水輪機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

1 水輪機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 方案 1 緒論 洲壩 水電站的 概況 羅洲壩水電站坐落在重慶市武隆縣的江口鎮(zhèn)，地理位置優(yōu)越，交通便利。其供電目標(biāo)主要是重慶電網(wǎng)， 在重慶電網(wǎng)擔(dān)任調(diào)峰、調(diào)頻和事故備用的作用，該 電站利用江口水電站 的 水庫，正常蓄水位 為 300 米，相應(yīng) 的 庫容為 立方米 ； 死水位為 260 米，相應(yīng)庫容為 立方米，調(diào)節(jié)庫容為 立方米，為季調(diào)節(jié)型 水庫。設(shè)計(jì)洪水位為 ，校核洪水位 ，相應(yīng)水庫總庫容 立方米，裝機(jī)容量 10萬千瓦，額定水頭 106米。 計(jì)的基本參數(shù) 水輪機(jī)額定出力： 102額定轉(zhuǎn)速： 定流量： s 最大允許吸出高度： 大水頭： 120m 額定水頭： 106m 最小水頭： 73m 安裝高程： 業(yè)設(shè)計(jì)的具體內(nèi)容 （一）根據(jù)給定的羅洲壩水電站水輪機(jī)基本參數(shù)進(jìn)行水輪機(jī)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)： 2 定水輪機(jī)的主要特征尺寸，對(duì)水輪機(jī)主要部件進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)； （二）導(dǎo)水機(jī)構(gòu)傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) （三）繪制控制環(huán)零件圖 （四）外文翻譯 3 本參數(shù) 水輪機(jī)額定出力： 102額定轉(zhuǎn)速： 定流量： s 最大允許吸出高度： 大水頭： 120m 額定水頭： 106m 最小水頭： 73m 安裝高程： 案初選 作為一種水力原動(dòng)機(jī)，水輪機(jī)的作用是將水流的能量轉(zhuǎn)化為水力機(jī)械的機(jī)械能，進(jìn)而帶動(dòng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子進(jìn)行水力發(fā)電。水輪機(jī)分為兩種：分別是沖擊式水輪機(jī)和反擊式水輪機(jī)，沖擊式水輪機(jī)又分為切擊式、斜擊式和雙擊式；反擊式水輪機(jī)則可分為混流式、斜流式、軸流式以及貫流式水輪機(jī)。 混流式水輪機(jī)能適應(yīng)的水頭范圍很寬，是目前最受歡迎也是最常用的一種水輪機(jī)。混流式水輪機(jī)的特點(diǎn)是運(yùn)行可靠，結(jié)構(gòu)緊湊，運(yùn)行效率高， 大型的混流式水輪機(jī)一般應(yīng)用的水頭范圍為50700米之間。 軸流式水輪機(jī)又稱為卡普蘭式水輪機(jī)，由于葉片和導(dǎo)葉之間形成的一種相互協(xié)聯(lián)關(guān)系，其穩(wěn)定性和水利效率較高，高效率區(qū)的運(yùn)行范圍相對(duì)較大，比較適用于出力和水頭變化較大的水電站。軸流式水輪機(jī)目前廣泛應(yīng)用于水頭低，容量大的水電站，一般應(yīng) 4 用的水頭為 370米。 斜流式水輪機(jī)一般應(yīng)用于水頭在 40200米的范圍內(nèi)，適用于水頭變化幅度相對(duì)而言比較大的水電站。但是由于斜流時(shí)水輪機(jī)現(xiàn)階段存在制造工藝復(fù)雜，技術(shù)要求較高的問題，因此，斜流式水輪機(jī)的應(yīng)用并不是很常見。 潮汐電站 和建在平原河流上的電站則往往使用另一種形式的水輪機(jī) 貫流式水輪機(jī)。這種水輪機(jī)是一種用于開發(fā)低水頭水力資源的新機(jī)型，一般用于 225 米的水頭范圍。 雙擊式水輪機(jī)僅僅適用于水頭范圍在 10米到 150米之間的小型電站，其結(jié)構(gòu)簡單，出力甚至可以達(dá)到 300是效率相對(duì)低下，一般很少采用。 水斗式水輪機(jī)即切擊式水輪機(jī)，是沖擊式水輪機(jī)中唯一的可以應(yīng)用于大型機(jī)組的水輪機(jī)形式。 斜擊式水輪機(jī)一般應(yīng)用在 50400米的中小型水電站中，由于水從斗葉流出的時(shí)候常常會(huì)產(chǎn)生飛濺現(xiàn)象，因此相比較而言，斜擊式水輪機(jī)的效率比較低。 根 據(jù)羅洲壩水電站的水頭范圍以及各種不同形式的水輪機(jī)的特點(diǎn)，在選擇的時(shí)候應(yīng)該選用混流式水輪機(jī)。通常情況下，在選擇水輪機(jī)的型號(hào)時(shí)，我們需要根據(jù)計(jì)算出的比轉(zhuǎn)速在轉(zhuǎn)輪的型譜關(guān)系中選擇一個(gè)或幾個(gè)比較合適的轉(zhuǎn)輪型號(hào)，當(dāng)有兩個(gè)或兩個(gè)以上的轉(zhuǎn)輪型號(hào)可供選擇時(shí)，此時(shí)需要進(jìn)行綜合分析以確定最合適的轉(zhuǎn)輪型號(hào)。本電站水輪機(jī)的比轉(zhuǎn)速 4201 0 62 0 0 0202 0 0 0 Hn s （ 查水輪機(jī)的型譜參數(shù)表可以確定比較相近的 三種轉(zhuǎn)輪的適用水頭分別為 135200m、110150m、 90125m。羅洲壩水電站的水頭范圍為 73120 米，因此可采用 輪。 5 本參數(shù)計(jì)算 選額定工況點(diǎn) 選擇好水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪型號(hào)之后，就可以根據(jù) 模型綜合特性曲線確定水輪機(jī)的模型效率了。具體步驟如下： m (73106 （ 額定工況點(diǎn)的單位流量為： )/(830)/(22111 （ 由此在水輪機(jī)的模型綜合特性曲線上查出其效率 M=取效率修正值為 2% ， 就可以得出額定工況下的原型水輪機(jī)的效率 9 0 M 。 定轉(zhuǎn)輪直徑 轉(zhuǎn)輪直徑的計(jì)算公式為： 1.9 （ 式中， P 表示水輪機(jī)的額定出力（ 10200011s）； 為額定工況的原型水輪機(jī)的效率（ 經(jīng)過計(jì)算，就可以得出轉(zhuǎn)輪直徑為 率及單位參數(shù)修正值 對(duì)于混流式水輪機(jī)來說，在將 模型最優(yōu)的工況效率算成真機(jī)的最優(yōu)工況效率時(shí)候，我們需要使用到 6 式為 : 11 511 (1 ) ( )D （ 式中，模型機(jī)最優(yōu)效率（ 處為 計(jì)算結(jié)果為 效率修正值m a x =型水輪機(jī)在限制工況運(yùn)行時(shí)的效率為 M 驗(yàn)所選水輪機(jī)的實(shí)際工作區(qū)域 實(shí)際上水輪機(jī)的單位轉(zhuǎn)速的計(jì)算公式為： 111 式中， 106m）。 計(jì)算，得到 73r/ 同理，根據(jù)單位轉(zhuǎn)速公式計(jì)算，我們就能夠得到最大水頭 在 型綜合特性曲線圖上從兩個(gè)轉(zhuǎn)速 兩條水平線大致包含了最優(yōu)效率區(qū)，因此所選擇的轉(zhuǎn)輪型號(hào) 足所需的過流條件，選用 轉(zhuǎn)輪適合本電站。 算額定流量 額定流量的計(jì)算公式為： 21 1 1r r D H （ 7 計(jì)算，得出 r 。 算飛逸轉(zhuǎn)速 水輪機(jī)飛逸轉(zhuǎn)速計(jì)算公式為： m a 式中， 示飛逸轉(zhuǎn)速（由水輪機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)綜合特性曲線查得輪的飛逸轉(zhuǎn)速為 133r/ 表最大水頭（ 120m）。 計(jì)算得： 416r/ 算軸向水推力 對(duì)于混流式水輪機(jī)，軸向水推力的計(jì)算公式為： m a (式中 輪軸向水推力系數(shù) 計(jì)算得： 制工作特性曲線 取最低水頭、額定水頭和最大水頭三個(gè)數(shù)據(jù)，并計(jì)算各個(gè)水頭下的單位轉(zhuǎn)速 111( ) 并在模型綜合特性曲線圖上做出各個(gè)水頭下的單位轉(zhuǎn)速為常數(shù)的水平直線，將這些等水頭直線與 等效率 線交點(diǎn)11( , )入公式計(jì)算 2 3 / 21 1 19 . 8 1 D H 。 8 當(dāng) 20時(shí)，對(duì)應(yīng)的 。 mm 11(l/s) 670 728 782 855 )(92398 102697 112785 126015 mm 11(l/s) 1102 1165 1218 1259 )(162420 168024 171820 173626 當(dāng) H=106 時(shí)，對(duì)應(yīng)的 mm 11(l/s) 668 740 816 906 )(76481 86665 97707 110859 mm 11(l/s) 1123 1168 1216 1256 )(137412 139854 142412 143802 mm 11(l/s) 737 791 947 1124 9 當(dāng) H=73 時(shí)，對(duì)應(yīng)的 到效率與出力 圖 作特性曲線 )(44910 49386 60546 73547 mm 11(l/s) 1207 1247 1278 1296 )(78978 79726 79793 78974 10 3 水輪機(jī)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 輪流道尺寸 根據(jù)羅洲壩水電站的轉(zhuǎn)輪型號(hào)，通過查水輪機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)中有關(guān)混流式水輪機(jī)的軸面流道圖，確定本電站轉(zhuǎn)輪流道的實(shí)際尺寸。 圖 轉(zhuǎn)輪流道尺寸 葉高度及分布圓直徑 根據(jù) 輪流道尺寸圖，可以由公式計(jì)算出導(dǎo)葉高度 3500=875水輪機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)，根據(jù)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)裝配系列表中關(guān)于 11 導(dǎo)葉分布圓的尺寸可以得出導(dǎo)葉分布圓直徑 070而確定導(dǎo)葉數(shù) 4片導(dǎo)葉。導(dǎo)葉翼型可以分成兩種：對(duì)稱型導(dǎo)葉和非對(duì)稱型導(dǎo)葉，羅洲壩水電站的蝸殼選取全包角的金屬蝸殼且最高水頭大于 100m，因而可以選擇非對(duì)稱型導(dǎo)葉。 軸直徑 現(xiàn)代水輪機(jī)在主軸的設(shè)計(jì)上有兩種設(shè)計(jì)系列選擇，分別是主軸軸身的壁厚厚度大于法蘭厚度時(shí)所采用的厚壁周以及主軸軸身的壁厚厚度小雨法蘭的厚度的薄壁軸。在進(jìn)行水輪機(jī)主軸的設(shè)計(jì)中，一般主軸直徑小于 600米的時(shí)候選擇厚壁周，反之則選用薄壁軸。 可以根據(jù)機(jī)組的扭力矩初選主軸直徑，初選方法為使用公式 M = 97400 進(jìn)行計(jì)算（式中， 位為 位為轉(zhuǎn) /分），計(jì)算結(jié)果為扭力矩 M=厘米，再由扭力矩與主軸外徑關(guān)系圖得出主軸外徑為 900用薄壁軸。 圖 扭力矩與主軸關(guān)系 1 厚壁軸 2薄壁軸 12 主軸內(nèi)孔的直徑需要通過公式 d = (厘米 ) （ 計(jì)算（其中， D 為主軸的外徑，單位為厘米； N 為主軸傳遞的功率，單位為千瓦； n 為主軸的轉(zhuǎn)速，單位為轉(zhuǎn) /分；為最大許用應(yīng)力，其單位為公斤 /厘米 2）。 計(jì)算，得主軸內(nèi)孔直徑為 3500主軸內(nèi)孔直徑的尺寸系列中查得內(nèi)孔直徑為 400 要部件結(jié)構(gòu) 輪 混流式水輪機(jī)的轉(zhuǎn)輪由上冠、葉片和轉(zhuǎn)輪三部分組成。通常，我們要在上冠上開設(shè)減壓孔，這樣就可以減小軸向水推力。上冠的上部法蘭面與主軸通過螺栓連接，下部以焊接的方式連接泄水錐。下環(huán)上也應(yīng)該設(shè)計(jì)止漏裝置。 隨著焊接技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在的轉(zhuǎn)輪多采用焊接方式而不是過去的鑄鋼鑄造方式。 圖 轉(zhuǎn)輪主要尺寸示意圖 （ 1）止漏裝置 的設(shè)計(jì) 止漏裝置的作用是減少機(jī)組的容積損失，分別分為縫隙式、迷 13 宮式和梳齒式三種形式。 當(dāng)使用水頭小于 200米的時(shí)候，各種類型的混流式轉(zhuǎn)輪一般可以選擇縫隙式或者迷宮式止漏環(huán)。如果水中泥沙含量較多則建議采用縫隙式，否則使用迷宮式止漏環(huán)。 當(dāng)所用水頭達(dá)到 200米以上的時(shí)候則應(yīng)該采用梳齒式止漏環(huán)。 止漏環(huán)尺寸系列如下圖所示： 圖 下環(huán)止漏環(huán) 14 圖 上冠止漏環(huán) (2) 泄水錐 泄水錐采用鋼板焊接結(jié)構(gòu)，直接焊接在轉(zhuǎn)輪上冠下法蘭面上。 (3) 減壓裝置 減壓裝置的作用是減小軸向水推力的作用，常用的形式有 引水板和泄水孔減壓方式以及頂蓋排水管和泄水減壓孔方式兩種。這里我們采取頂蓋排水管和泄水減壓孔方式的減壓裝置。 葉 （ 1）導(dǎo)葉的翼型和系列尺寸 前文已經(jīng)敘述過，由于羅洲壩水電站是具有全包角的蝸殼的高中比轉(zhuǎn)速的混流式水輪機(jī)，因此應(yīng)該采用非對(duì)稱型導(dǎo)葉（正曲率）。可以根據(jù)水輪機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)中相關(guān)尺寸進(jìn)行導(dǎo)葉的設(shè)計(jì)。 15 圖 導(dǎo)葉翼型圖 查非對(duì)稱型導(dǎo)葉葉形斷面尺寸系列表獲得相關(guān)數(shù)據(jù)： 表 對(duì)稱型導(dǎo)葉葉形斷面尺寸系列表（單位： 0 Z0 a a1 b 500 4070 24 c c1 d d1 e e1 m f r 2 2）導(dǎo)葉的結(jié)構(gòu)、系列尺寸和軸頸選擇 導(dǎo)葉的結(jié)構(gòu)與導(dǎo)葉套筒、軸套以及密封等形式有關(guān)?，F(xiàn)階段最常用的一種形式是帶有套筒，在中軸頸上使用“ L”型密封結(jié)構(gòu)，可以對(duì)下軸頸上采用“ O”型密封的導(dǎo)葉結(jié)構(gòu)。 根據(jù)混流式水輪機(jī)導(dǎo)葉軸頸 上相關(guān)內(nèi)容，初定導(dǎo)葉中軸頸 150，選則導(dǎo)葉軸尺寸。 16 圖 導(dǎo)葉結(jié)構(gòu)圖 表 導(dǎo)葉主要參數(shù)表 (單位： db da d1 d2 dm 50 125 160 145 40 d4 d5 hA hB hc 9 25 175 265 25 h2 h3 h4 55 90 60 14 6 135 導(dǎo)葉的材料選用 時(shí)，在制造過程中，導(dǎo)葉的上、中、下三個(gè)軸頸要同心，這樣才能保證導(dǎo)葉能夠靈活轉(zhuǎn)動(dòng)，徑向擺度應(yīng)該不大于軸頸公差的一半，導(dǎo)葉體端面與軸線不垂直度允許誤差不超過 并在倒也頭部堆焊抗磨材料（抗 17 磨板）以減少磨損。 (3) 導(dǎo)葉的密封結(jié)構(gòu) 在導(dǎo)葉關(guān)閉以后，導(dǎo)葉的立面應(yīng)該有很好的密封。在中高水頭的機(jī)組中，經(jīng)常直接依靠金屬的接觸面研合封水，而有的則是采用橡膠密封封水。圓橡皮條封水直接將橡皮條嵌入鴿尾槽內(nèi)，這種結(jié)構(gòu)制造簡單，但是容易被沖掉，所以只適用于 40米及以下水頭的機(jī)組中； 對(duì)于水頭較高的機(jī)組來說，其立面可以采用 帶壓板的橡膠密封 ，這種結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，需要用成型三角橡皮條加壓版固定，要使壓板和葉形表面要光滑的過度，所以橡皮條不應(yīng)該凸出的太多，材料應(yīng)該選用不銹鋼板最佳。 圖 帶壓板的橡膠密封 其尺寸系列如下表： 表 導(dǎo)葉密封主要尺寸表 a1 18 18 12 a c h h1 b 58+5 18+7 40 d d1 釘尺寸 20 13 9 25 18 （ 4）導(dǎo)葉套筒 導(dǎo)葉套筒的主要作用是固定導(dǎo)葉上軸套和中軸套，一般都是采用 鑄鐵制造，采用整體圓筒形式，其結(jié)構(gòu)與軸套的材質(zhì)、密封的結(jié)構(gòu)還有頂蓋的高度等相關(guān)。其尺寸關(guān)系如下： 圖 導(dǎo)葉套筒尺寸（一） 19 圖 導(dǎo)葉套筒尺寸（二） （ 5）導(dǎo)葉止推裝置 導(dǎo)葉在水壓的作用下，當(dāng)向上的浮力超過導(dǎo)葉的自重時(shí)，導(dǎo)葉向上抬起會(huì)碰撞頂蓋并且會(huì)影響到連桿的受力。為了防止這種情況的發(fā)生，需要考慮在導(dǎo)葉套筒上設(shè)置止推裝置。導(dǎo)葉所受到的向上的浮力的計(jì)算公式為：（公斤）。式中， p=斤 /平方厘米）； 米 3）；代表水的比重，公斤 /厘米 3。 導(dǎo)葉止推裝置有很多種形式，常常在導(dǎo)葉臂上開槽，將套筒固定在導(dǎo)葉的上法蘭面上，卡在導(dǎo)葉臂槽子內(nèi)，使得導(dǎo)葉和導(dǎo)葉臂受到軸向的限位，從而就可以限制導(dǎo)葉受到浮力后向上的浮動(dòng)。同時(shí)，環(huán)形槽端面的間 隙應(yīng)該小于應(yīng)該小于導(dǎo)葉和頂蓋或底環(huán)相配合的端面的間隙的一半。在導(dǎo)水機(jī)構(gòu)裝配好后這個(gè)間隙應(yīng)該按照實(shí)測尺寸配車。一般情況下，止推壓板的材料選用 0 號(hào)的鋁青銅，有的時(shí)候還可以使用堆焊有有色金屬結(jié)構(gòu)的焊接鋼板作為材料。 導(dǎo)葉止推裝置的尺寸圖如下： 圖 止推裝置尺寸圖 （ 6）導(dǎo)葉軸頸密封 一般情況下，導(dǎo)葉軸頸密封裝設(shè)在導(dǎo)葉套筒的下端，過去常常采用結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的“ U”型密封結(jié)構(gòu)，而現(xiàn)在在很多機(jī)組中則更多的采用“ L”型密封結(jié)構(gòu)。實(shí)踐證明，“ L”型密封結(jié)構(gòu)的封水性能同樣很好，并且結(jié)構(gòu)較之“ U” 型密封結(jié)構(gòu)十分簡單。 “ L”型密封結(jié)構(gòu)的原理是在軸套和套筒上開設(shè)排水孔，形成一定的壓力差，使密封圈與導(dǎo)葉中軸頸之間靠水壓貼緊封水。因此，應(yīng)該保證套筒和頂蓋端面之間的配合尺寸應(yīng)該留有一定的壓縮量。材料則應(yīng)當(dāng)選用模壓成型的中硬橡膠。與此同時(shí)，為了防止泥沙進(jìn)入下軸頸發(fā)生磨損，在下軸頸上也應(yīng)該設(shè)置“ O”型密封圈，其材料也應(yīng)選擇模壓成型的中硬橡膠。 21 圖 “ L”型密封圈尺寸 圖 “ O”型密封尺寸系列 （ 7）導(dǎo)葉軸套 最初，人們?cè)谶x取導(dǎo)葉軸套的材料時(shí)常常采用加注黃干油潤滑的鑄錫青銅的方式。而如今，這種選擇已經(jīng)被具有自潤滑性能的工程塑料所代替，比如聚甲醛，再如尼龍 1010。 尼龍 1010 尺寸穩(wěn)定，吸水性小，不僅能進(jìn)簡化水輪機(jī)結(jié)構(gòu)，還能節(jié)省大量的有色金屬，降低成本。因此我們?cè)谶@里采用尼龍1010離心熔鑄成型作為導(dǎo)葉軸套的材料。為了提高裝配精度，還需要在上面設(shè)置定位段。 22 圖 導(dǎo)葉上軸套尺寸示意圖 圖 導(dǎo)葉中軸套尺寸示意 23 圖 導(dǎo)葉下軸套尺寸示意 環(huán) 座環(huán)的作用主要有兩點(diǎn)： 1、承受水壓， 2、承受整個(gè)機(jī)組以及機(jī)組段混凝土的重量。是水輪機(jī)重要的基礎(chǔ)部件，需要有足夠的強(qiáng)度和剛度。 羅洲壩水電站采用與金屬蝸殼相連接的座環(huán)，并且是帶蝶形邊的座環(huán)，采用 座環(huán)和蝸殼的對(duì)接焊縫附近，常常會(huì)由于兩側(cè)的蝶形邊厚度不一致，出現(xiàn)一些強(qiáng)度上面的問題，因此，需要加焊縫過渡作為加強(qiáng)的措施。關(guān)于座環(huán)的固定導(dǎo)葉斷面的形狀、數(shù)量和分布位置則需要根據(jù)水力計(jì)算進(jìn)一步確定。同時(shí)可以考慮便于頂蓋的自流排水，將尾部的幾個(gè)固定導(dǎo)葉設(shè)為空心，起到一個(gè)排水通道的作用。為了方便在安裝時(shí)調(diào)整 和固定，應(yīng)該在座環(huán)下環(huán)下部設(shè)置地腳螺釘。 24 圖 座環(huán)尺寸簡圖 在座環(huán)的制造過程中，需要注意以下幾點(diǎn)： 1、 需要對(duì)所有的過流表面進(jìn)行進(jìn)一步加工，打磨光滑，使得光潔度達(dá)到 3 2、 固定導(dǎo)葉的進(jìn)口端的節(jié)距誤差不應(yīng)該超過 3、 注意頂蓋和底環(huán)在把合時(shí)，米 蓋 頂蓋的材料選用鑄鋼 要做成箱形結(jié)構(gòu)，以保證有足夠的強(qiáng)度和剛度。為了方便檢修和安裝，常常需要留有一定的空間位置。羅洲壩水電站的轉(zhuǎn)輪直徑為 3500于頂蓋過大，在運(yùn)輸和 制造方面都引起了許多不必要的麻 25 煩，因此可以考慮采用分瓣結(jié)構(gòu)。 為了防止導(dǎo)葉在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)帶來泥沙磨損，應(yīng)該在導(dǎo)葉和頂蓋下端面的配合面上焊接厚度為 1 由于頂蓋結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜，對(duì)制造的要求非常高，為了保證有較高的安裝質(zhì)量，導(dǎo)葉、底環(huán)和套筒的相對(duì)安裝位置一定要準(zhǔn)確。 圖 頂蓋尺寸示意圖 環(huán) 底環(huán)采用 一個(gè)在設(shè)計(jì)的時(shí)候只需要考慮剛度而不用做強(qiáng)度計(jì)算的固定在座環(huán)上的扁平環(huán)形部件。在過流表面要設(shè)計(jì)抗磨板以防止水中泥沙磨損，抗磨板的材料采用 板。 26 圖 底環(huán) 礎(chǔ)環(huán) 在混流式水輪機(jī)中，基礎(chǔ)環(huán)的主要作用是連接座環(huán)與尾水管進(jìn)口錐管段。它是混流式水輪機(jī)的一種基礎(chǔ)部件，埋設(shè)于混凝土內(nèi)，轉(zhuǎn)輪下環(huán)的轉(zhuǎn)動(dòng)是在基礎(chǔ)環(huán)內(nèi)部進(jìn)行的。 基礎(chǔ)環(huán)是采用鋼板焊接而成的，其上法蘭面通過螺釘與座環(huán)相連接，下法蘭通過螺栓連接在尾水管里襯的上法蘭面上。為了在吊裝轉(zhuǎn)輪下環(huán)的時(shí)候支撐下環(huán)，基礎(chǔ)環(huán)的下法蘭應(yīng)與轉(zhuǎn)輪下環(huán)留有一定的間隙，在安裝轉(zhuǎn)輪的時(shí)候放置斜楔，用于在安裝以及檢修的時(shí)候調(diào)整轉(zhuǎn)輪，以保證轉(zhuǎn)輪的水平。 圖 基礎(chǔ)環(huán)尺寸示意 27 圖 基礎(chǔ)環(huán) 與轉(zhuǎn)輪下環(huán)的間隙尺寸 軸 (1)主軸的主要尺寸 主軸采用 是水輪機(jī)的主要部件。 設(shè)計(jì)主軸的同時(shí)應(yīng)該設(shè)計(jì)主軸中心孔用以消除軸心部分材質(zhì)的缺陷，并且可以根據(jù)主軸中心孔為水輪機(jī)補(bǔ)氣。 主軸上與發(fā)電機(jī)之后連接，下法蘭與轉(zhuǎn)輪上冠連接，主軸整體尺寸如下： 圖 主軸尺寸示意圖 表 主軸主要尺寸表 D b 2 d d 900 1360 1165 920 1350 900 900 db d1 d2 h h1 l 28 95 97 142 180 210 45 65 S1 a m R 0 225 290 25 2 100 10 3 f Z C 2 300 5 1,5 20 14 18 3 （ 2）連軸螺釘 連軸螺釘在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)當(dāng)保證其預(yù)緊力保持在 1200到 1400公斤每平方厘米的范圍內(nèi)，這個(gè)可以在安裝時(shí)在中心孔內(nèi)裝設(shè)測長桿測量。 在選擇連軸螺釘時(shí)，根據(jù)主軸尺寸中的 連軸螺釘及測長桿尺寸系列表中查詢。 圖 連軸螺釘示意圖 表 連軸螺釘尺寸一覽表 d h d1 95 140 65 84 82 125 d3 d4 d5 d6 c 5 21 12 6 4 E 2 m 5 10 15 8 25 10 4 2 主軸 l l 0 50 30 900 450 415 225 l1 l2 l3 l,3 90 100 370 335 29 導(dǎo)軸承 水輪機(jī)可以選用的軸承有很多種類，最常見的分為三種：稀油潤滑筒式軸承、水潤滑橡膠軸承以及稀油潤滑分塊瓦軸承。 橡膠軸承對(duì)電站水質(zhì)要求比較高，需要清潔的水源，并且水中懸浮物質(zhì)不能超過 升；筒式軸承常常用于水質(zhì)不干凈、含沙量大，又沒有清潔水源的電站采用；分塊瓦軸承的使用條件則與筒式軸承基本一致，但是考慮到筒式軸承結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行性能好，結(jié)構(gòu)緊湊等特點(diǎn)，羅洲壩水電站采用稀油潤滑筒式軸承。 筒式軸承的基本工作原理是使軸盆旋轉(zhuǎn)，利用產(chǎn)生的油壓通過稀油潤滑，經(jīng)過軸承體下部浸油盤的徑向孔和軸瓦面上的斜油槽自循環(huán)潤滑。 其主要結(jié)構(gòu)如下圖所示 ： 圖 稀油潤滑筒式軸承 30 軸密封 主軸密封可以分為機(jī)械式斷面密封和水壓式斷面密封，當(dāng)沿圓周方向布置的彈簧力不均勻時(shí)，隨著負(fù)荷變化的波動(dòng)，在上下移動(dòng)中的托架就會(huì)發(fā)生偏差，水壓力發(fā)生變化，會(huì)引起漏水量增多；而水壓式密封用水壓力代替了彈簧力，就很好的解決了這些問題。水壓密封的主要結(jié)構(gòu)形式如圖所示 : 壓力水 排水圖 水壓密封形式圖 制環(huán) 控制環(huán)起到的作用是傳遞接力器的作用力，通過導(dǎo)葉傳動(dòng)機(jī)構(gòu)控制導(dǎo)葉的轉(zhuǎn)動(dòng)。羅洲壩水電站的控制環(huán)是采用 板焊接而成，其主要尺寸如下圖所示： 31 圖 控制環(huán)制造要求 表 控制環(huán)尺寸 (單位： c v R S 3500 2780 24 3280 12 25 表 控制環(huán)尺寸（大耳環(huán)） (單位： dc d1 d2 d3 h1 00 130 125 260 55 150 表 控制環(huán)尺寸（小耳環(huán)）（單位： d2 60D 55 65 圖 小耳環(huán) 32 氣裝置 當(dāng)水輪機(jī)不在最優(yōu)工況運(yùn)行的時(shí)候，常常會(huì)因?yàn)樗鲏毫Χa(chǎn)生波動(dòng)，尤其是在 40%70%額定出力的情況下，會(huì)出現(xiàn)渦帶，進(jìn)而加大機(jī)組負(fù)荷，甚至引起共振。此時(shí)，應(yīng)該補(bǔ)入一些空氣，用以平衡水壓，改善機(jī)組的運(yùn)行狀況，提高機(jī)組的運(yùn)行效率。 補(bǔ)氣方式分為自然補(bǔ)氣和強(qiáng)迫補(bǔ)氣，當(dāng)尾水管壓力太高，自然補(bǔ)氣無法進(jìn)行時(shí)，采用強(qiáng)迫補(bǔ)氣。 進(jìn)行補(bǔ)氣的位置有三個(gè)，分別是主軸中心孔補(bǔ)氣、尾水管補(bǔ)氣、以及頂蓋補(bǔ)氣。補(bǔ)氣的時(shí)候應(yīng)注意低壓的分布位置，比如在進(jìn)行尾水管補(bǔ)氣時(shí)，底壓區(qū)是分布在距離管壁 1/41/8 處，所以補(bǔ)氣裝置就應(yīng)該設(shè)置在這個(gè)位置。 在尾水管補(bǔ)氣的設(shè)計(jì)時(shí)，可以在短管補(bǔ)氣或者十字架補(bǔ)氣兩種補(bǔ)氣方式中選擇，羅洲壩水電站由于轉(zhuǎn)輪直徑較大，進(jìn)行十字架補(bǔ)氣方式多有不便，因此應(yīng)該選取短管補(bǔ)氣裝置。同時(shí)，可以在補(bǔ)氣裝置上設(shè)置控制閥，在需要補(bǔ)氣時(shí)打開，不需要補(bǔ)氣時(shí)關(guān)閉。 由于水流具有慣性，在導(dǎo)水機(jī)構(gòu)緊急關(guān)閉的時(shí)候，轉(zhuǎn)輪室有可能出現(xiàn)較大的真空，這樣往往會(huì)引起抬機(jī)現(xiàn)象。因此真空破壞閥應(yīng)運(yùn)而生，當(dāng)緊急關(guān)閉導(dǎo)葉的時(shí)候，補(bǔ)氣，破環(huán)真空，保護(hù)機(jī)組，減少抬機(jī)現(xiàn)象所帶來的危害。真空破壞閥應(yīng)該安裝在頂蓋內(nèi)，為了保證真空破壞閥可以順利安裝，應(yīng)該在頂蓋上設(shè)置孔槽（具體位置 見頂蓋設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)圖），方便真空破壞閥的安裝與檢修。本電站沿圓周方向設(shè)置兩個(gè)真空破壞閥。羅洲壩水電站的真空破壞閥大體的尺寸如下圖： 33 圖 真空破壞閥 34 4 導(dǎo)水機(jī)構(gòu)傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 葉開度 以下是羅洲壩水電站的一些基本參數(shù)： 水輪機(jī)的額定出力： 102定轉(zhuǎn)速： 定流量： s 最大允許吸出高度： 大水頭： 120m 額定水頭： 106m 最小水頭： 73m 安裝高程： 機(jī)組在額定工況下運(yùn)行時(shí)，羅洲壩水電站的單位轉(zhuǎn)速和單位流量分別為： m (73106 )/(830)/(22111 查詢 輪綜合特性曲線，可以得到模型的最大開度為此開口值比最低水頭下， 5%出力限制線的開口值還小，所以模型的最大開度應(yīng)該取 34 4m 按照公式0000m a a D 到最大開口 74 最大可能開口 a 最大可能 =274=288 取設(shè)計(jì)水頭下的 下的單位轉(zhuǎn)速與最優(yōu)效率點(diǎn)對(duì)應(yīng)的開口值為最優(yōu)開口 ，同理，得最優(yōu)開口 =221 此外，在繪制導(dǎo)葉布置圖的時(shí)候。我們還需要另外再取兩個(gè)開 35 口： 0060 根據(jù)以上參數(shù)，繪制導(dǎo)葉布置圖，確定角、角以及接力器行程 圖 接力器行程 S、 角、角與導(dǎo)葉開度角 水機(jī)構(gòu)傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 水機(jī)構(gòu)的裝配尺寸 導(dǎo)水機(jī)構(gòu)主要是由導(dǎo)葉、導(dǎo)葉傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、環(huán)形部件、軸套以及密封等共同構(gòu)成的。其主要裝配結(jié)構(gòu)如圖： 36 圖 導(dǎo)水機(jī)構(gòu)裝配圖 圖 導(dǎo)水機(jī)構(gòu) 37 水機(jī)構(gòu)的零件公差與配合間隙 導(dǎo)水機(jī)構(gòu)的零件公差一般為 24級(jí)，下圖為導(dǎo)水機(jī)構(gòu)主要配合部位的公差標(biāo)準(zhǔn) 圖 導(dǎo)水機(jī)構(gòu)的配合公差 羅洲壩水電站轉(zhuǎn)輪直徑為 于大型機(jī)組，此時(shí)允許在導(dǎo)葉高度約 1/4的范圍內(nèi)有不大于 導(dǎo)葉的端面間隙與轉(zhuǎn)輪直徑和水頭有關(guān)系，端面的單邊間隙值允許的范圍在 局部間隙一般不應(yīng)該大于 ，長度不能超過合縫面的總長度的 1/5。 葉的傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 常見的導(dǎo)葉傳動(dòng)機(jī)構(gòu)分為兩種，分別是插頭傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和耳柄傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。 插頭傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的最大特點(diǎn)就是受力情況好，比較適用于大、中型機(jī)組中。耳柄式導(dǎo)葉傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)