资源描述
爱力量大到能够使人忘记一切，却又小到连一粒嫉妒沙石也不能容纳。
少为失败找理由
多为成功找方法
大多数人想要改革这个世界
却不晓得即时从小事做起
毕业设计（论文）
题 目轴流式水轮机结构设计
及导叶应力分析
专 业 热能和动力工程
班 级 动094 班
学 生
指导老师 教 授
年
摘 要
此次设计关键是经过查阅相关设计手册
对型号为ZZ600-LH-300水轮机进行结构设计和对导叶进行应力应变分析
而且对带裂纹导叶进行了应力应变分析
首先对水轮机总体结构作出设计
其次完成了导水机构装配情况设计及其传动系统设计
另外
结合电站具体情况和中国制造业发展现实状况
还对水轮机部分零部件
比如主轴
导叶
控制环
导叶臂等零件作了设计
经过使用CAD绘图
此次设计过程愈加便捷
设计结果愈加正确
此次设计应力应变分析是经过ANSYS平台软件进行
其中包含用NX.UG软件建模
用ANSYS ICEM CFD软件对导叶流场进行网格划分
用CFX软件进行流场数值计算
用ANSYS软件进行模态分析和静力分析
关键字：水轮机
结构设计
数值分析
模态分析
应力分析
ABSTRACT
According to consulting the design book and referring the built up station
the present paper is to design the structure of Kaplan turbine ZZ600-LH-300 and make analysis of stress and strain
firstly make the design of the architectural structure
the guide vanes machanism assembly and the system of the way to drive the guide vanes.Besides
considering the situation of the power station and now the development of the manufactory at home
we have designed some of the parts in details such as the principal axis
the guide vanes
the discharged ring
the arms of the guide vanes.Using the CAD
the process of design is more convenient and the result is more accurate.
This design made analysis of stress and strain on the guide vane of the models through the ANSYS platform software
including using NX.UG software modeling
meshing the flow field of the guide vane through ANSYS ICEM CFD software
CFX software is used to numerical calculation
modal analysis and static analysis is done through ANSYS software.
KEY WORDS: hydroturbine
architectural design
numerical analysis
modal analysis
stress analysis
目 录
1 序言 1
1.1 概述 1
1．2 设计内容 2
1.3 原始资料 2
2 水轮机总体结构设计 3
2.1绘制轴面流道图 3
2.2 座环设计 5
2.3活动导叶及导水机构装置零件 7
2.3.1 活动导叶翼型 7
2.3.2 导叶结构系列尺寸和轴颈选择 8
2.3.3 导叶密封结构 9
2.3.4 导叶轴颈密封 10
2.3.5 导叶套筒 12
2.3.6 导叶轴套 13
2.3.7 导叶臂 15
2.3.8 导水机构装配尺寸 17
2.3.9 导叶传动机构 18
2.3.10 连接板 19
2.3.11 套筒 20
2.3.12叉头销 20
2.3.13 叉头 22
2.3.14 连接螺杆 23
2.3.15 剪断销 24
2.3.16分半键 25
2.3.17端盖 26
2.4 控制环 27
2.5 主轴及其隶属部分 28
2.5.1 主轴直径计算 28
2.5.2主轴结构设计 29
2.5.3 水导轴承 30
2.5.4主轴密封 33
2.6 操作油管 33
2.7 转轮部分 34
2.7.1 叶片 34
2.7.2 转轮体 35
2.7.3 叶片操作机构和接力器 36
2.7.4 泄油阀 37
2.7.5 叶片密封装置 37
2.8 底环 38
2.9 顶盖和支持盖 39
2.10 真空破坏阀 39
2.11 导水机构传动系统总设计 40
2.11.1 确定导叶开度 40
3 应力分析 43
3.1 导叶模型建立 43
3.2 导叶周围流道模型建立 43
3.2.1 单周期流道网格划分 44
3.3 CFX数值计算 45
3.3.1 边界条件 45
1.定常流动计算边界条件 45
2.进口边界条件 46
3.出口边界条件 46
4.固壁面边界条件 46
3.4 定常流动计算结果分析 46
3.5 导叶模态分析和静力分析 48
3.5.1 约束施加 48
3.5.2荷载施加 49
3.5.3模态分析 49
3.5.4 静力分析 51
3.6 带裂纹缺点导叶导叶分析 52
3.6.1 带裂纹导叶模型 52
3.6.2 带裂纹导叶有限元网格划分 52
3.6.3 模态分析结果 53
3.6.4 静力分析结果 54
3.6.5 结论 55
4 总结 56
致谢 57
参考文件 58
1 前 言
1.1 概述
能源作为经济发展物质基础
在中国社会主义现代化建设中起着决定性作用
为确保国民经济可连续发展
能连续供给能源就必需得到确保
伴随中国经济快速发展
能源需求逐年上升
这么
以煤炭为主能源结构
不仅在很大程度上限制了经济快速发展
同时也引发了能源安全和环境污染等重大问题
基于以上问题考虑
水能
作为安全、可靠、清洁可连续能源越来越受到大家重视
中国拥有世界上最为丰富水能资源
但水能开发率较低
为了满足人民日渐增加电力需求和化石能源有限性之间矛盾
主动开发水电
已经成为中国当务之急
多年来
水轮发电机组容量、尺寸及转速不停提升
水轮机尺寸越来越大
而叶片厚度越来越小
其固有频率大大降低
水轮机各过流部件在运行过程中
受到多种不平衡力作用
工作环境很复杂
多种水力不平衡力和激振源相互藕合使过流部件产生振动
多年来投产轻易引发因为导叶和转轮动静干扰或叶道涡等影响产生水压脉动共振
成为叶片产生裂纹关键根源
水轮机过流部件刚强度、振动特征和疲惫破坏是设计、运行部门等所关注问题
伴随有限元方法日益成熟
在水轮机过流部件刚强度分析中应用逐步普及
对于叶片振动问题
是包含到固体力学、振动力学、水力学、计算流体力学、材料力学等多学科综合性课题
其包含知识内容极为广泛
所以
在工程实际中
对转轮叶片刚强度分析显得越来越关键
尤其对于分析水轮机叶片裂纹事故并预防其发生
含相关键作用
现在
工程中在轴流式转轮刚强度分析中
大多利用现代计算机技术
采取ANSYS有限元分析计算方法
对该水轮机叶片在最大水头下强度进行分析计算
1.2 设计内容
一、绘制水轮机转轮
1.按给定水轮机型号和转轮直径等参数
确定水轮机转轮番道
关键特征尺寸绘制转轮番道图
2.应用CAD软件绘制导叶单线图
导叶部署图
3.导叶最优开度下实体造型
4.划分网格并计算
进行流场分析；
二、应力应变分析
1.正常导叶和带裂纹导叶有限元网格划分
2.正常导叶和带裂纹导叶固有频率分析
3.正常导叶和带裂纹导叶静力分析
三、外文翻译
1.3 原始资料
此次毕业设计基础参数以下：
水轮机型号
ZZ600-LH-300
出力（kw）
2500
设计水头（m）
6.2
额定转速（r/min）
125
最大水头（m）
7.8
设计流量（m3/s）
51.5
最小水头（m）
4
2 水轮机总体结构设计
2.1绘制轴面流道图
查阅《水轮机设计手册》得
型号为ZZ600-LH-300水轮机模型流道尺寸和转轮室尺寸分别图2-1
图2-2所表示
依据百分比换算所得真机流道尺寸和转轮室尺寸如表2-1
表2-2所表示：
图2-1 ZZ600流道尺寸
表2-1 流道尺寸
参数符号
真机数值（mm）
参数符号
真机数（mm）
D1
3000
R2
2832
Z1
4
d2
876
D0
3765
d3
876
Z0
20
d4
832.5
b0
1464
h1
717
dB
999
h2
276
R1
708
h3
324
轴流式水轮机转轮室是水轮机过流通道一部分
转轮室外形和选择转轮型号相关
本水电站转轮型号为ZZ600
其转轮室结构以下图所表示
图2-2 ZZ600转轮室尺寸
表2-2 ZZ600转轮室尺寸
参数符号
模型数值mm
真机数值mm
R1
50
150
R2
100
300
R3
500
1500
R4
385
1155
R（球）
500
1500
h1
209
627
h2
154
462
H5
55
165
h4
81
243
D2
973
1919
D3
981
2943
α
8°
8°
在电站运行时
因为水流压力脉动在转轮室上作用有很大周期性载荷
为加强转轮室刚度并改善转轮室和混凝土结合
在转轮室四面有环向和竖向加强筋
并用千斤顶和拉紧杆将转轮室牢牢靠定在二期混凝土中
2.2 座环设计
座环是反击式水轮机基础部件之一
除了承受水压力作用外
还承受整个机组和机组段混凝土重量
所以要有足够强度和刚度
其基础结构是由上环、下环和固定导叶组成
因为本水电站水头较低
小于40m
故而选择和混凝土蜗壳连接座环
考虑到电站基础资料
现对制造质量提出以下要求：
1)此座环所选材料为 ZG30
采取铸造结构；
2)考虑到其强度要求
钢板厚度选择为75mm；
2)全部过流表面打磨光滑至表面粗糙度为3.2；
3)固定导叶进口端节距误差不超出0.0015Da；
4)顶盖和底环把合面平行度误差不超出0.025 毫米/米；
5)分瓣结构合缝面粗糙度为6.3
合缝面间隙通常不超出0.05 毫米
局部许可有0.15～0.3 毫米凹陷部分（深度小于接合缝1/3
长度不超出接合缝总长1/5）
但不许可有突起
座环尺寸和转轮型号、直径相关
其固定导叶形状又取决于水力和强度计算
所以座环尺寸改变原因较多
不可能完全统一
参考《水轮机设计手册》104 页表6-14 选出座环基础尺寸
再依据电站实际情况稍作改动
设计以下图2-3
表2-3所表示：
表2.3 水轮机座环尺寸
参数符号
数值（mm）
参数符号
数值（mm）
Db
5150
H1=b0+10-25
1475
Da
4500
R
200
k
75
其中参数符号对应 图2-3 水轮机座环（α
γ依据蜗壳而定）
图2-3 水轮机座环
2.3活动导叶及导水机构装置零件
2.3.1 活动导叶翼型
水轮机导水机构作用
关键是形成和改变进入转轮水流环量
确保水轮机含有良好水力特征
调整流量
以改变机组出力
正常和事故停机时
封住水流
停止机组转动
圆柱式导水机构导叶叶形
通常有对称形和非对称形（正曲率）两种标准叶形
因为对称形导叶通常见于含有不完全包角高比转速轴流式水轮机中
故本设计中采取对称形叶形
参考《水轮机设计手册》中137 页表8-5
再依据本水轮机具体情况
得对称形导叶叶形断面参数以下表：
表2-4 导叶翼型参数
参数符号
数值(mm)
参数符号
数值(mm)
D1
3000
k
5.8
D0
3765
r
44.4
Z0
20
L
665
a
56.7
L1
322.5
b
69.1
L2
342.5
c
71.8
d0
138.7
d
69.1
m
57.1
e
62.5
其符号所代表意义见图 2-4:
图2-4 导叶翼型图
2.3.2 导叶结构系列尺寸和轴颈选择
导叶轴颈可按转轮直径 D1
使用水头H1（指最高水头）
导叶相对高度b0/D1
从《水轮机设计手册》中146 页表8-10 初选轴颈db
选得db =115mm
再依据db=115mm 从设计手册中表8-9 查得导叶结构其它尺寸以下表：
表2-5 导叶尺寸
参数符号
数值（mm）
参数符号
数值（mm）
db
115
hA
95
da
95
hB
140
d1
125
hc
200
dc
105
h1
20
d2
110
h2
110
dm
30
h3
45
d3
M24
h4
12
d4
32
h5
6
d5
109
H 参考
617
其中参数符号所代表下图2-5中符号
图2-5 导叶结构尺寸
导叶材料为ZG20MnSi整铸
为确保导叶转动灵活
导叶上、中、下三个轴颈要同心
径向摆度小于中轴颈公差二分之一
导叶体端面和不垂直度许可误差不超出0.15/1000
导叶过流表面型线要正确
制造中应用样板检验
2.3.3 导叶密封结构
导叶关闭后
导叶体立面应该有很好密封
因为本机组属于低水头机组
所以采取圆橡皮条直接镶入鸽尾槽内封水
这种结构制造简单
但只适适用于40 米水头以下机组
因为水头太高会把圆橡皮条冲掉
从《水轮机设计手册》上148 页表8-12 查得圆橡皮条和鸽尾槽尺寸以下表：（因为导叶体较高
可在中间加焊数段钢筋
使橡皮条分段固定
）
表2-6 圆橡皮条和鸽尾槽尺寸
参数符号
数值（mm）
a
9
b
9.5
c
2
其中参数符号对应下图2-6中符号：
图2-6 导叶密封
2.3.4 导叶轴颈密封
导叶中轴颈密封多数装在导叶套筒下端
现在不少机组中已改用"L"型密封
实践证实
封水性能很好
结构简单
"L"型密封圈和导叶中轴颈之间靠水压贴紧封水
所以轴套和套筒上开有排水孔
形成压差
密封圈和顶盖配合端面
则靠压紧封水
所以套筒和顶盖端面配合尺寸应确保橡胶有一定压缩量
密封圈材料采取中硬耐油橡胶
模压成型
其尺寸大小以下表2-7：
表2-7 中轴颈密封
参数符号
数值（mm）
参数符号
数值（mm）
db
115
h
18
d
120
δ1
4
d1
110
δ2
4
d2
155
R2
0.5
R5
1.5
其中参数符号意义对应图2-7：
图2-7 中轴颈密封
导叶下轴颈密封关键是预防泥沙进入
发生轴颈磨损
下轴颈密封通常采取"O"型橡皮圈密封结构
其尺寸大小以下表2-8：
表2-8 下轴颈密封
参数符号
数值（mm）
db
115
D
95
d
7.5
其中参数符号意义对应图2-8：
图2-8 下轴颈"O"型密封
导叶中轴颈处虽有密封装置
但因导叶是转动
不可避免会有少许漏水
其排除方法关键是经过自流排水或水泵排水将漏水排出
对于轴流式水轮机
导水机构套筒处得漏水由排水管集中到顶盖下部轴承支架内
连同主轴密封处漏水
由水泵抽水至电站集水井
2.3.5 导叶套筒
导叶套筒是固定活动导叶上中轴套部件
采取HT21-40铸铁铸造
套筒结构和主轴材质、密封结构和顶盖高度相关
分段套筒虽有质量小
便于加工
轻易调整装配等优点
但因为受到机组尺寸限制
此次设计仍选择传统整体圆筒形结构
套筒尺寸大小以下表2-9：
表2-9 导叶套筒
参数符号
数值（mm）
参数符号
数值（mm）
db
115
d7
26
d1
320
d8
6
d2
195
h
210
d3
120
h1
35
d4
130
h2
115
d5
135
h3
53
d6
280
Z
6
H 参考
430
其中参数符号对应下图2-9中符号：
图2-9 导叶套筒
为满足于导叶臂装配要求
最终取H=430mm
2.3.6 导叶轴套
导叶轴套现在已广泛采取含有自润滑功效工程塑料替换
这么不仅简化了结构
而且节省了大量有色金属
降低成本
该设计中
导叶套筒采取尼龙1010
其吸水性小
尺寸较为稳定
经过离心熔铸成型
适合在水轮机导叶、连杆等部位应用
a） 上轴套尺寸系列如表2-10 所表示：
表2-10 上轴套尺寸
参数符号
数值（mm）
参数符号
数值（mm）
dc
105
h
37
d1
105
h1
6
d2
120
h2
12
d3
119.6
δ′
1
d4
150
表中参数符号意义见图2-10：
图2-10 上轴套
b） 中轴套尺寸系列如表2-11 所表示：
表2-11 中轴套尺寸
参数符号
数值（mm）
参数符号
数值（mm）
db
115
h
115
d1
115
h1
25
d2
130
h2
6
d3
129.6
d5
6
d4
135
δ′
0.8
表中参数符号意义见图2-11：
图2-11 中轴套
c） 下轴套尺寸系列如表2-12 所表示：
表2-12 下轴套尺寸
参数符号
数值（mm）
参数符号
数值（mm）
da
95
h
90
d1
95
h1
6
d2
110
δ′
0.8
d3
109.6
表中参数符号意义见图2-12：
图2-12 下轴套
2.3.7 导叶臂
依据叉头传动机构装配尺寸从《水轮机设计手册》上165 页表
8-23查出导叶臂及其销孔尺寸以下表2-13
2-14：
表2-13 导叶臂
参数符号
数值（mm）
参数符号
数值（mm）
db
115
H
154
Dc
105D
L1
81
D1
144d
e
42
D2
148
K
8
d2
120
R1
20
dm
35D
f1
1
d3
M16
T
0.2
d4
22
其中参数符号意义对应图2-13(左) :
表2-14导叶臂销孔尺寸
参数符号
数值（mm）
参数符号
数值（mm）
dcn
40D
C1
1
R
65
h
40
B
140
h1
55
其中参数符号意义对应图2-13 ：
图2-13 导叶臂
2.3.8 导水机构装配尺寸
导水机构大部分零件应做到标准化、系列化
在《水轮机设计手册》上132页查表8-1可得出按转轮系列尺寸编制导水机构装配系列
下表2-15是本水电站对应导水机构装配尺寸：
表2-15 导水机构装配尺寸
参数符号
数值（mm）
参数符号
数值(mm)
D1
3000
Dc
2400
Z0
20
LH
500
D0
3765
lp
250
ψ
30°
lc
410
其中参数符号意义对应图2-14
图2-14导水机构装配
2.3.9 导叶传动机构
鉴于叉头传动机构受力情况好
所以本水电站采取叉头传动机构
其关键是由导叶臂、连接板、叉头、叉头销、连接螺杆、螺帽、分瓣键、剪断销、轴套、端盖和赔偿环等组成
参考《水轮机设计手册》164页表8-25
可得出此次设计导叶传动机构装配尺寸
如表2-16所表示：
表2-16 导叶传动机构装配尺寸
参数符号
数值(mm)
参数符号
数值(mm)
接力器直径dc
410
d2
68D3/jd
Z0
20
h
45
d1
M48×4
h1
60
dn
60D/dc
导叶中轴颈db
115
dcn
45D4/dc4
分瓣键直径dm
35D/gc
2.3.10 连接板
依据叉头传动机构装配尺寸从《水轮机设计手册》上167 页表8-29到表8-30查出连接板尺寸以下表2-17：
表2-17 连接板尺寸
参数符号
数值（mm）
参数符号
数值（mm）
D1
165D
R2
50
R1
100
h
40
K
0.02
h1
55
Dcn
40D4
l
20
D2
58D3
l1=l2
62
d1
150
c
1
d2
M24
其中参数符号意义对应图2-15：
图2-15 连接板
2.3.11 套筒
依据连接板D2=100
从《水轮机设计手册》上168 页表8-33查出轴套尺寸以下表2-18：
表2-18 轴套尺寸
参数符号
数值（mm）
参数符号
数值（mm）
dn
70D
h
78
d2
78jd
h1
8
d1
83
c
2.5
其中参数符号意义对应图图2-16：
图2-16 轴套
2.3.12叉头销
依据套筒dn=70D
从《水轮机设计手册》上170页表8-36查出剪断销尺寸以下表2-19：
表2-19 叉头销尺寸
参数符号
数值（mm）
参数符号
数值（mm）
dn
70dc
h2
10
d
70gb
D
59
d1
65gb
b
3.5
d2
69
R
1.5
d3
62
c
3
h
88
d0
3
h1
30
r
1.5
H
143
其中参数符号意义对应图2-17：
图2-17 叉头销
2.3.13 叉头
依据连接板dn=70从《水轮机设计手册》上167 页表8-31查出叉头尺寸以下表2-20：
表2-20 叉头尺寸
参数符号
数值（mm）
参数符号
数值（mm）
d1
M56×4
L
150
d2
70D
L1
95
d3
65D
R
62
d4
100
r
12
H
140
r1
6
h
90
c1
2
h1
25
S
20
其中参数符号意义对应图2-18：
图2-18叉头
2.3.14 连接螺杆
依据连接板d1=M56从《水轮机设计手册》上168 页表8-32查出叉头尺寸以下表2-21：
表2-21 连接螺杆尺寸
参数符号
数值（mm）
参数符号
数值（mm）
d1
M56×4
b
24
d2
60
b1
8
d3
50
r
2
S
50
c
3
l
135
其中参数符号意义对应图2-19：
图2-19 连接螺杆
2.3.15 剪断销
依据连接板Dcn=80mm
从《水轮机设计手册》上170页表8-35查出剪断销尺寸以下表2-22：
表2-22 剪断销尺寸
参数符号
数值（mm）
参数符号
数值（mm）
Dcn
40dc4
r
1
d
20
h1
4.5
d2
39
h2
10
d3
45
h
40
d4
40
l
38
b
4
L
90
b1
3
其中参数符号意义对应图2-20：
图2-20剪断销
2.3.16分半键
依据上轴直径dc =230mm
从《水轮机设计手册》上169 页表8-34查出分半键尺寸以下表2-23：
表2-23 分半键尺寸
参数符号
数值（mm）
参数符号
数值（mm）
dc
105
b
16.4
dm
35
K
4
L
110
c
1
B
34
b1
18.6
l1
140
h2
10
l2
110
h3
25
h
5
h4
6
其中参数符号意义对应图2-21：
图2-21 分半键
2.3.17端盖
依据轴颈db=250mm
从《水轮机设计手册》上171页表8-37查出端盖尺寸以下表2-24：
表2-24 端盖尺寸
参数符号
数值（mm）
参数符号
数值（mm）
db
115
h1
24
d1
195
R
52.5
d2
106
Φ1
M20
d3
45
Φ2
18
d4
26
Φ3
38
d5
135
d6
65
h
32
其中参数符号意义对应图2-22：
2-22 端盖
2.4 控制环
控制环是传输接力器作用力
并经过传动机构转动导叶环形部件
在此次设计中采取A3铸造
依据水轮机转轮直径查《水轮机设计手册》第185页图8-34及其表8-52到表8-54得出控制环尺寸以下：
表2-26 控制环尺寸（总体）
参数符号
数值（mm）
参数符号
数值（mm）
DC
2400
Dy
2550
Z0
20
S
25
R
12
其中参数符号意义对应图2-23：
图2-23 控制环（总体）
2.5 主轴及其隶属部分
2.5.1 主轴直径计算
主轴外径尺寸能够依据机组扭力矩初选
扭力矩按以下公式计算：
式中 ： N--代表主轴传输功率（千瓦）
n--代表主轴转速（转/分）
由原始资料：N=8.8MW=8.8×KW n=187.5r/min
所以
依据《水轮机设计手册》上 319 页图12-12 扭力矩和主轴外径关系曲
线查得D<200（mm）
主轴内孔直径按《水轮机设计手册》320 页上公式12-2 计算：
式中 ：D--主轴外径（厘米）
N--主轴传输功率（千瓦）
n--主轴转速（转/分）
τmax--最大许用应力（千克/厘米2）
初选主轴材料为 ZG20MnSi
其中τmax=550 （千克/厘米）
所以依据主轴内孔直径公式计算得：
但为了确保主轴有足够刚强度
可将主轴内径按标准直径系列取为400mm
2.5.2主轴结构设计
主轴是水轮机关键部件之一
用来传输水轮机转轮产生转矩（功率）
使发电机旋转
产生电能
同时承受轴向水推力及转动部分重量
它毛坯采取 ZG20MnSi 整锻
因为本机组是大型轴流式水轮机
在主轴内装有操作油管
所以主轴必需要有中心孔
同时
这么空心轴
不仅减轻了主轴质量
提升轴刚度和强度
而且还能消除轴心部分组织疏松等缺点
便于检验
主轴和转轮连接结构在设计中采取转轮上盖和主轴法兰合一结构
主轴一端和发电机相连
另一端和转轮相连
查《水轮机设计手册》上312页表12-3 得轴尺寸以下表2-29：
表2-29 主轴尺寸
参数符号
数值（mm）
参数符号
数值（mm）
参数符号
数值（mm）
D
400
d2
102
R
35
DФ
725
h
100
R1
6
Db
580
h1
115
R2
375
Dp
415
l
45
R3
5
D2
717
l1
45
f
2
D3
410
l2
8
Z
20
d
360
m
1.5
C
12
d′
360
C1
15
db
68
d1
70
其符号所代表意义以下图2-24所表示:
图2-24 主轴
（其中上边为水轮机端
下边为发电机端）
2.5.3 水导轴承
水轮机导轴承型式很多
现在比较常见有水润滑橡胶轴承;稀油润滑有转动油盘、斜油槽自循环筒式轴承和稀油润滑油浸式分块瓦轴承
其它型式轴承如稀油润滑毕托管上油方法轴承
在中、小型机组中虽有采取
但近期已被斜油槽自循环筒式轴承所替换
干油润滑轴承中国利用不多
查《水轮机设计手册》345页
此次设计中采取稀油润滑分块瓦式轴承
关键是因为以下原因：
稀油润滑分块瓦式轴承即使有密封在轴承下部
转轮悬臂大
成本高
平面部署尺寸大等缺点
但鉴于其受力均匀
轴瓦研刮、调整方便
运行安全可靠
在大中型机组中应用较多其结构图2-25：
:图2-25 稀油润滑分块瓦式水导轴承
此次设计中
Nr=2500kW
n=125r/min
再参考中国部分运行机组结构参数
其尺寸对应下表2-31：
表2-31 水导轴承
参数符号
数值
参数符号
数值
N（千瓦）
2500
瓦宽B（毫米）
250
n（转/分）
125
瓦数
10
轴颈直径（毫米）
610
B/L
0.8
轴颈直径De（毫米）
738
轴瓦单边间隙（毫米）
0.25
瓦高L（毫米）
666
使用部位
水导
考虑此次设计中
其它部件部署情况
针对以上数值作出了一定变动
具体参考总装图中尺寸
另外
对于稀油润滑分块瓦式轴承
此次设计选择将轴领作为主轴轴身上附加物
以后和轴身焊成一体
轴领采取和主轴一样材质铸件或锻件
粗加工后焊于轴身上
并经退火处理
消除焊接应力
退火前主轴内孔灌以铸铁铁屑或黄砂
两端封闭
以降低内孔氧化
轴颈下部开有成一定角度或径向通油孔
当主轴旋转时
此孔起着油泵作用
将经过冷却器冷却后润滑油输送到轴瓦面及轴承体空腔内
工作后热油经轴承体上部油孔和顶部流向冷却器
形成油循环
轴领下部通油孔数目在24~32范围内
孔直径取30mm
挡油箱以上轴领处
开有数个通气孔
以平衡轴领内外侧压力
预防油和油雾外溢
轴领处结构以下图2-26：
图2-26轴颈处结构
此次设计中
油盆选择用A3钢板焊接
并在制造过程中进行煤油渗漏试验
分块轴瓦采取ZG30、滑动面浇注ChSnSb11-6锡基轴承合金
垫板采取30Cr
并有以下制造要求：本体铸成整圈
分割成若干块
合金浇注前挂纯锡
不许脱壳
瓦面粗糙度为8
瓦后面支顶垫板和后面贴紧不许有间隙
垫片热处理HRC35~40
支顶螺丝材料为锻钢35
热处理HRC40
细牙螺纹和螺帽选配
分块瓦轴承体材料为ZG30
支顶螺丝孔中心线和轴心线垂直
轴承体法兰面和分块瓦承托面平行
误差不超出0.03~0.05毫米
2.5.4主轴密封
主轴部分密封装置分两种
一个是机组正常运行中
橡胶轴承压力水箱密封
稀油轴承下部预防机组漏水主轴密封
这一个密封结构形式很多
如盘根、垫料式密封
单层或双层橡胶密封
径向式端面碳精块（尼龙块）密封
水泵密封等等
此次设计中采取是水压式端面密封
这种密封方法检修维护方便
结构简单
工作寿命长
其结构见图2-30
另一个是机组停机检修轴承和轴承下部主轴密封时预防尾水往机坑内泄漏检修密封
这种密封结构形式有空气围带式、机械操作式或抬机密封等多个
在此次设计中采取是空气围带式密封
采取压缩空气压力是4～7 千克/厘米2
其所采取围带剖面尺寸见下图2-27：
图2-27水压式主轴密封
2.6 操作油管
转桨式水轮机转轮接力器操作油管装于主轴中心孔内
通常
操作油管用两根无缝钢管组成内外两个压力油腔
上部接至受油器
下部和转轮接力器活塞杆连接
操作油管外油腔和转轮接力器活塞上部油腔联通
内腔则和活塞下部油腔联通
此次设计中操作油管被分为数段
使用方法兰连接
这关键是考虑到电站部署
主轴和接力器结构改变
为满足动作灵活
加工、装卸方便
依据《水轮机设计手册》中要求
参考已经有电站资料
本水电站操作油管水轮机段得结构图2-28所表示：
图2-28 操作油管示意图
2.7 转轮部分
2.7.1 叶片
叶片由本体和枢轴组成
叶片本体和枢轴连接方法有两种
一个是用分别整体铸造；一个是采取分开铸造
加工后用螺钉或销钉等机械零件组合
因为本机组属于大型机组
所以叶片和枢轴采取分别铸造
然后用螺钉连接
叶片材料为ZG20SiMn
因为该材料抗汽蚀性能差
所以依据电站运行条件
在表面堆焊不锈钢层
以提升转轮抗汽蚀性能
叶片枢轴支承在转轮体上
采取滑动轴承结构
轴承衬为青铜
2.7.2 转轮体
转轮体外表面是过流通道一部分
其内部则装有全部叶片和操作机构
上部和主轴联接
下部接泄水锥
形状较为复杂
在此次设计中转轮体采取ZG20MnSi 整铸而成
转轮体外圆采取球形结构
球形轮毂能使叶片和转轮体表面配合良好
在多种叶片转角下它们之间间隙能够很小
从而减小容积损失
在此次毕业设计中
转轮体和主轴联接时
采取是转轮上盖和主轴法兰合一结构
图2-29转轮结构图
2.7.3 叶片操作机构和接力器
叶片操作机构型式很多
此次设计采取是带直连杆操作架结构
因为其零件数少
结构简单
转轮体高度可降低
故其在水轮机
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