1、 畢業(yè)設計（ 論文）題 目 仙游電站水泵水輪機 結構設計 專 業(yè) 熱能與動力工程 班 級 動 093 班 學 生 * 指導教師 * 教授 2013 年 仙游蓄能電站水泵水輪機結構設計摘 要抽水蓄能電站在電網中擔任填谷調峰的關鍵作用，對提高電網供電質量和電網靈活性有著十分重要的意義。安裝在抽水蓄能電站的水泵水輪機，需要根據(jù)電網的調度在水輪機和水泵兩種工況間轉換運行，以此完成調頻調峰等重要任務。由于水頭高、轉速高、容量大、運行工況復雜、起停頻繁等特點，因而決定了水泵水輪機在結構上表現(xiàn)出獨有的特征.仙游蓄能水電廠從電站規(guī)模、機組容量與高水頭水泵水輪機等方面而言，都是極具代表性的抽水蓄能電站。本次畢業(yè)

2、設計就是以該電站為對象，通過查閱相關資料與水輪機設計手冊，輔助以 CAD 繪圖工具，對其混流式水泵水輪機結構進行設計，繪制了總裝配圖，導水機構裝配圖，導葉布置圖，主軸零件圖。關鍵詞關鍵詞：仙游蓄能電站, 水泵水輪機, 結構設計,CAD 3 / 47The Structural Design of Pump-turbine inFujian Xianyou Pumped Storage Power stationAbstract Pumped storage power stationplays a pivotal role in peka-clipping of power grid，bein

3、g significant to improve the quality of power supply and the flexibility of power network.Pump-turbine，which is specially applied to pumped storage power station，transfers between turbine and pump according to the manage of power grid to fulfil the vital task of peak regulation and frequency adjustm

4、ent. It also shows unique features instructure due to the characteristics of high water head, high speed, large capacity, complex operation condition and frequent start-stop. Fujian Xianyou pumped storage power station is extremely typical when it comes to the scale，unit capacity,or the high-head pu

5、mp-turbine.The graduation project takes Guangzhou pumped storage power station as the object,aiming at completing the structural design of Francis pump-turbine in this power station by refering to related data,the design hand book of hydraulic turbine and Computer Aided Design CAD.The overall assemb

6、ly, the distributor assembly, as well as some of the major parts are well designed.KEY WORDS: :Fujian Xianyou pumped storage power station, pump-turbine, structural design, CAD 目錄1前言 11.1 概述 11.2 設計容 21.3 原始資料 22.水泵水輪機總體結構設計 32.1 繪制軸面流道圖 32.2 轉輪部分 32.2.1 轉輪結構 32.2.2 轉輪連接 42.2.3 轉輪止漏裝置 52.2.4 泄水錐 52.

7、2.5 轉輪減壓裝置 53.主軸與其附屬結構部分 .63.1.1 主軸直徑計算 63.1.2 主軸結構設計 73.1.3 水導軸承 93.1.4 主軸密封 103.1.5 檢修密封 123.2 座環(huán) 143.3 頂蓋 153.4 底環(huán) 163.5 基礎環(huán) 173.6 蝸殼 173.7 接力器 183.8 真空破壞閥 18 5 / 474.導水機構 .194.1 活動導葉翼型 204.2 導葉開度的確定 214.3 導葉結構、尺寸和軸頸選擇 214.4 導葉的密封結構 234.5 導葉套筒 234.6 導葉止推裝置 244.7 導葉軸頸密封 254.8 導葉軸套 .265.導葉傳動機構與零部件

8、.285.1 導葉臂 295.2 連接板.305.3 叉頭 315.4 連接螺桿.325.5 端蓋 325.6 分半鍵 335.7 剪斷銷 345.8 叉頭銷 355.9 叉頭銷軸套 36 5.10 控制環(huán) 376.總結 .38參考文獻 40 1 / 471前 言1.11.1 概述概述隨著社會經濟的快速發(fā)展,我國能源消耗不斷增大,環(huán)境污染不斷加劇,轉變能源結構、促進電力系統(tǒng)節(jié)能減排已成為全社會共同關注的焦點。經濟發(fā)展對電力的需求逐步加大，為滿足電力供需關系，各種新能源和核電開始投網運行，這致使電力系統(tǒng)日負荷峰谷差越來越大。抽水蓄能電站作為目前解決盈余電能儲存問題的最有效方式，其調峰填谷、調頻調

9、相、旋轉備用的作用日益突出，對于提高電網穩(wěn)定性和供電質量意義重大。目前，世界抽水蓄能技術正在不斷超高水頭、大容量方向發(fā)展，我國蓄能電站技術雖起步較晚，但至今也取得了較快的進步，在諸多核心技術上實現(xiàn)了重大突破，正在逐步實現(xiàn)國產化進程。水泵水輪機作為蓄能電站的核心設備，其機構設計的合理性直接影響到運行效率、運行穩(wěn)定性等諸多方面，因此合理的結構設計是保障電站經濟運行的首要前提。仙游蓄能電站作為我國大型抽水蓄能電站的代表之一，對國整個抽水蓄能技術的發(fā)展起到了極大的借鑒和推動作用。本次畢業(yè)設計通過查閱各種參考文獻和水輪機設計手冊，在掌握常規(guī)水輪機機組結構的前提下，學習水泵水輪機的結構特點。并以仙游抽水蓄

10、能電站為對象，參考一樣水頭段其他蓄能電站機組結構特點，完成對該電站水泵水輪機的結構設計。既可以將平時的專業(yè)理論知識進行系統(tǒng)的實踐練習，又能通過各種中外文文獻的學習，了解專業(yè)領域最新的研究方向。更重要的是在完成畢業(yè)設計的過程中，能發(fā)現(xiàn)自己平時學習和認識上的疏漏點，與時的進行完善和彌補。通過本次畢業(yè)設計，進一步提高自己的動手和創(chuàng)新能力，深入了解常規(guī)水輪機與水泵水輪機的結構，拓寬視野，為自己即將到來的研究生學習奠定良好的基礎。CAD 制圖技術是本次畢業(yè)設計中使用到的重要工具，既確保了繪圖計算的準確性，也使得整個設計與修改過程更加快捷方便，讓我們對軟件使用的熟練程度和使用技巧也得到很大的提高。 1.2

11、1.2 設計容設計容（一）根據(jù)給定的仙游蓄能電站基本資料進行水輪機總體結構設計 1.根據(jù)給定的水輪機型號和轉輪直徑等基本參數(shù)，確定水輪機的主要特征尺寸，對水輪機主要部件進行結構設計； 2.根據(jù)機組型式和電站基本條件設計主軸密封和水導軸承； 3.繪制水輪機總裝配圖與主要部件組裝圖或零件圖。 （二）導水機構傳動系統(tǒng)設計 1.根據(jù)機組的型式進行導水機構傳動系統(tǒng)設計； 2.繪制導水機構裝配圖與導葉布置圖； 1.31.3 原始資料原始資料本次畢業(yè)設計的基本參數(shù)如下：單機容量：300MW擬用水輪機型號：HLX-LJ-410額定轉速：428.6r/min水輪機設計流量：79.16 m3/s水泵流量：最大 6

12、8.05 m3/s最小 54.63 m3/s吸出高度：-65m安裝高程：205m2.水泵水輪機總體結構設計2.1 繪制軸面流道圖可逆式水泵水輪機的轉輪要適應兩種工況的要求，故其流道的特征形狀與離心泵更為相似。高水頭水泵水輪機的軸面流道十分扁平，進口直徑D1 與出口直徑 D2 的比率一般為 2：1 或更大，相對導葉高度 b0 不超過 10%。本設計查閱仙游抽水蓄能電站相關資料，擬用轉輪型號 HLX-LJ-410，其流道尺寸符號與數(shù)值分別如圖 2-1、表 2-1 所示。 3 / 47圖 2-1 HLX-LJ-415.8 流道圖表 2-1 流道尺寸參數(shù)符號數(shù)值（mm）參數(shù)符號數(shù)值（mm）D04743

13、R13636D14158R2995D21810R360Dk1175h11664bo400.8h210752.22.2 轉輪部分轉輪部分2.2.1 轉輪結構 轉輪是水輪機中直接將水能轉換為機械能的部件，由于不受運輸條件的限制(3886mm)，所以轉輪采用整體鑄造，轉輪由上冠、下環(huán)、7 個葉片和泄水錐等組成，材料為 Z5CN1704M。圖 2-2 為轉輪結構，尺寸如表 2-2所示:表 2-2-1 轉輪尺寸2.2.2 轉輪連接 混流式轉輪與主軸常用的連接方式有兩種：連軸螺釘連接和鍵傳遞扭矩連接。后者在小型機組中應用較廣，但由于本設計為大型機組，故采用法蘭螺釘連接的方式，轉輪重量由發(fā)電機推力軸承承擔，

14、轉輪法蘭尺寸符號與數(shù)值如圖 2-3、表 2-2-2 所示。參數(shù)符號數(shù)值（mm）參數(shù)符號數(shù)值（mm）Da3618H1792Db1060L1240Dc1866100bo400.8圖 2-2-1 轉輪結構 5 / 47表 2-2-2 轉輪法蘭尺寸2.2.3 轉輪止漏裝置止漏裝置的作用是減少機組的容積損失，常用的形式有縫隙式、迷宮式和梳齒式三種，材料選用碳素鋼、不銹鋼或其他抗磨鋼板。本設計中由于水頭大于 200m，故采用梳齒式止漏環(huán)，機械裝配點焊與轉輪固定，根據(jù)水輪機設計手冊表 10-11，由轉輪直徑查選梳齒密封間隙為 1.5mm.2.2.4 泄水錐泄水錐形式參照典型結構，與上冠的連接方式采用 16

15、個布置在連軸螺釘側的 M60 螺釘把合，為避免運行中脫落，另與上冠點焊加強，材料為Z5CN1704M。2.2.5 轉輪減壓裝置仙游抽水蓄能電站屬于 500 米水頭段的高水頭電站，因此在上冠處設置減壓裝置，對于減小機組軸向水推力非常關鍵。常見的轉輪減壓結構有兩種：一是減壓板和泄水孔方式，另有頂蓋排水管和泄水孔方式。本次選參數(shù)符號數(shù)值（mm）參數(shù)符號數(shù)值（mm）Dm1030h96Dn1350163 D8502M100h130圖 2-3 轉輪連接法蘭 用第一種減壓裝置，減壓板與頂蓋的間隙值為 30mm 以保證抬機需要。泄水孔開向為順水流傾斜 25，為了減小過流面的空蝕和磨損，設計自泄水孔流出的水經泄

16、水錐腔排入尾水管。 7 / 473.主軸與其附屬結構部分3.1.1 主軸直徑計算主軸的外徑尺寸可以根據(jù)機組的扭力矩初選，扭力矩按以下公式計算：厘米）（公斤nNM97400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：N=300MW=30 萬 KW n=428.6r/min所以， )(1018.866 .42810309740074厘米公斤M根據(jù)水輪機設計手冊上 319 頁圖 12-12 扭力矩與主軸外徑的關系曲線查得 D=1100（mm） ，根據(jù)薄壁軸的標準外徑系列，取標準植D=1100（mm）當主軸直徑600mm 時，選用薄壁軸，主軸孔直徑按水輪機設計手冊320

17、頁上的公式 122 計算：4max4496102nNDDd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 ASTM A668 CLE，其中 max=700（公斤/厘米）所以根據(jù)主軸孔直徑公式計算得：=979.0 mm)(97.907006 .42811010300496102434厘米Dd但為了保證主軸有足夠的剛強度，可將主軸徑按標準直徑系列取為600mm 。 3.1.2 主軸結構設計水輪機主軸是水輪發(fā)電機組中關鍵部件，特別是大型的抽水蓄能機組，其雙向運行性更是對主軸材料的性能提出了更高的要求，既要保證高的強度和韌性，

18、同時還要考慮焊接對材料碳當量的要求，以前國水輪機主軸常選用的 20SiMn 或 18MnMoNb 等材料，其性能已經逐漸不能滿足工作要求。在本次畢業(yè)設計中，主軸材料選用力學性能更加優(yōu)良的 A668CIE 鍛鋼整體中空結構，主要由上、下法蘭與軸身三部分組成，上端與發(fā)電機端的中間軸用螺栓聯(lián)接，下端與轉輪上冠法蘭用螺釘聯(lián)接。其作用是承受水輪機轉動部分的重量與軸向水推力所產生的拉力，同時傳遞轉輪產生的扭矩。主軸直徑 1100mm，故采用薄壁軸標準，查水輪機設計手冊第 312 頁的表 12-3 得軸的尺寸如圖 3-1、表 3-1，主軸長度根據(jù)電站安裝要求決定。 表 3-1-2 主軸尺寸參數(shù)符號數(shù)值（mm

19、）參數(shù)符號數(shù)值（mm）參數(shù)符號數(shù)值（mm）D1100d2173Da1030D1660h225da60Db1425h1260D0600Dp1120L50D21560D21650l175f2D31200l212Z20d1000S275C16d1000S1340C120db115a30C24d1118m2 9 / 47圖 3-1-2 主軸結構 3.1.3 水導軸承水導軸承的作用，一是承受機組在各種工況下運行時通過主軸傳過來的徑向力，二是維持已調好的軸線位置。按潤滑劑不同，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

20、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。干油潤滑軸承國運用不多。查水輪機設計手冊345 頁，對不同軸承的使用條件與優(yōu)缺點進行比較，同時考慮各個軸承對水質條件的要求，對所設計的水泵水輪機中，選用油外循環(huán)冷卻方式的筒式自潤滑水導軸承，主要由軸瓦、支座、旋轉油箱與箱蓋等組成。油循環(huán)的動力是靠油隨油箱旋轉產生的慣性以與軸瓦進油口的特殊結構提供的。另外，由于水泵水輪機雙向運行，故其水導軸承油冷卻循環(huán)路徑作為水輪機工況和水泵工況是不同的。考慮到不同工況啟動時機組轉速上升的速度差別較大，為確保軸瓦安全，水輪機工況時，油是先冷卻后潤滑瓦面，再回到

21、油箱里的，水泵工況，油是先潤滑瓦面，然后再循環(huán)至冷卻器進行冷卻，再回到油箱的。結構如下圖 3-1-3：其中相對應的尺寸如下表:圖 3-1-3 水導軸承結構 11 / 47表 3-1-3 水導軸承尺寸參數(shù)符號數(shù)值（mm）參數(shù)符號數(shù)值（mm）DP1120L700Da1750H900Db1800h400Dd1350b50（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 的圍，一些試驗資料表明軸承的摩擦系數(shù)在上述圍數(shù)值最小。所以軸瓦高度L=（5001000）毫米，參照水輪機設計手冊中的366 頁表1314 最終取L700mm。（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

22、影響。目前設計中采用的油槽升角一般為5070，實踐表明上油效果很好。在體外冷卻的方式中，采用50，所以本次設計中取50。（3）軸承間隙：軸承總的平均間隙一般可參照下面的經驗公式決定：)(10002 . 015. 0毫米PD式中 DP主軸直徑（毫米）37. 0100011202 . 015. 0實踐表明，水輪機軸承間隙適當放大對減少軸承磨損、降低軸承溫度有利，而對機組的運行穩(wěn)定性無明顯影響。（4）冷卻方式：稀油潤滑筒式軸承一般都裝有冷卻裝置，本水輪機軸承選擇體外冷卻的方式。這種冷卻方式目前采用較多，這種結構常由冷卻器、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

23、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過冷卻器后再經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。3.1.4 主軸密封 主軸密封緊靠水輪機主軸下法蘭端面，在水導軸承下方由頂蓋支撐，其作用是有效地阻擋水流從主軸與頂蓋之間的間隙上溢，防止水導軸承與頂蓋被淹，維持軸承和機組的安全運行。目前水泵水輪機主軸密封常用的典型形式有 3 種，即平衡式流體靜壓徑向雙端面機械密封、非平壓自調整軸向式分瓣機械型平面密封和彈簧復位式浮動型雙端面機械密封。仙游蓄能水電廠抽水蓄能機組具有

24、水頭高、轉速高、容量大、運行工況復雜、起停頻繁等特點，因而決定了封堵其水泵水輪機轉動部分和固定部分間隙漏水的主軸密封的高性能。為了適應電站較大吸出高度和較大密封表面線速度的功能，密封形式采用非平壓自調整軸向式分瓣機械型平面密封。密封結構如圖 3-1-4：彈簧復位式浮動型雙端面機械密封工作原理：密封供水經減壓并過濾處理后進入操作腔;在正常運行時,將不銹鋼移動環(huán)壓貼在旋轉抗磨環(huán)上; 密封腔潤滑水來自尾水。當操作腔和密封腔的壓力達到平衡時,在不銹鋼移動環(huán)和旋轉抗磨環(huán)之間形成一層良好的潤滑水膜, 使不銹鋼移動環(huán)與旋轉抗磨環(huán)不發(fā)生干摩擦或過度摩擦,從而減少磨損量,并帶走摩擦產生的熱量。圖 3-1-4 非

25、平衡水壓自調整軸向式分瓣機械型平面密封 13 / 473.1.5 檢修密封主軸的密封除了正常運行中的工作密封外，還有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、機械操作式或抬封等多種。在本次設計中采用的是空氣圍帶式密封，它適用于采用稀油軸承的結構，檢修時所需的操作地位較小。在機組停機檢修或主軸密封損壞時，打開檢修密封操作閥，將壓縮空氣充入空氣圍帶使其抱緊法蘭軸面從而防止水淹水車室，在機組正常運行時或機組尚未完全停止時，不得投入檢修密封。采用的壓縮空氣壓力是 47 公斤，其所采用的圍帶的剖面尺寸見下圖。3.2 座環(huán)圖 3-2 座環(huán)結構

26、圖 3-1-5 檢修密封尺寸 座環(huán)的作用，是承受整個機組與其上部混凝土的重量以與水泵水輪機的軸向水推力，以最小的水力損失將水流引入導水機構。機組安裝時以它為基準，所以，座環(huán)既是承重件，又是過流件，又是基準件。因此，在設計和制造時，必須保證它具有足夠的強度、剛度和良好的水力性能。根據(jù)轉輪直徑（1000mm）從水輪機設計手冊104 頁表 6-14 選出座環(huán)基本尺寸，再根據(jù)實際情況稍作改動，設計如下圖 3-2，表 2-6 所示：表 3-2 水輪機座環(huán)尺寸參數(shù)符號數(shù)值（mm）參數(shù)符號數(shù)值（mm）Db5440H1=b0+10-25410Da6572H1375k851105R1252135(座環(huán)邊的延伸角

27、度根據(jù)蝸殼的具體尺寸而定) 作為焊接件的座環(huán)，除了符合相應的焊接規(guī)程保證其焊接質量外，主要加工面的光潔度和公差也要達到精度要求，此外，對制造質量還提出如下要求：1) 考慮到其強度要求，鋼板厚度選取為 100mm，固定頂蓋連接螺釘處，鋼板厚度為 130mm。2）所有過流表面打磨光滑至表面光潔度為 3.2，其余表面為 12.5；3）固定導葉進口端節(jié)距誤差不超過 0.0015Da，頂蓋與底環(huán)把合面平行度誤差不超過 0.025 毫米/米；4）座環(huán)分兩瓣，分瓣結構的合縫面光潔度為 6.3，合縫面間隙一般不超過 0.05 毫米。5)合縫面局部允許有 0.150.3 毫米凹陷部分（深度小于接合縫的1/3，長

28、度不超過接合縫總長的 1/5） ，但不允許有突起。3.3 頂蓋 15 / 47頂蓋是水輪機的主要部件之一，需要有足夠的強度和剛度，因此多數(shù)設計成箱型結構，并考慮檢修而留有一定的空間位置。其主要作用有：1）形成流道并承受相應的流體壓力；2)固定和支撐活動導葉與其連桿機構；3)支撐水導軸承；4)支撐并組成機組的密封，包括主軸密封、檢修密封、上迷宮環(huán)等此次結構設計中，頂蓋采用 E28-4 焊接而成，鋼板厚度為 80mm,由于高水頭水泵水輪機導葉軸較長，導致頂蓋高度也增高，因此頂蓋外緣法蘭設計為雙層形式。頂蓋最大直徑處已達 5m,受運輸條件限制，頂蓋采用兩瓣組合，為防止水流或泥沙的沖刷，在頂蓋的過流面

29、鋪設抗磨板，并且頂蓋在制造時要求套筒孔與底環(huán)同心。頂蓋結構如圖 3-3：圖 3-3 頂蓋結構3.4 底環(huán)底環(huán)是水輪機主要環(huán)形部件之一，位于導葉下方，安裝在座環(huán)的下環(huán)上，它用來安裝導葉下軸承與支持導葉的下軸頸。底環(huán)也是形成流道的組成部件之一，由于受到運輸條件的限制，底環(huán)分兩瓣制造。對底環(huán)的重點要，導葉的下軸承孔與頂蓋導葉套筒同心，剛度應力達到要求。結構見圖 3-4 圖 3-4 底環(huán)結構底環(huán)主要尺寸如下：外徑4958mm徑 3896mm高度 1498mm材料 E28-43.5 基礎環(huán)基礎環(huán)是混流式水輪機座環(huán)與尾水管進口椎管短段相連接的基礎部件，埋設于混泥土，轉輪的下環(huán)在其轉動。本設計中，基礎環(huán)采用

30、鋼板焊接形式，與尾水管進口錐管段螺栓把合連接。基礎環(huán)與轉輪下環(huán)間有一定間隙作為安裝中放置斜楔、調整轉輪水平用。結構如圖 3-5.圖 3-5 基礎環(huán) 17 / 473.6 蝸殼蝸殼是水輪機引水部件，安裝在座環(huán)與球閥之間，在機組作水輪機運行時，蝸殼在座環(huán)圓周方向提供均勻的流速不變的壓力水流進入轉輪。在機組作為水泵抽水時，蝸殼收集轉輪所泵出的水流并將水流的動能轉換成壓能輸入引水鋼管。做為常規(guī)水輪機來說，只要結構條件和經濟條件允許，希望截面越大越好。而常規(guī)泵則希望蝸殼斷面擴散程度必須適當。兩種工況下蝸殼的特性存在著一些相互矛盾的因素，要讓同一蝸殼實現(xiàn)兩種工況的最優(yōu)化，設計時必須兼顧兩方面的技術要求。從

31、結構尺寸看，水泵水機的蝸殼接近常規(guī)水泵的蝸殼，但水泵水輪機有活動導葉可以調節(jié)水流而保持高效運行，這一點普通水泵是無法做到的。仙游電廠為 400m 段高水頭水泵水輪機,蝸殼采用金屬蝸殼，材料為E500TR.蝸殼裝有進人門以便于蝸殼、座環(huán)、導葉和轉輪的檢查，還設有相應的管道和測孔。3.7 接力器本次畢業(yè)設計所選轉輪直徑為 4.1 米，屬于大型機組，故本次畢業(yè)設計采用單導管直缸接力器，其將布置在水輪機機墩，操作油壓采用 pH=25公斤/厘米。接力器直徑HcPDbHDd10max1/式中：轉輪直徑1D最高水頭maxH導葉相對高度10/ Db調速系統(tǒng)的額定油壓HP 計算系數(shù)從水輪機設計手冊中的表查得 =

32、0.151，=40 公斤/厘米，HP取 535m，b0/D1 =0.094maxH m704. 040094. 0535158. 4151. 0cd根據(jù)接力器直徑系列取 dc=700(mm)3.8 真空破壞閥導葉突然關閉時，尾水管的水流由于慣性將繼續(xù)流動，此時轉輪室會產生真空，由于壓強差，尾水管的水流會回流到轉輪室，由于水流慣性很大，通常會產生抬機現(xiàn)象，影響機組穩(wěn)定運行，嚴重時會將機組整個抬起，水流灌入廠房造成嚴重事故。所以需要在這種情況下進行補氣，消除轉輪室真空。針對這種情況采用頂蓋加真空破壞閥的方法。 19 / 474.導水機構水輪機導水機構的作用，主要是形成和改變進入轉輪水流的環(huán)量，保證

33、水輪機具有良好的水力特性，調節(jié)流量，以改變機組出力，正常與事故停機時，封住水流，停止機組轉動。大中型導水機構，按其導葉軸線布置位置可以分為圓柱式、圓錐式、徑向式三種形式。其中，圓柱式導水機構導葉軸線布置在圓柱面，這種導水機構制造方便，保證水輪機有足夠的效率，因而應用廣泛，故本次設計選用該形式的導水機構。導水機構裝配尺寸根據(jù)轉輪直徑 D1=4158mm 查閱水輪機設計手冊中 133 頁表 8-1，差值法得參數(shù)如下表 4-1：表 4-1 導水機構裝配尺寸參數(shù)符號數(shù)值（mm）參數(shù)符號數(shù)值（mm）D14158LH555D04743lp261Z020lc45042Dy3450Dc33004.1 活動導葉

34、翼型圖2-12 負曲率導葉翼型 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、負曲率）兩種標準葉形。由于負曲率導葉一般使用于高水頭低比轉速水輪機中，故本設計中采用負曲率葉形。由水輪機設計手冊中141 頁表8-7查得正曲率導葉葉形的斷面參數(shù)，再將正曲率翼型沿中心線鏡像得到負曲率翼型，尺寸如圖2-12：表2-8 導葉翼型參數(shù)參數(shù)符號數(shù)值(mm)參數(shù)符號數(shù)值(mm)D13886k7.67D04425r51.34Z020R159.58a24.37a193.77b42.68b196.24c58.14c195.25d65.69d187.71e70.41e179.05m63.59m151.21d

35、0137.18L760.825L1397.1f40.2L2363.694.2 導葉開度的確定查閱電站相關資料，已知從導葉關閉位置到全開位置對應的導葉轉角為026.6，如下圖2-12所示，作圖計算最大導葉轉角對應的開度值amax,在從0開度值到amax之間取35組開度值，作圖計算每個開度值對應的導葉轉角，得到的導葉布置情況如表4-2： 21 / 47圖4-2 導葉布置表4-2 導葉布置08152426.61.05amaxa0045.9293.66141.4191.2200.84.3 導葉結構、尺寸和軸頸選擇導葉的結構與導葉套筒、軸套、密封等形式有關，常用的帶有套筒中軸頸采用“L”形密封,下軸頸采

36、用”O(jiān)”形密封的導葉結構,高水頭水泵水輪機導葉寬短，導葉軸細長，導葉軸頸可按轉輪直徑 D1，使用水頭H1，導葉的相對高度b0/D1，從水輪機設計手冊中147 頁表8-11 初選軸頸db，選得db=250mm，再根據(jù)db=250mm 從設計手冊中表8-9 查得導葉結構的其它尺寸如下表： 表4-3 導葉參數(shù)參數(shù)符號數(shù)值（mm）參數(shù)符號數(shù)值（mm）db250hb22da230hc415dc210h135d1280h2237.7d2240h3100d3M56R1125d470R2105d5228H 1600b0364 H2206ha22圖4-3 導葉結構尺寸 23 / 474.4 導葉的密封結構 導葉

37、關閉后，導葉體的立面應很好密封，低水頭機組中，常在導葉頭尾搭接面用鴿尾槽嵌入圓橡皮條進行密封。而在中高水頭機組中，常是直接靠金屬接觸面研合封水，本次水泵水輪機的導葉密封，就通過提高導葉密封面的精度來進行剛性密封，無其他附加密封設備。4.5 導葉套筒導葉套筒是固定導葉上中軸套的部件，一般采用鑄鐵鑄造。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很高，所以導葉套筒上還必需設計導葉止推裝置。本次設計中采用的套筒的尺寸大小如圖4-5、表4-5：圖4-5 導葉套筒 表4-5 導葉套筒尺寸參數(shù)符號數(shù)值（mm）參數(shù)符號數(shù)值（mm）db250h140d16

38、60h2230d2390h316d3250h436d4270dnM24d5280d32dm300R10H1270R15h55R2215D5804.6 導葉止推裝置水頭較高的機組中應考慮導葉在水壓作用下的上浮力，在導葉套筒上需要裝設止推裝置，以防止導葉向上抬起，碰撞頂蓋和連桿受力。止推裝置的結構形式很多，采用比較多的是在導葉臂上開槽，利用固定在套筒上法蘭面的止推板，卡在導葉臂槽，使導葉臂和導葉受軸向限位，從而限制了導葉向上浮動。具體止推裝置的結構和尺寸如圖4-6、表4-6：表4-6 止推壓板尺寸參數(shù)符號數(shù)值（mm）參數(shù)符號數(shù)值（mm）d1480d26d2415H78d3375h33d4345b3

39、2 25 / 474.7 導葉軸頸密封導葉中軸頸密封多數(shù)裝在導葉套筒的下端，目前不少機組中已改用“L”型密封，“L”型密封圈與導葉中軸頸之間靠水壓貼緊封水，因此軸套和套筒上開有排水孔，形成壓差。實踐證明，封水性能很好，結構簡單。其尺寸大小如下表4-7-1，參數(shù)含義如圖4-7-1：表4-7-1 中軸頸“L”型密封參數(shù)符號數(shù)值（mm）參數(shù)符號數(shù)值（mm）db250R52D2537h22d230014.5R2224.5圖 4-6 導葉止推壓板 圖4-7-1 導葉中軸頸“L”型密封導葉下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4-7-2表4

40、-7-2 下軸頸“O”型密封參數(shù)符號數(shù)值（mm）db250D210d10圖4-7-2 導葉下軸頸“O”型密封4.8 導葉軸套導葉軸套以前常使用黃干油潤滑的鑄錫青銅，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。聚甲醛和尼龍 1010 適合在水輪機導葉連桿等部位作自潤滑的軸套材料。為了兼顧剛強度要求，本次機構設計中，采用鋼背聚甲醛的符合軸套，導葉軸上、中、下軸套的結構與尺寸依次如下各個對應圖表所示： 27 / 47（1）導葉上軸套結構與參數(shù)圖 4-8-1 上軸套表 4-8-1 上軸套參數(shù)參數(shù)符號數(shù)值（mm）參數(shù)符號數(shù)值（mm）dc230h11

41、5d1230h18d22501d4290(2)導葉中軸套結構與參數(shù) 圖 4-8-2 中軸套表 4-8-2 中軸套參數(shù)參數(shù)符號數(shù)值（mm）參數(shù)符號數(shù)值（mm）db250h250d1250h140d32701d4280(3)導葉下軸套結構與參數(shù)圖 4-8-3 下軸套表 4-8-3 下軸套參數(shù)參數(shù)符號數(shù)值（mm）參數(shù)符號數(shù)值（mm）da210h210d1210k6d22301dm240 29 / 475.導葉傳動機構與零部件常用的導葉傳動機構有叉頭式和耳柄式兩種，前者受力情況較好，適宜于大中型機組上采用。叉頭傳動機構主要由導葉臂、連接板、叉頭、插頭銷、連接螺桿、分半鍵、剪斷銷、軸套、端蓋和補償環(huán)等組

42、成。根據(jù)接力器直徑 dc=700mm，db=250mm，查閱水輪機設計手冊上164 頁的表 8-25、8-26，得到叉頭傳動機構特征尺寸如表 5表 5 導葉傳動機構特征參數(shù)參數(shù)符號數(shù)值（mm）參數(shù)符號數(shù)值（mm）dc700d2100d1M72h70dn90h190dcn70dm605.1 導葉臂 圖5-1 導葉臂與銷孔結構根據(jù)叉頭傳動機構裝配尺寸從水輪機設計手冊上166頁的表8-27、8-28查出導葉臂與其銷孔尺寸如下表5-1-1、5-1-2：表 5-1-1 導葉臂參數(shù)符號數(shù)值（mm）參數(shù)符號數(shù)值（mm）db250H290Dc230L1225D1340e60D2370K10D3340R130D

43、4370f12d2290h350dm60b125 31 / 47d3M24lp261d432其中參數(shù)符號意義對應圖5-1(左):表 5-1-2 銷孔尺寸參數(shù)符號數(shù)值（mm）參數(shù)符號數(shù)值（mm）dcn70C12R105h70B260h190其中參數(shù)符號意義對應圖5-1（右）：5.2 連接板圖 5-2 連接板 根據(jù)叉頭傳動機構裝配尺寸從水輪機設計手冊上 167 頁的表 829 到表 8-30 查出連接板尺寸如下表 5-2、圖 5-2：表 5-2 連接板尺寸參數(shù)參數(shù)符號數(shù)值（mm）參數(shù)符號數(shù)值（mm）D1340R275h70h190R1205lp261Dcn70l1=l2120D2100c11.5d

44、1135Lp+1.7Dcn3805.3 叉頭根據(jù)連接板d1=M72，從水輪機設計手冊上167 頁的表8-31查出叉頭尺寸如下表5-3：表 5-3 叉頭尺寸參數(shù)符號數(shù)值（mm）參數(shù)符號數(shù)值（mm）d1M72X4L190d290DL1120d385DR80d4130r15H180r18h110c12h135S28其中參數(shù)符號意義對應圖5-3： 33 / 47C1d1d4rr1L1d3C145C145d2RSh1Hh圖5-3 叉頭5.4 連接螺桿根據(jù)連接板d1=M72從水輪機設計手冊上168 頁的表8-32查出連接螺桿尺寸如下表5-4：圖5-4 連(設計時確定)ld1b1d2bC45d1（左）d3l

45、LS接螺桿表5-4 連接螺桿尺寸參數(shù)符號數(shù)值（mm）參數(shù)符號數(shù)值（mm）d1M72X4b28d280b18d366r2S70c3l1705.5 端蓋根據(jù)軸頸db=250mm，從水輪機設計手冊上171頁的表8-37查出端蓋 尺寸如下表5-5：表5-5 端蓋尺寸參數(shù)符號數(shù)值（mm）參數(shù)符號數(shù)值（mm）db250h138d1400R115d22321M36d390226d452364d5290d6130h48表5-5中參數(shù)符號意義對應如下圖：圖 5-5 端蓋5.6 分半鍵 35 / 47根據(jù)上軸直徑dc =230mm，查水輪機設計手冊上169 頁的表8-34，選用b型分半鍵，得分半鍵尺寸如下表5-6

46、： 圖 5-6 分半鍵表 5-6 分半鍵尺寸參數(shù)符號數(shù)值（mm）參數(shù)符號數(shù)值（mm）dc230b27.5dm60K5L245c1.5B58b133.1l1305h225l2250h340h10h4105.7 剪斷銷叉頭傳動機構中，導葉臂和連接板上裝有剪斷銷，如果導葉間因異物卡住，有關傳動件的操作力將急劇增大，應力增高的1.5倍時，剪斷銷首先剪斷，保護其他傳動件不受損壞。根據(jù)連接板Dcn=70mm，從水輪機設計手冊上170頁的表8-35查出剪斷銷結構與尺寸如下圖5-7、表5-7： 表 5-7 剪斷銷尺寸參數(shù)符號數(shù)值（mm）參數(shù)符號數(shù)值（mm）Dcn70r1.5d30h15.5d269h213d3

47、75h70d470l66b5L153b14h23hlLdDcnd1d4h1brb160R1倒圓角R0.5圖 5-7 剪斷銷5.8 叉頭銷根據(jù)叉頭傳動機構尺寸中dn=90，從水輪機設計手冊上170頁的表8-36查出剪斷銷機構與尺寸如下圖5-8、表5-8 37 / 47圖 5-8 叉頭銷 表 5-8 叉頭銷尺寸參數(shù)符號數(shù)值（mm）參數(shù)符號數(shù)值（mm）dn90H183d90h210d185b4.5d289R2d381c3h108r2h1405.9 叉頭銷軸套根據(jù)連接板d2=100mm，從水輪機設計手冊上168 頁的表8-33查出叉頭銷軸套尺寸如下表5-9：表 5-9 軸套尺寸 參數(shù)符號數(shù)值（mm）參數(shù)符號數(shù)值（mm）dn90h98d2100h18 d1105c2.5表中參數(shù)符號如下圖所示：圖 5-9 軸套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 A3 鋼板焊接。根據(jù)水輪機轉輪直徑 D1=4158mm,查水輪機設計手冊第 185 頁圖 8-34 與其表 8-52 到表 8-54,插值法得出控制環(huán)尺寸。表 5-10 控制環(huán)尺寸參數(shù)符號數(shù)值（mm）參數(shù)符號數(shù)值（mm）D14158d4100Dc3300H855Z020h170Dy3450h2210 R178h350S30h4