畢業設計（**）
指導書題目
專業班級
學生指導教師
年年熱能與動力工程專業
水輪機結構設計指導書
一、水輪機型號及引數
水輪機型號及引數詳見任務書
二、水輪機總體結構設計
根據給定的水輪機型號、機組布置型式和轉輪直徑等引數，確定水輪機的主要特徵尺寸。
1.確定轉輪的流道尺寸；
2.確定導葉高度及分布圓直徑；
3.確定座環高度；
4.根據水輪機的出力、轉速，估算主軸直徑；
5.參照現有資料，分別設計轉輪、導葉、座環、頂蓋、底環、基礎環、主軸等部件的結構；
6.參照現有資料，分析各種主軸密封的結構特點，選擇合適的主軸密封；
7.參照現有資料，分析各種水導軸承的結構特點，選擇合適的水導軸承；
8.參照現有資料，根據頂蓋、主軸密封、水導軸承的結構，合理布置控制環的結構；
9.參照現有資料，選擇合適的補氣裝置。
二、導水機構傳動系統設計（導葉布置圖繪製）
1.根據水輪機的型號、轉輪直徑，確定最大可能開度所要求的最大接力器行程smax，從而最後確定傳動系統的引數；
2.繪制導葉開度a0和接力器行程s的關係曲線s=f（a0）），檢查導葉傳動與接力器移動的均衡性；
3.繪製角度λ、β與a0的關係λ=f（a0）、β=f（a0）；
4.確定推拉桿銷孔與連桿銷孔在控制環上的相對位置，以使在運動中接力器活塞桿的偏斜角度最小；
5.確定限位塊的位置；
6.檢查傳動件在不同位置是否相碰，尤其是易壞連線件破斷後，連桿或轉臂是否相碰；
7.確定導葉關閉時，相鄰導葉的密封位置及端麵密封分布圓直徑；
三、導水機構結構設計
根據導水機構運**設計所確定的尺寸，參考現有的設計資料，確定導葉、套筒、連桿、轉臂、剪斷銷、控制環等結構尺寸。
四、水導軸承設計
根據所確定的水導軸承結構，參考資料（1）、（2）、（3）、（4）分別進行潤滑及冷卻系統設計。
五、強度校核與程式設計實現
1.主軸強度校核
根據所確定的主軸結構及尺寸，參考資料（1）、（2）進行強度校核。
2.導葉強度校核
根據所確定的導葉結構及尺寸，參考資料（1）、（2）進行強度校核。
六、零件圖繪製
根據**圖、部件裝配圖，參考資料(6)和所給圖冊拆繪主要零件的加工圖。
七、參考文獻：
1.哈爾濱大電機研究所編，水輪機設計手冊，機械工業出版社，2023年；
2.哈爾濱大電機研究所譯，水輪機設計者手冊，機械工業出版社，2023年；
3.高建銘等，水輪機及葉片幫浦結構，清華大學出版社，2023年；
4.陳新方等，水輪機結構分析，水利電力出版社，2023年；
5.水電站機電設計手冊編寫組，水電站機電設計手冊（水力機械），水利電力出版社，2023年；
6.天津電氣傳動設計研究所編，水輪機結構圖冊，科學出版社，2023年。
7.成大先主編，機械設計手冊，化學工業出版社，2023年9月。
八、附錄：水輪機導葉布置圖繪製的目的與步驟
（一）繪制導水機構運**的目的
1.確定最大可能開度下的接力器行程，繪製關係曲線，檢查接力器行程與導葉開度的均衡性；
2.確定傳動件的尺寸及在不同開度下的、值，繪製、曲線，檢查、值的範圍是否符合要求；
3.確定控制環大耳環和小耳環的相對位置；
4.確定限位塊的位置（一般限位塊與最大可能開度位置時導葉的距離，大中型為20～30mm,小型為5～10mm）
5.檢查傳動件在不同位置是否相碰。
尤其在剪斷銷破斷後，連桿或轉臂是否相碰。對混流式水輪機來說，還需檢查導葉與固定導葉、轉輪葉片是否相碰。
6.確定導葉關閉時的密封位置；
立面密封：接觸面的位置
端麵密封：密封條分布圓位置
7.確定固定導葉的位置及其出口角，繪製固定導葉翼型，並核定其分布圓直徑。
（二）繪製徑向式導水機構運**的步驟
1.確定導葉翼型：
首先根據水輪機的蝸殼型別、比轉速或水頭範圍確定採用合適的導葉翼型，一般：
多數軸流式水輪機和少數混流式水輪機(一般h＜40m)採用混凝土蝸殼，應採用標準對稱型導葉；
高水頭、低比轉速混流式水輪機(一般h≥100m)，一般採用負曲度翼型；
中、高比轉速混流式水輪機(h＜100m)和少數低比轉速軸流式水輪機(h≥40m)，一般採用正曲度葉型。
確定導葉翼型後，即可根據查設計手冊，畫出導葉的翼型圖。而實際設計時，須根據水輪機的工況、流道及固定導葉的形狀，經過水力計算，確定導葉的翼型。
標準導葉的幾何尺寸如下：
圖1和圖2給出的是轉輪標稱直徑且導葉數的幾何尺寸，當或不同時，需將上述幾何尺寸進行放大（或縮小）相應倍數，一般，放大倍數為：。
按上述比例縮放後，即為導葉的最終幾何尺寸。
表1 導水機構裝配尺寸系列
2.確定傳動件的相關尺寸及角度
由查上表1，得到、、、，，其中：
、----- 分別為控制環大、小耳環分布圓直徑；
---- 導葉全關位置時，轉臂軸心線與d0圓切線的夾角；
---- 連桿與小耳環分布圓切線的夾角；
---- 連桿與轉臂的夾角。
若所給不是上表直徑系列，可用插值法求出各值（和除外）。
一般，的取值如下：
若上述角度不符合要求，可以適當調整。
3.確定導葉開度
a. 查模型綜合特性曲線，得模型水輪機的最大開度：
(1) 混流式水輪機：
按照給定的引數計算：，在模型綜合特性曲線上以該單位轉速作一條水平線與出力限制線交點處的開度即為模型轉輪的最大開度。
(2) 軸流式水輪機：
一般以上述計算的與交點（即額定工況點）處的開度作為模型轉輪的最大開度。
查得模型轉輪的最大開度後，由公式：；
即可求得真機的最大開度(mm)。
表2 部分模型轉輪參數列
注：若無資料，可用近似。
b. 由，求得真機的最大可能開度(mm)；
c. 查模型綜合特性曲線中最優工況點對應的開度為模型轉輪的最優開度，經公式換算，可得真機的最優開度；
d. 在全關位置至最優開度之間任取2~4個開度值。
這樣，加上全關位置、最優開度、最大開度和最大可能開度，共有6~8個開度值。
4.初選轉臂長度和連桿長度，繪制導葉布置圖和相關曲線
查上表1，初選和，按前述各開度值畫出導葉及其傳動件的位置，標出各角度（、）值和控制環大耳環的相對位移（即接力器的行程），畫出接力器行程、、隨變化的關係曲線、和。
如果按照表1查出的資料繪圖時，出現當連桿與控制環小耳環分布圓沒有交點，則需調整、和值。
5.根據導葉布置圖和關係曲線檢查、調整
檢查以下專案是否符合要求：
a.一般要求：的關係應符合合理的導葉關閉規律：
即在機組在突然率全部負荷，需要緊急停機時，為了盡量降低機組轉速上公升和蝸殼壓力上公升，一般要求導水機構在接力器勻速向關閉方向移動時，導葉關閉應先快後慢（即隨著開度值變大，曲線的斜率也變大），如下圖。
b. =50°~70°；角度較小時，傳動操作力矩的效果最好，但角度過小時，叉頭式連桿有可能會與控制環相干涉，反之。
c. =80°~110°；角度呈時，傳動操作力矩的效果最好，角度過小還可能會發生連桿和轉臂相碰。
d.檢查傳動件在不同位置是否相碰，尤其在剪斷銷破斷後，連桿或轉臂是否相碰。對混流式水輪機來說，還需檢查導葉與固定導葉、轉輪葉片是否相碰。
圖3 接力器行程、、與的關係曲線
如上述曲線不符合要求，則需適當調整角度或、值，重新上述繪製過程，直到符合要求為止。
6.確定相應部件的位置
a.確定控制環大耳環和小耳環的相對位置；
b.確定限位塊的位置；
c.確定導葉關閉時的密封位置；
立面：導葉頭部和相鄰導葉尾部接觸面的位置
端麵：密封條分布圓位置
d.確定固定導葉的位置及其出口角，繪製固定導葉翼型，並核定其分布圓直徑。
負責指導教師
指導教師
接受設計**任務開始執行日期
學生簽名
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