水电站毕业设计——蜗壳单线图
基于CATIA的混流式水轮机蜗壳设计_陈忠玉
机电技术 2012年4月70作者简介：陈忠玉(1959－)，女，工程师，主要从事水轮发电机组装配工艺设计。
基于CATIA 的混流式水轮机蜗壳设计陈忠玉(东方电气集团东风电机有限公司，四川 乐山 614000)摘 要：阐述了大型混流式水轮机金属蜗壳的两个设计要点：其一，绘制具有复杂曲面的壳节；其二，提交合理的蜗壳分半方案。
以某电站大型混流式水轮机蜗壳设计为例，应用CATIA 软件建立三维实体模型，并利用伸展功能，展开壳节，然后进行产品分半方案分析，最后提出了合理的设计方案，为后续产品的生产、下料以及运输，提供了有利的理论支持。
关键词：蜗壳；模型；CATIA中图分类号：TK 733+.1 文献标识码 ：A 文章编号: 1672-4801(2012)02-070-02蜗壳部件作为水轮机的流道之一，其设计的合理性，影响到整个机组的发电效率、运行稳定性以及空化性能，它水力性能的好坏，关键在于两点[1]：1) 蜗壳流道是否光滑；2) 分半是否合理，将各壳节组焊成整体后，强度是否足够。
对于上述问题，本文在某电站蜗壳的设计中，采用从三维到二维的方法，即运用CATIA 建立光滑的蜗壳三维模型，再将壳节伸展，并投影到平面，进行尺寸标注；同时，以蜗壳单线图的具体尺寸为依据，采用错边法，进行分半设计，提出了合理的分半方案。
1 蜗壳的设计对于混流式水轮机而言，金属蜗壳是由多个壳节拼焊而成[2]。
因此，其三维实体模型构建的步骤为：1) 按蜗壳型线图尺寸，绘制各断面草图；2) 利用截面扫掠命令，生成金属壳节；3) 延展每段曲面壳节，完成设计。
1.1 蜗壳断面的绘制蜗壳断面，是根据蜗壳流道型线尺寸划分的多个截面的统称。
将这些断面按照一定方式搭接，可以准确地绘制出流场的三维模型。
在该步骤的操作中，首先以电站的水头H 、转轮型号以、转轮直径D 等特征参数为依据，采用文献[1]中的方法，确定出各断面的详细尺寸。
然后根据尺寸绘制出各断面的草图(如图1所示)。
毕业设计说明书
毕业设计说明书摘要本次毕业设计根据水电站的水力参数和要求，确定了水轮机的机型及型号（HL240/D41-LJ-200）。
通过选型计算及相应的运行工况分析，绘制出水轮机运转综合特性曲线。
在满足选型设计的条件下,进行了导水机构运动图的绘制；进行了水轮机蜗壳水力设计；并绘制了蜗壳水力单线图、尾水管设计、水轮机结构设计，其中包括水轮机剖面图及导叶加工图，并且建立了活动导叶的三维模型。
最后对蜗壳的强度进行了计算。
关键词：水轮机；选型设计；结构设计；强度计算AbstractBased on the actual request and hydraulic parameters provided of Songlinpo hydropower station , the type selection design and structure design were completed. The seleted type of turbine type is HL220/D41-LJ-200. Through the type selection design calculation as well as the corresponding operating situation analysis, designer draws the performance combined characteristic curve of turbine and carries out the corresponding feasibility analysis about the selected runner. After meeting the request of the type selection design, designer goes on guide mechanism motion diagram and the structure hydraulic turbine design, including the hydraulic design of the casing and design of the draft tube, then draws their hydraulic single line drawings, the hydraulic turbine’s assembly drawing and the guide vane drawing，and the author modeled the 3D model of guide vane. The final task of the design is the intensity calculation of the casing.Key words: Hydraulic Turbine；Type Selection Design；Structure Design；Intensity Calculation目录0前言 (1)1水电站的水轮机选型设计 (2)1.1水轮机的选型设计概述 (2)1.2水轮机选型的任务 (2)1.3水轮机选型的原则 (2)1.4水轮机选型设计的主要参数 (3)1.5确定电站装机台数及单机功率 (3)1.6选择机组类型及模型转轮型号 (3)1.7初选设计（额定）工况点 (4)1.8确定转轮直径D1 (5)1.9确定额定转速n (6)1.10效率及单位参数的修正 (7)1.11核对所选择的真机转轮直径D1 (8)1.12确定水轮机导叶的最大可能开度 (12)1.13计算水轮机额定流量Q r (13)1.14水轮机允许吸出高度H s (14)1.15确定水轮机的安装高程 (17)1.16计算水轮机的飞逸转速 (18)1.17计算轴向水推力P o c (18)1.18估算水轮机的质量 (18)1.19绘制水轮机运转综合特性曲线 (19)2水轮机导水机构运动图的绘制 (24)2.1导水机构的基本类型 (24)2.2导水机构的作用 (24)2.3导水机构结构设计的基本要求 (25)2.4导水机构运动图绘制的目的 (25)2.5导水机构运动图的绘制步骤 (26)3水轮机金属蜗壳水力设计 (28)3.1蜗壳类型的选择 (28)3.2金属蜗壳的水力设计计算 (29)4尾水管设计 (33)4.1尾水管概述 (33)4.2尾水管的基本类型 (33)4.3弯肘形尾水管中的水流运动 (33)5水轮机结构设计 (34)5.1概述 (43)5.2水轮机主轴的设计 (34)5.3水轮机金属蜗壳的设计 (35)5.4水轮机转轮的设计 (35)5.5导水机构设计 (37)5.6水轮机导轴承结构设计 (39)5.7水轮机的辅助装置 (41)6活动导叶的零件设计与三维模型 (43)6.1活动导叶的零件设计 (43)6.2活动导叶的三维模型 (43)7金属蜗壳强度计算 (44)7.1金属蜗壳受力分析 (44)7.2蜗壳强度计算 (44)7.3计算程序及结果 (46)8结论 (50)总结与体会 (51)谢辞 (51)参考文献 (52)0 前言水轮机是水电站的重要设备之一，它是靠自然界水能进行工作的动力机械。
蜗壳的型式及主要尺寸的确定
蜗壳的型式及主要尺寸的确定根据设计资料提供，水轮机型号为 HL160—LJ —410及水电站工作水头H=118.5m>40m ，故采用金属蜗壳。
金属蜗壳只承受内水压力，而机墩传下的荷载和水轮机层的荷载是由金属蜗壳外围的混凝土承受。
为使金属蜗壳与其外围混凝土分开，受力互不传递，我国通常是在金属蜗壳上半部表面铺设沥青、麻刀、锯末或软木沥青、塑料软垫3——5cm 厚的软垫层，靠近座环处不铺。
使外压不传到金属蜗壳，内水压力不传到蜗壳外的混凝土上。
蜗壳主要参数的选择① 设计资料提供，每台机组的最大引用流量，则蜗壳进口处的流量s m Q Q 300max 00088.117123360345360=⨯==ϕ②、蜗壳进口断面平均流速《水力机械》第二版P99图4—30(b)曲线得s m V c 9= ③、座环内、外径选择由水轮机的型号 HL160—LJ —410，查到cm D 4101=的座环尺寸， 当H=118.5m<170m 时，其座环内径mm D b 5450=, 115m<H=118.5m<170m,其座环外径mm D a 6450= 金属蜗壳的水力计算设i ϕ为从蜗壳鼻端起算至计算断面i 的包角，则该计算断面处的ma x360Q Q ii ϕ=cii V Q πϕρ0m a x 360=i a i r R ρ2+=蜗壳断面计算表0 0 0 0 3.23 15 5.13 0.57 0.43 4.08 30 10.25 1.14 0.60 4.43 45 15.38 1.71 0.74 4.70 60 20.50 2.28 0.85 4.93 75 25.63 2.85 0.95 5.13 90 30.75 3.42 1.04 5.31 105 35.88 3.99 1.13 5.48 120 41.00 4.56 1.20 5.63 135 46.13 5.13 1.28 5.78 150 51.25 5.69 1.35 5.92 165 56.38 6.26 1.41 6.05 180 61.50 6.83 1.48 6.18 195 66.63 7.40 1.54 6.30 210 71.75 7.97 1.59 6.41 225 76.88 8.54 1.65 6.52 240 82.00 9.11 1.70 6.63 255 87.13 9.68 1.76 6.74 270 92.25 10.25 1.81 6.84 285 97.38 10.82 1.86 6.94 300 102.50 11.39 1.90 7.03 315 107.63 11.96 1.95 7.13 330 112.75 12.53 2.00 7.22 345117.8813.102.047.31根据计算结果作蜗壳单线图。
水电站课程设计计算书
水电站厂房课程设计计算书1．蜗壳单线图的绘制 1.1 蜗壳的型式根据给定的基本资料和设计依据，电站设计水头Hp=46.2m ，水轮机型号 ：HL220-LJ-225。
可知采用金属蜗壳。
又Hp=46.2m>40m ，满足《水电站》（第4版）P32页对于蜗壳型式选择的要求。
1.2 蜗壳主要参数的选择金属蜗壳的断面形状为圆形，根据《水电站》（第4版）P35页可知：为了获得良好的水力性能及考虑到其结构和加工工艺条件的限制，一般取蜗壳的包角为0345ϕ=。
通过计算得出最大引用流量max Q 值，计算如下： ○1水轮机额定出力：15000156250.96frfN N KW η=== 式中：60000150004f KWN KW ==，0.96f η=。
○2'31max 3322221156251.11 1.159.819.812.2546.20.904rp N Q m s D H η===<⨯⨯⨯（水轮机在该工况下单位流量''311 1.15M Q Q m s ==由表3-6查得）。
○3'23max1max 1 1.11 2.2538.2Q Q D m s ==⨯=。
由蜗壳进口断面流量max 0360c Q Q ϕ=，得334538.236.61/360c Q m s =⨯=。
蜗壳进口断面平均流速V c 由《水电站》（第4版）P36页图2-8（a ）查得，5.6/c V m s =。
由《水力机械》第二版，水利水电出版社）附录二表5查得：3250,3850b a D mm D mm ==，则1625 1.625,1925 1.925b a r mm m r mm m ====。
其中：b D —座环内径；a D —座环外径；b r —座环内半径；a r —座环外半径。
座环示意图如下图所示：图1 座环示意图（单位：mm ）1.3 蜗壳的水力计算（1）对于蜗壳进口断面（断面0）： 断面面积 35375.66.561.36m V Q F c c c ===断面的半径 m F cc 443.1537.6===ππρ从轴中心到蜗壳外缘的半径：m r R c a c 811.4443.12925.12=⨯+=+=ρ 即断面0：m 443.10=ρ，m r r a 925.10==，m R R c 811.40==。
蜗壳断面设计
第五章反击式水轮机的基本结构第三节：反击式水轮机的引水室一、简介一般混流式水轮机的引水室和压力水管联接部分还装有阀门，小型水轮机为闸阀或球阀，大型多为碟阀。
阀的作用式在停机时止水，机组检修时或机组紧急事故时导叶又不能关闭时使用，绝不能用来调节流量水轮机引水室的作用：1.保证导水机构周围的进水量均匀，水流呈轴对称，使转轮四周受水流的作用力均匀，以便提高运行的稳定性。
2.水流进入导水机构签应具有一定的旋转（环量），以保证在水轮机的主要工况下导叶处在不大的冲角下被绕流。
二、引水室引水室的应用范围1.开敞式引水室2.罐式引水室3.蜗壳式引水室混凝土蜗壳一般用于水头在40M以下的机组。
由于混凝土结构不能承受过大水压力，故在40M以上采用金属蜗壳或金属钢板与混凝土联合作用的蜗壳蜗壳自鼻端至入口断面所包围的角度称为蜗壳的包角蜗壳包角图金属蜗壳的包角340度到350度三、金属蜗壳和混凝土蜗壳的形状及参数1.蜗壳的型式水轮机蜗壳可分为金属蜗壳和混凝土蜗壳当水头小于40M时采用钢筋混凝土浇制的蜗壳，简称混凝土蜗壳；一般用于大、中型低水头水电站。
当水头大于40M时，由于混凝土不能承受过大的内水压力，常采用钢板焊接或铸钢蜗壳，统称为金属蜗壳。
蜗壳应力分布图椭圆断面应力分析图金属蜗壳按制造方法有焊接铸焊和铸造三种。
，尺寸较大的中、低水头混流一般采用钢板焊接，其中铸造和铸焊适用于尺寸不大的高水头混流水轮机2.蜗壳的断面形状金属蜗壳的断面常作成圆形，以改善其受力条件，当蜗壳尾部用圆断面不能和座环蝶形边相接时，采用椭圆断面。
金属蜗壳与有蝶形边座环的连接图金属蜗壳的断面形状图混凝土蜗壳的断面常做成梯形，以便于施工和减小其径向尺寸、降低厂房的土建投资混凝土蜗壳断面形状图当蜗壳的进口断面的形状确定后，其中间断面形状可由各断面的顶角点的变化规律来决定，有直线变化和向内弯曲的抛物线变化规律混凝土蜗壳的断面变化规律3.蜗壳的包角对于金属蜗壳，其过流量较小，允许的流速较大因此其外形尺寸对厂房造价影响较小，为获得良好的水力性能及考虑到其结构和加工工艺条件的限制，一般对于混凝土蜗壳其过流量较大，允许的流量较小，因此其外形尺寸常成为厂房大小的控制尺寸，直接影响厂房的土建投资，一般4.蜗壳的进口流速当蜗壳断面形状及包角确定后，蜗壳进口断面平均流速是决定蜗壳尺寸的主要参数。
金属&混凝土蜗壳计算步骤
20 ~ 30
水力性能好。
10 ~ 20
o
; 20 ~ 30
o
可抬高机组高程。
上伸形
b / a 1 . 5 ~ 1 . 85
Hale Waihona Puke “Г”形b / a 2 .0 ~ 2 .2 ( b m ) / a 1 . 2 ~ 1 . 85
10 ~ 15
o
可抬高机组高程； 平顶上部便于接力器布 置
1—1960年前国内产品的统计曲线；2—1960~1970年国内产品的统计曲线；3— 推荐
三、反击式水轮机引水室
③进口断面计算：
进口断面平均流速：Vo K 进口断面面积： 0 Qo / Vo ; F 进口断面半径： 0＝ 进口断面中心距：0 a
F0 V0
H;
r
K
Db
bo 2
；
2
1) 令φi=345°,330°,315°,…，用下列 三、反击式水轮机引水室 公式计算圆断面参数
x
i
c
2
2 R0
2
i
c
h
2
i
x h
ai R0 x, Ri ai i
2)由ai, ρi ,Ri可以画出各圆断面及相应平 面单线图；
三、反击式水轮机引水室
圆断面绘制
积Si,
i
k
360 k Q
Si
oQ
360 S o
计算断面对应的φi， — — 进口断面包角 S
0
o
进口断面图解积分值。
蜗壳的计算
三、反击式水轮机引水室
绘制φi =f(r360 k ib=f(ri)及 i)、Q
甲岩水电站厂房蜗壳灌浆管路设计
Ｆ Ｍ］ ． 安徽 ： 安徽文化音像 出版社． ２ ０ ０ ４ ． Ｅ ２ ３ 朱耀文 ， 余小宝 ， 汪文亮 ， 等． 三峡三期 右岸 电站 厂房工程蜗壳
二期混凝土施工技术Ｅ Ｊ ３ ． 葛洲坝集团科技， ２ ０ ０ ６ ， ４ ： ３ ８ —４ １ ．
［ ３ ］ Ｄ Ｌ ／ Ｔ ５ １ ４ ８ —２ ０ ０ １ ， 水工建筑物水泥灌浆施工技术规范Ｅ ｓ ］ ． 北
容易 固定 ， 对混 凝 土 的 浇筑 影 响 较 小 。便 于底 部 浆
液 回填密 实 ， 能防止 蜗壳 抬动 变形 ， 从 而不 影 响后期
０ ． ２ ＭＰ ａ ， １ Ｏ 个 灌浆 孔 同步 施灌 ， 若 排 气 管未 出浆 ， 则应 从 未 出浆排气 管进 行反 灌 。灌浆 浆液 水灰 比视 脱 空情况 可采 用 １：１ 、 ０ ． ８：１ 、 ０ ． ６：１ 。在 设 计 压 力下 ， 灌 浆管 停 止 进浆 ５ ｍｉ ｎ后 可 结 束 灌 浆 。灌 浆 时 应对 蜗壳 进行 观测 ， 遇 有异 常情 况 应 立 即停 灌 并 及 时采用 措 施 （ 如调整灌浆压力 ） ， 以防蜗壳失稳 。
云 南 水 力 发 电
ＹＵ ＮＮＡＮ Ｗ ＡＴＥＲ Ｐ（ ） ＷＥ Ｒ
第２ ９ 卷 第４ 期
甲岩 水 电站厂 房 蜗 壳灌 浆管 路 设 计
伏 瑞
（ 中国水 电顾 问集 团昆明勘测设 计研究院 ， 云南 昆明 摘 ６ ５ ０ ０ ５ １ ）
要：蜗壳混凝 土全部为二期浇筑， 混凝土 的硬化干缩会致使混凝土与蜗壳钢板之间产生缝 隙， 同时蜗壳 底部 及阴角部位施工
灌浆 结束 ７ ～１ ４ ｄ 后， 采用 锤 击法 进行 检 测 ， 若脱 空 面 积不 小于 ０ ． ５ ｍ。 ， 应 进行 钻孔 补灌 。
水电站厂房项目座环及蜗壳安装方案
目录1、概述 (1)1.1 工程概况 (1)1.2 水轮机座环及主要部件参数 (1)2、施工依据 (1)3、施工重点及难点 (2)4、施工方法 (2)4.1一般性规定 (2)4.2座环安装 (3)4.3蜗壳安装 (4)4.4座环、蜗壳安装质量控制点 (7)5、施工组织机构及设备配置计划 (8)5.1施工组织机构 (8)5.2人员及物资配置计划 (9)6、工期计划 (10)7、危险源辨识及安全保证措施 (10)7.1座环安装现场危险点分析与预控 (10)7.2质量保证措施 (12)7.3安全保证措施 (13)7.4环境及文明施工保障措施 (13)座环及蜗壳安装施工方案1、概述1.1 工程概况冗各电站主要任务是发电，坝后式开发，正常蓄水位495m，相应库容3290万m3，为周调节水库，电站装机容量3×30MW，多年平均发电量3.357亿kW•h，保证出力21.19MW，装机利用小时数3730h，工程规模属中型，工程等别为三等。
大坝为碾压混凝土重力坝，最大坝高70m，枢纽主要由重力坝、坝身设闸3孔溢洪道、左岸发电引水隧洞、压力钢管、地下发电厂房及室内开关站等建筑物组成。
1.2 水轮机座环及主要部件参数2、施工依据设备的制造及安装应遵照设计图纸以及国家和行业颁发的下述标准、规程和规范。
选用的技术规范、规程和标准，应是已颁布的最新版本。
本招标文件必须遵守执行的现行技术规范主要有(不限于此)：（1）设计院提供的蓝图及工艺措施说明（2）水轮机厂家提供的图纸以及工艺措施要求（3）《水轮发电机组安装技术规范》（GB8564）（4）《钢焊缝手工超声波探伤方法和探伤结果分析》（GB11345）（5）《涂装前钢材表面锈蚀等级和除锈等级》（GB8923）（6）《钢熔化焊接接头射线照相和质量分级》（GB3323）（7）《钢结构高强度螺栓连接的设计、施工及验收规程》（JGJ82）（8）《水电水利工程金属结构设备防腐蚀技术规程》（DL/T5358）（9）《水工金属结构焊接技术条件》（SL36）（10）《水工金属结构焊工考试规则》（SL35）（11）《机械加工通用技术条件》（Q/ZB75）（12）《装配通用技术条件》（Q/ZB76）（13）《电力建设安全工作规程》（SDJ63）（14）《电力建设施工及验收技术规范（金属焊缝射线检验篇）》（SDJ60）（15）《现场设备、工业管道焊接工程施工及验收规范》（GB 50236）（16）《碳钢焊条》（GB/T5117）（17）《低合金钢焊条》（GB/T5118）3、施工重点及难点座环是立式混流式机组的安装基准件，尺寸大、重量重，而且安装精度要求高，应充分重视它的安装工作。