大学毕业论文——水电站水轮机结构设计
长湖水电站水轮机结构设计
摘要
水力发电在国民经济各部门与日常生活中发挥着举足轻重的作用，水力发电是目前技术最为成熟的一种可再生能源发电技术。进一步开发好水力发电是实现可再生能源比重显著上升的一个重要举措，也是建设资源节约型社会和环境友好型社会的重要举措。在当前能源结构调整的大背景中，发展水力发电也成为其中重要的组成部分。
这次毕业设计的主要内容是进行水轮机结构设计，设计的对象是长湖水电站的轴流转桨式水轮机。
本次设计是在给定水轮机基本参数的前提下，通过查阅相关的设计手册，对水轮机的结构进行设计。设计的主要内容有两部分，第一部分是对水轮机进行总体结构的设计，其中包括了座环、主轴、接力器等由水轮机设计参数确定的部件。由于长湖水电站的机组是转桨式的，所以在这一部分中还包括了叶片操作系统的设计。第二部分是对导水机构进行设计。这部分主要是根据接力器直径设计导水机构传动系统。
由于本次设计采用了计算机绘图，因此使得设计过程变得简单快捷。【关键词】：水轮机、结构设计、计算机绘图
吴少刚：长湖水电站水轮机结构设计
ABSTRACT
Hydroelectric power plays an important role in the national economy and daily life of various departments. Hydroelectric power is one of the most mature technologies of renewable energy power generation technology. The further development of hydro-electric power not only is an important initiative to achieve a significant increase in the proportion of good renewable energy resources, but also is an important solution to construct resource-saving society and environment-friendly society. At present, in the broader context of energy restructure, hydro-electric power has also become an important component of renewable energy power generation technology.
The main content of this Graduate Design is to carry on a structure design of Hydro turbine. The object of this design is ChangHu Hydraulic power station.
Under the premise of appointed essential parameter, this design is to make a contrivance for Hydro turbine by referring relative design handbook. The main contents of this design contain two parts. The first part of this design is to make a general structural design of Hydro turbine. It concludes the component which can be designed by design factor of Hydro turbine. Such as stay vane ring、servomotor、bottom lid、turbine main shaft and so on. Because the Hydro turbine of ChangHu hydraulic power station is Kaplan turbine, so we have to design the controlling mechanism of water turbine runner blades in this part. The second part is to design the Distributor of Hydro turbine. The major task of this part is designing the drive system of Guide Apparatus based on the diameter of servomotor.
Due to the using of computer in drawing, the process of design becomes simple and rapid.
KEY WORDS: Kaplan turbine, structural design,computer produced drawing
目录
摘要 (1)
ABSTRACT (2)
目录 (3)
1 绪论 (5)
1.1概述 (5)
1.2设计内容 (6)
1.3原始资料 (6)
2 水轮机总体结构设计 (7)
2.1转轮的流道尺寸 (7)
2.2导叶高度及分布圆直径 (8)
2.3主轴直径 (8)
2.4转轮 (9)
2.5接力器 (13)
2.6叶片操作系统 (14)
2.6.1 带操作架的直连杆机构 (14)
2.6.2 不带操作架的直连杆机构 (15)
2.6.3 带操作架的斜连杆机构 (16)
2.7座环 (17)
2.8控制环 (18)
2.9顶盖与支持盖 (19)
2.10底环 (20)
2.11主轴 (21)
2.12主轴密封 (24)
2.13水导轴承 (25)
3 导水机构的设计 (30)
3.1 导水机构的配合公差与间隙： (30)
3.2 导水机构的装配尺寸 (30)
3.3 导叶 (31)
3.4 导叶套筒 (36)
3.5 导叶轴颈密封及其轴套 (37)
3.6 导叶的传动机构设计 (40)
致谢 (49)
参考文献 (49)
1 绪论
1.1 概述
中国水能资源居世界第一位。我国的水能资源理论蕴藏量有6.78亿千瓦，年发电量5.92万亿千瓦时，居世界第一位，有美好的开发前景。到1991年，我国已开发水电装机容量3788万千瓦，年发电量1248亿千瓦时，占经济可开发水电发电量的9.9％。预计，2000年我国水电总装机容量可达9000万千瓦；2000～2020年再增加9000万千瓦，到2020年累计达1.8亿千瓦；2020～2050年再开发1.1亿千瓦，将我国经济可开发水能资源全部开发出来，达到2.9亿千瓦。
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。但是我国在水轮机设计研究方面仍然未能达到世界领先水平，而且我国研制的水轮机效率低、寿命短，空化空蚀防护措施及减振措施方面都存在不足。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。
广东省长湖水电厂，即现广东粤电长湖发电有限责任公司，隶属广东省粤电集团有限公司。共装有两台轴流转桨式水轮发电机组，装机容量为76兆瓦，年均发电量约为2.88亿千瓦时。发电厂房位于离北江与翁江汇合口9千米的翁江下游，于1969年开始兴建，两机组先后于1973年3月28日和1974年6月7日投产发电，这是广东省当时第一台低水头、转桨水轮发电机组，当时这两台机组单机容量均为36兆瓦，2003年对#2机进行了增容改造，容量增加到40兆瓦。本次设计的主要内容是针对长湖水电站的具体情况对其水轮机结构进行设计，在设计中不仅对其总体结构进行了设计，还特别对水轮机的转桨式机构进行了设计。在这次设计中，除了查阅手册外，还查阅了一些国内、外已建成的水电站的资料以作参考。
随着计算机技术的发展，利用CAD软件进行绘图已成为设计的主要手段之一。在本次毕业设计中，由于所有的图纸都采用CAD软件进行绘
制，所以不仅提高了利用CAD软件绘图的能力，也使得设计的速度大为提高。
1.2 设计内容
本次毕业设计的主要内容：
（一）根据给定水轮机型号和转轮直径等参数进行水轮机总体结构设计1．按给定水轮机型号和转轮直径等参数，确定水轮机的主要特征尺寸，对水轮机的埋入部件进行结构设计；
2．确定水轮机主轴尺寸和接力器尺寸；
3．根据机组的型式和电站的自然条件进行主轴密封和水导轴承的设计；
4. 合理布置控制环的结构以及选择合适的补气装置。
5．绘制水轮机总装配图及主要机构的组装图和零部件图。
（二）导水机构传动系统的设计
1．根据机组的型式设计导水机构；
2．绘制导水机构装配图及导叶布置图；
（三）叶片操作机构的设计
1. 根据机组布置形式选择叶片操作机构；
2. 设计选择叶片密封形式。
1.3 原始资料
本次毕业设计的基本参数如下：
水轮机型号：ZZ440-LH-450 额定转速：150（rpm）
设计流量：153（ｍ3/ｓ）安装高程：18.5（m）单机容量：37.5MW 设计水头：28(m)
吸出高度：-6.5（m）
2 水轮机总体结构设计
2.1 转轮的流道尺寸
根据《水轮机设计手册》我国暂行水轮机型谱表11-1查得ZZ440的流道尺寸如下表2-1，表2-2，其符号表示意义如图2-1，2-2所示：
表2-1 转轮流道尺寸
参数符号数值（mm）参数符号数值（mm）
D1 Z1 D0 Z0 b0 d B R1
4500
6
5250
24
1687.5
2250
1237.5
R2
d2
d3
d4
h1
h3
h5
3037.5
2025
2025
2025
938
1392.8
1638 表2-2 转轮室的尺寸
参数符号数值（mm）计算参数数值（mm）
R1
R2
R4
R（球）
h1
h2
225
450
1732.5
2250
938.3
693
h4
h5
D1
D2
D3
α
364.5
248.4
4500
4378.5
4414.5
80
图2-1 转轮流道尺寸
图2-2 转轮室流道尺寸
2.2 导叶高度及分布圆直径
导叶高度为：b0=0.4D1=1800(mm)，分布圆直径D0=1.16D1=5250（mm ），导叶转角0°～50°。本机组属于低水头高比转速轴流式水轮机，导叶选择对称型翼形，导叶数目Z=24。
2.3 主轴直径
根据机组的扭力矩初选主轴的外尺寸，扭力矩公式：
n
N
97400M =（公斤·厘米） 式中 ： N ——代表主轴传递的功率（千瓦） n ——代表主轴转速（转/分）
由原始资料得：N=37.5MW=37.5×103KW ，n=150r/min
73
1044.2150
105.379740097400?=?==n N M （公斤·
厘米）
根据扭力矩与主轴外径的关系曲线查得D=748（mm ），根据薄壁轴的标准外径系列，取标准值D=750（mm ）
主轴内孔直径按《水轮机设计手册》上的公式计算：
4m a x
4496102τn ND
D d -= 式中 ：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ZG20MnSi,其τmax =550公斤/厘米2 所以根据主轴内孔直径公式计算得：
9.61550
15075
105.37496102754
34
=????-=d （厘米）
但为了保证主轴有足够的刚强度，将主轴内径按标准直径系列取为450mm 。
2.4 转轮
轴流转桨式水轮机的转轮由转轮体、叶片操作机构、叶片等组成。 （1）叶片
叶片由本体和枢轴构成。叶片本体与枢轴的连接方式有两种。一种是用分别整体铸造；一种是采用分开铸造，加工后用螺钉或销钉等机械零件组合。由于本机组属于大中型机组，所以叶片和枢轴采用分别铸造，然后用螺钉连接。 （2）转轮体
转轮体上装有全部叶片和操作机构，上部与主轴联接，下部接泄水锥，形状较为复杂。在本次设计中转轮体采用15MnMoVCu 整铸而成。转轮体外圆采用球形结构，以减少容积损失。在本次毕业设计中，转轮体与主轴联接时，采用的是转轮上盖与主轴法兰分开的结构。 （3）叶片操作机构与接力器
叶片操作机构的型式很多，本次毕业设计采用的是无操作架的结构。在后面会专门有叶片操作机构的设计。
叶片操作机构接力器的活塞直径根据操作油压确定。活塞杆的尺寸即要满足强度的要求，还应满足操作油管布置的需要。活塞杆的具体尺寸由表2-3给出，表中参数符号所代表的意义如图2-3和图2-4所示。表2-4给出了活塞的尺寸值，表中参数符号所代表的意义见图2-5活塞环示意图。
表2-3 活塞杆的尺寸
参数符号数值（mm）参数符号数值（mm）
d1 D d2×t2 d3×t3 d4 Z d5 d6 d7 d8 d9 d10 d11 d12 d13
159
165
42×5
114×5
65
2
130
146
40
1…/4”直管牙
43
94
M10
102D
22
d14
h1
h2
h3
h4
h5
h6
h7
b
R
k
k1
δ
s=s1
s2
4
55-0.1
30
20
10
25
70
10
40
6
1
2
8
35
15
图2-3 活塞与活塞杆
图2-4 油管连接法兰
表2-4 活塞尺寸
参数符号数值（mm）
d p H H12322 485 353
图2-5 活塞环
（4）叶片密封
叶片密封采用“λ”型密封，因其结构简单，装拆方便。其尺寸如下表2-5所示：
表2-5 “λ”型密封尺寸
参数符号数值（mm）参数符号数值（mm）
D1 D2 D3 a b c
862-0.7
798+0.2
830
11
11
11
d
e
f
R
内圆紧量
外圆紧量
10
43-1
2
3
1.5—
2.2
0.63—1.3
（5）泄水锥
由于本次设计的机组属于大中型机组，故泄水锥采用钢板焊接的泄水锥。
2.5 接力器
本次毕业设计所选转轮直径为4.5米，属于大中型机组，故本次毕业设计采用单导管直缸接力器，其将布置在水轮机机墩内，操作油压采用H P =25公斤/厘米2。
接力器直径H
c P D b H D
d 1
0max 1
/λ=
式中：1D ——转轮直径 m a x
H ——最高水头 10/D b ——导叶相对高度 H P ——调速系统的额定油压 λ——计算系数
从《水轮机设计手册》中的表查得λ=0.15，H P =25公斤/厘米
2
，
max H =39.2m ，/0b 1D =0.375
518
.025
375
.02.395.415.0=??
?=c d 米 根据接力器直径系列取d c =550(mm)，其主要特征尺寸如下表2-6所示，表中参数符号所代表的意义由图2-6给出。
表2-6 接力器尺寸
参数符号
数值（mm ）
参数符号
数值（mm ）
d c d d 1 Ф1 Ф2 Z 2 d 2 Ф3
550 140 140 1070 980 12 ф46 190
Z 3 d 3 d 4 d d H K S d c
8 M20 M140×3 220 430 275 0.5-0.75 275-412.5
图2-6 单导管型式的直缸接力器
2.6 叶片操作系统
叶片操作系统的结构型式有很多种，它们随着接力器的布置方式的不同而不同，比较常用的有三种。一种是带操作架传动的直连杆机构；一种是不带操作架的直连杆机构；还有一种是带操作架的斜连杆机构。这三种结构型式各有特点。
2.6.1 带操作架的直连杆机构
这种结构一般用在叶片数为4～6的中小型机组中，其结构特点如下：（1）叶片转角在中间位置时，转臂水平，连杆垂直，动作中操作架圆周分力较小。
（2）转臂与叶片用圆柱销传递转矩，径向位置由卡环定位，转臂下部开口，用螺钉夹紧，便于装拆和紧固卡环。
（3）连杆采用二块夹板，连杆销受力均匀。
（4）操作架上带有耳柄，便于装配中调整，耳柄与操作架配合端面有限位销，防止耳柄固定时与夹板产生偏卡。
（5）操作架多数采用“工”字形或单层壁加筋结构。
这种带操作架的直连杆机构的运动简图如图2-7所示。
-φmax
+φmax
图2-7 运动简图
2.6.2 不带操作架的直连杆机构
这种结构一般用在叶片数为4～5的大型机组，它的结构比带操作架的机构紧凑，重量轻，但转轮体加工工序比较复杂，周期长。其结构特点如下：
（1）取消操作架，连杆和转臂由接力器活塞直接带动。
（2）活塞上下运动由装在活塞上的套筒和装在转轮体的铜套引导。
（3）采用耳柄式的整体连杆。
这种结构的运动简图见《桨叶操作系统原理图》。根据《水轮机设计手册》要求，故采用这种结构，且采用这种结构可以减少维修的工作量和转轮体的重量，符合现代转桨式转轮的发展要求。
2.6.3 带操作架的斜连杆机构
这种结构多采用于叶片数较多的转轮中，其结构特点如下：
（1）叶片转角在中间位置时，转臂与连杆都有较大的倾斜角，运动中操作架受较大的圆周分力。限制操作架的导向键的数量和接触面积都比直连杆多。
（2）转臂有效臂长增加，接力器直径可缩小，行程增大。
（3）耳柄与操作架在固定螺帽处有卡板限位。
这种结构的运动简图如图2-8。
-φmax
+φmax
图2-8 运动简图
在转桨式转轮设计应力求减少轮毂比，即缩小转轮体的相对尺寸，同时减少转轮的重量。本次设计对叶片操作系统的选择已力求满足上述要求。
2.7 座环
与混凝土蜗壳连接的座环型式很多，本设计中采用的是整体结构的座环，其铸造应符合一般大部件的铸造技术条件，材料为ZG30,其制造质量要求为：
a) 所有过流表面打磨光滑，相当于光洁度▽3；
b) 固定导叶进口端节距误差不超过0.0015D a；
c) 顶盖与底环把合面平行度误差不超过0.025毫米；
d) 分瓣结构的合缝面光洁度为▽5，合缝面间隙一般不超过0.05
毫米，局部允许有0.15～0.3毫米间隙（深度小于接合缝的1/3，长度不超过接合缝总长的1/5）。
座环尺寸如表2-7，其符号代表意义如图2-9所示：
表2-7 座环尺寸
参数符号数值（mm）参数符号数值（mm）
D b D a k R 6000
6900
75
400
H1=b0+20
δ
γ
1820
300
31.50
2.8 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。其结构尺寸见下表2-8，表中参数符号所代表的意义如下图2-10所示。大耳环处尺寸见表2-9，表中参数符号所代表的意义如下图2-11所示。小耳环的结构如图2-12所示，表2-10给出了小耳环处的尺寸。
表2-8控制环尺寸
参数符号数值（mm）参数符号数值（mm）
D C Z0 D y 3600
24
3750
R
S
95
30
图2-10 控制环
表2-9 大耳环处尺寸
参数符号数值（mm）参数符号数值（mm）
d1 d2 d3140
135
290
h1
h2
55
160
图2-11 大耳环
图2-12 小耳环
表2-10小耳环处的尺寸
参数符号数值（mm）
d2 h1 R 90D 80 95
2.9 顶盖与支持盖
顶盖与支持盖是水轮机的主要部件，要求有足够的强度和刚度，因此再此次设计中采用了焊接顶盖，材料ZG30。支持盖和顶盖分别见下图
图2-13和图2-14。
图2-13 顶盖
图2-14 支持盖
2.10 底环
底环是一个扁平的环形部件，固定于座环上，设计时主要考虑刚度，不作强度计算。底环都采用ZG30铸造，而且由于本次设计对象所处的流域属于多泥沙河流，故在底环的过流表面应铺设抗磨板。本次设计中的抗磨板采用18毫米厚的A3钢板。底环结构见下图：