【正文】 與動(dòng)力工程專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 1 1．前 言 概述 隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展 ,我國(guó)能源消耗不斷增大 ,環(huán)境污染不斷加劇 ,轉(zhuǎn)變能源結(jié)構(gòu)、促進(jìn)電力系統(tǒng)節(jié)能減排已成為全社會(huì)共同關(guān)注的焦點(diǎn) 。經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)電力的 需求逐步加大，為滿足電力供需關(guān)系，各種新能源和核電開(kāi)始投網(wǎng)運(yùn)行，這致使電力系統(tǒng)日負(fù)荷峰谷差越來(lái)越大。抽水蓄能電站作為目前解決盈余電能儲(chǔ)存問(wèn)題的最有效方式，其調(diào)峰填谷、調(diào)頻調(diào)相、旋轉(zhuǎn)備用的作用日益突出，對(duì)于提高電網(wǎng)穩(wěn)定性和供電質(zhì)量意義重大。目前，世界抽水蓄能技術(shù)正在不斷超高水頭、大容量方向發(fā)展，我國(guó)蓄能電站技術(shù)雖起步較晚，但至今也取得了較快的進(jìn)步，在諸多核心技術(shù)上實(shí)現(xiàn)了重大突破，正在逐步實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化進(jìn)程。水泵水輪機(jī)作為蓄能電站的核心設(shè)備，其機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性直接影響到運(yùn)行效率、運(yùn)行穩(wěn)定性等諸多方面，因此合理的結(jié)構(gòu) 設(shè)計(jì)是保障電站經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的首要前提。 福建仙游蓄能電站作為我國(guó)大型抽水蓄能電站的代表之一，對(duì)國(guó)內(nèi)整個(gè)抽水蓄能技術(shù)的發(fā)展起到了極大的借鑒和推動(dòng)作用。本次畢業(yè)設(shè)計(jì)通過(guò)查閱各種參考文獻(xiàn)和水輪機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)，在掌握常規(guī)水輪機(jī)機(jī)組結(jié)構(gòu)的前提下，學(xué)習(xí)水泵水輪機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。并以福建仙游抽水蓄能電站為對(duì)象，參考相同水頭段其他蓄能電站機(jī)組結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，完成對(duì)該電站水泵水輪機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。既可以將平時(shí)的專業(yè)理論知識(shí)進(jìn)行系統(tǒng)的實(shí)踐練習(xí)，又能通過(guò)各種中外文文獻(xiàn)的學(xué)習(xí)，了解專業(yè)領(lǐng)域最新的研究方向。更重要的是在完成畢業(yè)設(shè)計(jì)的過(guò)程中，能發(fā)現(xiàn)自己平時(shí) 學(xué)習(xí)和認(rèn)識(shí)上的疏漏點(diǎn)，及時(shí)的進(jìn)行完善和彌補(bǔ)。通過(guò)本次畢業(yè)設(shè)計(jì)，進(jìn)一步提高自己的動(dòng)手和創(chuàng)新能力，深入了解常規(guī)水輪機(jī)及水泵水輪機(jī)的結(jié)構(gòu)，拓寬視野，為自己即將到來(lái)的研究生學(xué)習(xí)奠定良好的基礎(chǔ)。 CAD 制圖技術(shù)是本次畢業(yè)設(shè)計(jì)中使用到的重要工具，既確保了繪圖計(jì)算的準(zhǔn)確性，也使得整個(gè)設(shè)計(jì)及修改過(guò)程更加快捷方便，讓我們對(duì)軟件使用的熟練程度和使用技巧也得到很大的提高。 ：福建仙游蓄能電站水泵水輪機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 2 設(shè)計(jì)內(nèi)容 （一）根據(jù)給定的福建仙游蓄能電站基本資料進(jìn)行水輪機(jī)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) ，確定水輪機(jī)的主要特征尺 寸，對(duì)水輪機(jī)主要部件進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)； ； 。 （ 二 ）導(dǎo)水機(jī)構(gòu)傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) ； ； 原始資料 本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的基本參數(shù)如下： 單機(jī)容量： 300MW 擬用 水輪機(jī)型號(hào)： HLXLJ410 額定轉(zhuǎn)速： 水輪機(jī) 設(shè)計(jì)流量： m3/s 水泵流量：最大 m3/s 最小 m3/s 吸出高度： 65m 安裝高程： 205m 20xx 屆熱能與動(dòng)力工程專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 繪制軸面流道圖 可逆式水泵水輪機(jī)的轉(zhuǎn)輪要適應(yīng)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(jī)的軸面流道十分扁平，進(jìn)口直徑D1 與出口直徑 D2 的比率一般為 2： 1或更大，相對(duì)導(dǎo)葉高度 b0 不超過(guò) 10%。本設(shè)計(jì) 查閱福建仙游抽水蓄能電站相關(guān)資料，擬用轉(zhuǎn)輪型號(hào) HLXLJ410，其流道尺寸符號(hào)及數(shù)值分別如圖 2表 21所示。 圖 21 流道圖 表 21 流道尺寸 參數(shù)符號(hào) 數(shù)值（ mm） 參數(shù)符號(hào) 數(shù)值（ mm） D0 4743 R1 3636 D1 4158 R2 995 D2 1810 R3 60 Dk 1175 h1 1664 bo h2 1075 轉(zhuǎn)輪部分 轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu) ：福建仙游蓄能電站水泵水輪機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 4 轉(zhuǎn)輪是水輪機(jī)中直接將 水能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的部件，由于不受運(yùn)輸條件的限制 (錯(cuò)誤 !未找到引用源。 3886mm)，所以轉(zhuǎn)輪采用整體鑄造，轉(zhuǎn)輪由上冠、下環(huán)、 7個(gè)葉片和泄水錐等組成，材料為 Z5CN1704M。圖 22為轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)，尺寸如表 22所示 : 表 221 轉(zhuǎn)輪尺寸 轉(zhuǎn)輪連接 混流式轉(zhuǎn)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(jī)組中應(yīng)用較廣，但由于本設(shè)計(jì)為大型機(jī)組，故采用法蘭螺釘連接的方式，轉(zhuǎn)輪重量由發(fā)電機(jī)推力軸承承擔(dān)，轉(zhuǎn)輪法蘭尺寸符號(hào)及數(shù)值如圖 2表 222所示。 參數(shù)符號(hào) 數(shù)值（ mm） 參數(shù)符號(hào) 數(shù)值（ mm） Da 3618 H 1792 Db 1060 L1 240 Dc 1866 ? 100 bo 圖 221 轉(zhuǎn)輪結(jié) 構(gòu) 20xx 屆熱能與動(dòng)力工程專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5 表 222 轉(zhuǎn)輪法蘭尺寸 轉(zhuǎn)輪止漏裝置 止漏裝置的作用是減少機(jī)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(shè)計(jì)中由于水頭大于 200m，故采用梳齒式止漏環(huán)，機(jī)械裝配點(diǎn)焊與轉(zhuǎn)輪固定，根據(jù)《水輪機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)》表 1011，由轉(zhuǎn)輪直徑查選梳齒密封間隙為 . 泄水錐 泄水錐形式參照典型結(jié)構(gòu)，與上冠的連接方式采用 16 個(gè)布置在連軸螺釘內(nèi)側(cè)的 M60 螺釘把合，為避免運(yùn)行中脫落，另與上冠點(diǎn)焊加強(qiáng)，材料為Z5CN1704M。 轉(zhuǎn)輪減壓裝置 福建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(shè)置減壓裝置，對(duì)于減小機(jī)組軸向水推力非常關(guān) 鍵。常見(jiàn)的轉(zhuǎn)輪減壓結(jié)構(gòu)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。本參數(shù)符號(hào) 數(shù)值（ mm） 參數(shù)符號(hào) 數(shù)值（ mm） Dm 1030 h’ 96 Dn 1350 Φ 1 63 D’ 850 Φ 2 M100 h 130 圖 23 轉(zhuǎn)輪連接法蘭 ：福建仙游蓄能電站水泵水輪機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 6 次選用第一種減壓裝置，減壓板與頂蓋的間隙值為 30mm 以保證抬機(jī)需要。 泄水孔開(kāi)向?yàn)轫標(biāo)鲀A斜 25176。，為了減小過(guò)流面的空蝕和磨損，設(shè)計(jì)自泄水孔流出的水經(jīng)泄水錐內(nèi)腔排入尾水管。 20xx 屆熱能與動(dòng)力工程專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 主軸直徑計(jì)算 主軸的外徑尺寸可以根據(jù)機(jī)組的扭力矩初選，扭力矩按以下公式計(jì)算： 厘米）（公斤 ?? nNM 9 7 4 0 0 式中 ： N——代表主軸傳遞的功率（千瓦） n——代表主軸轉(zhuǎn)速（轉(zhuǎn) /分） 由原始資料： N=300MW=30 萬(wàn) KW n=所以， )( 2 8 10309 7 4 0 0 74 厘米公斤 ?????M 根據(jù)《水輪機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)》上 319 頁(yè)圖 1212 扭力矩與主軸外徑的關(guān)系曲線查得 D=1100（ mm），根據(jù)薄壁軸的標(biāo)準(zhǔn)外徑系列，取標(biāo)準(zhǔn)植 D=1100（ mm） 當(dāng)主軸直徑 600mm 時(shí)，選用薄壁軸， 主軸內(nèi)孔直徑按《水輪機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)》 320 頁(yè)上的公式 12—2 計(jì)算： 4m a x4 4 9 6 1 0 2?n NDDd ?? 式中 ： D——主軸外徑（厘米） N——主軸傳遞的功率（千瓦） n——主軸轉(zhuǎn)速（轉(zhuǎn) /分） τmax——最大許用應(yīng)力（公斤 /厘米 2） 初選主軸的材料為 ASTM A668 CLE， 其中 τmax=700（公斤 /厘米） 所以根據(jù)主軸內(nèi)孔直徑公式計(jì)算得： )(97. 110103004961024 34 厘米?? ????? Dd = mm 但為了保證主軸有足夠的剛強(qiáng)度，可將主軸內(nèi)徑按標(biāo)準(zhǔn)直徑系列取為600mm 。 主軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) ：福建仙游蓄能電站水泵水輪機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 8 水輪機(jī)主軸是水輪發(fā)電機(jī)組中關(guān)鍵部件，特別是大型的抽水蓄能機(jī)組，其雙向運(yùn)行性更是對(duì)主軸材料的性能提出 了更高的要求，既要保證高的強(qiáng)度和韌性，同時(shí)還要考慮焊接對(duì)材料碳當(dāng)量的要求，以前國(guó)內(nèi)水輪機(jī)主軸常選用的 20SiMn 或 18MnMoNb 等材料，其性能已經(jīng)逐漸不能滿足工作要求。 在本次畢業(yè)設(shè)計(jì)中，主軸材料選用力學(xué)性能更加優(yōu)良的 A668CIE 鍛鋼整體中空結(jié)構(gòu)，主要由上、下法蘭及軸身三部分組成，上端與發(fā)電機(jī)端的中間軸用螺栓聯(lián)接，下端與轉(zhuǎn)輪上冠法蘭用螺釘聯(lián)接。其作用是承受水輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)部分的重量及軸向水推力所產(chǎn)生的拉力，同時(shí)傳遞轉(zhuǎn)輪產(chǎn)生的扭矩。主軸直徑 1100mm，故采用薄壁軸標(biāo)準(zhǔn)， 查《水輪機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)》 第 312 頁(yè)的表 123 得軸的尺寸如 圖 3 表 31，主軸 長(zhǎng)度根據(jù)電站安裝要求決定。 表 312 主軸尺寸 參數(shù)符號(hào) 數(shù)值（ mm） 參數(shù)符號(hào) 數(shù)值（ mm） 參數(shù)符號(hào) 數(shù)值（ mm） D 1100 d2 173 Da 1030 DФ 1660 h 225 da 60 Db 1425 h1 260 D0 600 Dp 1120 L 50 D2 1560 D2 1650 l1 75 f 2 D3 1200 l2 12 Z 20 d 1000 S 275 C 16 d′ 1000 S1 340 C1 20 db 115 a 30 C2 4 d1 118 m 2 20xx 屆熱能與動(dòng)力工程專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 圖 312 主軸結(jié)構(gòu) ：福建仙游蓄能電站水泵水輪機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 10 水導(dǎo)軸承 水導(dǎo)軸承的作用，一是承受機(jī)組在各種工況下運(yùn)行時(shí)通過(guò)主軸傳過(guò)來(lái)的徑向力，二是維持已調(diào)好的軸線位置。按潤(rùn)滑劑不同， 水輪機(jī)導(dǎo)軸承型式很多，目前比較常用的有水潤(rùn)滑的橡膠軸承 。稀油潤(rùn)滑有轉(zhuǎn)動(dòng)油盤、斜油槽自循環(huán)的筒式軸承和稀油潤(rùn)滑油浸式分塊瓦軸承。其它型式軸承如稀油潤(rùn)滑畢托管上油方式軸承，在中、小型機(jī)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(rùn)滑軸承國(guó)內(nèi)運(yùn)用不多 。 查《水輪機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)》 345 頁(yè)， 對(duì)不同軸承的使用條件及 優(yōu)缺點(diǎn) 進(jìn)行 比較，同時(shí)考慮 各個(gè)軸承對(duì)水質(zhì)條件的要求 ， 對(duì)所設(shè)計(jì)的水泵水輪機(jī)中，選用油外循環(huán)冷卻方式的筒式自潤(rùn)滑水導(dǎo)軸承，主要由軸瓦、支座、旋轉(zhuǎn)油箱及箱蓋等組成。油循環(huán)的動(dòng)力是靠油隨油箱旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的慣性以及軸瓦進(jìn)油口的