水轮机毕业设计说明书.doc

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1、【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流水轮机毕业设计说明书.精品文档.目 录摘 要41 前言52 水轮机选型设计62.1 水轮机台数及型号的选择62.2 初选额定工况点72.3 确定转轮直径72.4额定转速的确定82.5 效率及单位参数修正值82.6 检验所选水轮机的实际工作区域92.7 确定导叶开度112.8 计算额定流量112.9 确定水轮机的吸出高度112.10 计算水轮机飞逸转速162.11 估算轴向水推力162.12 估算水轮机质量162.13 绘制水轮机运转综合特性曲线173 蜗壳水力设计213.1 概述213.2 蜗壳类型的选择223.3 金属蜗壳主要参数的确定22

2、3.4 金属蜗壳水力设计计算234 尾水管设计294.1 尾水管的作用及类型294.2尾水管类型的选择294.3 绘制尾水管水力单线图305 水轮机导水机构运动图的绘制305.1 导水机构的作用及类型305.2 绘制导水机构运动图的目的305.3 径向式导水机构运动图的绘制316 水轮机结构设计356.1 概述356.2 转轮的结构设计366.3 导叶的结构、系列尺寸和轴颈选择386.4 导叶的传动机构386.5 导水机构的环形部件设计396.6 真空破坏阀406.7 主轴的设计416.8 轴承的结构436.9 补气装置436.10 主轴的密封447 导叶加工图的绘制458 蜗壳强度计算468

3、.1 对金属蜗壳的受力分析468.2 编程进行强度计算499 结论54总结与体会55谢辞55参考文献56摘 要本次设计是在给出仙溪水电站原始资料的情况下，为电站进行水轮机选型设计，并绘制出运转综合特性曲线。从最大水头考虑，初步选定了和HL220/A153两个转轮型号，然后从机组的运行稳定性和经济性（电站开挖量）对两个转轮进行综合比较分析，最终确定出水轮机型号为，机组台数为两台。在此基础上，完成蜗壳及尾水管的水力设计及单线图的绘制、导水机构运动图的绘制、水轮机总装图的绘制、水轮机导叶零件图的绘制以及蜗壳的强度计算等设计任务。关键词：水轮机；选型设计；结构设计；强度计算AbstractBased

4、on the given original data of XianXi hydro plant, the type selection design of this hydropower station is put up, and the performance combined characteristic curve of turbine is plotted. By considering the maximum head, HL240/D41 and HL220/A153 are chosen primarily. Afterwards, the hydraulic turbine

5、 type, which is HL220/A153-LJ-140, and the number of units is two, are selected by general comparison and analysis of the stability and economy about the two runners. Based on the result, hydraulic calculation and neat lines of casing and draft tube, the movement drawing of the guide apparatus, the

6、turbine assembly drawing and pivoted guide vane drawing have been accomplished. The intensity calculation of pivoted casing has been fulfilled. Key words：Hydraulic Turbine; Type Selection Design; Structure Design; Intensity Calculation1 前言 现代电力工业中，绝大部分发电量是由叶片式流体机械承担的，所以水力机械（水轮机、水泵）在国民经济中的地位和作用是非常重要的

7、。我国的水力资源非常丰富，水能又是清洁可再生能源，开发水能是实现可持续发展战略的重要条件3。目前，我国水力机械事业的发展与世界发达国家还有一定的差距，因此在开发、设计、制造运行管理及人才培养等方面，还需加倍努力。毕业设计是大学毕业前的最后一门实践性教学环节，系统的勾画出了所学专业的相关知识结构，是将学习者从理论思想中引向实践操作的无形桥梁。通过本次设计，能让学习者对专业知识有更进一步的掌握，科学的反映出在之前学习中的各种问题，从而达到对知识结构的统一化，具体化，加强对所学知识的综合运用，并熟悉各种计算机应用软件的实际操作等，为即将走向工作岗位并能更快的适应的同学打下坚实的基础。此次设计是根据所

8、给定电站的已知参数（如装机容量、水头、电站海拔高度等），对仙溪水电站进行水轮机的选型设计，在水轮机型号选定后，对水轮机的相关参数进行了计算，并绘制了水轮机运转综合特性曲线。在此基础上，根据相关尺寸作出水轮机蜗壳及尾水管的水力设计及单线图的绘制、导叶的强度计算、导水机构运动图的绘制、水轮机总装图的绘制和水轮机导叶零件图的绘制等一系列任务。2 水轮机选型设计2.1 水轮机台数及型号的选择2.1.1 原始资料额定水头；平均水头；最大水头；最小水头；水电站海拔高程；电站装机容量；电站引用流量 该电站离负荷中心较远，有季节性调节水库，在系统中担任基荷。2.1.2 机组台数的选择在水电站装机容量已定的情况

9、下，机组台数的确定，也就是单机容量的确定。有时时与水轮机型号的选择及其主要参数的计算同时进行的，这实际上是一个技术经济比较的过程。机组容量越打，机组尺寸也就越大，给水轮机的制造及运输带来困难，更为重要的是，单机容量在电力系统中占的比重不能超过电力系统安全、灵活的运行所允许的容量大小，不能超过系统的事故备用容量大小。而电站机组台数越多，越便于部分负荷时的机组负荷分配，可以使得水轮机避开在低效率区域运行，使得平均运行效率得以提高，同时也便于安排机组的检修等工作。但机组台数多，电站相应的维护工作量大大增加，操作次数就越多，出现故障的概率也就越大。所以综上分析，此次总装机容量为3万千瓦的电站选用两台机

10、组为比较适合，即为单机容量为1.5万千瓦。2.1.3 水轮机型号的选择水轮机型号的选择主要是根据水电站的特征水头，特别是其最大水头来选择的。通常情况下，水轮机型号是根据水轮机的型谱性能参数进行选择的；若在交界的水头范围，也就是某一水头范围有2种及其以上的转轮型号可选择时，就需要进行综合比较分析后才能确定到底选用哪一种型号更合适。仙溪水电站的最大水头，考虑到混流式水轮机具有比转速高、机组尺寸小、造价低，水头可以全部利用以及满载时效率高等优点，而适合该水头的水轮机主要以混流式为主，因此初选水轮机模型转轮型号为：和。下面将进行一系列的计算比较之后，最终确定一种最理想、最合适的水轮机型号。2.2 初选

11、额定工况点 对已选定的水轮机转轮型号，查出其模型综合特性曲线。由于所选机组为和，在1中分别查出他们的额定工况点为：n11r=n11mo=77r/min, 与5%功率限制线交点处的流量Q11r=1.098m3/和：n11r=n11mo=71r/min, 与5%功率限制线交点处的流量Q11r=1.068m3/s。2.3 确定转轮直径HL240/D41：P = 式中：Pg发电机额定功率，15000KWg发电机效率，取0.96计算得：P = 20833KW 转轮直径计算公式为：D1=式中： P 水轮机的轴功率，15625KW； 真机单位流量，1.098m3/s计算得D1=1.36m查表1.1取D1=

12、1.4mHL220/A153：依照以上算法求得D1=1.38米 查表1.1取D1= 1.4m 表 1.1 转轮公称直径D1尺寸系列 （单位：cm ） 2530354042506071808410012014016018020022525027530033038041045050055060065070075080085090095010002.4额定转速的确定计算额定转速时，一般希望加权平均水头HW的单位转速接近于最优转速n110,从而使水轮机大部分时间运转在高效区。HL220/A153：额定转速的计算公式：n = 式中：n11r额定单位转速，71 r/min HW加权平均水头，99.2m D

13、1转轮直径，1.4m计算得：n = 505.1 r/min 查表2.2得 n = 500 r/minHL240/D41：计算得：n = 547.8 r/min查表2.2得 n = 500 r/min或n=600r/min 当n=500r/min时n11r=73.37r/min, 当n=600r/min时n11r=88r/min，进行工作范围检查，Hmax对应的n11min=73.94r/min, Hmin对应的n11max=86.81r/min。此两条直线不包含最优效率区，不合理舍去。 表2.2 水轮发电机额定转速系列表 p234567891012n/(r*min-1)150010007506

14、00500428.6375333.3300250p14161820222428303236n/(r*min-1)214.3187.5166.7150136.412510710093.883.3p404448525660n/(r*min-1)7568.262.557.753.6502.5 效率及单位参数修正值HL220/A153：由国际电工委员会（IEC）推荐的公式，将模型最优的工况效率om，换成真机最优工况效率ot对混流式水轮机，按Moody公式换算。即:式中：o,m模型机最优效率，0.915 D1m模型机转轮直径，0.35 m D1真机转轮直径，1.4 m计算得：效率修正： 式中： ；计算得

15、：，异形部件引起的效率修正，此处取；加工工艺质量引起的效率修正，由3P20取1%。计算得：单位参数修正值公式：计算得；n11=0.65， Q11=0.01 而n11 /n11m=Q11/Q11=0.0093%所以n113%n11m所以转速不需要修正取n11 = 71 r/min , Q11 = 1.068 m3/sHL240/D41：同上方法得：n11 = 77 r/min , Q11 = 1.098m3/s2.6 检验所选水轮机的实际工作区域HL220/A153：实际水轮机的转速：式中：n额定转速，500r/min D1转轮直径，1.4m Hr额定水头，91.1 m计算得：n11r = 73

16、.34 r/min进行工作范围检查，Hmax对应的n11min=68.18r/min, Hmin对应的n11max=80.05r/min。此两条直线包含最优效率区。在综合特性曲线上查得相关数据，列表如下： 表2.3 额定水头下效率与流量曲线表m91%90%89%88%86%92.7%91.7%90.7%89.7%87.7%Q11（m3/s）1.0011.0621.0951.1181.166做出=f(Q11)曲线，如图2.1示：8.999.19.29.39.49.59.69.79.89.911.021.041.061.081.11.121.141.161.181 图2.1 额定水头下效率与流量曲

17、线由=9.168MW，n11r=73.34r/min在辅助曲线上找到一个Q11t =1.036 m3/s，再返回到综合特性曲线找出真实工况点B为n11r=73.34r/min ,Q11r=1.036m3/s ,=90.48%，在最优工况点附近，该D1和n是合理的。自此对两种转轮的比较得出LJ140更为适合该电站。2.7 确定导叶开度在模型水轮机和真机之间保持几何相似时有：式中：D0真机导叶分布圆直径，1.75m Z0真机的导叶数，16 D0m模型机导叶分布圆直径，0.575m Z0m模型机的导叶数，24 a0max(m)模型机的导叶最大开度，查【1】得a0max(m)=33.05mm计算得：a

18、omax = 162.06mm最大可能开度a0k = 1.05 aomax = 170.17mm2.8 计算额定流量额定流量的计算公式为：计算得：Qtr = 19.33m3/s因为Z Qtr = 38.66m3/s200D1/m1.47.57.510.0a2.6b0.160.20k8.16.6计算得：G = 39.99t2.13 绘制水轮机运转综合特性曲线1）绘制各水头的工作特性曲线 在间取5至6个水头值，计算各水头下，并在模型综合特性曲线图上作各水头对应线，由这些等水头直线与线交点代入公式计算。具体参数列表如下： （1）当时； 表2.6 下计算表0.900.890.880.860.900.8

19、90.880.860.9170.9070.8970.8770.9170.9070.8970.8771.0681.1041.1231.1700.9380.890.850.76814.18114.57614.57814.84212.45511.68511.0359.743（2）当时；表2.7 水头下计算表0.900.890.880.860.900.890.880.860.9170.9070.8970.8770.9170.9070.8970.8771.0621.0921.1181.1650.8880.8440.8040.72215.92616.19416.39116.69113.31712.5161

20、1.78810.345（3）当时； 表2.8 下计算表0.900.890.880.860.900.890.880.860.9170.9070.8970.8770.9170.9070.8970.8771.041.0721.1041.1520.8420.8020.7580.68217.72318.06418.39318.75514.34813.51312.62811.104（4）当时； 表2.9 水头下计算表0.900.890.880.860.900.890.880.860.9170.9070.8970.8770.9170.9070.8970.8771.011.0481.071.1310.8130

21、.7740.7320.66419.5520.0620.25220.91615.73814.81613.85512.279（5）当时； 表2.10 下计算表0.900.890.880.860.900.890.880.860.9170.9070.8970.8770.9170.9070.8970.8770.9881.0251.0621.1160.8080.7630.7220.65821.23421.78322.31622.91517.36516.21515.17213.511由上面的数据绘制各水头下的工作特性曲线如图2.3所示。图2.3 各水头下曲线2) 运转综合特性曲线的绘制（1）绘制等效率曲线

22、在坐标，作各水头的水平线，在曲线图上每隔1%2%作水平线，交各曲线于各点，将各点投影到坐标图上，再将各效率相等的点连成光滑的曲线，即为等效率曲线， 在绘制此曲线时，有时其拐点不易找出，此时应借助于辅助曲线，如图2.5所示。 图2.5 曲线（2）绘制出力限制线 水轮机出力限制线由两部分组成。在设计水头到最大水头范围内，水轮机的出力受发电机额定容量的限制，所以这一段出力限制线为一条垂直线；在设计水头到最小水头范围内，水轮机出力受水轮机最大过流能力的限制。此时，导叶开度已达最大值，所以出力限制线就是5%出力储备线，为一条斜线。垂线部分的绘制 确定点：根据前面计算得：，在真机运转综合特性曲线中，由该点

23、引垂线至线斜线部分的绘制 确定点，由前面计算得：， 将点和点在水轮机运转综合特性曲线中用斜线连接。通过上面的两步绘制出功率限制线。综上所述：将等效率曲线、等吸出高度线、出力限制线结合在一起即得到水轮机运转综合特性曲线，见图XX-01所示。3）绘制等吸出高度线 （1） 绘制各水头下的曲线 求出各下的，在1上作线，读取该线与线交点处参数、的值列表. 具体参数列表如下：表2.11 各下计算表 序号1234560.0750.080.090.0750.080.091010/7611068/7201105971/7201078/685111213.4/9.7414.18/914.514.45/10.351

24、6.1/9.8516.31.901.400.411.270.730.34 序号1234560.070.0750.080.070.0750.08865/73510201070670940108814.8/12.217.418.514.9716.420.41.140.550.030.41-0.23-0.86 序号1234560.070.0750.08850865102218.2518.721.7-0.23-0.92-1.5根据上面的数据作曲线如图2.4所示。 图2.4 各水头下的曲线（2）在坐标，作各水头的水平线，在曲线图上每隔0.51m作水平线，交各曲线于各点，将各点投影到坐标图上，再将各效率相

25、等的点连成光滑的曲线，即为等吸出高度曲线。3 蜗壳水力设计3.1 概述水轮机的引水室是水流进入水轮机的第一个部件。引水室的作用是尽量地将管道中的水流均匀地分配到转轮前导水叶的四周，使水流对称地流入导水机构，然后再流入转轮。保证运行平稳。水流在从一个方向改变为均匀的向心流动过程中，水力损失要小从而提高水轮机的效率。如果没有引水室，水流仅依靠导叶来改变流动方向，则水流可能以很大的冲角流向导叶造成撞击损失。引水室的功用还能在导叶前造成一定的环量，使水流呈涡旋线形状，均匀向心地流向导叶。为了适应不同流量和水头条件，各种型式水轮机所采用的引水室形状和材料是不一样的。通常所采用的引水室类型分为：开敞式引水

26、室、罐式引水室和蜗壳引水室。对于转轮直径较大的混流式水轮机而言，引水室一般选择蜗壳引水室6。因为良好的蜗壳形引水室能使水流流动损失最小，同时又减小厂房尺寸，降低电站的投资。水轮机蜗壳应该满足以下要求：1）保证水流在导水机构内形成一定的速度环量，在蜗壳内的平均流量和局部流速不超过水力损失所允许的流速范围，同时不应使蜗壳断面尺寸过大。2）保证水流轴对称地进入导水机构，流量沿导水机构均匀分布，在主要工况下，水流均以不大的冲角绕流导叶。3）蜗壳的外形尺寸、断面尺寸以及机构等，应满足水电站厂房布置和水轮机的结构要求。4）保证蜗壳具有足够的强度。水轮机蜗壳水力设计的主要任务是：选择蜗壳型式、计算和选择蜗壳

27、主要参数以及绘制蜗壳的水力单线图等。3.2 蜗壳类型的选择蜗壳分为混凝土蜗壳和金属蜗壳两种类型。其形式的选择主要是根据水电站的水头进行的，最大水头在以内的机组，通常采用混凝土蜗壳；当水电站的最大水头超过时，一般选用钢板焊接蜗壳，断面形状有圆形和椭圆形两种，包角大小一般为345360。若水头大于时仍要采用混凝土蜗壳，须在蜗壳内加钢板里衬，但会使得成本增加，甚至还会超过采用金属蜗壳的成本，此时应进行技术经济比较后决定采用何种形式的蜗壳。对于仙溪水电站，最大水头，远远大于了，决定电站水轮机蜗壳选用金属蜗壳。3.3 金属蜗壳主要参数的确定3.3.1 蜗壳包角的确定蜗壳包角是指从蜗壳尾端到进口断面的角度

28、，它是蜗壳的主要参数之一，反映了蜗壳包围导水机构的程度，它将会影响电站的投资及水轮机的效率。通常取座环特殊固定导叶出口边作为蜗壳包角的起始断面，取垂直于引水管道轴线的方向断面作为蜗壳的进口断面。对于高水头的水电站，一般选取完全包角的金属蜗壳，包角，通常采用；对于低水头大流量的水电站，通常采用的蜗壳，对厂房布置有特殊要求时，也可以采用的蜗壳，有时为了减小蜗壳的进口断面宽度和和便于蜗壳与进水管的连接，还可采用的大包角蜗壳。在本次设计中，电站选用。3.3.2 蜗壳进口流速的确定蜗壳进口断面的平均流速与蜗壳尺寸及蜗壳水力损失等因素有关。若较大，则蜗壳和导水机构中的水力损失相应增大，反之亦然。在流量相同

29、的条件下，越大，则断面尺寸可减小，从而减小对电站的投资。通常情况下，是由水轮机的设计水头来决定的，即式中：流速系数（对混凝土蜗壳，取；对金属蜗壳，取。）水电站额定水头，91.1m计算得： 3.4 金属蜗壳水力设计计算对于金属蜗壳进行水力计算，就是在给定额定水头，设计流量，导水机构高度及座环尺寸的条件下，确定蜗壳各断面的形状和尺寸，并绘制出蜗壳单线图，列出蜗壳断面尺寸表，以便制造及作为蜗壳强度计算和水电站厂房设计的依据。3.4.1 进口断面的计算水流沿圆周均匀地向导水机构供水，蜗壳任意断面的流量为：式中：流过任意断面的流量，； 任意断面至蜗壳鼻端的包角，； 水轮机的设计流量，19.33。因此，进

30、口断面流量为：式中： 蜗壳进口断面至蜗壳鼻端的包角， 水轮机的额定流量，19.33。计算得： 进口断面的半径：式中： 蜗壳包角， 蜗壳进口流速，计算得：蜗壳中心线到主轴中心线的距离为（见图3.1）计算得：蜗壳断面的外圆半径：计算得：3.4.2 蜗壳其余断面的计算蜗壳其余断面的计算是按照水流运动规律来进行的。由于受到与座环连接的影响，蜗壳圆形断面从进口开始延续至某一断面时，将过渡为椭圆断面，下面的计算将分为两个部分进行。1）从圆形断面过渡到椭圆断面的临界包角式中：蜗壳常数，由进口断面参数确定： 计算得： 当计算断面时，应采用椭圆形断面；时应采用圆形断面。2）圆形断面尺寸的计算 符号如图3.1所示

31、。 图3.1 圆形断面的计算3）椭圆断面的计算公式和断面示意图如下：当时，如果此时蜗壳的断面为圆形，那么圆半径为： 当时，由于圆断面已不能与座环蝶形边相连接，故应转换为椭圆形状，但这两者的断面面积相等。式中：，椭圆形断面长、短半径； 座环固定导叶外缘半径。其余符号如图3.2所示。 图3.2 椭圆形断面的计算3.4.3 金属蜗壳水力计算的计算机辅助设计辅助设计包括圆形断面及椭圆形断面尺寸的计算机计算，以及根据计算结果由计算机绘制出蜗壳的平面图及单线图。用VB编写的计算程序如下：Private Sub Command1_Click()Dim D1!, Hr!, Qv!, b!, Ra1!, rb!

32、, Kt!, a#, k#, r#, C0#, Ks#, RA#, h!, B0!, h1!, p0!, a0#, R0#, c#Dim i!, k1!, t!, xi!, pi!, ai!, ri!, rb1!, f!, e!, s!, l!, p1!, p2, z!D1 = 1.4: Hr = 91.1: Qv = 19.319: b = 0.225: Kt = 0.9 设计条件Ra1 = 1.4: k = 0.1: r = 0.2 由设计条件查表得C0 = Kt * (Hr (1 / 2) 流速系数RA = Ra1 + ka = 55 * 3.141592 / 180B0 = b * D

33、1 + 0.01h1 = r * (1 - Cos(a)h = h1 + B0 / 2p0 = (345 * Qv) / (360 * 3.141592 * C0) (1 / 2) 包角取345度a0 = RA + (p0 2 - h 2) (1 / 2)R0 = a0 + p0c = 345 / (a0 - (a0 2 - p0 2) (1 / 2)Ks = c * (RA + Tan(a) * h - (RA 2 + 2 * RA * Tan(a) * h - h 2) (1 / 2)Text1.Text = Ks 临界包角For i = 345 To 15 Step -15k1 = i

34、/ c If i = Ks Then t = (2 * RA * k1 - h 2) (1 / 2) xi = k1 + t pi = (xi 2 + h 2) (1 / 2) ai = RA + xi ri = ai + pi Print i, pi, ai, ri Elserb1 = RA - h / Tan(a)f = k1 * (0.49 + 2 * rb1 / k1) (1 / 2) + 1.221)e = 3.141592 * f 2s = 1.428 * (RA - rb1) 2l = 1.045 * (e + s)z = 0.81 * (1.221 * h) 2p2 = (l

35、+ z) (1 / 2) - 1.345 * 1.221 * hp1 = 1.221 * h + 0.3 * p2ai = rb1 + 1.221 * p2ri = ai + p1y = ai + (p1 - p2) * Cos(a) Print i, p1, ai, ri, p2, y End IfNext iEnd Sub计算结果如下图：图3.1 蜗壳各断面尺寸参数根据以上得出的数据，绘制出蜗壳单线图见图XX-02所示。4 尾水管设计4.1 尾水管的作用及类型尾水管是反击式水轮机的重要部件，尾水管性能的好坏，直接影响到水轮机的效率和稳定性，其具体的作用如下：1）将转轮出口处的水流引向下游；2）利用转轮出口高出下游水面的那一段位能（如转轮安装得低于下游水位，则此功能不存在）；3）回收部分转轮出口动能。尾水管的基本类型有：1）直锥形尾水管：是一种简单的扩散形尾水管，广泛适用于中小型水电站中（转轮直径），它制造容易，因为在