dǎo)水機(jī)構(gòu)的主要詳細(xì)情況
由引水室流向水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的水流需經(jīng)過(guò)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)再進(jìn)入轉(zhuǎn)輪，導(dǎo)水機(jī)構(gòu)的主要作用是：根據(jù)電力系統(tǒng)負(fù)荷的變化，調(diào)節(jié)水輪機(jī)流量，以適應(yīng)系統(tǒng)對(duì)機(jī)組出力的要求； 形成和改變進(jìn)入轉(zhuǎn)輪的水流環(huán)量，以滿(mǎn)足水輪機(jī)對(duì)進(jìn)入轉(zhuǎn)輪前水流環(huán)量的要求。在轉(zhuǎn)輪停止工作時(shí)必須關(guān)閉導(dǎo)葉截?cái)嗨鳌?
本課題主要是利用已掌握的知識(shí)，對(duì)混流式水輪機(jī)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。
1.3基本參數(shù)
水輪機(jī)型號(hào)：HL160
單機(jī)容量： 80MW
m；
m；
m；
m
1.4畢業(yè)設(shè)計(jì)具體內(nèi)容
根據(jù)給定水輪機(jī)型號(hào)和轉(zhuǎn)輪直徑等參數(shù)進(jìn)行水輪機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
1）選定混流式水輪機(jī)的基本型號(hào)；
2）確定水輪機(jī)主軸尺寸；
3）繪制水輪機(jī)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)總裝配圖；
4）繪制水輪機(jī)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)三維圖；
5）繪制水輪機(jī)主要部件的組裝圖和零件圖。
6）對(duì)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)進(jìn)行仿真；
第二章 導(dǎo)水機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
2.1 導(dǎo)水機(jī)構(gòu)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
水輪機(jī)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)主要由導(dǎo)葉、導(dǎo)葉操作機(jī)構(gòu)、環(huán)形部件和軸套、密封等部件組成，導(dǎo)水機(jī)構(gòu)的作用主要體現(xiàn)在以下四點(diǎn)：
(1)形成和改變進(jìn)入轉(zhuǎn)輪的水流流量，以改變機(jī)組出力;
(2)按電力系統(tǒng)所需功率調(diào)節(jié)水輪機(jī)流量;
(3)導(dǎo)葉在關(guān)閉位置時(shí)能使水輪機(jī)停止運(yùn)動(dòng);
(4)在機(jī)組甩負(fù)荷時(shí)防止機(jī)組飛逸.
導(dǎo)葉的布置形式，按其導(dǎo)葉軸線的布置位置可以分為三種，圓柱式、圓錐式和徑向式。本設(shè)計(jì)選擇圓柱式導(dǎo)水機(jī)構(gòu)。
2.2 導(dǎo)葉布置圖的繪制
2.2.1 導(dǎo)葉翼型及結(jié)構(gòu)的確定
圓柱式導(dǎo)水機(jī)構(gòu)的葉形，目前常用的有對(duì)稱(chēng)型和非對(duì)稱(chēng)型（正曲率）兩種標(biāo)準(zhǔn)葉形。對(duì)稱(chēng)型導(dǎo)葉一般使用于蝸殼具有不完全包角的高比速軸流式水輪機(jī)中；非對(duì)稱(chēng)型（正曲率）導(dǎo)葉一般用于具有全包角蝸殼，并工作于較大開(kāi)度的低比速軸流式水輪機(jī)和高中比轉(zhuǎn)速混流式水輪機(jī)中。根據(jù)所提供的水輪機(jī)參數(shù)，通過(guò)上式計(jì)算，選擇非對(duì)稱(chēng)型導(dǎo)葉葉型。
非對(duì)稱(chēng)型導(dǎo)葉的外形結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)尺寸，查參考文獻(xiàn)[1]P140圖8-8、表8-7。如圖2-1示。
圖2-1
24
0.1523
約0.051
表2-1
圖2-1型導(dǎo)葉（正曲率）參考文獻(xiàn)[1]
其中
—導(dǎo)葉數(shù)；
—分布園直徑；
—導(dǎo)葉臂中心線和圓切線所夾角度；
—導(dǎo)葉葉形基準(zhǔn)線和圓切線所夾角度
查文獻(xiàn)[1]P141表8-7，得到導(dǎo)葉葉形斷面尺寸，如下圖2-1、表2-1葉形的斷面尺寸（單位：mm）
參數(shù)符號(hào)
數(shù)值
參數(shù)符號(hào)
數(shù)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
Ymax
L1
L2
L
m1
m
K
82.5
161.1
60.4
47.73
111.32
475
427
902
60.1
74.8
9
通過(guò)上表，設(shè)計(jì)出導(dǎo)葉葉形，導(dǎo)葉材料采用ZG20MnSi整鑄，如圖2-2所示。
圖2-2 導(dǎo)葉葉型圖
2.2.2 導(dǎo)葉的結(jié)構(gòu)系列尺寸和軸頸選擇
按所提供數(shù)據(jù)計(jì)算水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪直徑D1=5200mm，使用水頭H1（指最高水頭）=134.2m，導(dǎo)葉的相對(duì)高度b0/D1=0.2，導(dǎo)葉的軸頸從參考文獻(xiàn)[1]中初選軸頸db，選得db=270mm，再根據(jù)db=270mm查得導(dǎo)葉結(jié)構(gòu)的其它尺寸如圖2-7和表2-6所示。
圖2-3葉結(jié)構(gòu)圖
導(dǎo)葉結(jié)構(gòu)的尺寸（單位：mm）
參數(shù)符號(hào)
數(shù)值
參數(shù)符號(hào)
數(shù)值
db
da
d1
dc
d2
dm
d3
d4
hA
270
230
280
250
260
70
M56
248
230
hB
hc
h1
h2
h3
h4
H參考
R1
R2
300
445
35
265
100
22
1354
50
40
表2-6
其具體3D圖如下：
2.2.3導(dǎo)葉開(kāi)度的確定
參照文獻(xiàn)[1]P144公式,將模型綜合特性曲線的模型開(kāi)口值換算得到真機(jī)導(dǎo)葉的最優(yōu)開(kāi)口，最大開(kāi)口和最大可能開(kāi)口。上式中下標(biāo)M表示模型值。
最優(yōu)開(kāi)口
取設(shè)計(jì)水頭下的單位轉(zhuǎn)速與最優(yōu)效率點(diǎn)對(duì)應(yīng)的開(kāi)口值為最優(yōu)開(kāi)口。
設(shè)計(jì)水頭下的單位轉(zhuǎn)速：
（2-1）
根據(jù)模型綜合特性曲線（圖3-1），，則真機(jī)
（2-2）
最大開(kāi)口
取設(shè)計(jì)水頭下發(fā)額定出力時(shí)的開(kāi)口值為最大開(kāi)口。
額定出力下，設(shè)計(jì)水頭所對(duì)應(yīng)的流量為：
(2-3)
單位流量
(2-4)
查曲線得，
則真機(jī)開(kāi)口
(2-5)
最大可能開(kāi)口
取 (2-6)
導(dǎo)葉布置圖以及相關(guān)曲線的繪制
取a0=0,100,200mm，再加上上面的三個(gè)開(kāi)度，繪制導(dǎo)葉布置圖，如圖5-3所示。
圖5-3 導(dǎo)葉布置圖
接力器行程S、β、γ隨a0變化的關(guān)系曲線、和，如圖5-4所示。
圖2-4β、γ與a0的關(guān)系曲線
圖5-4
2.3 導(dǎo)水機(jī)構(gòu)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
導(dǎo)葉傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的形式很多，比較常見(jiàn)的兩種是叉頭傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和耳柄傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。
由于叉頭傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的受力情況良好，適用于大、中型機(jī)組，所以在本次設(shè)計(jì)中采用了叉頭傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。
叉頭傳動(dòng)機(jī)構(gòu)主要由導(dǎo)葉臂、連接板、叉頭、叉頭銷(xiāo)、連接螺桿、螺帽、分半鍵、剪斷銷(xiāo)、軸套、端蓋和補(bǔ)償環(huán)等組成。
導(dǎo)葉臂與導(dǎo)葉用鍵連接，直接傳遞操作力矩。導(dǎo)葉臂上裝有端蓋，用調(diào)節(jié)螺釘把導(dǎo)葉懸掛在端蓋上。由于采用了分半鍵，因此在調(diào)節(jié)導(dǎo)葉體上下斷面間隙時(shí)，導(dǎo)葉上下移動(dòng)，而其他傳動(dòng)件位置不受影響。
叉頭傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中，導(dǎo)葉臂與連接板上裝有剪斷銷(xiāo)，如果導(dǎo)葉間因異物卡住，有關(guān)傳動(dòng)件的操作力將急劇增大，應(yīng)力增高到1.5倍時(shí)，剪斷銷(xiāo)首先剪斷，保護(hù)其他傳動(dòng)件不受損壞。
此外，連接板或控制環(huán)與插頭連接處，為了使連接螺桿保持水平，可以裝補(bǔ)償環(huán)進(jìn)行調(diào)整。連接螺桿兩端螺紋分別為左旋和與右旋，以便安裝中調(diào)整連桿長(zhǎng)度和導(dǎo)葉開(kāi)度。
叉頭傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的裝配尺寸如表3-2所示。表2-2頭傳動(dòng)機(jī)構(gòu)裝配尺寸（單位：mm）
參數(shù)符號(hào)
數(shù)值
參數(shù)符號(hào)
數(shù)值
dc
Z0
d1
dn
700
24
M72×4
90D/dc
dcn
d2
h
h1
70D4/dc4
100D3/jd
70
90
叉頭傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的零件結(jié)構(gòu)與尺寸如下：
導(dǎo)葉臂結(jié)構(gòu)圖如圖2-5、2-6
圖2-5葉臂
表2-3 導(dǎo)葉臂尺寸（單位：mm）
參數(shù)符號(hào)
數(shù)值
參數(shù)符號(hào)
數(shù)值
db
Dc
D1
D2
D3
D4
d2
dm
270
250D
360d
400
370
400
305
70D
d3
H
L1
H2
h3
e
R1
?1
M30
310-0.5
265
25
45
70
30
2
表2-4臂銷(xiāo)孔尺寸（單位：mm）
參數(shù)符號(hào)
數(shù)值
參數(shù)符號(hào)
數(shù)值
dcn
R
B
80D
110
300
C1
h
h1
2
80
100
連接板的結(jié)構(gòu)尺寸如圖2-3和表2-4所示。
表2-5連接板的結(jié)構(gòu)尺寸（單位：mm）
參數(shù)符號(hào)
數(shù)值
參數(shù)符號(hào)
數(shù)值
D1
R1
K
Dcn
D2
d1
d2
360D
220
0.03
80D4
110D3
150
M24
R2
h
h1
l
l1=l2
c
90
80
100
30
120
1.5
圖2-5
圖2-6連接板
叉頭的結(jié)構(gòu)尺寸如圖2-6和表2-6所示。
表2-6 叉頭尺寸（單位：mm）
參數(shù)符號(hào)
數(shù)值
參數(shù)符號(hào)
數(shù)值
d1
d2
d3
d4
H
h
h1
M80×4
100D
95D
145
210
130
40
L
L1
R
r
r1
c1
s
215
135
90
20
10
2
32
圖2-7 叉頭
連接螺桿的結(jié)構(gòu)尺寸如表3-7和圖3-5所示。
表2-7 連接螺桿的尺寸（單位：mm）
參數(shù)符號(hào)
數(shù)值
參數(shù)符號(hào)
數(shù)值
d1
d2
d3
s
l
M80×4
90
74
80
190
b
b1
r
c
30
8
2
3
圖2-8 連接螺桿
導(dǎo)葉臂的三維模型如下：
2.3.1導(dǎo)葉的密封結(jié)構(gòu)
導(dǎo)葉關(guān)閉后，導(dǎo)葉體的立面應(yīng)良好密封。所設(shè)計(jì)水頭為112m，水頭較高，本文中其立面采用帶壓板的橡膠密封。這種結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，采用成型三角橡皮條加壓板固定（橡皮條不宜突出太多，壓板和葉形表面要光滑過(guò)度），材料采用不銹鋼，其結(jié)構(gòu)尺寸如表2-7和圖2-8所示。
表2-8 帶壓板的橡膠密封（單位：mm）
參數(shù)符號(hào)
數(shù)值
參數(shù)符號(hào)
數(shù)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°
圖2-9 帶壓板的橡膠密封
2.3.2導(dǎo)葉軸套結(jié)構(gòu)
導(dǎo)葉軸套過(guò)去大多數(shù)采用鑄錫青銅，加注黃干油潤(rùn)滑。目前已廣泛應(yīng)用具有自潤(rùn)滑性能的工程塑料代替，這樣不僅簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，而且節(jié)省大量有色金屬，降低成本。
查文獻(xiàn)[1]P162表8-22，上軸套的結(jié)構(gòu)和尺寸見(jiàn)圖2-10和表2-9。
圖2-10 導(dǎo)葉套筒
表2-9 導(dǎo)葉套筒尺寸（單位：mm）
參數(shù)符號(hào)
數(shù)值
參數(shù)符號(hào)
數(shù)值
db
d1
d2
d3
d4
d5
d6
d7
d8
270
660
420
270
300
310
560
40
8
d9
d10
h
h1
h2
h3
Z
H參考
445
M24
60
40
270
125
8
980
2.3.4導(dǎo)葉的止推裝置
考慮到導(dǎo)葉在水壓作用下的上浮力，為了防止導(dǎo)葉被向上抬起，碰撞頂蓋和影響連桿受力，本設(shè)計(jì)中設(shè)置了止推裝置。
止推裝置的結(jié)構(gòu)形式很多，本文采用的是在導(dǎo)葉臂上開(kāi)槽，利用固定于套筒上法蘭面的止推裝置，卡在導(dǎo)葉臂槽內(nèi)，使導(dǎo)葉臂與導(dǎo)葉受軸向限位，從而限制了導(dǎo)葉向上浮動(dòng)。
查文獻(xiàn)[1]P157表4-6，止推壓板尺寸見(jiàn)表2-10結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2-102-10。
表2-10 止推壓板尺寸 （單位：毫米）
115
248
210
183
165
19
39
22
17
圖2-11 止推裝置結(jié)構(gòu)參考文獻(xiàn)[1]
2.3.5導(dǎo)葉套筒
導(dǎo)葉套筒是固定導(dǎo)葉上中軸套的部件，本設(shè)計(jì)中采用HT21-40鑄鐵鑄造。套筒結(jié)構(gòu)與主軸材質(zhì)、密封結(jié)構(gòu)和頂蓋的高度有關(guān)。目前多數(shù)采用整體圓筒的模式，因?yàn)榘咨剿娬驹O(shè)計(jì)水頭為112m，所以在導(dǎo)葉套筒上設(shè)置導(dǎo)葉止推裝置。本次設(shè)計(jì)中采用的套筒的尺寸大小如圖2-9和表2-8所示。
圖2-12 導(dǎo)葉套筒
表2-11 導(dǎo)葉套筒尺寸（單位：mm）
參數(shù)符號(hào)
數(shù)值
參數(shù)符號(hào)
數(shù)值
db
d1
d2
d3
d4
d5
d6
d7
d8
270
660
420
270
300
310
560
40
8
d9
d10
h
h1
h2
h3
Z
H參考
445
M24
60
40
270
125
8
980
具體3D模型如下：
2.3.8連接螺桿
查文獻(xiàn)[1]P168表8-32，結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2-16，連接螺桿的尺寸見(jiàn)表2-12。
表2-12 連接螺桿尺寸 （單位：毫米）
d1
d2
d3
S
l
b
b1
r
C
M36
42
30
36
85
18
5
1.5
2
圖2-13 連接螺桿結(jié)構(gòu)參考文獻(xiàn)[1]
2.3.9剪斷銷(xiāo)
查文獻(xiàn)[1]P170表8-35，剪斷銷(xiāo)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖5-18，尺寸見(jiàn)表5-14。
表2-13 剪斷銷(xiāo)尺寸 （單位：毫米）
Dcn
d
d2
d3
d4
b
b1
35
15
34
40
35
3
2
r
h1
h2
h
l
L
1
3.5
10
36
34
82
圖2-14剪斷銷(xiāo)結(jié)構(gòu)
剪斷銷(xiāo)三維圖如下：
2.4外部機(jī)構(gòu)
外部機(jī)構(gòu)主要包括接力器、頂蓋、底板等，它們對(duì)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)起支撐作用，是導(dǎo)水機(jī)構(gòu)的主體。
2.4.1接力器
計(jì)算得到水輪機(jī)的轉(zhuǎn)輪直徑為5.2，屬于大型機(jī)組，故采用單導(dǎo)管直缸接力器，布置在水輪機(jī)機(jī)坑內(nèi)，操作油壓采用PH=40kg/cm2。
接力器直徑
（2.8）
式中：——轉(zhuǎn)輪直徑
——最高水頭
——導(dǎo)葉相對(duì)高度
——調(diào)速系統(tǒng)的額定油壓
λ——計(jì)算系數(shù)
從參考文獻(xiàn)[1]中的表查得，PH=40kg/cm2，Hmax=126m， b0/D1=0.2
根據(jù)接力器直徑系列取,由于其采用單導(dǎo)管型式的直缸接力器，其主要特征尺寸如圖2-15所示。
圖2-15單導(dǎo)管型式的直缸接力器
2.4.1底環(huán)
底環(huán)是一個(gè)扁平的環(huán)形部件，固定在座環(huán)上，設(shè)計(jì)時(shí)主要考慮剛度，一般不作強(qiáng)度計(jì)算。底環(huán)的主要功能是安裝導(dǎo)葉的下軸承和形成流道的過(guò)流表面。底環(huán)上部過(guò)流表面尺寸應(yīng)符合各型號(hào)轉(zhuǎn)輪的流道尺寸。本設(shè)計(jì)中，底環(huán)分為四瓣，采用ZG30鑄鋼鑄造。底環(huán)與導(dǎo)葉相配合的端面上裝有3mm厚的抗磨板，材料采用A3鋼板。底環(huán)的導(dǎo)葉軸孔中心線與導(dǎo)葉中心線重合，同時(shí)與導(dǎo)葉分布圓直徑相重合。
底環(huán)的安裝是搭在座環(huán)上的，它們之間用M30的螺釘連接。同時(shí)在它們之間做個(gè)臺(tái)階，使底環(huán)搭在座環(huán)上。在底環(huán)與轉(zhuǎn)輪之間裝有密封裝置，我采用的是迷宮式密封。它是種止漏裝置，是為了減少機(jī)組的容積損失。底環(huán)的結(jié)構(gòu)尺寸，見(jiàn)圖2-16。
圖2-16 底環(huán)結(jié)構(gòu)尺寸
2.4.2控制環(huán)
制環(huán)是傳遞接力器作用力，并通過(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)葉的環(huán)形部件，在本次設(shè)計(jì)中采用ZG30鑄造。其結(jié)構(gòu)尺寸如表2-18圖2-26和所示。
表2-14 控制環(huán)尺寸（單位：mm）
參數(shù)符號(hào)
數(shù)值
參數(shù)符號(hào)
數(shù)值
DC
Z0
Dy
4400
24
4550
R
S
18
35
圖2-17 控制環(huán)
控制環(huán)大耳環(huán)處結(jié)構(gòu)尺寸如圖2-27和表2-19所示。
圖2-18 大耳環(huán)
表2-19 大耳環(huán)處尺寸（單位：mm）
參數(shù)符號(hào)
數(shù)值
參數(shù)符號(hào)
數(shù)值
dc
d1
d2
700
180
175
d3
h1
h2
350
70
210
控制環(huán)小耳環(huán)處結(jié)構(gòu)尺寸如表2-20和圖2-28所示。
表2-15 小耳環(huán)處的尺寸（單位：mm）
參數(shù)符號(hào)
數(shù)值
d2
h1
DC
110D
100
4400
圖2-20制環(huán)小耳環(huán)
2.4.4頂蓋
頂蓋是水輪機(jī)的重要部件，它可以封堵水流，防止水流往機(jī)組上方流動(dòng)。它是同時(shí)可以作為傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和控制環(huán)的支撐。頂蓋還可以作為空氣破壞閥的安放裝置。它要求有足夠的強(qiáng)度和剛度，因此多數(shù)設(shè)計(jì)成箱型結(jié)構(gòu)，此外還應(yīng)考慮一定的空間位置，便于檢修，采用焊接結(jié)構(gòu)。頂蓋材料采用A3鋼板，結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖5-24。
圖2-21 頂蓋結(jié)構(gòu)
2.4.5座環(huán)
座環(huán)是反擊式水輪機(jī)的基礎(chǔ)部件，除了承受水壓力作用外，還承受整個(gè)機(jī)組和機(jī)組段混凝土重量，因此要有足夠的強(qiáng)度和剛度。座環(huán)的基本結(jié)構(gòu)由上環(huán)、下環(huán)、和固定導(dǎo)葉組成。座環(huán)的尺寸與轉(zhuǎn)輪型號(hào)、直徑、水頭有關(guān)。
根據(jù)所給數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)輪型號(hào)和設(shè)計(jì)水頭，本文設(shè)計(jì)中采用帶蝶形邊形式的座環(huán)，與金屬蝸殼連接。座環(huán)材料采用ZG30鑄鋼鑄造，24個(gè)固定導(dǎo)葉。
查參考文獻(xiàn)[1]第105頁(yè)表6-15金屬蝸殼座環(huán)尺寸系列可得白山水電站座環(huán)高度如表2-15和圖2-16所示。
表2-17 座環(huán)尺寸（單位：mm）
參數(shù)符號(hào)
數(shù)值
參數(shù)符號(hào)
數(shù)值
Db
Da
k
7300
8600
175
R
H1=b0+20
δ
500
1120
25°
圖2-22 座環(huán)
此外，還需對(duì)制造質(zhì)量提出如下要求：
（1）所有過(guò)流表面打磨光滑，相當(dāng)于光潔度▽3；
（2）固定導(dǎo)葉進(jìn)口端節(jié)距誤差不超過(guò)0.0015Da；
（3）頂蓋與底環(huán)把合面平行度誤差不超過(guò)0.025mm；
（4）分瓣結(jié)構(gòu)的合縫面光潔度為▽5，合縫面間隙一般不超過(guò)0.05mm，局部允許有0.15～0.3mm間隙（深度小于接合縫的1/3，長(zhǎng)度不超過(guò)接合縫總長(zhǎng)的1/5）。
2.4.6底環(huán)
底環(huán)是一個(gè)扁平的環(huán)形部件，固定于座環(huán)上，設(shè)計(jì)時(shí)主要考慮剛度，不作強(qiáng)度計(jì)算。所設(shè)計(jì)水輪機(jī)座環(huán)采用ZG30鑄造。在底環(huán)的過(guò)流表面應(yīng)鋪設(shè)抗磨板，材料采用20mm厚的A3鋼板。由于受運(yùn)輸條件的限制，本次設(shè)計(jì)中的底環(huán)分四瓣鑄造，底環(huán)結(jié)構(gòu)如圖2-23所示。
圖2-23 底環(huán)
2.4.7 基礎(chǔ)環(huán)
基礎(chǔ)環(huán)是混流式水輪機(jī)中座環(huán)與尾水管進(jìn)口錐管段相連接的基礎(chǔ)部分，埋設(shè)于混凝土內(nèi)，轉(zhuǎn)輪的下環(huán)在其轉(zhuǎn)動(dòng)。本設(shè)計(jì)中，基礎(chǔ)環(huán)采用鋼板焊接形式，上法蘭與座環(huán)用螺釘把合，下法蘭與尾水管進(jìn)口椎管段的里襯用螺釘把合。
基礎(chǔ)環(huán)與轉(zhuǎn)輪下環(huán)間有一定間隙（圖2-24），作為安裝中放置斜楔、調(diào)整轉(zhuǎn)輪水平用。其結(jié)構(gòu)如圖2-25所示。
圖2-24 基礎(chǔ)環(huán)與轉(zhuǎn)輪間隙（單位：mm） 圖2-25基礎(chǔ)環(huán)
2.4.8水導(dǎo)密封
水輪機(jī)導(dǎo)軸承型式很多，目前比較常用的有水潤(rùn)滑的橡膠軸承、稀油潤(rùn)滑帶有轉(zhuǎn)動(dòng)油盤(pán)、斜油槽自循環(huán)的筒式軸承和稀油潤(rùn)滑油浸式分塊瓦軸承。其它型式軸承如稀油潤(rùn)滑畢托管上油方式軸承，在中、小型機(jī)組中雖有采用，近期稀油槽自循環(huán)的筒式軸承所代替。干油潤(rùn)滑軸承國(guó)內(nèi)運(yùn)用不多?？紤]到白山水電站中主軸直徑D=1700mm尺寸較大，水質(zhì)比較干凈，故采用稀油潤(rùn)滑油浸式分塊瓦軸承。其結(jié)構(gòu)如圖2-26所示。
圖2-26 水導(dǎo)軸承（稀油潤(rùn)滑油浸式分塊瓦軸承）
2.4.9主軸密封
主軸部分的密封裝置分兩種，一種是機(jī)組正常運(yùn)行中，橡膠軸承壓力水箱的密封，稀油軸承下部防止機(jī)組漏水的主軸密封。這一種密封的結(jié)構(gòu)形式很多，如盤(pán)根、墊料式密封，單層或雙層橡膠密封，徑向式端面碳精塊（尼龍塊）密封，水泵密封等等。另一種是機(jī)組停機(jī)檢修軸承和軸承下部主軸密封時(shí)防止尾水往機(jī)坑內(nèi)泄漏的檢修密封。這種密封的結(jié)構(gòu)形式有空氣圍帶式、機(jī)械操作或抬機(jī)密封等多種。
圖2-27 主軸密封 圖2-28 檢修密封
2.5導(dǎo)水機(jī)構(gòu)的裝配尺寸
導(dǎo)水機(jī)構(gòu)主要有導(dǎo)葉、導(dǎo)葉操作機(jī)構(gòu)、環(huán)形部件和軸套、密封等組成，根據(jù)白山水電站轉(zhuǎn)輪直徑D1=5500mm可以查參考文獻(xiàn)[1]第13頁(yè)表8-1得白山水電站導(dǎo)水機(jī)構(gòu)裝配尺寸如表2-18和2-29所示
表2-18導(dǎo)水機(jī)構(gòu)的裝配尺寸（單位：mm）
參數(shù)符號(hào)
數(shù)值
參數(shù)符號(hào)
數(shù)值
D0
Z0
Dc
φ
6400
24
4400
42°
LH
lp
lc
Dy
740
370
588
4550
圖2-29 導(dǎo)水機(jī)構(gòu)
2.5.1導(dǎo)水機(jī)構(gòu)的配合公差與間隙
（1）導(dǎo)水機(jī)構(gòu)的配合公差參見(jiàn)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)裝配圖。
水輪機(jī)裝配圖如下：
（2）配合間隙
導(dǎo)葉立面間隙。立面不裝密封橡皮條時(shí)，一般間隙為零，白山水電站水輪機(jī)組是大型機(jī)組，因此允許在導(dǎo)葉高度約1/4的范圍內(nèi)有不大于0.15mm的局部間隙。
導(dǎo)葉與頂蓋及底環(huán)配合面的端面間隙。根據(jù)白山水電站水輪機(jī)的轉(zhuǎn)輪直徑與使用水頭查參考文獻(xiàn)[1]第134頁(yè)表8-3得導(dǎo)葉的端面間隙為0.25～0.55mm，該間隙值是指上下端面間隙相等的單邊間隙值。
局部間隙值。環(huán)形部件的合縫面應(yīng)貼合，對(duì)于白山水電站水輪發(fā)電機(jī)組來(lái)說(shuō)，一般局部間隙不應(yīng)大于0.15mm，間隙深度不應(yīng)大于測(cè)量方向的1/3，長(zhǎng)度不超過(guò)合縫面總長(zhǎng)的20%。
總體裝配圖如下：
2.6本章總結(jié)
本章是整篇文章的主題，主要包括導(dǎo)葉，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、外部機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，并得到相應(yīng)的三維圖和仿真，完成了導(dǎo)水機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，同時(shí)通過(guò)仿真驗(yàn)證了本次導(dǎo)水機(jī)構(gòu)的可行性，對(duì)于正式運(yùn)用于實(shí)際需對(duì)其進(jìn)行分析，和實(shí)際實(shí)驗(yàn)計(jì)算。
結(jié)論、討論和建議
水輪機(jī)對(duì)于電站而言，是重中之重。它配合發(fā)電機(jī)組實(shí)現(xiàn)了，機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能這一核心任務(wù)。因此，使水輪機(jī)最優(yōu)化，對(duì)提高電站的效率至關(guān)重要。它的性能優(yōu)劣,結(jié)構(gòu)完善與否,直接涉及到水電事業(yè)發(fā)展的程度。水輪機(jī)的選型是否合理，直接關(guān)系到水電站的動(dòng)能經(jīng)濟(jì)指標(biāo)以及運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性。
本次設(shè)計(jì)主要是通過(guò)提供的數(shù)據(jù)對(duì)水輪機(jī)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的內(nèi)容主要包括導(dǎo)葉、軸套、導(dǎo)葉臂、連桿，底座等部件。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，利用CAD、proe工具進(jìn)行水輪機(jī)總裝配圖、導(dǎo)葉布置圖、導(dǎo)水機(jī)構(gòu)裝配圖和控制環(huán)零件圖的繪制。
通過(guò)本次畢業(yè)設(shè)計(jì)，使我對(duì)本專(zhuān)業(yè)所學(xué)的知識(shí)有了更深刻的理解。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，由于要頻繁使用cad、word、proe等軟件，這無(wú)疑增加了自己對(duì)于電腦輔助軟件的熟練程度。由于自己的水平有限，所設(shè)計(jì)的水輪機(jī)還是有著不足之處，但設(shè)計(jì)過(guò)程對(duì)個(gè)人能力的鍛煉是很明顯的。在今后的學(xué)習(xí)與工作中，我還要更加努力，全面提高自己。
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致謝
在畢業(yè)設(shè)計(jì)過(guò)程中，很多人給予了我很大的幫助，在此我要對(duì)他們表示衷心的感謝。
首先，我要感謝我的畢業(yè)設(shè)計(jì)指導(dǎo)老師—XXX老師。X老師每周都會(huì)對(duì)畢業(yè)設(shè)計(jì)過(guò)程中出現(xiàn)的不足和錯(cuò)誤之處提出改正的建議，使得我能及時(shí)地發(fā)現(xiàn)自己在設(shè)計(jì)中出現(xiàn)了什么錯(cuò)誤，并能及時(shí)地改正。另外，由于X老師平時(shí)都很忙，因此XXX學(xué)長(zhǎng)也負(fù)責(zé)我的設(shè)計(jì)指導(dǎo)。對(duì)此，我要感謝樊恒武學(xué)長(zhǎng)對(duì)自己的幫助。最后，我要感謝XXX、XXX、XXX等同學(xué)對(duì)自己的幫助和支持。
由于本人的知識(shí)水平和時(shí)間有限，論文中的錯(cuò)誤和不足之處在所難免，懇請(qǐng)讀者指正。
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