毕业设计(论文)--水轮机结构设计.doc

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Abstract Based 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 turbines 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11 水电站的水轮机选型设计21.1 水轮机的选型设计概述21.2 水轮机选型的任务21.3 水轮机选型的原则21.4 水轮机选型设计的主要参数31.5 确定电站装机台数及单机功率31.6 选择机组类型及模型转轮型号31.7 初选设计（额定）工况点41.8 确定转轮直径D151.9 确定额定转速n61.10 效率及单位参数的修正71.11 核对所选择的真机转轮直径D181.12 确定水轮机导叶的最大可能开度121.13 计算水轮机额定流量Qr131.14水轮机允许吸出高度Hs141.15 确定水轮机的安装高程171.16 计算水轮机的飞逸转速181.17 计算轴向水推力Poc181.18 估算水轮机的质量181.19 绘制水轮机运转综合特性曲线192 水轮机导水机构运动图的绘制242.1 导水机构的基本类型242.2 导水机构的作用242.3 导水机构结构设计的基本要求252.4 导水机构运动图绘制的目的252.5 导水机构运动图的绘制步骤263 水轮机金属蜗壳水力设计283.1 蜗壳类型的选择283.2 金属蜗壳的水力设计计算294 尾水管设计334.1 尾水管概述334.2 尾水管的基本类型334.3 弯肘形尾水管中的水流运动335 水轮机结构设计345.1 概述435.2 水轮机主轴的设计345.3 水轮机金属蜗壳的设计355.4 水轮机转轮的设计355.5 导水机构设计375.6 水轮机导轴承结构设计395.7 水轮机的辅助装置416 活动导叶的零件设计与三维模型436.1 活动导叶的零件设计436.2 活动导叶的三维模型437 金属蜗壳强度计算447.1 金属蜗壳受力分析447.2 蜗壳强度计算447.3 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520 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。与其他的动力机械相比，水轮机具有效率高、成本低、清洁等特点。另外，水轮机的好坏影响到水电站能量的转换效率。在水轮机生产制造之前，我们必须首先根据给定水电站的水力条件进行水轮机的选型设计、并对水轮机零件进行结构分析和部分零部件的强度计算及校核。 此次毕业设计是本科教学计划中最后一个综合性、创造性的教学实践环节，是对我在校期间所学基础理论、专业知识和实践技能的全面总结，是对我综合能力和素质的全面检验，也是教学、工程实践的重要结合点。它主要是培养了我综合运用所学知识和技能去分析和解决本专业范围内的工程技术问题，建立正确的设计思想，掌握了水轮机设计的一般程序和方法，使我在今后的工作岗位上具有应用专业技术解决工程实际问题的能力。本次毕业设计从水轮机的基本工作原理出发，系统地、较为全面地进行了水轮机的选型设计、水轮机的结构设计、水轮机部分部件的强度计算及校核等。设计分为六部分:第一部分：水轮机的选型设计；第二部分：导水机构运动图的绘制；第三部分：蜗壳的水力设计；第四部分：尾水管设计；第五部分：水轮机结构设计；第六部分：活动导叶的三维建模；第七部分：金属蜗壳强度计算。在设计过程中，着重阐述了水轮机选型设计的具体方法及方案选择、导水机构运动图的绘制和水轮机设计总装图设计三部分。1 水电站的水轮机选型设计1.1 水轮机的选型设计概述水轮机的选型设计是水电站设计中的一项重要任务，其计算结果直接关系到水电站的机组能否长期运行、投资的多少、经济效益的高低。它是根据水电站设计部门提供的原始资料及参数，选择合理的水轮机型号和计算水轮机的各种性能参数。一般情况下，先根据水电站的类型、动能计算以及水工建筑物的布置等初选若干个方案，然后进行技术经济比较，再根据水轮机的生产情况和制造水平，最后确定最佳的水轮机型号及尺寸。1.2 水轮机选型的任务本次水轮机选型的主要任务如下：(1)确定电站装机台数及单机功率(2)选择机组的类型及模型转轮型号(3)确定机组的装置方式(4)确定转轮直径、额定转速及飞逸转速(5)绘制水轮机运转综合特性曲线(6)轴向水推力的计算(7)计算水轮机的外形尺寸上述为水电站水轮机设计的一部分。本次设计还包括水轮机的过流部件蜗壳、座环、导水机构、尾水管的初步计算，最后绘制了水轮机总装图。1.3 水轮机选型的原则从现代水轮机的选型设计计算来看，水轮机的选型设计是一门系统工程学，要在电站水能资源综合利用、制造、运输、安装、土建电力用户、运行方式等诸多技术经济因素中寻找一个最佳的方案。水轮机选型设计的一般原则如下：所选水轮机要有较高的能量特性。不仅要选择额定工况下较高的水轮机转轮型号，还要根据水轮机的工作特性曲线即及曲线，选择平均效率最高的水轮机型号，使水轮机在负荷和水头变化的情况下都具有最高的运行效率。所选水轮机要有良好的空蚀性能，较好的稳定性能，运行平稳、安全和可靠。所选水轮机的尺寸尽量较小，结构要合理、先进，便于运输、安装、运行及检修。转轮在选择比较时，应尽可能选用较高的水轮机，这样转速会比较高，相应的机组尺寸就偏小，并且使所选的水轮机经常在最优工况区运行。在选择转轮参数时应该使值稍高于，且值应接近于值。1.4水轮机选型设计的主要参数 水轮机的选型是根据水电站设计部门提供的原始资料及数据，选择合适的水轮机型号，并计算水轮机的性能参数。设计题目：水电站水轮机选型及结构设计设计参数：总装机容量：Ppl=40 MW=4万kW （2台）最大工作水头： Hmax=78.2m 加权平均水头：Hpj=72.5m 最小工作水头：Hmin=60.60m 设计工作水头：Hr=70.3m 最大引用流量：=79 m/s电站海拔高程：509.8m 该电站在电力系统中的地位及作用：本电站距负荷中心较远，在系统中担任基荷。1.5 确定机组的单机容量（功率）此电站装机台数为2台。确定电站的机组台数后，就可以求水轮机的单机容量。单机容量：=40MW Z 电站的装机台数,Z=2。计算得： 20MW。1.6 选择机组类型及模型转轮型号 根据水电站的实际情况，正确选择水轮机型式是水轮机设计的一个重要环节。虽然各类水轮机有明确的适用水头范围，但由于它们的适用范围存在着交叉水头段，因此，必须根据水电站的具体条件对可供选择的水轮机进行具体的分析比较，才能选择出最合适的水轮机机型。水轮机型号的选择是根据水电站的特征水头，特别是其最大水头Hmax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；若设计水头在交界水头段范围内，也就是有2种及其以上的转轮型号可选择时，就需要进行综合分析比较后才能选出最佳的转轮型号。 根据本次设计的特征水头：Hmax =78.2m，Hr =70.3m。通过中小型混流式水轮机模型转轮主要参数表，可确定本次设计所选水轮机的型号为：HL260/D74和HL240/D41。两个水轮机型号对应的相关模型转轮参数如表1.1所示。表1.1 模型转轮主要参数表转轮型号推荐使用水头H(m)模型转轮直径(cm)流道尺寸最优工况 (r/min) (/s) (%)HL260/D745080 35 0.28141.1624 79 1.0892.70.123HL240/D4170105 35 0.25141.1624 77 0.9592.00.091.7 初选设计（额定）工况点 水轮机的选型设计工况点是指水轮机在额定水头下发额定出力时的工况点，即（，），如图1.1 所示。对已选定的水轮机转轮型号，查出其模型综合特性曲线。 图1.1 初选设计工况点 1.7.1 选择设计单位转速 式中：模型的最优单位转速。计算结果如表1.2所示。表1.2 设计单位转速计算结果水轮机型号 HL260/D74 HL240/D41 (r/min) 80.23 78.21.7.2 确定额定工况下的单位流量在模型转轮综合特性曲线上作的水平线交5%功率限制线于A点，A点即为初选设计工况点，见图1.2。A点的单位流量即为初选设计工况点下的单位流量，计算结果如表1.3所示。图1.2 初选设计工况点表1.3 额定工况下的单位流量计算结果水轮机型号 HL260/D74 HL240/D41 (m/s) 1.24 1.121.8 确定转轮直径1.8.1 水轮机的额定出力式中：水轮机额定功率，kW； 发电机额定功率,20000kW；初步设计时：大中型发电机=0.960.98，中小型发电机=0.920.94，功率较大、转速较高时取上限值。本次设计取0.94。计算得：21270kW。1.8.2 转轮直径式中：水轮机额定功率，kW； 转轮直径，m；，m/s。 为水轮机的效率，也可根据水轮机的型号近似的取值，即HL水轮机为0.890.90。由于本次设计为混流式水轮机，所以本次设计取0.90。计算结果如表1.4所示。表1.4 转轮直径的计算结果水轮机型号 HL260/D74 HL240/D41 (cm) 179.6 190查水力机械及工程设计书15页表1.3转轮公称直径尺寸系列表，结果如表1.5所示。表1.5 转轮公称直径水轮机型号 HL260/D74 HL240/D41 (cm) 180 2001.9 确定额定转速n额定转速nr:式中: n110设计单位转速, ； 加权平均水头, =72.5m； 真机的转轮直径, m。计算结果如表1.6所示。表1.6 额定转速的计算结果水轮机型号 HL260/D74 HL240/D41 (r/min) 373.7 327.8查水轮发电机额定转速系列表，接近标准额定转速可以选择，选取结果见表1.7。表1.7 水轮发电机标准额定转速水轮机型号 HL260/D74 HL240/D41 (r/min) 375 333.31.10 效率及单位参数的修正1.10.1 效率修正真机的效率修正： 式中：主要由尺寸效应引起的修正值； 由过流部件影响引起的修正值，本次设计未采取翼形过流部件，故取=0； 由机械的加工工艺质量引起的修正值，它与水轮机的尺寸及加工的工艺质量有关，对于大型水轮机，取=1%2%；对于中小型水轮机，参照相应规范取不同的值。 式中：真机的最优工况效率； 模型机的最优工况，由中小型混流式水轮机模型转轮主要参数表确定。 算得HL260/D74：； HL240/D41：；1.10.2 单位参数的修正值及 上述修正值可在最优工况点进行选取，其他工况点采用等值修正处理。当，时，单位参数可不予修正。最终计算结果见表1.8。 表1.8 效率及单位参数的修正水轮机型号转轮直径（cm）效率修正值单位参数修正值是否修正HL260/D74=1801.5%11.27%131.05%否HL240/D41=2002%0.981.2%141.27%否1.11 核对所选择的真机转轮直径1.11.1 确定水轮机的真实工况点B实际水轮机的转速： 故 式中：额定单位转速，r/min； 真机的转轮直径，m； 设计水头，=70.3m； 单位转速修正值，取=0。 B点在水平线上，在其上查找点，计算出功率，并作辅助曲线P1t=f(Q1t)。 而，在辅助曲线上有与之对应，从而得到，将的值返回到模型综合特性曲线图上与线相交于B点，即为真实工况点。两种方案计算结果如下：(1) HL260/D74：转轮直径=1.8m，转速n=375 kW表1.9 HL260/D74辅助曲线P1ti=f(Q1t)计算数据表m(%)t(%)Q1m(m/s)P1ti(kW)0.920.9351.1410.620.910.9251.2011.020.900.9151.2311.220.890.9051.2611.37图1.3 HL260/D74辅助曲线P1ti=f(Q1t)找出B点位置为Q=1.235m/s, n1t=80.5r/min。(2) HL240/D41：转轮直径=2m，单位额定转速 kW表1.10 HL240/D41辅助曲线P1ti=f(Q1t)计算数据表m(%)t(%)Q1m(m/s)P1t(kW)0.911.930.928.350.910.931.039.400.900.921.089.750.890.911.109.82图1.4 HL240/D41辅助曲线P1ti=f(Q1t) 找出B点位置为Q=0.98m/s, n1t=79.5r/min。1.11.2 工作范围的检查最大水头Hmax下，对应一个；最小水头下Hmin下，对应一个。这2条直线之间应包含主要综合特性曲线的优效率区；同时，B点应在最优工况点的附近，则可认为所选择的和n是合理的、正确的，否则应重新选择和n的值。模型机的单位转速为：式中：额定转速，r/min； 真机的转轮直径，m；单位转速修正值； Hi水头，分别取m和m。 下面分别求出各种方法下的和大小，计算结果见表1.11。表1.11 和大小 水轮机型号转轮直径D1（cm）转速HL260/D7418037576.385.6HL240/D41200333.368.4975.27 两方案的工作范围及真实工况点B如下： 图1.5 HL260/D74 =1.8m，=375 图1.6 HL240/D41 =2m，=333.3综上两种方案的工作范围和真实工况点B的检查，HL240/D41的真实工况点更接近高效区。1.12 确定水轮机导叶的最大可能开度1.12.1 确定真机的导叶分布直径D0由真机转轮直径，查得非对称导叶叶形断面尺寸系列表，知D0。1.12.2 计算模型机的导叶分布直径D0m式中：导叶相对分布圆直径，；1.12.3 计算水轮机导叶的最大开度模型机和真机保持几何相似，可按进行相似换算:式中：分别为真机、模型机的导叶分布直径；模机在相似工况下的最大开度，在模型转轮综合特征曲线上，找到点所对应的开度值，可得。 分别为真机、模型机的导叶数目，由中小型混流式水轮机模型转轮主要参数表知：；由非对称导叶叶形断面尺寸系列表可知：。计算得：HL260/D74 : mmHL240/D41:mm1.12.4 计算水轮机导叶的最大可能开度式中：真机导叶的最大开度，计算得：HL260/D74：=207mm；HL240/D41：=231mm。1.13 计算水轮机额定流量Qr 水轮机额定流量Qr：式中：水轮机的轴功率，kW； 设计水头，m； 设计工况点B点的真机效率。 方案一计算得：HL260/D74：=207mm；Qr=33.89m/sm/s 方案二计算得：HL240/D41：=231mm, Qr=32.57m/sm/s式中：Z 机组台数，本次设计中为2台。 电站引用流量，=79m/s。 所以，两个方案设计流量均满足要求。1.14 确定水轮机允许吸出高度水轮机的吸出高度计算时可选择Hmin 、Hr、Hmax等若干水头分别计算，从中选择一个最小值作为允许吸出高度，本次设计计算m，m，m，m下的，选择最小值作为水轮机的允许吸出高度。水轮机允许吸出高度按下式计算：式中：水电站水轮机安装海拔高度，m； 各水头下的工况点的空蚀系数； 空蚀系数的修正值；在进行各水头的工况点空蚀系数查找时，需作辅助曲线，为此列表计算，结果见表1.12，并得出各水头下的辅助曲线。且在各水头下，为已知，从辅助曲线上即可找到该水头下发出的额定功率的工况点，从而得出其空蚀系数。 方案一：HL260/D74:=1.8m，n=375 表1.12 HL260/D74各水头下的辅助曲线P1t=f(Q1t)表HiHi=78.2mHi=72.5mn,1t=nD1/76.30 79.30 n,1m=n,1t-n,176.30 79.30 0.02 0.02 m(%)t(%)Qt（m/s）P1t（kW）mtQt（m/s）P1t（kW）10.920.9351.1010.090.920.9351.1410.4620.910.9251.1710.620.910.9251.1910.8030.900.9151.2110.820.900.9151.2210.9540.890.9051.2411.010.890.9051.2611.19HiHi=70.3mHi=60.6mn,1t=nD1/80.5086.70n,1m=n,1t-n,180.5086.700.020.02m(%)t(%)Qt（m/s）P1t（kW）m(%)t(%)Qt（m/s）P1t（kW）10.920.9351.1510.550.910.9251.2110.9820.910.9251.2010.890.900.9151.2511.2230.900.9151.2311.04 (a) H1=78.2m (b) H2=72.5m (c) H3=70.3m (d) H4=60.6m图1.7 HL260/D74P1t=f(Q1t)辅助曲线 方案二：HL240/D41:=2m，=333.3 表1.13 HL240/D41较大水头下的辅助曲线P1t=f(Q1t)表HiHi=78.2mHi=72.5mn,1t=nD1/75.478.3n,1m=n,1t-n,175.478.30.020.02m(%)t(%)Qt（m/s）P1t（kW）m(%)t(%)Qt（m/s）P1t（kW）10.900.920.857.670.910.930.918.3020.910.930.898.120.910.931.029.3130.910.931.009.120.900.921.079.6140.890.911.089.600.890.911.099.7350.880.901.119.760.880.901.129.89表1.14 HL240/D41较小水头下的辅助曲线P1t=f(Q1t)表HiHi=70.3mHi=60.6mn,1t=nD1/79.585.6n,1m=n,1t-n,179.585.60.020.02m(%)t(%)Qt（m/s）P1t（kW）m(%)t(%)Qt（m/s）P1t（kW）10.910.930.938.480.900.920.978.8520.910.931.039.400.900.921.069.5730.900.921.079.660.890.911.109.7840.890.911.109.8250.890.911.139.93 (a)H1=78.2m (b)H2=72.5m (c) H3=70.3m (d) H4=60.6m图1.8 HL240/D41辅助曲线P1t=f(Q1t) 各水头下的P1t=f(Q1t)曲线，再根据值查出对应的单位流量，再将各水头下单位流量的和对应的单位转速值查出综合效率特性曲线，依次得出各空蚀系数,空蚀系数修正值经查水轮机取值为0.02： 方案一：HL260/D74:=1.8m，=375 0.145，0.14 ，0.138 ，0.14 在各水头下，计算水轮机的吸出高度，见表1.15。表1.15 水轮机吸出高度（m)mmmm0.1450.140.1380.14(m)-3.473-2.172-0.266-1.68 故= -3.473m 方案二：HL240/D41:=2m，=333.30.087，0.088 ，0.089 ，0.102 在各水头下，计算水轮机的吸出高度，见表1.16。 表1.16 水轮机吸出高度Hs（m)mmmm0.0870.0880.0890.102(m)1.061.61.772.04故=1.06m 通过上面两个方案的对比，方案一比方案二的开挖量大，成本高。故选用方案二，最终确定水轮机型号为HL240/D41，=2m，=333.3。1.15 确定水轮机的安装高程 对立式机组：式中：电站下游水位，已知：=509.8m； Hs水轮机允许吸出高度，Hs=1.06m； b0导叶高度。式中：导叶的相对高度，由中小型混流式水轮机模型转轮主要参数表可知：=0.25。计算得：=511.11m。1.16 计算水轮机的飞逸转速 混流式水轮机飞逸转速的计算公式为：式中：原型机的飞逸转速； 模型机最大可能开度的单位飞逸转速，由中小型混流式水轮机模型转轮主要参数表，可知：=146.7r/min； 最大水头，=78.2m。计算得，=648.6r/min。1.17 计算轴向水推力 对于混流式水轮机：式中：轴向水推力，tf（1tf=9.81kN）； 转轮直径，=2m； 轴向水推力系数，由中小型混流式水轮机模型转轮主要参数表，可知：k =0.33。计算得：。1.18 估算水轮机的质量G 水轮机的质量G（不包括调速器、油压设备及其他的辅助设备时）可按下式计算：式中：G水轮机质量，t； H水头，取H= Hmax=78.2m； k系数，由混流式水轮机的值表，查得：k=8.1； a与直径有关的指数，查得混流式水轮机的值表，查得：=1.98； b与水头有关的指数，查混流式水轮机的值表，查得：b=0.16 计算得：G=62.32t。1.19 绘制水轮机运转综合特性曲线在内取5个水头，并计算各个水头对应的模型单位转速，其计算公式为：式中：HiHminHmax内取的5个水头，包括及一个任意水头； 单位转速修正值，=0。Hmax=78.2m 加权平均水头：Hpj=72.5m 最小工作水头：Hmin=60.60m 设计工作水头：Hr=70.3m 当H1=Hmax=78.2m计算得：75.4r/min； 当H2=Hr=70.3m， 计算得：79.5r/min； 当H3=Hpj=72.5m，计算得：78.3r/min； 当H4=65m，计算得：82.7r/min； 当H5=Hmin=60.6m，计算得： =85.6r/min。1.19.1 绘制各水头H下， 工作特性曲线的水平线，取该水平线与各等效率线的交点，读出各点对应的，并将数据记入表1.17。表1.17 HL240/D41水轮机运转综合特性曲线计算表HiHi=78.2mHi=72.5mn,1t=nrD1/75.478.3n,1m=n,1t-n,175.478.3工作特性曲线P=(L/s)P(kW)(L/s)P(kW)0.880.90.8195370.880.90.82178760.890.90.83202690.890.910.85185300.90.920.85209890.90.920.89196180.910.930.89222180.910.930.91202790.910.931252350.910.931.02229780.90.921.04259620.90.921.06236220.890.911.08266680.890.911.09240270.880.91.105269850.880.91.1224417HiHi=70.3mHi=65mn,1t=nD1/79.582.7n,1m=n,1t-n,179.582.7工作特性曲线P=(L/s)P(kW)(L/s)P(kW)0.880.90.84174850.880.90.85157300.890.910.87181090.890.910.91168400.