1、兰州工业学院毕业设计（论文）题目水轮机导水控止装置结构设计及加工工艺系 别 机械工程系 专 业 班 级 姓 名 学 号 指导教师（职称） 日 期 摘 要该 课 题 研 究 了 水 轮 机 发 电 机 组 的 重 要 部 套 水 轮 机 导 水 控 止 装 置 的 结 构 设 计 及加 工 工 艺 ， 应 用 传 统 设 计 方 法 ， 分 析 了 各 种 导 水 控 制 装 置 的 优 缺 点 。 确 定 出 一种 合 理 的 导 水 控 制 机 械 装 置 部 分 的 设 计 方 案 ， 并 通 过 力 学 性 能 核 算 ， 设 计 出 该部 套 的 总 装 配 图 以 及 关 键 零 部
2、 件 （ 摆 臂 、 转 轴 等 ） 的 结 构 的 图 纸 。 最 后 通 过 编制 加 工 工 艺 规 程 符 合 实 际 的 加 工 要 求 ， 来 初 步 验 证 此 设 计 方 案 及 加 工 工 艺 的 可行 性 。结 果 表 明 此 机 械 式 导 水 控 制 装 置 的 结 构 及 加 工 工 艺 研 究 可 行 ， 为 水 轮 机 发 电机 组 的 整 体 的 设 计 提 供 了 有 用 的 理 论 依 据 。关 键 词 ： 水 力 发 电 ； 导 水 控 制 ； 摇 臂 ； 开 角IABSTRACTThis study investigated the water turb
3、ine generator set of important department setGuide water control device structure design and processing technology.Application of traditional design and analyzes the various guide water control device of the advantages and disadvantages,and indentifies a reasonable guide water control machinery part
4、s of the design scheme,and through the mechanics performance calculation,design a set of he general assemble drawings and key components, for example,rocker arm,shaft,and so on.Finlly,through the preparation processing procedvre conforms to the actual processing requirements,to verify the preliminar
5、y design scheme and the feasibility of the process.The result show that the mechaniced transmission control unit structure and processing technology research,feasible for turbine generator set the integra design of the provide beneficial theoretical basis. Key words : Hydroelectric power;Guide water
6、 control; rocker arm;Open Angle. II目 录摘 要 .IABSTRACT.II1绪 论 .11.1 课题背景 .11.2 水轮机导水机构的工作原理 .21.2.1 水轮机导水机构的作用 .21.2.2 水轮机导水机构的分类 .21.2.3 径向式导水机构的几何参数 .41.3 水轮机的工作原理 .51.3.1 发电机原理 .51.3.2 水轮发电机的基本工作原理 .61.4 水轮机的分类 .81.5 水轮机的主数要参 .112 水 轮 机 导 水 机 构 方 案 设 计 及 校 核 .132.1 水轮机导水控制部分的基本参数 .132.2 速机构中主要零件强度、
7、刚度计算 .132. 2. 1 操作力及力矩 .132.2.2调速轴强度与刚度计算 .142.2.3 键的强度校核计算 .162.2.4 圆柱销的强度校核 .173 机械装配图的设计和绘制 .193.1 机械装配图设计概述 .193.2 装配草图的设计和绘制 .243.3 装配工作图的绘制和总成设计 .273.4 装配图的设计与选取 .293.5 水轮机导水控制部分原理图 .294 零件工作图的设计和绘制 .314.1 零件工作图设计概述 .314.2 典型零件图的说明 .335 零件的工艺规程 .355.1 工艺规程 .365.2 机械加工工艺流程 .395.3 零件的机械加工工艺分析 .4
8、15.3.1 机械加工工艺规程的制订原则 .41III5.3.2 制订机械加工工艺规程的内容和步骤 .415.4 上轴头的机械加工工艺分析和典型零件的加工工艺路线 .435.4.1 零件的分析 .435.4.2 毛坯的确定 .445.4.3 工艺规程设计 .445.4.4 典型零件的加工工艺路线 .46结 论 .49致 谢 .50参考文献 .51IV兰州工业学院毕业设计（论文）01绪 论1.1 课题背景水 轮 机 是 把 水 流 的 能 量 转 换 为 旋 转 机 械 能 的 动 力 机 械 ， 它 属 于 流 体 机 械 中 的透 平 机 械 。 早 在 公 元 前 100年 前 后 ， 中
9、 国 就 出 现 了 水 轮 机 的 雏 形 水 轮 ， 用 于 提 灌 和 驱 动 粮 食 加 工 器 械 。 现 代 水 轮 机 则 大 多 数 安 装 在 水 电 站 内 ，用 来 驱 动 发 电 机 发 电 。 在 水 电 站 中 ， 上 游 水 库 中 的 水 经 引 水 管 引 向 水 轮 机 ， 推动 水 轮 机 转 轮 旋 转 ， 带 动 发 电 机 发 电 。 作 完 功 的 水 则 通 过 尾 水 管 道 排 向 下 游 。水 头 越 高 、 流 量 越 大 ， 水 轮 机 的 输 出 功 率 也 就 越 大 。水 轮 机 是 一 种 将 水 能 转 换 为 机 械 能 的
10、 动 力 机 械 。 在 大 多 数 情 况 下 ， 将 这 种 机械 能 通 过 发 电 机 转 换 为 电 能 ， 因 此 水 轮 机 是 为 谁 能 利 用 和 发 电 服 务 的 。 水 是 人 类 在 生 活 和 生 产 中 能 依 赖 的 最 重 要 的 自 然 资 源 之 一 ， 我 们 的 祖 先 很 早以 前 就 和 洪 水 开 展 了 斗 争 并 学 会 了 利 用 水 能 。 公 园 前 二 千 多 年 的 大 禹 治 水 ， 至今 还 为 人 们 所 称 颂 。 公 元 37年 中 国 人 发 明 了 用 水 轮 带 动 的 鼓 风 设 备 -水 排 ， 公 元 260
11、-270年 中 国 人 创 造 了 水 碾 ， 公 元 220-300年 间 发 明 了 用 水 轮 带 动 的 水 磨 ， 这 些 水 力 机 械 结 构 简 单 ， 制 造 容 易 。 缺 点 是笨 重 、 出 力 小 、 效 率 低 。 真 正 大 规 模 地 对 水 力 资 源 合 理 开 发 和 利 用 ， 是 在 近 代工 业 发 展 和 有 关 发 电 、 航 运 等 技 术 发 展 以 后 。 水 利 资 源 的 综 合 开 发 和 利 用 ， 是 指 通 过 修 建 水 利 枢 纽 工 程 来 进 行 对 河 流 水 力资 源 在 防 洪 、 灌 溉 、 航 运 、 发 电
12、以 及 水 产 等 发 明 的 综 合 利 用 。 我 国 的 水 电 发 展 设 备 事 业 也 是 在 新 中 国 成 立 以 后 才 有 了 蓬 勃 发 展 ， 1975年我 国 还 只 能 自 行 设 计 制 造 7.5万 千 瓦 的 新 安 江 水 电 站 ， 到 现 在 我 国 已 能 自 行 设 计制 造 单 机 容 量 70万 千 瓦 的 混 流 式 水 轮 机 发 电 机 组 及 单 机 容 量 17万 千 瓦 的 轴 流 转桨 式 调 节 水 轮 发 电 机 组 。 现 在 ， 我 国 的 水 力 设 备 的 设 计 、 制 造 水 平 已 达 到 世 界先 进 水 平 。
13、 我 国 设 计 、 制 造 的 水 力 发 电 设 备 远 销 到 美 国 、 加 拿 大 、 菲 律 宾 、 土耳 其 、 南 斯 拉 夫 、 越 南 等 国 ， 受 到 了 这 些 国 家 的 欢 迎 。 兰州工业学院毕业设计（论文）11.2 水轮机导水机构的工作原理水 轮 机 作 为 一 种 动 力 机 械 ， 必 须 保 证 水 流 进 入 转 轮 之 前 建 立 起 转 轮 进 口 所 需的 环 量 ； 在 运 行 中 水 轮 机 必 须 能 随 时 调 节 水 流 的 流 量 以 适 应 负 荷 的 变 化 ； 在 停机 时 能 截 断 水 流 进 入 转 轮 。 因 此 ， 反
14、 击 式 水 轮 机 在 转 轮 之 前 设 置 了 导 水 机 构 的过 流 部 件 。 导 水 机 构 在 水 轮 机 中 起 导 向 、 和 关 闭 机 器 的 作 用 。导 水 机 构 是 由 均 匀 的 轴 对 称 地 布 置 在 转 轮 外 圈 的 导 叶 组 成 ， 导 叶 一 般 为 16 32个 ， 视 水 轮 机 大 小 而 定 。导 叶 是 活 动 的 ， 可 由 传 动 机 同 时 转 动 所 有 的 导 叶 ， 以 达 到 调 节 流 量 和 停 机 的作 用 。明 槽 式 水 轮 机 的 导 水 机 构 ， 由 于 导 叶 的 传 动 机 构 全 处 于 水 中 ，
15、 因 此 称 为 内 调节 导 水 机 构 。 蜗 壳 式 水 轮 机 ， 导 叶 轴 伸 出 顶 盖 ， 因 此 传 动 机 构 在 水 轮 机 外 部 ，称 为 外 调 节 导 水 机 构 。1.2.1 水轮机导水机构的作用反 击 式 水 轮 机 导 水 机 构 的 作 用 主 要 有 两 个 ： 其 一 ， 根 据 电 力 系 统 负 荷 的 变 化， 调 节 水 轮 机 流 量 ， 以 适 应 系 统 对 机 组 出 力 的 要 求 ； 其 二 ， 形 成 和 改 变 进 入 转 轮 的 水 流 环 量 ， 以 满 足 不 同 比 转 速 水 轮 机 对 进 入 转 轮 前 水 流环
16、量 的 要 求 。1.2.2 水轮机导水机构的分类图 1-1 径 向 式 导 水 机 构 图 1-2 轴 向 式 导 水 机 构 图 1-3 斜 向 式 导 水 机 构按 水 流 流 经 导 叶 时 与 水 轮 机 轴 线 的 相 对 位 置 ， 导 水 机 构 一 般 可 分 为 ； 径 向 式兰州工业学院毕业设计（论文）2导 水 机 构 （ 图 1-1） ， 该 导 水 机 构 中 水 流 方 向 与 主 轴 垂 直 ； 轴 向 式 导 水 机 构 （ 图 1-2） ， 则 水 流 与 主 轴 平 行 ； 斜 向 式 导 水 机 构 （ 图 1-3） ， 水 流 与 主 轴 斜 交 。径
17、向 式 导 水 机 构 是 以 水 流 沿 着 垂 直 于 水 轮 机 轴 线 的 平 面 径 向 流 过 导 叶 而 得 名， 其 导 叶 分 布 在 与 水 轮 机 同 心 的 圆 柱 面 上 ， 故 亦 称 圆 柱 式 导 水 机 构 。径 向 式 导 水 机 构 由 于 结 构 简 单 ， 便 于 制 造 和 安 装 ， 广 泛 应 用 于 反 击 式 的 水 轮机 的 结 构 中 。在 轴 向 式 导 水 机 构 中 ， 水 流 沿 着 与 水 轮 机 同 心 的 各 圆 柱 面 轴 向 地 流 过 导 叶 。这 种 导 水 机 构 主 要 用 于 贯 流 式 水 轮 机 中 。在
18、斜 向 式 导 水 机 构 中 ， 水 流 沿 着 以 水 轮 机 轴 为 中 心 的 圆 锥 面 斜 向 流 过 导 叶 ，由 于 导 叶 轴 线 均 布 在 圆 锥 面 上 ， 故 也 称 圆 锥 式 导 水 机 构 。 这 种 导 水 机 构 主 要 用于 灯 泡 贯 流 式 和 斜 流 式 水 轮 机 中 。不 论 水 轮 机 采 用 何 种 导 水 机 构 结 构 形 式 ， 它 的 结 构 性 能 均 应 满 足 下 列 要 求 ：1.导 水 机 构 的 传 动 机 构 应 保 证 导 叶 最 大 开 度 值 可 靠 ， 且 应 留 有 不 小 于 5%的裕 量 ；2.导 水 机
19、构 中 应 设 有 安 全 保 护 装 置 ， 防 止 调 节 过 程 中 导 叶 被 硬 物 卡 住 时 而 引起 零 件 的 破 坏 ；3.当 导 叶 失 去 控 制 时 ， 结 构 上 应 有 防 止 导 叶 任 意 转 动 的 限 位 装 置 ；4.导 叶 的 轴 承 、 连 杆 、 转 壁 等 转 动 的 活 接 头 以 及 摩 擦 面 应 润 滑 良 好 ；5.导 叶 和 顶 盖 、 底 环 之 间 以 及 导 叶 之 间 应 保 证 有 良 好 的 密 封 ， 使 停 机 时 的 漏水 损 失 最 小 ；6.结 构 上 应 便 于 安 装 时 调 整 导 叶 的 立 面 和 端
20、面 间 隙 ；7.结 构 应 力 求 简 单 可 靠 和 具 有 良 好 的 工 艺 性 ， 便 于 安 装 、 维 护 和 检 修 ；8.导 水 机 构 的 主 要 零 件 应 有 足 够 的 强 度 和 刚 度 ；9.对 于 高 水 头 电 站 或 多 泥 沙 河 流 的 机 组 ， 导 水 机 构 的 过 流 部 分 表 面 应 有 良好 的 抗 汽 蚀 和 抗 磨 损 的 措 施 。兰州工业学院毕业设计（论文）31.2.3 径向式导水机构的几何参数1.导 叶 开 度 0a导 叶 开 度 是 表 征 水 轮 机 在 流 量 调 节 过 程 中 导 叶 安 放 位 置 的 一 个 参 数
21、。 它的 大 小 等 于 导 叶 出 口 边 与 相 邻 导 叶 体 之 间 的 最 短 距 离 。 当 导 叶 处 于 径 向 位 置 时为 最 大 径 向 开 度 值 max0。最 大 径 向 开 度 是 指 导 叶 可 能 达 到 的 最 大 开 度 ， 导 叶 机 构 在 这 种 开 度 工 作 时 水力 损 失 很 大 ， 导 叶 进 口 有 很 大 的 冲 角 形 成 脱 流 。 同 时 ， 如 果 导 叶 在 径 向 位 置 ，则 水 流 在 转 轮 前 就 不 形 成 环 量 。 而 根 据 水 轮 机 基 本 方 程 式 ， 产 生 机 械 能 就 需 要在 转 轮 出 口
22、有 负 环 量 。 这 样 ， 进 入 尾 水 管 的 能 量 大 大 增 加 。 又 会 形 成 很 大 损 失。 因 此 实 际 上 是 不 允 许 在 这 种 导 叶 位 置 下 运 行 的 。 但 要 有 一 个 允 许 的 最 大 开 度。对 中 小 型 水 轮 机 往 往 由 于 结 构 上 的 原 因 而 加 大 值 及 减 少 导 叶 数 ， 因 而 真 机 的导 水 机 构 与 模 型 已 不 保 持 几 何 相 似 关 系 了 。 此 时 ， 只 有 使 真 机 的 导 水 机 构 出 水角 与 模 型 的 相 等 来 获 得 导 水 机 构 出 口 水 流 的 相 似 关
23、 系 。2.导 叶 出 水 角 0 导 叶 出 口 边 处 骨 线 与 圆 周 方 向 的 夹 角 称 为 导 叶 出 口 角 d 。 由 于 导 叶 的 叶 片 数 多 ， 叶 栅 可 视 为 稠 密 叶 栅 ， 水 流 的 出 流 方 向 就 是 导 叶 出 口角 ， 称 为 导 叶 出 水 角 0 。从 流 量 调 节 方 程 式 看 出 ， 它 也 是 决 定 流 过 水 轮 机 流 量 的 一 个 重 要 参 数 。 在 开度 0相 同 的 情 况 下 ， 若 出 口 角 不 同 ， 则 过 流 量 各 不 相 同 ， d大 者 1Q也 大 ， 而 在三 者 出 口 角 d相 同 的
24、 情 况 下 ， 尽 管 它 们 的 开 度 各 不 相 同 ,但 过 流 量 却 很 接 近 。 由此 可 见 ,决 定 流 量 变 化 及 转 轮 前 流 态 的 参 数 不 是 开 度 0a， 而 是 导 叶 出 口 角 度 d。对 某 一 固 定 形 状 的 导 叶 ,开 度 0和 出 口 角 d应 是 一 一 对 应 的 关 系 。 由 于 在 测 量中 量 0值 比 较 方 便 ， 故 在 实 用 中 都 以 开 度 0来 表 示 导 水 机 构 的 工 作 参 数 ， 而 且在 水 轮 机 的 综 合 特 性 曲 线 上 也 均 作 出 的 是 等 开 度 线 。3.导 叶 高 度 及 最 大 开 度水 轮 机 转 轮 的 外 部 轮 廓 形 状 ， 包 括 转 轮 叶 片 进 口 高 度 和 标 称 直 径 的 比 例 关 系
