軸流式水輪機設計說明書畢業(yè)設計論文

1、軸流式水輪機設計說明書摘 要這次畢業(yè)設計的主要內(nèi)容是進行水輪機結構設計，設計的對象是大峽水電站的軸流轉槳式水輪機。本次設計是在給定水輪機基本參數(shù)的前提下，通過查閱相關的設計手冊，對水輪機的結構進行設計。設計的主要內(nèi)容有三部分，第一部分是對水輪機進行總體結構的設計，其中包括了座環(huán)、主軸、接力器等由水輪機設計參數(shù)確定的部件。由于大峽水電站的機組是轉槳式的，所以在這一部分中還包括了葉片操作系統(tǒng)的設計。第二部分是對導水機構進行設計。這部分主要是根據(jù)接力器直徑設計導水機構傳動系統(tǒng)。最后一部分則是根據(jù)設計手冊上推薦的方法對主要部件進行強度校核。其中，導葉的校核采用編程計算。由于本次設計采用了計算機繪圖，因

2、此使得設計過程變得簡單快捷。關鍵詞：水輪機、結構設計、計算機繪圖、強度校核abstractthe main content of this graduate design is to carry on a structure design of hydro turbine .the object of this design is da xia hydraulic power station. under the premise of appointed essential parameter ,this design is to make a contrivance for hydro tu

3、rbine by referring relative design handbook .the main contents of this design contain three parts . the first part of this design is to make a general structural design of hydro turbine it conclude the component which can be designed by design factor of hydro turbine .such as stay vane ring、servomot

4、or、bottom lid、turbine main shaft and so on .because the hydro turbine of da xia hydraulic power station is kaplan turbine, so we have to design the controlling mechanism of waterturbine runner blades in this part .the second part is to design the distributor of hydro turbine .the major task of this

5、part is designing the drive system of guide apparatus based on the diameter of servomotor . the last is to check the strength of important region in hydro turbine by using the method which design manual recommend. and the strength checking of guide vane is programmed to calculate among it . due to t

6、he using of computer in drawing, the process of design become simple and rapid.key words : kaplan turbine ,structural design , computer produced drawing , strength checking 目 錄第1章 前 言11.1 概述11.2 設計內(nèi)容11.3 原始資料2第2章 水輪機總體結構設計32.1 轉輪的流道尺寸32.2 導葉高度及分布圓直徑42.3 座環(huán)高度42.4 主軸直徑52.5 主要部件的結構62.5.1轉輪62.5.2接力器92.5

7、.3導葉102.5.4 座環(huán)182.5.5 頂蓋與支持蓋192.5.6 底環(huán)202.5.7主軸212.5.8 主軸密封232.5.9 水導軸承252.5.10 控制環(huán)292.6 葉片操作系統(tǒng)312.6.1帶操作架的直連桿機構312.6.2不帶操作架的直連桿機構322.6.3帶操作架的斜連桿機構32第3章 導水機構運動系統(tǒng)的設計343.1 導葉開度343.2 導水機構傳動系統(tǒng)的設計353.2.1 導水機構的裝配尺寸：353.2.2導水機構的配合公差與間隙：363.2.3導水機構的傳動部分。36第4章 強度校核454.1 主軸的強度校核454.1.1 基本參數(shù)的意義：454.1.2 軸身應力計算：

8、454.1.3 薄壁軸法蘭與軸身聯(lián)接處應力的計算：474.2 導葉強度的計算52致 謝56參考文獻57附 錄58附錄1：導葉校核程序58附錄2：導葉部分斷面復核程序63附錄3：程序中各符號所代表的意義67 第1章 前 言1.1 概述水能不僅是清潔的能源，而且是可再生的資源。目前水力發(fā)電在全世界范圍內(nèi)得到了優(yōu)先開發(fā)，尤其是挪威、巴西等國，水力資源的開發(fā)幾乎達到了百分百。而水電站作為水能開發(fā)的主要手段，它能否經(jīng)濟、高效的運行對水能的利用程度有很大的影響。水力機組是水電站的核心設備，是整個水電樞紐工程最終經(jīng)濟效益的歸宿。因此，水輪機結構設計得是否合理就成為電站能否有效運行得關鍵。大峽水電站位于甘肅省

9、蘭州市以東中心河道距離65km處，是一個以發(fā)電為主，兼有灌溉、航運等綜合效益的大型工程。電站裝機4臺，機組全為軸流轉槳式。本次設計的主要內(nèi)容是針對大峽水電站的具體情況對其水輪機結構進行設計，在設計中不僅對其總體結構進行了設計，還特別對水輪機的轉槳式機構進行了設計。在這次設計中，除了查閱手冊外，還查閱了一些國內(nèi)、外已建成的水電站的資料以作參考。隨著計算機技術的發(fā)展，利用cad軟件進行繪圖已成為設計的主要手段之一。在本次畢業(yè)設計中，由于所有的圖紙都采用cad軟件進行繪制，所以不僅提高了利用cad軟件繪圖的能力 ，也使得設計的質量大為提高。1.2 設計內(nèi)容本次畢業(yè)設計的主要內(nèi)容：（一）根據(jù)給定水輪機

10、型號和轉輪直徑進行等參數(shù)進行水輪機結構設計1按給定水輪機型號和轉輪直徑等參數(shù)，確定水輪機的主要特征尺寸，對水輪機埋入部件進行結構設計；2確定水輪機主軸尺寸，并進行強度校核計算；3根據(jù)機組的型式和電站的自然條件進行主軸密封和水導軸承的設計；4繪制水輪機總裝配圖及主要部件的組裝圖和部件圖。（二）導水機構傳動系統(tǒng)的設計1根據(jù)機組的型式進行導水機構的設計；2繪制導水機構裝配圖及導葉布置圖；3導葉強度計算。（三）葉片操作系統(tǒng)設計1根據(jù)機組的布置型式進行葉片操作系統(tǒng)的設計；2繪制葉片操作系統(tǒng)裝配圖及葉片操作系統(tǒng)原理圖；1.3 原始資料本次畢業(yè)設計的基本參數(shù)如下：單機容量： 77.3mw水輪機型號：zzf2

11、3-lh-700設計水頭： 23(m)設計流量： 369.6（/）額定轉速： 88.2（rpm）吸出高度： -5.5（m）安裝高程： 1444.7（m）第2章 水輪機總體結構設計2.1 轉輪的流道尺寸表1 轉輪流道尺寸參數(shù)符號數(shù)值（mm）參數(shù)符號數(shù)值（mm）d1z1d0z0b0dbr170005810024280031501652r2d2d3d4h1h2h3663632693045304517158612086其符號所代表的意義見下圖1：表2 轉輪室的尺寸參數(shù)符號數(shù)值（mm）計算參數(shù)數(shù)值（mm）r1r2r3r4r（球）h15258611834660835001715h2h3h4d2d41491

12、696572866089100110其符號所代表的意義見下圖2： 圖1 轉輪流道尺寸圖2 轉輪室流道尺寸2.2 導葉高度及分布圓直徑由上一節(jié)可知，導葉高度為：b0=0.4d1=2800(mm)，分布圓直徑d0=1.16d1，所以d0=1.16d1=8100（mm），導葉轉角050。由于本機組屬于高比轉速軸流式水輪機，所以導葉選擇對稱型翼形，導葉數(shù)目z=24。2.3 座環(huán)高度表3 座環(huán)尺寸參數(shù)符號數(shù)值（mm）參數(shù)符號數(shù)值（mm）dbdakr925010750100600h1=b0+30283030031.50其符號所代表的意義見下圖3：圖3 座環(huán)2.4 主軸直徑主軸的外尺寸可以根據(jù)機組的扭力矩初

13、選，扭力矩按以下公式計算：（公斤厘米）式中 ： n代表主軸傳遞的功率（千瓦） n代表主軸轉速（轉/分）由原始資料得：n=77.3mw=77.3103kw n=88.2r/min所以，根據(jù)扭力矩與主軸外徑的關系曲線查得d=1155（mm），根據(jù)薄壁軸的標準外徑系列，取標準植d=1200（mm）主軸內(nèi)孔直徑按水輪機設計手冊上的公式計算： 式中 ：d主軸外徑（厘米） n主軸傳遞的功率（千瓦） n主軸轉速（轉/分） max最大許用應力（公斤/厘米2）初選主軸的材料為zg20mnsi,其max=550公斤/厘米2所以根據(jù)主軸內(nèi)孔直徑公式計算得： 但為了保證主軸有足夠的剛強度，可將主軸內(nèi)徑按標準直徑系列取

14、為800mm 。2.5 主要部件的結構2.5.1轉輪軸流轉槳式水輪機的轉輪由轉輪體、葉片操作機構、葉片等組成。（1）葉片葉片由本體和樞軸構成。葉片本體與樞軸的連接方式有兩種。一種是用分別整體鑄造；一種是采用分開鑄造，加工后用螺釘或銷釘?shù)葯C械零件組合。由于本機組屬于大型機組，所以葉片和樞軸采用分別鑄造，然后用螺釘連接。（2）轉輪體轉輪體上裝有全部葉片和操作機構，上部與主軸聯(lián)接，下部接泄水錐，形狀較為復雜。在本次設計中轉輪體采用zg20mnsi整鑄而成。轉輪體外圓采用球形結構，以減少容積損失。在本次畢業(yè)設計中，轉輪體與主軸聯(lián)接時，采用的是轉輪上蓋與主軸法蘭分開的結構。（3）葉片操作機構與接力器葉片

15、操作機構的型式很多，本次畢業(yè)設計采用的是不帶操作架的結構。在后面會專門有葉片操作機構的設計。葉片操作機構接力器的活塞直徑根據(jù)操作油壓確定。活塞桿的尺寸即要滿足強度的要求，還應滿足操作油管布置的需要。表4 活塞桿的尺寸參數(shù)符號數(shù)值（mm）參數(shù)符號數(shù)值（mm）d1dd2t2d3t3d4zd5d6d7d8d9d10d11d12d132452506061596753180210582”62135m1214034d14h1h2h3h4h5h6h7brkk1s=s1s2868-0.13625123585105263284820其符號所代表的意義如下圖4和圖5：圖4 活塞與活塞桿圖5 油管連接法蘭圖6活塞環(huán)

16、表5 活塞尺寸參數(shù)符號數(shù)值（mm）dphh12322485353其符號所代表的意義見圖6。（4）葉片密封葉片密封采用“”型密封，因其結構簡單，裝拆方便。其尺寸如下表所示：表6 “”型密封尺寸參數(shù)符號數(shù)值（mm）參數(shù)符號數(shù)值（mm）d1d2d3abc1061+11000+0.13103011.51012.5defr內(nèi)圓緊量外圓緊量944+0.2231.872.10.82（5）泄水錐由于本次設計的機組屬于大型機組，故泄水錐采用鋼板焊接的泄水錐。2.5.2接力器由于本機組的轉輪直徑已達7米，屬于大型機組，故采用單導管直缸接力器，其將布置在水輪機機墩內(nèi)，操作油壓采用=25公斤/厘米2。接力器直徑式中：

17、轉輪直徑 最高水頭 導葉相對高度 調速系統(tǒng)的額定油壓 計算系數(shù)從水輪機設計手冊中的表查得=0.15，=25公斤/厘米2，=31.4m， =0.4 根據(jù)接力器直徑系列取dc=750(mm),由于其采用單導管型式的直缸接力器，其主要特征尺寸如下表：表7 接力器尺寸參數(shù)符號數(shù)值（mm）參數(shù)符號數(shù)值（mm）dcdd112z2d23750190190145013401652220z3d3d4ddhksdc8m24m19033005504200.5-0.75375-562.5其符號所代表的意義見圖7。圖7 單導管型式的直缸接力器2.5.3導葉導葉的材料采用zg14cr5cu鑄造，該材料適用于制造水輪機導葉

18、，其強度極限為570兆帕。（1）葉形圓柱式導水機構的導葉葉形，通常有對稱形和非對稱形（正曲率）兩種標準葉形。由于對稱形導葉一般使用于具有不完全包角的高比轉速軸流式水輪機中，故本設計中采用對稱形的葉形。由水輪機設計手冊中查得對稱形導葉葉形的斷面參數(shù)如下表：表8 導葉葉形的斷面尺寸參數(shù)符號數(shù)值（mm）參數(shù)符號數(shù)值（mm）d1d0z0abcded0mk7000810024102.9124.7129.9124.7113.1195.4103.510.3rr1r2r3fl1l2lqt80.627121448711258462212062515其符號所代表的意義見圖8。圖8導葉葉形斷面（2）導葉的結構系列尺

19、寸和軸頸選擇導葉的軸頸可按機組的轉輪直徑d1，使用水頭h1（指最高水頭），導葉的相對高度b0/d1，從手冊中初選軸頸db，選得db =230（mm），再根據(jù)db=230mm從手冊中查得導葉結構的其它尺寸如下表： 表9 導葉結構的尺寸參數(shù)符號數(shù)值（mm）參數(shù)符號數(shù)值（mm）dbdad1dcd2dmd3d4d5ha23019024021022060m4858208.5190hbhch1h2h3h4h5h參考r1r22603852522590208117211595其符號所代表的意義見下圖9：圖9 導葉結構尺寸（3）導葉的密封結構導葉關閉后，導葉體的立面應該很好的密封。由于本機組屬于大型低水頭的機組

20、，因此采用圓橡皮條直接鑲入鴿尾槽內(nèi)封水，這種結構制造簡單，但只適用于40米水頭以下的機組，因為水頭太高會把圓橡皮條沖掉。圓橡皮條和鴿尾槽的尺寸如下表：（由于導葉體較高，可在中間加焊數(shù)段鋼筋，使橡皮條分段固定。） 表10 圓橡皮條和鴿尾槽的尺寸參數(shù)符號數(shù)值（mm）dabc161212.73其符號所代表的意義如下圖10所示：圖10導葉的密封結構（4）導葉套筒 導葉套筒是固定導葉上中軸套的部件，一般都采用ht2140鑄鐵鑄造。套筒結構與主軸材質、密封結構和頂蓋的高度有關。目前多數(shù)采用整體圓筒的模式，因為本次設計的機組的水頭不是很高，所以不考慮在導葉套筒上增設導葉止推裝置。本次設計中采用的套筒的尺寸大

21、小如下表：表11 導葉套筒尺寸參數(shù)符號數(shù)值（mm）參數(shù)符號數(shù)值（mm）dbd1d2d3d4d5d6d7d823056036523025026048040 8d9d10hh1h2h3zh參考385m2452402301058840其符號所代表的意義如下圖11所示：圖11導葉套筒（5）導葉軸頸密封及其軸套 導葉軸頸密封多數(shù)裝在導葉套筒的下端，目前不少機組中已改用“l(fā)”型密封，實踐證明，封水性能很好，結構簡單。其尺寸大小如下表：表12 “l(fā)” 型密封尺寸參數(shù)符號數(shù)值（mm）參數(shù)符號數(shù)值（mm）dbdd1d2230237223280h121844其符號所代表的意義如下圖12：圖12“l(fā)” 型密封導葉下

22、軸頸的密封主要是防止泥沙進入，發(fā)生軸頸磨損。下軸頸密封一般采用“o”型橡皮圈密封結構，其尺寸大小如下表： 表13 “o”型密封圈尺寸參數(shù)符號數(shù)值（mm）dbdd23019010其符號所代表的意義如下圖13所示：圖13 “o”型密封圈（6）導葉軸套 導葉軸套大多數(shù)都采用鑄錫青銅鑄造，加注黃油潤滑。目前已廣泛采用具有自潤滑功能的工程塑料代替，這樣不僅簡化了結構，而且節(jié)省了大量的有色金屬，降低成本。本次設計中采用復合軸套，即采用ht1838作套，內(nèi)表面涂復尼龍1010制成復合軸套值指復合軸套尼龍層厚度的參考值。a）上軸套尺寸系列如表14所示： 表14 上軸套尺寸參數(shù)符號數(shù)值（mm）參數(shù)符號數(shù)值（mm

23、）dcd1d2d3d4210210230229.6270hh1h21058121 其符號所代表意義如下圖14所示：圖14上軸套b）中軸套尺寸系列如表15所示：表15 中軸套尺寸參數(shù)符號數(shù)值（mm）參數(shù)符號數(shù)值（mm）dbd1d2d3d4230230250249.6260hh1h2d523040881其符號所代表的意義如下圖15所示:圖15中軸套c）下軸套尺寸系列如表16所示： 表16 下軸套尺寸參數(shù)符號數(shù)值（mm）參數(shù)符號數(shù)值（mm）dad1d2d3190190210209.6hh119081其符號所代表的意義如下圖16所示:圖16 下軸套2.5.4 座環(huán)（1）與混凝土蝸殼連接的座環(huán)型式很多，

24、本設計中采用的是整體結構的座環(huán)。（2）座環(huán)的鑄造應符合一般大部件的鑄造技術條件，其加工面的光潔度和公差要求參見下圖：圖17 座環(huán)此外，還需對制造質量提出如下要求：a)所有過流表面打磨光滑，相當于光潔度3；b)固定導葉進口端節(jié)距誤差不超過0.0015da；c)頂蓋與底環(huán)把合面平行度誤差不超過0.025毫米/米；d)分瓣結構的合縫面光潔度為5，合縫面間隙一般不超過0.05毫米，局部允許有0.150.3毫米間隙（深度小于接合縫的1/3，長度不超過接合縫總長的1/5）。2.5.5 頂蓋與支持蓋頂蓋與支持蓋是水輪機的主要部件，要求有足夠的強度和剛度，因此再此次設計中采用了焊接頂蓋，材料zg30。支持蓋和

25、頂蓋見下圖：圖18 頂蓋圖19 支持蓋2.5.6 底環(huán)底環(huán)是一個扁平的環(huán)形部件，固定于座環(huán)上，設計時主要考慮剛度，不作強度計算。底環(huán)都采用zg30鑄造，而且由于本次設計對象所處的流域屬于多泥沙河流，故在底環(huán)的過流表面應鋪設抗磨板。本次設計中的抗磨板采用18毫米厚的a3鋼板。由于受運輸條件的限制，本次設計中的底環(huán)應分四瓣鑄造，底環(huán)大概結構見下圖：圖20 底環(huán)2.5.7主軸（1） 主軸主軸是水輪機的主要部件，它的毛坯采用zg20mnsi整鍛。由于本機組是大型的軸流式水輪機，因此在主軸內(nèi)裝有操作油管，所以主軸必須要有中心孔。主軸與轉輪的連接結構在設計中采用轉輪上蓋與主軸法蘭分開的結構。主軸一端與發(fā)電

26、機相連，另一端與轉輪相連。軸的尺寸如下表：表17 主軸尺寸參數(shù)符號數(shù)值（mm）參數(shù)符號數(shù)值（mm）參數(shù)符號數(shù)值（mm）dddbdpd2d3dddbd112001830157512201815130011001100125130d2hh1ll1l2ss1am188240270608512300360352rr1r2r3fzcc1c212030350522016204其符號所代表的意義如下圖21所示：圖21 主軸（2） 聯(lián)軸螺釘?shù)某叽纾海ǜ鶕?jù)主軸的外徑選?。┍?8 聯(lián)軸螺釘參數(shù)符號數(shù)值（mm）參數(shù)符號數(shù)值（mm）螺釘lll0l1l2l5m1204600545300120130510l5dbdhd1

27、d2s45512518585114112160其符號所代表的意義見下圖22：圖22聯(lián)軸螺釘2.5.8 主軸密封主軸部分的密封裝置分兩種，一種是機組正常運行中，橡膠軸承壓力水箱的密封，稀油軸承下部防止機組漏水的主軸密封。這一種密封的結構形式很多，如盤根、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。在本次設計中采用的是水壓式端面密封，其結構見下圖23。另一種是機組停機檢修軸承和軸承下部主軸密封時防止尾水往機坑內(nèi)泄漏的檢修密封。這種密封的結構形式有空氣圍帶式、機械操作式或抬機密封等多種。在本次設計中采用的是空氣圍帶式密封，采用的壓縮空氣壓力是47公斤/厘米2，其所采

28、用的圍帶的剖面尺寸見下圖24：圖23 水壓式端面密封圖24 空氣圍帶式密封2.5.9 水導軸承水輪機導軸承型式很多，目前比較常用的有水潤滑的橡膠軸承;稀油潤滑帶有轉動油盤、斜油槽自循環(huán)的筒式軸承和稀油潤滑油浸式分塊瓦軸承。其它型式軸承如稀油潤滑畢托管上油方式軸承，在中、小型機組中雖有采用，但近期已被斜油槽自循環(huán)的筒式軸承所代替。干油潤滑軸承國內(nèi)運用不多?？紤]到本電站的水質不干凈、含沙量大，清潔水源少，所以采用了稀油潤滑筒式軸承。圖25 水導軸承（1）軸瓦高度l統(tǒng)計資料表明，軸瓦高度與直徑的比值都在0.51的范圍內(nèi)，一些試驗資料表明軸承的摩擦系數(shù)在上述范圍內(nèi)數(shù)值最小。所以軸瓦高度l=（60012

29、00）毫米，參照水輪機設計手冊中的表1314最終取l750mm。（2）油槽升角模型試驗的資料表明，油槽升角對上油量有一定的影響。目前設計中采用的油槽升角一般為500700，實踐表明上油效果很好。在體外冷卻的方式中，采用500，所以本次設計中取500。圖26 油槽升角（3）油槽截面尺寸和槽數(shù)為了減少潤滑油在油槽中的阻力，并保證相鄰油槽間的瓦面上都能得到充分的潤滑油，形成油膜，故采用下圖27所示的油槽形狀。圖27 油槽截面其尺寸如下表19所示：表19 油槽截面尺寸參數(shù)符號數(shù)值（mm）參數(shù)符號數(shù)值（mm）abce725152r1r2z12.58（4）軸承體上合金澆注層槽形軸承體內(nèi)壁加工有澆注巴式合金

30、的縱向和環(huán)形槽，以保證合金與軸承體嚴密貼合，防止脫殼。軸承體上合金層不宜太厚。較厚的合金層不僅增加合金材料的消耗，也會導致瓦面受熱后相對變形增大，影響軸承間隙，增加磨損。目前設計中一般取合金層厚度（毫米）a斜油槽的深度（毫米）合金澆注槽的尺寸大小如下表20所示：表20 合金澆注槽的尺寸參數(shù)符號數(shù)值（mm）參數(shù)符號數(shù)值（mm）hl1l2l1l213430142.51450hzz1rc4020454其符號所代表的意義見下圖28：圖28 合金澆注槽（5）軸承間隙軸承總的平均間隙一般可參照下面的經(jīng)驗公式?jīng)Q定：式中 dp主軸直徑（6）冷卻方式與冷卻裝置的確定稀油潤滑筒式軸承一般都裝有冷卻裝置，在本次設計

31、中選用了體外冷卻的方式。這種冷卻方式目前采用較多，這種結構中通常由冷卻器、擋油箱、溢流板、擋油管等組成。冷卻器多數(shù)采用黃銅管，在布置條件許可下排列成扁方形，可以降低擋油箱的高度。擋油箱、溢流板、擋油管的作用是保證熱油都能經(jīng)過冷卻器后再經(jīng)回油管返回轉動油盆，以改善冷卻效果。此外，擋油箱還可以避免上部油箱中的循環(huán)油隨著主軸旋轉而飛濺出來。在本機組上，擋油箱采用鋼板焊接，把合在軸承體上。（7）確定稀油潤滑筒式軸承的尺寸 查水輪機設計手冊確定稀油潤滑筒式軸承的尺寸如下表21所示：表21 稀油潤滑筒式軸承尺寸參數(shù)符號數(shù)值（mm）參數(shù)符號數(shù)值（mm）dpldadbddhhb1220750185019001

32、450420950500.4teft1z0d0z2d252801232m4268m42其符號所代表的意義如下圖29所示：圖29 稀油潤滑筒式軸承2.5.10 控制環(huán)控制環(huán)是傳遞接力器作用力，并通過傳動機構轉動導葉的環(huán)形部件，在本次設計中采用zg30鑄造，由于該件尺寸太大，可采用分瓣鑄造的結構。其結構尺寸見下表22：表22 控制環(huán)尺寸參數(shù)符號數(shù)值（mm）參數(shù)符號數(shù)值（mm）dcz0dy5600245750rs1835其符號所代表的意義如下圖30所示：圖30 控制環(huán)表23 大耳環(huán)處尺寸參數(shù)符號數(shù)值（mm）參數(shù)符號數(shù)值（mm）d1d2d3190185380h1h270220其符號所代表的意義如下圖3

33、1所示：圖31 大耳環(huán)處尺寸表24 小耳環(huán)處的尺寸：參數(shù)符號數(shù)值（mm）d2h1r110d100110其符號所代表的意義如下圖32所示圖32 小耳環(huán)2.6 葉片操作系統(tǒng)葉片操作系統(tǒng)的結構型式有很多種，它們隨著接力器的布置方式的不同而不同，比較常用的有三種。一種是帶操作架傳動的直連桿機構；一種是不帶操作架的直連桿機構；還有一種是帶操作架的斜連桿機構。這三種結構型式各有特點。2.6.1帶操作架的直連桿機構這種結構一般用在葉片數(shù)為46的中小型機組中，其結構特點如下：（1）葉片轉角在中間位置時，轉臂水平，連桿垂直，動作中操作架圓周分力較小。（2）轉臂與葉片用圓柱銷傳遞轉矩，徑向位置由卡環(huán)定位，轉臂下部

34、開口，用螺釘夾緊，便于裝拆和緊固卡環(huán)。（3）連桿采用二塊夾板，連桿銷受力均勻。（4）操作架上帶有耳柄，便于裝配中調整，耳柄與操作架配合端面有限位銷，防止耳柄固定時與夾板產(chǎn)生偏卡。（5）操作架多數(shù)采用“工”字形或單層壁加筋結構。這種結構的運動簡圖如下圖33：圖33 運動簡圖2.6.2不帶操作架的直連桿機構這種結構一般用在葉片數(shù)為45的大型機組，它的結構比帶操作架的機構緊湊，重量輕，但轉輪體加工工序比較復雜，周期長。其結構特點如下：（1）取消操作架，連桿和轉臂由接力器活塞直接帶動。（2）活塞上下運動由裝在活塞上的套筒和裝在轉輪體的銅套引導。（3）采用耳柄式的整體連桿。 這種結構的運動簡圖見槳葉操作

35、系統(tǒng)原理圖。本次設計中采用的槳葉操作系統(tǒng)正是這種結構，因為設計的對象是有5個葉片的大型機組，且采用這種結構可以減少維修的工作量和轉輪體的重量，符合現(xiàn)代轉槳式轉輪的發(fā)展要求。2.6.3帶操作架的斜連桿機構 這種結構多采用于葉片數(shù)較多的轉輪中，其結構特點如下：（1）葉片轉角在中間位置時，轉臂與連桿都有較大的傾斜角，運動中操作架受較大的圓周分力。限制操作架的導向鍵的數(shù)量和接觸面積都比直連桿多。（2）轉臂有效臂長增加，接力器直徑可縮小，行程增大。（3）耳柄與操作架在固定螺帽處有卡板限位。這種結構的運動簡圖如下圖34：圖34 運動簡圖在轉槳式轉輪設計應力求減少輪轂比，即縮小轉輪體的相對尺寸，同時減少轉輪

36、的重量。本次設計對葉片操作系統(tǒng)的選擇已力求滿足上述要求。第3章 導水機構運動系統(tǒng)的設計3.1 導葉開度根據(jù)水輪機的型號、轉輪直徑，確定最大可能開度所要求的接力器行程，從而確定傳動系統(tǒng)的參數(shù)。 原始資料： 水輪機型號：zz(f23)lh700 轉輪直徑：7000mm 設計水頭：23m 設計流量：369.6m3/s 額定轉速： =88.2r/min所以額定工況時的單位轉速和單位流量分別為：根據(jù)查zzf23lh7000的模型綜合特性曲線得模型得最大開度： 因為： 所以換算成真機的最大開口值為：真機的最大可能開度為：取設計水頭下的單位轉速與最優(yōu)效率點對應的開口值為最優(yōu)開口，根據(jù)設計水頭下的單位轉速查模

37、型特性曲線得： 所以真機得最優(yōu)開口為： 3.2 導水機構傳動系統(tǒng)的設計3.2.1 導水機構的裝配尺寸：圖35導水機構上圖所示導水機構的裝配尺寸大小如下表25所示： 表25 導水機構的裝配尺寸參數(shù)符號數(shù)值（mm）參數(shù)符號數(shù)值（mm）d0z0dc81002442o5600lhlplcdy103347072757503.2.2導水機構的配合公差與間隙：（1）導水機構的配合公差參見導水機構裝配圖。（2）配合間隙：導葉立面間隙。立面不裝密封橡皮條時，一般間隙為零，由于本機組是大型機組，因此允許在導葉高度約14的范圍內(nèi)有不大于0.15毫米的局部間隙。導葉與頂蓋及底環(huán)配合面的端面間隙。根據(jù)水輪機的轉輪直徑與

38、使用水頭查表得導葉的端面間隙為0.61.2mm，該間隙值是指上下端面間隙相等的單邊間隙值，具體設計選用時，即要考慮頂蓋剛度對導葉端面間隙的影響，還應考慮導葉在水壓力作用下可能向上浮起，使間隙減少。局部間隙值。環(huán)形部件的合縫面應貼合，對于本機組來說，一般局部間隙不應大于0.15mm，間隙深度不應大于測量方向的13，長度不超過合縫面總長的20。3.2.3導水機構的傳動部分。由于叉頭傳動機構的受力情況良好，適用于大、中型機組，所以在本次設計中采用了叉頭傳動機構。叉頭傳動機構主要由導葉臂、連接板、叉頭、叉頭銷、連接螺桿、螺帽、分半鍵、剪斷銷、軸套、端蓋和補償環(huán)等組成。叉頭傳動機構的各個部件的尺寸主要根

39、據(jù)接力器直徑選定。先根據(jù)第二章計算得出的接力器直徑選得的叉頭傳動機構的裝配尺寸如下表26所示。表26 叉頭傳動機構裝配尺寸參數(shù)符號數(shù)值（mm）參數(shù)符號數(shù)值（mm）dcz0d1dn75024m804100d/dcdcnd2hh180d4/dc4110d3/jd80100然后根據(jù)叉頭傳動機構裝配尺寸查出傳動機構的各個零件尺寸。叉頭傳動機構結構圖與尺寸如下：（1）導葉臂結構圖如下圖：圖36導葉臂其符號所代表的尺寸大小如下表27： 表27 導葉臂尺寸 參數(shù)符號數(shù)值（mm）參數(shù)符號數(shù)值（mm）dbdcd1d2d3d4d2dmd3d4230210d310d34031034026060dm2432hl1h1

40、h3ekr1f1t270-0.5225254560103020.3表28 導葉臂銷孔尺寸參數(shù)符號數(shù)值（mm）參數(shù)符號數(shù)值（mm）dcnrb80d110300c1hh1280100 （2）連接板的結構如下：圖37 連接板表29 連接板的結構尺寸參數(shù)符號數(shù)值（mm）參數(shù)符號數(shù)值（mm）d1r1kdcnd2d1d2310d1900.0380d4110d3150m24r2hh1ll1=l2c9080100301201.5 （3）叉頭的結構如下圖：圖38 叉頭叉頭尺寸如下表30： 表30 叉頭尺寸參數(shù)符號數(shù)值（mm）參數(shù)符號數(shù)值（mm）d1d2d3d4hhh1m804100d95d1452103040l

41、l1rrr1c1s215135902010232（4）連接螺桿的結構見下圖：圖39 連接螺桿連接螺桿的尺寸大小如下表31： 表31 連接螺桿的尺寸參數(shù)符號數(shù)值（mm）參數(shù)符號數(shù)值（mm）d1d2d3slm804907480190bb1rc30823（5）軸套的結構見下圖：圖40 軸套其尺寸大小如下表32所示： 表32 軸套尺寸參數(shù)符號數(shù)值（mm）參數(shù)符號數(shù)值（mm）dnd2d1100d110jd115hh1c110103（6）分半鍵的結構見下圖：圖41 分半鍵上述分半鍵的型式是水輪機設計手冊推薦使用的b型式的分半鍵，其結構尺寸大小如下表33：表33 分半鍵尺寸參數(shù)符號數(shù)值（mm）參數(shù)符號數(shù)值（

42、mm）dcdmlbl1l2h210602255828523010bkcb1h2h3h427.751.532.9254010（7）剪斷銷的結構如下：圖42剪斷銷剪斷銷的尺寸如下表34： 表34 剪斷銷的尺寸 參數(shù)符號數(shù)值（mm）參數(shù)符號數(shù)值（mm）dcndd2d3d4bb180dc43079908065rh1h2hll1.56.5158076175（8）叉頭銷的結構如下圖所示：圖43 叉頭銷叉頭銷的尺寸大小如下表35： 表35 叉頭銷的尺寸參數(shù)符號數(shù)值（mm）參數(shù)符號數(shù)值（mm）dndd1d2d3hh1h100dc100gb95gb999112846214h2dbrcd0r12884.52442

43、（9）端蓋的結構如下圖所示：圖44 端蓋端蓋的尺寸大小如下表36： 表36 端蓋的尺寸參數(shù)符號數(shù)值（mm）參數(shù)符號數(shù)值（mm）dbd1d2d3d4d5h230370212905226048h1r123d638105m362664130（10）補償環(huán)的結構見下圖：圖45 補償環(huán)補償環(huán)的尺寸大小如下表37：表37 補償環(huán)的尺寸參數(shù)符號數(shù)值（mm）dd1h1101256第4章 強度校核4.1 主軸的強度校核4.1.1 基本參數(shù)的意義：主軸傳遞的最大功率： (千瓦）水輪機的正常轉速： (轉分)水輪機的飛逸轉速： (轉分）軸向水推力： (公斤）轉輪重量： (公斤) 軸自重： (公斤)總軸向力： (公斤)

44、軸身外徑： (厘米)軸身內(nèi)徑： (厘米)軸法蘭直徑： (厘米)聯(lián)軸螺釘分布圓直徑： (厘米)法蘭厚度： (厘米)聯(lián)軸螺釘數(shù)： (厘米)4.1.2 軸身應力計算：此次設計的主軸材質為zg20mnsi，查水輪機設計手冊可得該軸身的許用應力：500（公斤厘米2），np=1000（公斤厘米2）。主軸傳遞的扭矩：（公斤厘米）水輪機的軸向水推力為：軸身抗扭斷面模數(shù)：扭應力：轉槳式水輪機轉輪總量的估算：主軸總量：取則水輪機總的軸向力：即軸身斷面面積：軸身應力扭應力：由軸向力引起的軸身拉應力為：則軸的相當應力為：故主軸的軸身的應力滿足設計要求，其外徑為1.2米，內(nèi)徑為0.8米。4.1.3 薄壁軸法蘭與軸身聯(lián)接處應力的計算：圖46主軸法蘭（1）計算法蘭實際預緊系數(shù)按聯(lián)軸螺釘預緊應力為1200公斤/厘米2求法蘭實際預緊系數(shù)式中 f0聯(lián)軸螺釘螺紋最弱斷面面積 聯(lián)軸螺釘最弱斷面直徑（厘米）因為，且，,，所以得到：（2）計算法蘭聯(lián)接接觸面寬度 大的預緊系數(shù)對應大的法蘭接觸寬度x，采用試算法確定法蘭聯(lián)接接觸面寬度x，使與x對應的法