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水轮机说明书
课程设计说明书
设计题目：
水轮机发电机构结构设计
学生姓名：
马育斌
学号：
201001102127
班级：
机制10-1班
完成日期：
指导教师（签字）：
马淑霞
摘要
水轮机是当今社会水力发电必不可少的发电设备，所以研究它的组成及密封有非常重要的意义。
本次毕业设计我们注重研究轴流式水轮机。
轴流式水轮机传动部分主要由主轴和转轮体组成，而轴流式水轮机转轮由转轮体、叶片、泄水锥组成。
在这里我们不久要设计转轮和主轴的结构，我们还要设计它们的密封装置，以及校核各种零件的强度。
在本次设计中，我们不久设计了水轮机的主轴结构，而且画了装配图和大量的零件图，以及几种零件的加工工艺过程。
通过这次的毕业设计为以后工作打下了结实基础。
关键词：
水轮机；泄水锥；密封装置
Abstract
第1章绪论
1.1课题背景及意义
1.1.1水轮机发电机构设计的历史背景
我国蕴藏着极其丰富的水力资源，理论蕴藏量为6.76亿千瓦，可开发利用的水力资源的装机总容量为3.78亿千瓦。
丰富的水力资源为我国电力建设提供了可持续发展的清洁再生能源。
但是到2001年底，我国的水电装机的总容量仅仅为8300万千瓦，只占可开发总量的22%左右。
根据我国电力工业的现状和电力市场发展的变化，以及世界日益关注的“能源与环境”主题和我国电力结构重新调整的能源政策，即今后电力发展的方针是：
开发与节约并重，优先发展电力优先发展火力，适当发展核电，积极发展新能源，促进全国联网。
由此看来，大力发展水电势在必行。
而根据我国水电发展中长期计划，水电建设将迎来一个十年大发展时期。
到2010年我国的水电装机规模将达到1.25亿千瓦以上，占可开发装机容量的33.1%以上。
由此算来，从2000年稻草2010年我国平均每年将增加水电装机容量500万千瓦以上，才能完成水电的发展规划。
丰富的水力资源和优先大力发展水电的能源结构调整政策与自力更生的建设方针，为我国水电设备制造业的发展带来了广阔的前景。
电力是国名经济发展的命脉。
目前我国有水力发电、火力发电、核电和风力发电等几种发电形式，其中水力发电不需要燃料，不需运输，运行成本低廉，运转灵活，速动性高，调度性能好，不污染环境，可以成为电力系统中经济可靠的备用负荷和担负尖峰负荷的优质电源。
近年来，随着我国工农业事业的蓬勃发展，对电力的需求也随之增大，带动一大批大中型水电站和蓄能电站相继开工和投运。
据初步统计，2005年我国新投产机组约为6840万~7000万kw，全国总装机容量将达到5.1亿~5.2亿kw，发电量约为2.5万亿kw·h。
根据2005年经济社会发展的主要预期目标，预计国名生产总值（GDP）将保持8%的增长速度，全国电力消费的增速将相应达到12%左右，全社会用电量将达到24220亿kw·h。
随着三峡电站水轮发电机组的投产和龙滩、小湾、向家坝、溪洛渡等一大批700MW机组的开工建设，标志着我国水电建设迎来了一个大发展时期。
但是，巨型常规机组、大型蓄能机组和大型贯流机组的使用是水电发展的大好机遇，同时也给科研、设计、制造、安装和运行带来许多值得深入研究的问题。
上述情况充分说明了本课题有着广泛的应用背景。
1.1.2水轮机的简介
水轮机是把水流的能量转换为旋转机械能的动力机械，它属于流体机械中的透平机械。
早在公元前100年前后，中国就出现了水轮机的雏形——水轮，用于提灌和驱动粮食加工器械。
现代水轮机则大多数安装在水电站内，用来驱动发电机发电。
在水电站中，上游水库中的水经引水管引向水轮机，推动水轮机转轮旋转，带动发电机发电。
作完功的水则通过尾水管道排向下游。
水头越高、流量越大，水轮机的输出功率也就越大。
水轮机是一种将水能转换为机械能的动力机械。
在大多数情况下，将这种机械能通过发电机转换为电能，因此水轮机是为谁能利用和发电服务的。
水是人类在生活和生产中能依赖的最重要的自然资源之一，我们的祖先很早以前就和洪水开展了斗争并学会了利用水能。
公园前二千多年的大禹治水，至今还为人们所称颂。
公元37年中国人发明了用水轮带动的鼓风设备-水排，公元260-270年中国人创造了水碾，公元220-300年间发明了用水轮带动的水磨，这些水力机械结构简单，制造容易。
缺点是笨重、出力小、效率低。
真正大规模地对水力资源合理开发和利用，是在近代工业发展和有关发电、航运等技术发展以后。
水利资源的综合开发和利用，是指通过修建水利枢纽工程来进行对河流水力资源在防洪、灌溉、航运、发电以及水产等发明的综合利用。
我国的水电发展设备事业也是在新中国成立以后才有了蓬勃发展，1975年我国还只能自行设计制造7.5万千瓦的新安江水电站，到现在我国已能自行设计制造单机容量70万千瓦的混流式水轮机发电机组及单机容量17万千瓦的轴流转桨式水轮发电机组。
现在，我国的水力设备的设计、制造水平已达到世界先进水平。
我国设计、制造的水力发电设备远销到美国、加拿大、菲律宾、土耳其、南斯拉夫、越南等国，受到了这些国家的欢迎。
1.1.3水轮机的主要工作参数
1.水头H（米）
连续水流两断面间单位能量的差值称为水头。
当上游水流经压力管进入水轮机，通过水轮机后，由尾水管排往下游，上下游水位高程之差，称为水电站静水头或毛水头。
它的大小直接决定水轮机工作水头的大小。
由此可见，水头是水轮机的一个重要参数，它的大小直接影响着水轮机出力的大小和水轮机型式的选择。
2.出力
单位时间内流经水轮机的水流所具有的能量，称为通过水轮机的“水流的出力”，用Np^0表示。
Np^0=9.81QH（千瓦）。
3.效率
水轮机的出力N通过水轮机水流的出力Np^0之比，称为水轮机的效率，用η表示。
显然效率是表面水轮机对水流能量的有效利用程度，是一个无量纲的物理量，用百分数（%）表示。
1.4水轮机的工作原理
水轮机在工作时，将水流的绝大部分机械能转化为主轴的旋转机械能并传给发电机发电。
水流
1.1.5水轮机的分类
水轮机按能量转换特征分为两类，即反击式和冲击式。
而每一类水轮机又根据转轮区内水流的特征和转轮的结构特征又分为多种形式。
1、根据水流能量转换特征：
有反击式与冲击式。
2、4、水轮机利用的能量为水流势能和水流动能的总和：
EP+EC=1
若Ep=0，Ec=1，这种利用水流动能的水轮机称为冲击式水轮机。
若0＜Ep<1，Ep＋Ev=1，这种同时利用水流动能和势能的水轮机称为反击式水轮机。
二、轴流式水轮机的结构特征：
轴流式水轮机
适用于较低水头的电站。
在相同水头下，其比转数较混流式水轮机为高。
轴流定桨式水轮机的叶片固定在转轮体上。
一般安装高度在3-50m。
，叶片安放角不能在运行中改变，结构简单，效率较低，适用于负荷变化小或可以用调整机组运行台数来适应负荷变化的电站。
轴流转桨式水轮机是奥地利工程师卡普兰在1920年发明的，故又称卡普兰水轮机。
一般安装高度在3-80m。
其转轮叶片一般由装在转轮体内的油压接力器操作，可按水头和负荷变化作相应转动，以保持活动导叶转角和叶片转角间的最优配合，从而提高平均效率，这类水轮机的最高效率有的已超过94%。
典型例子就是葛洲坝。
第2章水轮机的选型计算
2.1电站主要数据
1.电站水位及水头
上游正常蓄水位：
1255.4m
设计尾水位：
1229.1m
最低尾水位：
1228.22m
最大水头Hmax：
27.29m
最小水头Hmin：
22.33m
额定水头Hr：
24.5m
加权平均水头Ha：
25.29m
2.电站单机引用流量Q：
26.67m³／s
3.电站装机容量:
3×5000Kw
4.电站运行方式：
35kv并网运行，不作调相运行
5.海拔高程：
厂房发电机层高程：
1233.13m
水轮机安装高程：
1226.3m
2.2水轮机选型计算
2.2.1水轮机设计数据
最大水头（m）27.29最小水头（m）22.33
额定水头（m）24.5加权平均水头（m）25.29
额定流量（m）26.76
发电机额定功率（kw）P=5000（5700）
发电机效率ηg=0.95
水轮机额定出力（kw）
N=P/ηg=5700/0.95=6000kw
2.2.2转轮直径D1、额定转速n、效率修正
根据电站参数Hr=24.5m\Qr=26.76m³/s,选用国内外较先进的转轮之一
JP502型转轮，该转轮最优单位转速n=127.8r/min,单位流量Q=1.33m³/s,限
制工况单位流量Q=1.480m³/s
1.转轮直径D1
估取单位流量Q1=1.31m³/s.水轮机效率ηt=0.935
则：
D1=2.029m
取D1=2.02m
2.额定转速n
取相接近的发电机同步转速n=300r/min
3.水轮机效率修正
式中：
K--系数，K=0.6-0.8
Ηmax--模型水轮机的最高效率
Dm--模型水轮机转轮公称直径，m
Dt--原型水轮机转轮公称直径，m
考虑到原型水轮机与模型水轮机不完全相似，过流部分的影响及制造误
差等原因，最终取ηm=ηt
2.3不同水头时的相关参数计算
2.3.1额定水头24.5米时
单位转速122.4r/min
单位流量
Q1=1.3249m³/s
流量Q=26.7596m³/s
从模型曲线查知：
ηm=0.9329δm=0.158则：
ηt=0.9329
水轮机出力
N=9.81×Q×H×h×9.81×26.76×24.5×0.9329=6000.06kw
吸出高度
Hs=10×E/900×KδHB/2=6.98m
式中Kδ--系数，混流式不锈钢转轮Kδ≤1.1-1.2
E--水轮机安装高程m
B--活动导叶高度Bo=0.35×D1
2.3.2最大水头27.29米时
单位转速
N=115.4r/min
单位流量
Q1=1.031m³/s
流量
Q=11.301m³/s
从模型曲线查知：
ηm=0.883δm=0.058则：
ηt=0.883
水轮机出力
N水=9.81xQxHxh=9.81x11.031x27.18x0.883=2669.7Kw
吸出高度
H=7.09m
2.3.3最小水头22.33米时
单位转速
N=128.2r/min
引用流量
Q=26.76m³/s
单位流量
Q1=22.17m³/s
从模型曲线查知：
ηm=0.90δm=0.162则：
ηt=0.90
流量
水轮机出力
N水=9.81xQxHxh=4288.3Kw
吸出高度
H=1.546m
综合上述计算，最大允许吸出高度结合结果尺寸，尾水管地板高程相对值-4.05.，尾水管出口高度2.004，考虑淹没深度0.5m，最终Hsmax=4.050-2.004-0.5=1.546m,取Hs≤1.5m.
2.4.飞逸转速
单位飞逸转速n＇=166.4r/min则：
取n=598r/min
2.5.轴向推力计算
轴向水推力.6db
式中：
k--水推力系数
转轮水推力系数k=0.85-0.9.取k=0.9
转轮重量
实际重量Gn=2.5t
主轴重量
实际重量Gn=2.8t
轴向力
2.6水轮机的基本参数
水轮机设备配套一览表
序号
名称
数据
1
额定水头Hr（m）
24.5
2
最大水头Hmax（m）
27.29
3
最小水头Hmin（m）
22.33
4
加权平均水头Ha（m）
23.02
5
额定流量Qr（m3/s）
26.76
6
额定转速n（r/min）
300
7
最大飞逸转速nR（r/min）
758.7
8
水轮机额定出力Nr（Kw）
6000
9
水轮机允许吸出高度Hs（m）
1.5
10
水轮机轴向推力P（t）
22.419
11
水轮机总重量（t）
33.4
12
机组台数
3
2.7轴，法兰盘，螺栓，螺母及连接销的校核
2.7.1主轴强度计算按精配螺栓传递扭矩计算
主轴传递功率N水（Kw）6000
飞逸转速Nr（r/min）758.74
额定转速n（r/min）300
主轴直径dz（cm）35
主轴法兰直径D1（cm）61
法兰厚度h（cm）10
主轴重量Gl（kg）1973
轴向水推力F（kg）79710
转轮重量Gn（kg）2860
轴向力P（kg）224192
主轴联轴螺栓分布圆直径D3（cm）49
主轴法兰处半径p（cm）3
当g≥h时
g=dz+D2/2=35+0/2=17.5cmRpj=dz+D2/4=35+0/4=8.75cm
r1=D1/2=61/2=30.5cmr3=D3/2=49/2=24.5cm
r1/rpj=30.5/8.75=3.94cmp/dz=3/35=0.086D1/dz=61/35=1.74
主轴轴身强度计算
该水轮机主轴采用优质35#锻制
扭矩
Mkp=97400N/n=97400x6000/300=1948000kgf/cm
截面积
F=/4（dz2d22）=/4（35x35+0963.113cm2
断面模数
Wp=/16dz（dz4+d2）=/16+30（35+0）=8418.487cm3
轴身应力
扭应力
Mkp/Wp=19480000/8418.487=231.4kgf/cm2≤400kgf/cm2
拉伸应力
P/F=22419/706.858=31.72kgf/cm2≤250kgf/cm2
合成应力
故安全
2.7.2法兰强度计算
计算力
系数
式中：
Z=1（对于水轮机主轴法兰）
径向应力
扭应力
均满足要求，所以安全
2.7.3连接螺栓应力
螺栓数12（个）
螺纹内径d1=4.08（cm）
每一个螺栓的轴向力
F=（1.7×224190）/12+0.6×224190=166274.25N
剪力
F=（9550×6000）/（48.83×758.74）/12=1288.8N
螺栓的最小截面积
S=3.14×4.8²/4=18.086cm²
螺纹部分拉伸应力
F=600×18.086=10851.6N
L螺栓配合部分直径d（厘米）4.8cm
长度L（厘米）23cm
面积S（平方厘米）
拉伸应力
剪应力
压应力
综合应力
2.7.4联结螺母应力166274.25N
配扳手尺寸S（厘米）8.26
螺纹断面内径d2厘（米）4.8
轴向作用圆周直径
Dzl﹦490mm
螺纹外径do（cm）4.8
螺纹内径d1（cm）4.08
平均直径dpj（cm）4.44
螺纹高度H（cm）3.84
螺纹节距S1（cm）0.2
螺纹圈数α
α＝H/S1＝3.2/0.3＝10.67
齿高t（cm）7.2
按S/dpj查曲线图4—5的系数k2
计算力
Pj＝
切向应力1288.8N
螺母端面压应力36.8Mpa
螺母螺纹应力166274.25N
螺母螺纹弯曲应力54723.2N
螺母螺纹剪应力1288.8N
螺母螺纹压应力166274.25N
均满足要求，所以安全
2.7.5连接销的应力
销子的数目8（个）
销子的尺寸50×130
每个销子所受的轴向力
F=（9550×6000）/（3.05×758.74）/8=24760.6N
所以每个销子所受的轴向强度为σ=（24760.6×4）/（3,14×2500）=12.62Mpa
因为销子所用的是45钢，所以强度足够，可以安全使用
第3章机械装配图的设计和绘制
3.1水轮机主轴装配草图的设计和绘制
一、装配草图设计的基本任务和准备工作
装配草图设计的基本任务是通过绘图考察初拟的运动参数、各传动件的结构和尺寸是否协调、是否干涉；定出轴的结构、跨距和受力点的位置以计算轴和轴承；确定出所有部件和零件的结构与尺寸，为零件工作图设计和装配图总成设计提供必须的结构尺寸和依据。
装配草图设计的准备工作主要有两方面：
1.由运动简图划分部件，明确各部件运动、动力和主要参数组成。
由总体设计、传动件设计可获得电动机的型号、额定功率、输出功率、满载转速，各轴的转速、输入功率和转矩，减速器两齿轮的模数、齿数、轮宽、中心距和圆周速度，v带传动的型号、带长，根数、两V带轮的宽度，基准直径和中心距等主要参数和尺寸数据。
2．考虑选择结构方案
运动简图通常仅表示机械传动系统和布局大意，进行装配草图设计时应进一步考虑选择结构方案。
如按图5—1所示胶带输送机的工作要求、运动简图及其主要参数和尺寸数据，可考虑为：
V带传动——用于键和电动机、齿轮减速器相联，并由电动机在轨上调整张紧力；减速器——水平剖分式、干壁式、铸造箱体，齿轮浸油润滑，轴承脂润滑并设封油环，采用深沟球轴承、两端单向固定，螺钉联接式轴承盖并用调整垫片组调整轴系位置和间隙，轴伸出处采用毡圈密封，驱动卷筒轴系部件——铸造卷筒用平键、紧定螺钉与轴固定．剖分式滚动轴承座支承；机架——槽钢焊接结构机架，用螺栓分别与电动机滑轨、减速器、卷筒轴轴承座联接；联轴器——滑块联轴器，用于键与减速器输出轴、驱动卷筒主轴联接．
二、部件装配草图的设计和绘制
在组成机械的各部件中应选择对机械总体关联和影响最大的部件先行设计，胶带输送机中考虑为齿轮减速器。
现以该直齿圆柱齿轮减速器为例，说明部件装配草图设计和绘制的大致步骤。
1．选择视图、图纸幅面、图样比例及布置图面位置
在选择图样比例和布置图面之前，应根据传动件的中心距、顶圆直径及轮宽等主要结构尺寸及参考相近似的装配图，估计出外廓尺寸，并考虑零件序号、尺寸标注、明细表、标题栏、技术特性表及技术要求的文字说明等所需田面空间，选择图样比例、合理布置田面．通常将正视图和俯视图布置在图纸左侧，明细表、标题栏和技术特性布置在图纸右侧。
图样比例须符合标准规定，为增强设计的真实感，应优先采用l：
1的图样比例，若视图相对图纸尺寸过大或过小时，也可选用其它合适且常用的图样比例。
视图、图纸幅面，图样比例的选择和图面位置的布置，彼此密切相关，绘图时应全盘考虑、统筹兼顾、合理选定。
2．画传动件的中心线及轮廓线、箱体的内壁线
传动件、轴和轴承是减速器的主要零件，其它零件的结构和尺寸通常均需随后设计才能确定．绘图时先画主要零件，后画其它零件，由箱内零件画起，内外兼顾，逐步向外展开。
为此，应先画传动零件的中心线（在图面上也起到基准定位的作用）、齿顶圆、节圆、齿根圆、轮缘及轮毂宽等轮廓线,按箱体内壁与小齿轮端面应留有一定间距（为箱座壁厚）的关系画出沿箱体长度方向的两条内壁线，再按箱体内壁与大齿轮顶圆应留有一定间距d1≥1．2d的关系画出沿箱体宽度方向的一条内壁线，画图时应以一个视图为主，兼顾几个视图。
对于圆柱齿轮减速器，小齿轮顶圆与箱体内壁间的距离暂不确定，待进一步设计结构时，再由正视图上箱体结构的投影确定。
3．初估轴的外伸端直径；通过绘图进行轴和轴承部件结构的初步设计及轴上零件作用力的位置。
4．轴、轴承及键联接的校核计算
根据以上初绘草图阶段所定的轴的结构、支点和轴上零件的力作用点，分析轴所受的力。
按适当比例绘制弯矩图、扭矩图及当量弯矩图，并在其上同时在结构图上判定并标出轴的若干危险剖面．参照教材对各危险剖面校核轴的强度．校核时若发现轴的强度不够，则应加大轴径，或修改轴的结构参数（如加大圆角半径等），以降低应力及应力集中程度。
若轴的强度富裕，且其计算应力或安全系数与许用值相差不大，则以轴结构设计时确定的轴径为准，一般不再修改．对于强度裕量过大的情况，也应在综合考虑刚度，结构要求以及轴承和键联接等的工作能力后决定是否修改，以防顾此失彼．
滚动轴承的寿命最好与减速器的使用寿命或减速器的检修期（2～3年）大致相符．若计算结果表明轴承的寿命达不到上述要求，可不改变原选轴承而改用5000～10000小时作为设计寿命，而在使用过程中需定时更换轴承。
在轴承寿命达不到规定要求时，宜先考虑选用另一种直径系列的轴承，其次再考虑改换轴承类型，提高轴承基本筋定动载荷。
平键联接主要校核挤压强度，计算时需注意许用挤压应力应按键、轴、轮彀三者材料最弱的选取，并注意正确计算键长。
若强度不够，则可通过加大键的长度，改用双键、花键，加大轴径等措施来满足强度要求。
5．进一步绘图，进行传动件、固定装置、密封装置，箱体及附件的结构设计
上述设计的具体结构和尺寸关系可参阅其它书籍阐述与分析，我们应在融汇贯通的基础上发挥创造性，独立进行本阶段的设计工作，并注意绘图时应先主件后附件，先主体后局部，先轮廓后细部，同时在三个视图上交替进行．
3.2装配工作图的绘制和总成设计
在完成装配草图的基础上，应进一步将总成绘制成为可供生产用的、正式的、完整的装配工作图。
其上应包括必要的结构视图与尺寸、零部件序号、明细表、标题栏以及技术特性和技术要求等内容。
现仍以减速器为例，对以上内容分别提示如下。
一、按机械制图标准绘制结构视图
装配工作图各视图都应完整、清晰，避免采用虚线表示零件的结构形状，对必须表达的内部结构或细部结构，可以用局部剖视或向视图表示。
装配图上某些结构可用机械制图标准规定的简化画法，例如螺栓、螺母、滚动轴承可以采用简化画法；对于类型、尺寸、规格、材料均相同的螺栓联接，可以只画一个，其它则用中心线表示．
．
二、标注主要尺寸和配合
1．特性尺寸
反映技术性能、规格或特征的尺寸。
2．安装尺寸
为设计支承件（如机架、电动机座），外接零件提供联系的尺寸：
如减速器箱体底面的尺寸脚螺栓孔的直径与中心距，地脚螺栓孔的定位尺寸，轴外伸端的配合直径、配合长度、中心高及端面定位尺寸等。
4．配合尺寸
表明各配合零件之间装配关系的尺寸，如传动件与轴头，轴承内孔与轴颈，轴承外围与轴承座孔的配合尺寸．在标注这些尺寸的同时，应认真考虑并注明选用何种基准制、配合性质及精度等级。
三、编制零件序号、明细表和标题栏
装配工作图上所有零件均应标出序号，但对形状、尺寸及材料完全相同的零件只需标一个序号。
各独立部件，如滚动轴承，通气器和油标等，虽然是由几个零件所组成，也只编一个序号。
对于装配关系清楚的零件组（如螺栓、螺母及垫圈），可用一条公用指引线，但各零件仍应分别给予编号。
序号应安排在视图外边，并沿水平方向及垂直方向以顺时针或逆时针顺序整齐排列，不得重复和遗漏。
各序号引线不应相交，并尽可能不与视图的剖面线平行．
明细表和标题栏在装配工作图上的布置可参见设计手册，标题栏应布置在图纸的右下角．明细表和标题栏的格式可参见设计手册。
对装配图中每一个序号均应在明细表中由下向上顺序编填，各标准件应按规定方式标记。
材料应注明牌号，外购件一般应在备注栏内写明．编制明细表也是最后确定材料及标准件的过程，应当认真对待．要注意尽量减少材料和标准件的品种和规格。
四、标出技术特性
通常采用列表形式在装配图上的适当位置标出技术特性，减速器的技术特性所列项目一般为输入功率和转速、传动效率、总传动比和传动特性（各级传动比及各级传动的主要参数、精度
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