仙游电站水泵水轮机结构设计毕业设计设计说明书.doc
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1、毕业设计(论文)题 目 仙游电站水泵水轮机 结构设计 专 业 热能与动力工程 班 级 动093班 学 生 * 指导教师 * 教授 2013 年福建仙游蓄能电站水泵水轮机结构设计摘 要抽水蓄能电站在电网中担任填谷调峰的关键作用,对提高电网供电质量和电网灵活性有着十分重要的意义。安装在抽水蓄能电站的水泵水轮机,需要根据电网的调度在水轮机和水泵两种工况间转换运行,以此完成调频调峰等重要任务。由于水头高、转速高、容量大、运行工况复杂、起停频繁等特点,因而决定了水泵水轮机在结构上表现出独有的特征.福建仙游蓄能水电厂从电站规模、机组容量及高水头水泵水轮机等方面而言,都是极具代表性的抽水蓄能电站。本次毕业设
2、计就是以该电站为对象,通过查阅相关资料及水轮机设计手册,辅助以CAD绘图工具,对其混流式水泵水轮机结构进行设计,绘制了总装配图,导水机构装配图,导叶布置图,主轴零件图。关键词:福建仙游蓄能电站, 水泵水轮机, 结构设计,CAD The Structural Design of Pump-turbine inFujian Xianyou Pumped Storage Power stationAbstract Pumped storage power station plays a pivotal role in peka-clipping of power grid,being signifi
3、cant to improve the quality of power supply and the flexibility of power network.Pump-turbine,which is specially applied to pumped storage power station,transfers between turbine and pump according to the manage of power grid to fulfil the vital task of peak regulation and frequency adjustment. It a
4、lso shows unique features in structure due to the characteristics of high water head, high speed, large capacity, complex operation condition and frequent start-stop. Fujian Xianyou pumped storage power station is extremely typical when it comes to the scale,unit capacity,or the high-head pump-turbi
5、ne.The graduation project takes Guangzhou pumped storage power station as the object,aiming at completing the structural design of Francis pump-turbine in this power station by refering to related data,the design hand book of hydraulic turbine and Computer Aided Design CAD.The overall assembly, the
6、distributor assembly, as well as some of the major parts are well designed.KEY WORDS: Fujian Xianyou pumped storage power station, pump-turbine, structural design, CAD目录1前 言11.1概述11.2设计内容21.3原始资料22.水泵水轮机总体结构设计32.1绘制轴面流道图32.2转轮部分32.2.1转轮结构32.2.2 转轮连接42.2.3转轮止漏装置52.2.4泄水锥52.2.5 转轮减压装置53.主轴及其附属结构部分63.1
7、.1主轴直径计算63.1.2主轴结构设计73.1.3水导轴承93.1.4主轴密封103.1.5检修密封123.2座环143.3顶盖153.4底环163.5基础环173.6蜗壳173.7 接力器183.8真空破坏阀184.导水机构194.1 活动导叶翼型204.2 导叶开度的确定214.3导叶结构、尺寸和轴颈选择214.4 导叶的密封结构234.5导叶套筒234.6 导叶止推装置244.7 导叶轴颈密封254.8导叶轴套265.导叶传动机构及零部件285.1导叶臂295.2 连接板305.3 叉头315.4 连接螺杆325.5 端盖325.6 分半键335.7 剪断销345.8 叉头销355.9
8、 叉头销轴套36 5.10控制环376.总结38参考文献401前 言1.1概述随着社会经济的快速发展,我国能源消耗不断增大,环境污染不断加剧,转变能源结构、促进电力系统节能减排已成为全社会共同关注的焦点。经济发展对电力的需求逐步加大,为满足电力供需关系,各种新能源和核电开始投网运行,这致使电力系统日负荷峰谷差越来越大。抽水蓄能电站作为目前解决盈余电能储存问题的最有效方式,其调峰填谷、调频调相、旋转备用的作用日益突出,对于提高电网稳定性和供电质量意义重大。目前,世界抽水蓄能技术正在不断超高水头、大容量方向发展,我国蓄能电站技术虽起步较晚,但至今也取得了较快的进步,在诸多核心技术上实现了重大突破,
9、正在逐步实现国产化进程。水泵水轮机作为蓄能电站的核心设备,其机构设计的合理性直接影响到运行效率、运行稳定性等诸多方面,因此合理的结构设计是保障电站经济运行的首要前提。福建仙游蓄能电站作为我国大型抽水蓄能电站的代表之一,对国内整个抽水蓄能技术的发展起到了极大的借鉴和推动作用。本次毕业设计通过查阅各种参考文献和水轮机设计手册,在掌握常规水轮机机组结构的前提下,学习水泵水轮机的结构特点。并以福建仙游抽水蓄能电站为对象,参考相同水头段其他蓄能电站机组结构特点,完成对该电站水泵水轮机的结构设计。既可以将平时的专业理论知识进行系统的实践练习,又能通过各种中外文文献的学习,了解专业领域最新的研究方向。更重要
10、的是在完成毕业设计的过程中,能发现自己平时学习和认识上的疏漏点,及时的进行完善和弥补。通过本次毕业设计,进一步提高自己的动手和创新能力,深入了解常规水轮机及水泵水轮机的结构,拓宽视野,为自己即将到来的研究生学习奠定良好的基础。CAD制图技术是本次毕业设计中使用到的重要工具,既确保了绘图计算的准确性,也使得整个设计及修改过程更加快捷方便,让我们对软件使用的熟练程度和使用技巧也得到很大的提高。1.2设计内容(一)根据给定的福建仙游蓄能电站基本资料进行水轮机总体结构设计 1.根据给定的水轮机型号和转轮直径等基本参数,确定水轮机的主要特征尺寸,对水轮机主要部件进行结构设计; 2.根据机组型式和电站基本
11、条件设计主轴密封和水导轴承; 3.绘制水轮机总装配图及主要部件组装图或零件图。 (二)导水机构传动系统设计 1.根据机组的型式进行导水机构传动系统设计; 2.绘制导水机构装配图及导叶布置图; 1.3原始资料 本次毕业设计的基本参数如下:单机容量:300MW拟用水轮机型号:HLX-LJ-410额定转速:428.6r/min水轮机设计流量:79.16 m3/s水泵流量:最大68.05 m3/s最小54.63 m3/s吸出高度:-65m安装高程:205m2.水泵水轮机总体结构设计2.1绘制轴面流道图可逆式水泵水轮机的转轮要适应两种工况的要求,故其流道的特征形状与离心泵更为相似。高水头水泵水轮机的轴面
12、流道十分扁平,进口直径D1与出口直径D2的比率一般为2:1或更大,相对导叶高度b0不超过10%。本设计查阅福建仙游抽水蓄能电站相关资料,拟用转轮型号HLX-LJ-410,其流道尺寸符号及数值分别如图2-1、表2-1所示。 图2-1 HLX-LJ-415.8流道图表2-1 流道尺寸参数符号数值(mm)参数符号数值(mm)D04743R13636D14158R2995D21810R360Dk1175h11664bo400.8h21075 2.2转轮部分2.2.1转轮结构图2-2-1 转轮结构转轮是水轮机中直接将水能转换为机械能的部件,由于不受运输条件的限制(3886mm),所以转轮采用整体铸造,转
13、轮由上冠、下环、7个叶片和泄水锥等组成,材料为Z5CN1704M。图2-2为转轮结构,尺寸如表2-2所示: 表2-2-1 转轮尺寸参数符号数值(mm)参数符号数值(mm)Da3618H1792Db1060L1240Dc1866d100bo400.82.2.2 转轮连接 混流式转轮与主轴常用的连接方式有两种:连轴螺钉连接和键传递扭矩连接。后者在小型机组中应用较广,但由于本设计为大型机组,故采用法兰螺钉连接的方式,转轮重量由发电机推力轴承承担,转轮法兰尺寸符号及数值如图2-3、表2-2-2所示。图2-3 转轮连接法兰表2-2-2 转轮法兰尺寸参数符号数值(mm)参数符号数值(mm)Dm1030h9
14、6Dn1350163 D8502M100h1302.2.3转轮止漏装置止漏装置的作用是减少机组的容积损失,常用的形式有缝隙式、迷宫式和梳齿式三种,材料选用碳素钢、不锈钢或其他抗磨钢板。本设计中由于水头大于200m,故采用梳齿式止漏环,机械装配点焊与转轮固定,根据水轮机设计手册表10-11,由转轮直径查选梳齿密封间隙为1.5mm.2.2.4泄水锥泄水锥形式参照典型结构,与上冠的连接方式采用16个布置在连轴螺钉内侧的M60螺钉把合,为避免运行中脱落,另与上冠点焊加强,材料为Z5CN1704M。2.2.5 转轮减压装置福建仙游抽水蓄能电站属于500米水头段的高水头电站,因此在上冠处设置减压装置,对于
15、减小机组轴向水推力非常关键。常见的转轮减压结构有两种:一是减压板和泄水孔方式,另有顶盖排水管和泄水孔方式。本次选用第一种减压装置,减压板与顶盖的间隙值为30mm以保证抬机需要。泄水孔开向为顺水流倾斜25,为了减小过流面的空蚀和磨损,设计自泄水孔流出的水经泄水锥内腔排入尾水管。3.主轴及其附属结构部分3.1.1主轴直径计算主轴的外径尺寸可以根据机组的扭力矩初选,扭力矩按以下公式计算:式中 : N代表主轴传递的功率(千瓦)n代表主轴转速(转/分)由原始资料:N=300MW=30万KW n=428.6r/min所以, 根据水轮机设计手册上 319 页图12-12 扭力矩与主轴外径的关系曲线查得D=1
16、100(mm),根据薄壁轴的标准外径系列,取标准植D=1100(mm)当主轴直径600mm时,选用薄壁轴,主轴内孔直径按水轮机设计手册320 页上的公式122 计算:式中 :D主轴外径(厘米)N主轴传递的功率(千瓦)n主轴转速(转/分)max最大许用应力(公斤/厘米2)初选主轴的材料为ASTM A668 CLE,其中max=700(公斤/厘米)所以根据主轴内孔直径公式计算得:=979.0 mm但为了保证主轴有足够的刚强度,可将主轴内径按标准直径系列取为600mm 。3.1.2主轴结构设计水轮机主轴是水轮发电机组中关键部件,特别是大型的抽水蓄能机组,其双向运行性更是对主轴材料的性能提出了更高的要
17、求,既要保证高的强度和韧性,同时还要考虑焊接对材料碳当量的要求,以前国内水轮机主轴常选用的20SiMn 或18MnMoNb等材料,其性能已经逐渐不能满足工作要求。在本次毕业设计中,主轴材料选用力学性能更加优良的A668CIE锻钢整体中空结构,主要由上、下法兰及轴身三部分组成,上端与发电机端的中间轴用螺栓联接,下端与转轮上冠法兰用螺钉联接。其作用是承受水轮机转动部分的重量及轴向水推力所产生的拉力,同时传递转轮产生的扭矩。主轴直径1100mm,故采用薄壁轴标准,查水轮机设计手册第312页的表12-3 得轴的尺寸如图3-1、表3-1,主轴长度根据电站安装要求决定。 表3-1-2 主轴尺寸参数符号数值
18、(mm)参数符号数值(mm)参数符号数值(mm)D1100d2173Da1030D1660h225da60Db1425h1260D0600Dp1120L50D21560D21650l175f2D31200l212Z20d1000S275C16d1000S1340C120db115a30C24d1118m2图3-1-2 主轴结构 3.1.3水导轴承水导轴承的作用,一是承受机组在各种工况下运行时通过主轴传过来的径向力,二是维持已调好的轴线位置。按润滑剂不同,水轮机导轴承型式很多,目前比较常用的有水润滑的橡胶轴承;稀油润滑有转动油盘、斜油槽自循环的筒式轴承和稀油润滑油浸式分块瓦轴承。其它型式轴承如稀
19、油润滑毕托管上油方式轴承,在中、小型机组中虽有采用,但近期已被斜油槽自循环的筒式轴承所代替。干油润滑轴承国内运用不多。查水轮机设计手册345页,对不同轴承的使用条件及优缺点进行比较,同时考虑各个轴承对水质条件的要求,对所设计的水泵水轮机中,选用油外循环冷却方式的筒式自润滑水导轴承,主要由轴瓦、支座、旋转油箱及箱盖等组成。油循环的动力是靠油随油箱旋转产生的惯性以及轴瓦进油口的特殊结构提供的。图3-1-3 水导轴承结构另外,由于水泵水轮机双向运行,故其水导轴承油冷却循环路径作为水轮机工况和水泵工况是不同的。考虑到不同工况启动时机组转速上升的速度差别较大,为确保轴瓦安全,水轮机工况时,油是先冷却后润
20、滑瓦面,再回到油箱里的,水泵工况,油是先润滑瓦面,然后再循环至冷却器进行冷却,再回到油箱的。结构如下图3-1-3:其中相对应的尺寸如下表:表3-1-3 水导轴承尺寸参数符号数值(mm)参数符号数值(mm)DP1120L700Da1750H900Db1800h400Dd1350b50(1)轴瓦高度L:统计资料表明,轴瓦高度与直径的比值都在0.51 的范围内,一些试验资料表明轴承的摩擦系数在上述范围内数值最小。所以轴瓦高度L=(5001000)毫米,参照水轮机设计手册中的366 页表1314 最终取L700mm。(2)油槽升角:模型试验的资料表明,油槽升角对上油量有一定的影响。目前设计中采用的油槽
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