【文章內容簡介】 一般混流式水輪機中僅有頂蓋，對于本設計中的混流式水輪機水輪機來說，采用的是焊接結構頂蓋，材料選用 A3鋼板。頂蓋的設計基本上是一個帶很多徑向筋板的頂 部開敞的止水面板，它由全鋼板焊接結構，并且分為 4 瓣加工。所用鋼板厚度為 10 到 15 厘米不等。 經過加工的頂蓋合縫法蘭由 20 個 8厘米直徑的螺栓組合在一起，有錐形銷在組裝時定位。在頂蓋頂部有一組裝好的平板用以支持主軸密封箱，頂蓋頂部有加工出的環(huán)形槽用以安放控制環(huán)，頂蓋的外圈部分實際上是箱型截面，其上下兩個板面均有鏜孔，用以安裝導葉套筒與軸套，鏜孔間距要與底環(huán)配合。 頂蓋外圈的底面鋪焊不銹鋼護層，分瓣的固定止漏環(huán)的裝配與轉輪上冠相同，其結構與下環(huán)止漏環(huán)相似。 控制環(huán) 控制環(huán)是傳遞接力器作用力，并通過傳動 機構轉動導葉的環(huán)形部件，可采用 ZG30 鑄鋼鑄造，但近來大量采用的是 A3 鋼板焊接結構。大型機組中因受運輸條件限制，也可設計成分瓣結構，分瓣面應設計在應力最低部位。 本設計中的控制環(huán)采用整鑄結構。其結構如圖 所示。 圖 相關數據如下表所示： 2021 屆熱能與動力工程專業(yè)畢業(yè)設計（論文） 表 控制環(huán)尺寸 參數符號 數值（ mm） 參數符號 數值（ mm） Dy 4100 d2 230 Dc 4000 d3 460 Zo 24 h 90 d1 240 s 30 h1 85 h2 270 R 35 座環(huán)、基礎環(huán) 座環(huán)是反擊式水輪機的基礎部件，除了承受水壓力之外，還承受整個機組和機組段混凝土重量，因此要求有足夠的強度和剛度。而基礎環(huán)是混流式水輪機中座環(huán)與尾水管進口錐管段相連接的基礎部件，埋設二期混凝土內。轉輪的下環(huán)在其內轉動。本次設計中座環(huán)和基礎環(huán)焊接在一起，以起到支撐和連接機組的作用。 本次采用的座環(huán)形式為與金屬蝸殼相連的帶蝶形邊形式，考慮到改善焊接性能，鑄焊結構中、上下環(huán)和固定導葉分別鑄造后組焊成一體，考慮到改善焊接性能，鑄件采用 ZG20MnSi 鑄鋼。座環(huán)與蝸殼連接處采用對接焊縫。由于蝸殼鋼板與蝶形邊厚度不一致，會出現接縫處座環(huán)側強度不夠的問題，需要采用加強措施，本設計中，采用在蝶形邊側按強度需要適當增加焊縫。座環(huán)的固定導葉斷面形狀、數量和分布位置按水力和強度計算確定。靠近尾部的及個固定導葉設計成空心，作為頂蓋自流排水的通道。 基礎環(huán)用鋼板焊接而成，分成 4 瓣加工。上法蘭與座環(huán)焊接在一起，下法蘭直接與尾水管錐管段的里襯焊接?；A環(huán)的下法蘭面與轉輪下環(huán)留有一定間隙，作為安放轉輪，調整水平用。具體間隙值為徑向間隙 15mm，軸向間隙 45mm。 **：劉家峽 2 號機組水輪機結構設計及 CFD 分析 水輪機軸承 水輪機軸承型式很多，目前比較常用的有水潤滑的橡膠軸承；稀油潤滑帶有轉動油盆、斜油槽自循環(huán)的筒式軸承和稀油潤滑油浸式分塊瓦軸承。其他型式軸承如稀油潤滑畢托管上油方式軸承，在中小型機組中雖有采用，近期已被斜油槽自循環(huán)的筒式軸承所代替。干油潤滑軸承國內應用不多。 本設計中采用稀油潤滑浸式分塊瓦軸承。這種軸承運行中采用稀油潤滑，軸瓦下部浸入油內。主軸軸領旋轉，在油離心力作用下經軸領下部徑向孔升入軸瓦，經上部油箱返回連續(xù)循環(huán)。這種軸承潤滑方式受力均勻，有自調能力，軸承的安裝，維護都較筒式軸承方便，但 剛性略次于筒式軸承，它由 8~12 塊巴氏合金軸瓦組成，用支頂螺絲支撐在軸承體上，平面布置尺寸較大，主軸直徑超過 1 米優(yōu)先采用。 常用的軸領分三種形式：（ 1）軸領與兩端帶法蘭的主軸鍛成一體，這種結構軸領與軸間空腔的機械加工量大；（ 2）主軸一端不帶法蘭，采用熱套方式將軸領緊固于軸身上，這種結構多用于傘式機組上；（ 3）軸領與軸身焊成一段，通常軸領采用與主軸同樣材質的鑄件或鍛件，粗加工后焊于軸身，并經退火處理，消除焊接應力。退火前主軸內孔灌以鑄鐵鐵屑或黃砂，兩端封閉，以減少內孔氧化。 本設計采用第三種軸領形式，且在軸領 下部開有成一定角度或徑向的通油孔。當主軸旋轉時，此孔起著油泵的作用，將經過冷卻器冷卻后的潤滑油輸送到軸瓦面及軸承體空腔內，工作后的熱油經軸承體上部油孔和頂部流向冷卻器，形成油循環(huán)。 軸領下部通油孔數目在 24~32 范圍內，孔的直徑取 24~30mm。 擋油箱上部的軸領處，開有數個通氣孔，以平衡軸領內外側壓力，防止油和油霧外溢。 分塊瓦軸承的間隙視機組大小而定，單邊間隙通常取 ~。 軸領內側裝有擋油箱，保證機組靜止時瓦面約有 1/3~1/2 浸油高度。冷卻器布置在油箱底部，設計中把托盤與軸領相配處圓筒 適當伸長，擋住一部分回油，改善冷卻效果。 稀油潤滑浸式分塊瓦軸承 結構如下圖 所示。 2021 屆熱能與動力工程專業(yè)畢業(yè)設計（論文） 圖 稀油潤滑浸式分塊瓦軸承 真空破壞閥 真空破壞閥的作用是：當導水機構緊急事故關閉時，由于水流的慣性和轉輪的水泵作用，在導葉后轉輪室內可能產生較高真空，引起下游尾水反沖，產生很大的沖擊力或出現抬機現象。真空破壞閥就是在緊急關閉導葉時，補入空氣，破壞真空，減少上述有害的沖擊力或抬機現象，起到一定的保護作用。大中型水輪機中，真空破壞閥均安裝在頂蓋或支持蓋上。本設計中機組的真空破壞閥安裝在頂蓋內，共設置 2 只，較靠近機組中心，以提高空氣補入速度。 其具體結構如圖 所示。 圖 真空破壞閥**：劉家峽 2 號機組水輪機結構設計及 CFD 分析 機構的設計 水輪機導水機構的作用，主要是形成和改變進入轉輪水流的環(huán)量，保證水輪機具有良好的水力特性，調節(jié)流量，以改變機組出力，正常與事故停 機時，封住水流，停止機組轉動。 大中型導水機構，按其導葉軸線布置位置可以分為圓柱式、圓錐式、徑向式三種形式。其中，圓柱式導水機構導葉軸線布置在圓柱面，這種導水機構制造方便，保證水輪機有足夠的效率，因而應用廣泛，故本次設計選用該形式的導水機構。 導葉傳動機構的型式較多，其中常用的兩種為叉頭傳動機構和耳柄傳動機構。叉頭傳動機構受力情況較好，適于大、中型機組采用，耳柄式結構簡單，比較適宜在中小型機組中使用。本設計采用叉頭式傳動機構。 叉頭傳動機構主要由導葉臂、連接板、叉頭、叉頭銷、連接螺桿、螺帽、分半鍵、剪斷銷、 軸套、端蓋和補償環(huán)組成。導葉臂與導葉用分半鍵連接，直接傳遞操作力矩。導葉臂上裝有端蓋，用調節(jié)螺釘把導葉懸掛在端蓋上。由于采用了分半鍵，因此在調整導葉體上下端面間隙時，導葉上下移動，而其他傳動件位置不受影響。 叉頭傳動機構中，導葉臂與連接板上裝有剪斷銷，如果導葉間因異物卡住，有關傳動件的操作力將急劇增大，應力增高到 倍時，剪斷銷首先剪斷，保護其他傳動件不受損壞。此外，連接板或控制環(huán)與叉頭連接處，為了使連接螺桿保持水平，可以裝補償環(huán)進行調整。連接螺桿兩端螺紋分別為左旋和右旋，以便在安裝中調整連接螺桿長度和導 葉開口。以下為叉頭傳動機構零件的結構和尺寸。 導葉臂 2021 屆熱能與動力工程專業(yè)畢業(yè)設計（論文） 圖 導葉臂 根據叉頭傳動機構裝配尺寸從《水輪機設計手冊》上 166頁的表 82828查出導葉臂及其銷孔尺寸如下表 、 ： 表 導葉臂 參數符號 數值（ mm） 參數符號 數值（ mm） db 230 H 270 Dc 210 L1 225 D1 310 e 60 D2 340 K 10 D3 310 R1 30 D4 370340 f1 2 d2 290260 h3 45 dm 60 lp 335 d3 M24 d4 32 **：劉家峽 2 號機組水輪機結構設計及 CFD 分析 表 銷孔尺寸 參數符號 數值（ mm） 參數符號 數值（ mm） d 70 C1 2 R 105 h 70 B 260 h1 90 連接板 圖 連接板 根據叉頭傳動機構裝配尺寸從《水輪機設計手冊》上 167 頁的表 8—29到表 830 查出連接板尺寸如下表 表 導葉臂尺寸參數 參數符號 數值（ mm） 參數符號 數值（ mm） D1 310 R2 75 h 70 h1 90 R1 190 lp 335 D 70 l1=l2 120 D2 100 c1 d1 135 Lp+ 454 2021 屆熱能與動力工程專業(yè)畢業(yè)設計（論文） 叉頭 C 1d1d4rr 1L 1d 3C 1 45176。C 1 45176。d 2RS h1Hh 圖 叉頭 根據連接板 d1=M72，從《水輪機設計手冊》上 167 頁的表 831查出叉頭尺寸如下表 ： 表 叉頭尺 寸 參數符號 數值（ mm） 參數符號 數值（ mm） d1 M90X4 L 240 d2 110D L1 150 d3 105D R 100 d4 170 r 20 H 240 r1 10 h 150 c1 2 h1 45 S 36 連接螺桿 根據連接板 d1=M90從《水輪機設計手冊》上 168 頁的表 832查出連接螺桿尺寸如下表 ： **：劉家峽 2 號機組水輪機結構設計及 CFD 分析 (設計時確定)ld1b 1d2bC 45176。d1（左）d3lLS 圖 連接螺桿 表 連接螺桿尺寸 參數符號 數值（ mm） 參數符號 數值（ mm） d1 M90X4 b 32 d2 100 b1 8 d3 84 r 2 S 85 c 3 l 215 分半鍵 根據上軸直徑 dc =210mm，查《水輪機設計手冊》上 169 頁的表 834，選用 b型分半鍵，得分半鍵尺寸如下表 ： 2021 屆熱能與動力工程專業(yè)畢業(yè)設計（論文） 圖 分半鍵 表 分半鍵尺寸 參數符號 數值（ mm） 參數符號 數值（ mm） dc 210 b dm 60 K 5 L 225 c B 58 b1 l1 285 h2 25 l2 230 h3 40 h 10 h4 10 剪斷銷 叉頭傳動機構中，導葉臂和連接板上裝有剪斷銷，如果導葉間因異物卡住，有關傳動件的操作力將急劇增大，應力增高的 ，剪斷銷首先剪斷，保護其他傳動件不受損壞。根據連接板 D=70mm，從《水輪機設計 手冊》上 170頁的表 835查出剪斷銷結構及尺寸如下圖 、表 .： **：劉家峽 2 號機組水輪機結構設計及 CFD 分析 h23hlLdD d 1d 4h1br b160176。R 1 圖 剪斷銷 表 剪斷銷尺寸 參數符號 數值（ mm） 參數符號 數值（ mm） D 70 r d 30 h1 d2 69 h2 13 d3 75 h 70 d4 70 l 66 b 5 L 153 b1 4 叉頭銷 根據叉頭傳動機構尺寸中 dn=90，從《水輪機設計手冊》上 170頁的表836查出剪斷銷機構及尺寸如下圖 、表 2021 屆熱能與動力工程專業(yè)畢業(yè)設計（論文） 圖 叉頭銷 表 叉頭銷尺寸 參數符號 數值（ mm） 參數符號 數值 （ mm） dn 90 H 183 d 90 h2 10 d1 85 b d2 89 R 2 d3 81 c 3 h 108 r 2 h1 40 叉頭銷軸套 根據連接板 d2=100mm，從《水輪機設計手冊》上 168 頁的表 833查出叉頭銷軸套尺寸如下表 ： **：劉家峽 2 號機組水輪機結構設計及 CFD 分析 圖 軸套 表 軸套尺寸 參數符號 數值（ mm） 參數符號 數值（ mm） dn 90 h 98 d2 100 h1 8 d1 105 c 端蓋 根據軸頸 db=250mm，從《水輪機設計手冊》上 171 頁的表 837 查出端蓋尺寸如下表 ： 其中參數符號意義對應圖 圖 端蓋 2021 屆熱能與動力工程專業(yè)畢業(yè)設計（論文） 表 端蓋尺寸 參數符號 數值（ mm） 參數符號 數值（ mm） db 230 h1 38 d1 370 R 105 d2 212 Φ1 M36 d3 90 Φ2 26 d4 52 Φ3 64 d5 260 d6 130 h 48 本設計的叉頭式傳動機構結構示意圖如圖 所示 。 圖 叉頭式轉動機構 裝配要點：檢查調整傳動機構運轉靈活性和各部間隙是否符合圖樣的要求，主要有導葉上下端面與頂蓋底環(huán)面的間隙，安裝導葉三孔