水轮机导水控止装置结构设计及加工工艺_毕业设计(论文)(编辑修改稿)

水轮机导水控止装置结构设计及加工工艺_毕业设计(论文)(编辑修改稿)内容摘要：

不断切割磁力线，就在其中感应出电动势将机械能转变成电能的电机。 通常由汽轮机、水轮机或内燃机驱动。 小型发电机也有用风车或其他机械经齿轮或皮带驱动的。 发电机分为直流发电机和交流发电机两大类。 后者又可分为同步发电机和异步发电机两种。 现代发电站中最常用的是同步发电机。 这种发电机的特点是由直流电流励磁 ,既能提供有功功率，也能提供无功功率 ,可满足各种负载的需要。 异步发电机由于没有独立的励磁绕组 ，其结构简单，操作方便，但是不能向负载提供无功功率，而且还需要从所接电网中汲取滞后的磁化电流。 因此异步发电机运行时必须与其他同步电机并联，或者并接相当数量的电容器。 这限制了异步发电机的应用范围，只能较多地应用于小型自动化水电站。 城市电车、电解、电化学等行业所用的直流电源，在 20 世 纪 50 年代以前多采用直流发电机。 但是直流发电机有换向器，结构复杂，制造费时，价格较贵，且易出故障，维护困难，效率也不如交流发电机。 故大功率可控整流器问世以来，有利用交流电源经半导体整流获得直流电以取代直流发电机的趋势。 同步发电机 按所用原动机的不同分为汽轮发电机、水轮发电机和柴油发电机 3 种。 它们结构上的共同点是除了小型电机有用永久磁铁产生磁场以外，一般的磁场都是由通直流电的励磁线圈产生，而且励磁线圈放在转子上，电枢绕组放在定子上。 因为励磁线圈的电压较低，功率较小，又只有两个出线头，容易通过滑环引出；而电枢绕组电压较高 ,功率又大，多用三相绕组 ,有 3 个或4 个引出头，放在定子上比较方便。 发电机的电枢 (定子 )铁心用硅钢片叠成，以减少铁耗。 转子铁心由于通过的磁通不变，可以用整体的钢块制成。 在大型兰州工业学院毕业设计（论文） 8 电机中，由于转子承受着强大的离心力，制造转子的 材料必须选用优质钢材。 电能是现代社会最主要的能源之一。 发电机是将其他形式的能源转换成电能的机械设备，它由水轮机、汽轮机、柴油机或其他动力机械驱动，将水流，气流，燃料燃烧或原子核裂变产生的能量转化为机械能传给发电机，再由发电机转换为电能。 发电机在工农业生产，国防，科技及日常生活中有广泛的用途。 发电机的形式很多，但其工作原理都基于电磁感应定律和电磁力定律。 因此，其构造的一般原则是：用适当的导磁和导电材料构成互相进行电磁感应的磁路和电路，以产生电磁功率，达到能量转换的目的。 由水轮机驱动的发电机。 由于 水电站自然条件的不同，水轮发电机组的容量和转速的变化范围很大。 通常小型水轮发电机和冲击式水轮机驱动的高速水轮发电机多采用卧式结构，而大、中型代速发电机多采用立式结构。 由于水电站多数处在远离城市的地方，通常需要经过较长输电线路向负载供电，因此，电力系统对水轮发电机的运行稳定性提出了较高的要求：电机参数需要仔细选择；对转子的转动惯量要求较大。 所以，水轮发电机的外型与汽轮发电机不同，它的转子直径大而长度短。 水轮发电机组起动、并网所需时间较短 ,运行调度灵活 ,它除了一般发电以外，特别适宜于作为调峰机组和事故备用机组。 水轮发电机组的最大容量已达 70 万千瓦。 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。 一 .根据水流能量转换特征：有反击式与冲击式。 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 0Ep1， 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 .根据水流进出转轮的方 向和转轮的结构特征分： 水轮机按工作原理可分为冲击式水轮机和反击式水轮机两大类。 冲击式水兰州工业学院毕业设计（论文） 9 轮机的转轮受到水流的冲击而旋转，工作过程中水流的压力不变，主要是动能的转换；反击式水轮机的转轮在水中受到水流的反作用力而旋转，工作过程中水流的压力能和动能均有改变，但主要是压力能的转换。 冲击式水轮机 冲击式水轮机按水流的流向可分为切击式 (又称水斗式 )和斜击式两类。 斜击式水 轮机的结构与水斗式水轮机基本相同，只是射流方向有一个倾角，只用于小型机组。 理论分析证明，当水斗节圆处的圆周速度约为射流速度的一半时，效率最高。 这种水轮机在负荷发生变化时，转轮的进水速度方向不变，加之这类水轮机都用于高水头电站，水头变化相对较小，速度变化不大，因而效率受负荷变化的影响较小，效率曲线比较平缓，最高效率超过 91%。 反击式水轮机 反击式水轮机可分为混流式、轴流式、斜流式和贯流式。 在混流式水轮机中，水流径向进入导水机构，轴向流出转轮；在轴流式水轮机中，水流径向进入导叶，轴向进入和流出转轮；在斜流式水轮机中，水流径向进入导叶而以倾斜于主轴某一角度的方向流进转轮，或以倾斜于主轴的方向流进导叶和转轮；在贯流式水轮机中，水流沿轴向流进导叶和转轮。 轴流式、贯流式和斜流理图式水轮机按其结构还可分为定桨式和转桨式。 定桨式的转轮叶片是固定的；转桨式的转轮叶片可以在运行中绕叶片轴转动，以适应水头和负荷的变化。 各种类型的反击式水轮机都设有进水装置，大、中型立轴反击式水轮机的进水装置一般由蜗壳、固定导叶和活动导叶组成。 蜗壳的作用是把水流均匀分布到转轮周围。 当水头在 40 米以下时，水轮机的蜗壳常用钢筋混凝土在现场浇注而成；水头高于 40 米时，则常采用拼焊或整铸的金属蜗壳。 在反击式水轮机中，水流充满整个转轮流道，全部叶片同时受到水流的作用，所以在同样的水头 下，转轮直径小于冲击式水轮机。 它们的最高效率也高兰州工业学院毕业设计（论文） 10 于冲击式水轮机，但当负荷变化时，水轮机的效率受到不同程度的影响。 反击式水轮机都设有尾水管，其作用是：回收转轮出口处水流的动能；把水流排向下游；当转轮的安装位置高于下游水位时，将此位能转化为压力能予以回收。 对于低水头大流量的水轮机，转轮的出口动能相对较大，尾水管的回收性能对水轮机的效率有显著影响。 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 350m。 ，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 380m。 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。 贯流式水轮机 贯流式水轮机的导叶和转轮间的水流基本上无变向流动，加上采用直锥形尾水管，排流不必在尾水管中转弯， 所以效率高，过流能力大，比转数高，特别适用于水头为 3～ 20 米的低水头小型河床电站。 这种水轮机装在潮汐电站内还可以实现双向发电。 这种水轮机有多种结构，使用最多的是灯泡式水轮机。 灯泡式机组的发电机装在水密的灯泡体内。 其转轮既可以设计成定桨式，也可以设计成转桨式。 其中又可以细分为贯流式和半贯流式。 世界上最大的灯泡式水轮机 (转桨式半贯流 )装在美国的罗克岛第二电站，水头 米，转速为 转 /分，转轮直径为 米，单机功率为 54兆瓦，于 1978 年投入运行。 混流式水轮机 混流式的转轮一般用低碳钢或低 合金钢铸件，或者采用铸焊结构。 为提高兰州工业学院毕业设计（论文） 11 抗汽蚀和抗泥沙磨损性能，可在易气蚀部位堆焊不锈钢，或采用不锈钢叶片，有时也可整个转轮采用不锈钢。 采用铸焊结构能降低成本，并使流道尺寸更精确，流道表面更光滑，有利于提高水轮机的效率，还可以分别用不同材料制造叶片、上冠和下环。 典型例子是我国的刘家峡。 斜流式水轮机 斜流式水轮机上，随着水头和负荷的变化，转轮体内的油压接力器操作叶片绕其轴线相应转动。 它的最高效率稍低于混流式水轮机，但平均效率大大高于混流式水轮机；与轴流转桨水轮机相比，抗气蚀性能较好，飞逸转速较低，适用于 40～ 120 米水头。 由于斜流式水轮机结构复杂、造价高，一般只在不宜使用混流式或轴流式水轮机，或不够理想时才采用。 这种水轮机还可用作可逆式水泵水轮机。 当它在水泵工况启动时，转轮叶片可关闭成近于封闭的圆锥因而能减小电动机的启动负荷。 水轮机的主 数 要参 H（米） 连续水流两断面间单位能量的差值称为水头。 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。 单位时间内流经水轮机的水量（体积）称为水轮机的流量，用 Q 表示。 通常用 立方米 /秒为单位。 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 表示。 Np=（千瓦）。 水轮机的出力 N 通过水轮机水流的出力 Np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。 兰州工业学院毕业设计（论文） 12 水轮机主轴在单位时间内的旋转次数，称为水轮机的转速，用 n 表示，通常采用“转 /分”作单位。 水轮机按工作原理可分为冲击式水轮机和反击式水轮机两大类。 冲击式水轮机的转轮。 受到水流的冲击而旋转，工作过程中水流的压力不变 ，主要是动能的转换；反击式水轮机的转轮在水中受到水流的反作用力而旋转，工作过程中水流的压力能和动能均有改变，但主要是压力能的转换。 2 水轮机导水机构方案设计及校核 水轮机导水控制部分的基本参数 表 21 水轮机设备配套一览表 序号 名 称 数 据 1 额定水头 Hr(m) 兰州工业学院毕业设计（论文） 13 2 最大水头 Hmax（ m） 3 最小水头 Hmin（ m） 4 加权平均水头 Ha（ m） 5 额定流量 Qr（ m3/s） 6 额定转速 n（ r/min） 300 7 最大飞逸转速 nR(r/min) 8 水轮机额定出力 Nr(Kw) 6000 9 水轮机允许吸出高度 Hs（ m） 10 水轮机轴向推力 P（ t） 11 水轮机总重量（ t） 12 水轮机型号 JP502LJ202 13 调速器型号 YWT5000 14 蝶阀型号 2250KD741X6vs 15 机组台数 3 速机构中主要零件强度、刚度计算 2. 2. 1 操作力及力矩 调速器接力器产生的作用力 Hmc PddP 4 )(22   （ 21） k gfPcmk gfPPcmddHHmm19 31 17 . 08252接力器额定工作油压器推拉杆直径）套筒直径（小型为接力 1kM PR （ 22） P――接力器产生的轴向作用力 P＝ 兰州工业学院毕业设计（论文） 14 1R —— 调速器的拐臂作用半径 1R = kM = = (忽略摩擦影响 ) (1)作用于两个推拉杆上总力 2RMp Kc  kM —— 作用于调速轴的力矩 kM = R2—— 摇臂作用半径 (水机 ) R2= kgfPC  (2)作用于一个推拉杆上的力 kgfPC 1 5 25 5 .521  调速轴强度与刚度计算 1. 中空轴管强度与刚度计算 （ 1） 强度计算 扭转应力 : PWMk， pW = 2pID= (1 )D  = 2/kgf cm （ 23） kM —— 作用于调速轴上的力矩 kM = pW — — 轴身抗扭断面模数 D—— 轴的外径 D=25cm d— — 空内轴的内径 d=22cm 许 用应力 : Q235［ τ］ =700 2/kgf cm 45 钢［τ］ =1000 2/kgf cm τ＜［ τ］ ,强度满足 （ 2）刚度计算 180kpMGJ   （ 24） 兰州工业学院毕业设计（论文） 15 G—— 弹性剪 切模数 对 钢 G= 105 2/kgf cm pJ — — 极惯性矩  —— 单位长度扭转角 对空心轴：  4432 1pDJ    = 254 （ ） =15625 4410m （ 25） 代入 24 式，得：。