1、XX 大学 XX 学院毕业设计说明书题 目：整体水旋式能量转换样机系统设计 专 业：机械设计制造及其自动化 学 号： XX63232 姓 名： XX 指导教师： XX XX 大学 XX 学院毕业论文（设计）任务书论文（设计）题目： 整体水旋式能量转换样机系统设计 学号： XX63232 姓名： XX 专业：机械设计制造及其自动化 指导教师： XX 机电 系 主任： XX 一、主要内容及基本要求1、主要内容： 本设计是一套创新型的水利发电装置，将具有一定势能、压力能的流体转换为具有一定压力能和动能的射流，通过射流的反作用力生成转子的旋转力矩，使得转子以确定的转速旋转。而且本设计采用高精度的齿轮传
2、动，能够有效的利用旋转体的转速来进行电能转换。该装置避免了水轮机叶轮的复杂加工，简单易懂，可以作为水力发电教学实验用。 2、基本要求： 应考虑尽量使装置结构简单化，发电部分采用永磁直流小电机，通过计算系统的安装功率选择合适的电机，设定适当的传动比，通过计算旋转体的进口流量跟出口流量可以求出反冲扭矩的大小，所以要设计合适的进口管径与出口管径。对系统要进行验算，以确定该装置能正常运转。 3、关键步骤 1）选择合适的电机：能充分的利用动能转换成电能； 2）运行稳定性：合理安排装置的尺寸结构，能保证机械装置运行平稳； 3）传动平稳性：根据射流产生的旋转扭矩的大小合理的设计传动比，保证传动结构的平稳性与
3、传动效率； 4）合理安排各零件表面粗糙度，尽量减少能量损耗。 二、重点研究的问题通过查找与整理大量水轮机及手摇发电机的资料，查阅相关文献资料了解水力发电机系统过程和设计参数，在此基础上设计出一套整体水旋式能量转换样机系统。进一步熟练使用 proe 或其他三维制图软件，设计三维模型，得到整体水旋式能量转换样机系统结构设计部分的装配图和若干关键零件的 设计图。合理设计扭矩以使旋转体以较均匀的转速转动。三、进度安排各阶段完成的内容 起止时间1 查阅相关资料 第一周2 确定水旋式能量转换样机机械系统第二周3 确定各部分的结构 第三周4 零部件的设计 第四、五、六、七周7 选定的一种结构设计 第八周8
4、画零件图 第九、十周9 画装配图 第十一周10 撰写毕业设计说明书 第十二周四、应收集的资料及主要参考文献1于布.水力学.广华南理工大学出版社.20012赵振兴、何建京.水力学第二版.清华大学出版社.20103李伟水力计算手册第二版.武汉大学水利水电学院水力学流体力学教研室. 20054董毓.新水力发电手册.中国水利水电出版社.20045宋宝玉.机械设计课程设计指导书.高等教育出版社.20066哈尔滨工业大学理论力学教研室.理论力学第六版.高等教育出版社.20097赵近芳.大学物理第二版.北京邮电大学出版社.20068周良德、朱泗芳、杨世平.现代工程图学第二版.湖南科学技术出版社.20079濮
5、良贵、纪名刚.机械设计第二版.高等教育出版社.200510孙恒、陈作模、葛文杰.机械原理第七版. 高等教育出版社 200511杨曙东、何存兴 .液压传动与气压传动第三版.华中科技大学出版社XX 大学 XX 学院毕业论文（设计）评阅表学号 XX63232 姓名 XX 专业 机械设计制造及其自动化 毕业论文（设计）题目 整体水旋式能量转换样机系统设计 XX 大学 XX 学院毕业论文（设计）鉴定意见学号：XX63232 姓名：XX 专业：机械设计制造及其自动化 评价项目 评 价 内 容选题1.是否符合培养目标，体现学科、专业特点和教学计划的基本要求，达到综合训练的目的；2.难度、份量是否适当；3.是
6、否与生产、科研、社会等实际相结合。能力1.是否有查阅文献、综合归纳资料的能力；2.是否有综合运用知识的能力；3.是否具备研究方案的设计能力、研究方法和手段的运用能力；4.是否具备一定的外文与计算机应用能力；5.工科是否有经济分析能力。论文（设计）质量1.立论是否正确，论述是否充分，结构是否严谨合理；实验是否正确，设计、计算、分析处理是否科学；技术用语是否准确，符号是否统一，图表图纸是否完备、整洁、正确，引文是否规范；2.文字是否通顺，有无观点提炼，综合概括能力如何；3.有无理论价值或实际应用价值，有无创新之处。综合评价XX 同学毕业设计立论正确，论述充分，结构严谨；具有较强的的文献查阅、资料综
7、合归纳整理能力，能在设计中熟练运用所学知识，设计方案合理可行，工作量较大，论文质量一般，图纸完整。同意参加答辩。评阅人： 012 年 5 月 日毕业论文（设计说明书） 37 页 图 表 10 张论文（设计）题目： 整体水旋式能量转换样机系统设计 内容提要： 整体水旋式能量转换样机是一套创新型的水利发电装置，将具有一定势能、压力能的流体转换为具有一定压力能和动能的射流，通过射流的反作用力生成一个转子的旋转力矩，使得转子以确定的转速旋转。转子将带动其连接的齿轮转动，最终将带动永磁直流小电机磁体内的转子转动而产生电能。该样机的优点是直接由产生的射流反作用生成作用力矩，思路清晰，装置简单，有利于普及水
8、力发电知识。同时用水做能源很环保，研究该装置有比较现实的意义。通过计算系统的安装功率选择合适的永磁直流小电机，然后根据电机的额定转速设定一个传动比，可以得出旋转体转速。旋转体是靠喷管射流的反冲力产生的扭矩而旋转的，通过计算旋转体的进口流量跟出口流量可以求出反冲扭矩的大小，参考理论力学刚体的动量矩定理，就可以大致确定旋转体的外径跟喷管的长度，设定初值计算，再通过验证跟系统要求可以设计出各零件的尺寸。指导教师评语XX 同学在毕业设计过程中，态度认真，学习主动，积极思考，能够清楚认识自己的不足，努力提高。基本上完成了设计任务，其主要工作如下：其一，画出了水利发电的三维模型；其二，查阅了较多的资料和手
9、册,对流体力学基础有了一定的掌握；其三，自学了 proe，CAD 等画图软件，作图能力有了较大的提高；其在设计过程中，学习主动，创新性不是很强。综合运用所学知识的能力一般。同意参加答辩。建议评定成绩为中等。指导教师： 年 月 日答辩简要情况及评语根据答辩情况，答辩小组同意其成绩评定为 。答辩小组组长： 年 月 日答辩委员会意见经答辩委员会讨论，同意该毕业论文（设计）成绩评定为答辩委员会主任： 年 月 日目 录摘要 1Abstract.2第一章 绪论 31.2 整体水旋式能量转换样机简介 .4第二章 样机的材料及选择 52.1 塑料的常用特性 .52.2 常见塑料简介 .5第三章 样机机械部分设
10、计计算 103.1 射流的反推力 .103.2 流量 Q 的计算 113.4 分析样机在射流反推力作用下转动情况 .133.5 零件的设计 .14第四章 发电部分设计 194.1 安装功率的估算 .194.2 发电部分电动机的选择 .19第五章 系统的验算及输出功率的计算 215.1 系统验算 .215.2 输出功率的计算 .21第六章 可以选择的优化方案 23致谢 24参考文献 25外文翻译 26英文原文 26中文译文： 33湘潭大学兴湘学院本科毕业设计（论文）1整体水旋式能量转换样机系统设计摘要整体水旋式能量转换样机其实就是一种微型的水力发电模拟机，可用作水力发电教学实验。本文设计出了这样
11、一套简单的水力发电装置，并对其主要部件进行了受力分析。水轮机是目前水力发电用的最广的装置，但是水轮机工程量大，制造结构复杂。所以本文参考水轮机的发电原理，为方便制造，将其改装成一个及其简单的装置，并参考工程材料、流体力学、直流发电等资料设计出这样一套装置并对其进行计算分析。关键词：直流发电机；能量转换；聚碳酸酯；水力发电湘潭大学兴湘学院本科毕业设计（论文）2Overall water rotating energy conversionPrototype system designAbstractThe overall water spin energy conversion prototyp
12、e is actually a micro hydro-electric power simulator can be sued a hydroelectric teaching experiment .Devised such a simple hydro-electric power installations, and its main components of the stress analysis.Turbine hydroelectric power with the most widely used device, but the large amount of turbine
13、 engineering, manufacturing complex structure. This reference to turbine power generation principle, to facilitate the manufacture, be converted into a simple device, with reference to engineering materials, fluid mechanics, and DC power generation to design such a device and its computational analy
14、sis. Key words: DC generators; energy conversion; polycarbonate; hydroelectric 湘潭大学兴湘学院本科毕业设计（论文）3第一章 绪论1.1 水轮机的工作原理及简介 1.1.1 水轮机工作原理水轮机是一种将河流中蕴藏的水能转换成旋转机械能的原动机，当水流流过水轮机时，通过主轴带动发电机，将旋转机械能转换成电能。与发电机连接成的整体称为水轮发电机组，它是水电站的主要设备部分。水电站是借助水工建筑物和机电设备将水能转换成为电能的企业，在未来，水能资源的开发和利用将成为资源开发利用的主导能源，所以，水轮机的设计开发对我国水能资
15、源的开发起到很大的推进作用。1.1.2 水轮机的分类水轮机大致分为两大类：反击式水轮机和冲击式水轮机；反击式水轮机： 转轮利用水流的压力能和动能做工的水轮机称为反击式水轮机。其特征是：压力水流充满水轮机的整个流道，水流流经转轮叶片时，受叶片的作用改变压力、流速的大小和方向，同时水流在转轮叶片正反面产生压力差，对转轮产生反作用力，形成旋转力矩使转轮旋转。主要包括混流式、轴流式、斜流式和灌流式四种类型水轮机。冲击式水轮机： 转轮只利用水流动能做功的水轮机称为冲击式水轮机。其特征是：有压水流先经过喷嘴形成高速自由射流，将压能转换成动能，并冲击转轮旋转。水流只冲击部分转轮，水流是充满水轮机的整个流道的
16、，转轮只是部分进水，转轮在大气压的作用下工作。所以叶片一般做成斗叶状。水力发电是研究水能转换为电能的工程建设和生产运行等技术经济问题 科术。水力发电利用的水能主要是蕴藏于水体中的位能。为实现将水能转换为电能，需要兴建不同类型的水电站。一般来说水力发电的基本原理是利用水位落差 ，配合水轮发电机产生电力，也就是利用水的位能转为水轮的机械能，再以机械能推动发电机，而得到电力。科学界们以此水位落差的天然条件，有效的利用流体力学工程及机械物理等，精心搭配以达到最高的发电量，供人们使用廉价又无污染的电力。水利发电项目是一项低碳、环保、高效循环的能源利用技术。然而，水轮机发电具有如下缺陷：1 因地形上之限制
17、无法建造太大之容量。单机容量为 300MW 左右。湘潭大学兴湘学院本科毕业设计（论文）42 建厂期间长，建造费用高。3 因设于天然河川或湖沼地带易受风水之灾害，影响其他水利事业。电力输出易受气候的影响。4 建厂后不易增加容量。5生态破坏：大坝以下水流侵蚀加剧，河流的变化及对动植物的影响等。6需筑坝移民等，基础建设投资大7下游肥沃的冲积土因冲刷而减少所以，有待研究一项更加便捷、低成本、通用性搞的水利发电装置。经过一段时间在网上和图书馆查阅资料，目前在水能发电技术上，多采用水轮式发电，对于转子水旋式能量转换样机的研究不多。1.2 整体水旋式能量转换样机简介这是一套创新型的水利发电装置，将具有一定势
18、能、压力能的流体转换为具有一定压力能和动能的射流，通过射流的反作用力生成一个转子的旋转力矩，使得转子以确定的转速旋转。转子将带动与其连接的齿轮及其他部件转动，最终将通过带动磁体内的转子转动而产生电能。该装置将具有如下优点：1. 管道可以经过精加工使管道内部光洁度高，能量损失小；2. 直接由产生的射流反作用生成作用力矩，思路清晰，装置简单；3. 对周边环境的依赖性相对较小；所以，研究转子水旋式能量转换样机具有很实在的现实意义。依据对转子水旋式能量转换样机概念的思考，将该装置机械部分部件设计为空心轴、套筒、旋转体、喷管、螺母等组成。其中空心轴、旋转体、喷管为主要设计元件。通过液体从喷管单侧的孔口喷
19、出，通过产生的反作用力生成的旋转力矩，使得喷管带动旋转体转动，从而驱动旋转体带动的齿轮，达到设计要求。考虑到沿程压力损失和局部压力损失，故尽可能多的选择设计直流通道而避免局部拐角的设计。为了减轻整个机体的总量，所选用的材料为塑料。湘潭大学兴湘学院本科毕业设计（论文）5第二章 样机的材料及选择2.1 塑料的常用特性1.密度；2.物理及力学性能；3.比强度；4.耐化学腐蚀性；5.耐候性；6.使用温度范围；7.电性能；8.成型工艺性；9.耐蠕变性。2.2 常见塑料简介2.2.1 聚丙烯(PP)1)基本特性聚丙烯无味、无色、无毒。外观似聚乙烯，但比聚乙烯更透明更轻。密度仅为0.90-0.91g/cm3
20、。它不吸水、光泽好、易着色。聚丙烯的屈服强度、抗拉、抗压强度和硬度及弹性比聚乙烯好。定向拉伸后的聚丙烯可制作铰链，其具有特别高的抗弯曲疲劳强度，如用聚丙烯注射成型的一体铰链(盖和本体合一的各种容器)，经过 7107次开闭弯折未产生损坏和断裂现象。聚丙烯的熔点为 164170 0C，其耐热性好，能在 1000C 以上的温度下进行消毒灭菌。聚丙烯耐低温的使用温度可达-15 0C，在低于35 0C 时会脆裂。聚丙烯的高频绝缘性能好，而且由于其不吸水，绝缘性能不受湿度的影响。聚丙烯在氧、热、光的作用下极易解聚、老化，所以必须加入防老化剂。2)主要用途聚丙烯可用于制作各种机械零件如法兰、接头、泵叶轮、汽
21、车零件和自行车零件；可作水、蒸汽、各种酸碱等的输送管道，化工容器和其他设备的衬里、表面涂层；可制造盖和本体合一的箱壳，各种绝缘零件，并用于医药工业中。2.2.2 丙烯腈丁二烯苯乙烯共聚物(ABS)1)基本特性ABS 是由丙烯腈、丁二烯、苯乙烯共聚而成的。这三种组分各自的特性，使 ABS 具有良好的综合力学性能。湘潭大学兴湘学院本科毕业设计（论文）6丙烯腈使 ABS 有良好的耐化学腐蚀及表面硬度，丁二烯使 ABS 坚韧，苯乙烯使它有良好的加工性和染色性能。ABS 无毒、无味、呈微黄色，成型的塑件有较好的光泽。ABS 有极好的抗冲击强度，且在低温下也不迅速下降。ABS 有良好的机械强度和一定的耐磨
22、性、耐寒性、耐油性、耐水性、化学稳定性和电气性能。水、无机盐、碱和酸类对 ABS 几乎无影响，但在酮、醛、酯、氯代烃中会溶解或形成乳浊液。ABS 不溶于大部分醇类及烃类溶剂，但与烃长期接触会软化溶胀。ABS 塑料表面受冰醋酸、植物油等化学药品的侵蚀会引起应力开裂。ABS 有一定的硬度和尺寸稳定性，易于成型加工，经过调色可配成任何颜色。ABS 的缺点是耐热性不高，连续工作温度为 700C 左右，热变形温度为 930C 左右，且耐气候性差，在紫外线作用下易变硬发脆。根据 ABS 中三种组分之间的比例不同，其性能也略有差异，从而适应各种不同的应用要求。根据应用要求的不同，ABS 可分为超高冲击型、高
23、冲击型、中冲击型、低冲击型和耐热型等。2)主要用途ABS 在机械工业上用来制造齿轮、泵叶轮、轴承、把手、管道、电机外壳、仪表壳、仪表盘、水箱外壳、蓄电池槽、冷藏库和冰箱衬里等。在汽车工业领域，用 ABS 制造汽车挡泥板、扶手、热空气调节导管、加热器等，还可用 ABS 夹层板制小轿车车身。ABS 还可用来制作水表壳、纺织器材、电器零件、文教体育用品、玩具、电子琴及收录机壳体、食品包装容器、农药喷雾器及家具等。2.2.3 聚碳酸酯(PC)1)基本特性聚碳酸酯是一种性能优良的热塑性工程塑料，聚碳酸酯本色微黄，如加点淡蓝色，可得到无色透明塑料，可见光的透光率接近 90。聚碳酸酯的综合性能优异，尤其具有
24、突出的抗冲击性、透明性和尺寸稳定性，优良的机械强度和电绝缘性，较宽的使用温度范围（-60120）等，是其他通用工程树脂无法比拟的。目前世界聚碳酸酯产能已达 160 万165 万吨/年，年均需求量为 120万-130 万吨，年均产量 110120 万吨。在工程塑料中，PC 产量仅次于 PA。聚碳酸酯韧而刚，抗冲击性在热塑性塑料中名列前茅，用其成型零件可达到很好湘潭大学兴湘学院本科毕业设计（论文）7的尺寸精度并能在很宽的温度变化范围内保持尺寸的稳定性，即成型收缩率可恒定在0.50.8。聚碳酸酯抗蠕变、耐磨、耐热和耐寒性均较好，其脆化温度在-100 0C 以下，长期工作温度达 1200C。聚碳酸酯吸
25、水率较低，能在较宽的温度范围内保持较好的电性能。聚碳酸酯可耐室温下的水、稀酸、氧化剂、还原剂、盐、油、脂肪烃，但不耐碱、胺、酮、脂、芳香烃。聚碳酸酯具有良好的耐气候性，但其最大的缺点是塑件易开裂，耐疲劳强度较差。用玻璃纤维增强聚碳酸酯，则可克服了上述缺点，使聚碳酸酯具有更好的力学性能，更好的尺寸稳定性，更小的成型收缩率，并可提高耐热性和耐药性，降低成本。2)主要用途在机械方面主要用于制作各种齿轮、蜗轮、蜗杆、齿条、凸轮、芯轴、轴承、滑轮、铰链、螺母、垫圈、泵叶轮、灯罩、节流阀、润滑油输油管、各种外壳、盖板、容器、冷冻和冷却装置零件等；在电气方面，用于制作电机零件、电话交换器零件、信号用继电器、
26、风扇部件、拨号盘、仪表壳、接线板等。聚碳酸酯还可制作照明灯、高温透镜、视孔镜、防护玻璃等光学零件，光盘的使用，汽车窗玻璃的应用。汽车前灯、侧灯、尾灯、镜面、透镜、车玻璃、内外装饰件、仪表板2.2.4 聚酰胺(PA)1)基本特性聚酰胺通称尼龙，由二元胺和二元酸通过缩聚反应制取或是以一种内酰胺的分子通过自聚而成。尼龙的命名由二元胺与二元酸中的碳原子数来决定。如已二胺和癸二酸反应所得的聚缩物称尼龙 610，并规定前一个数指二元胺中的碳原子数，而后一个数为二元酸中的碳原子数；如通过氨基酸的自聚来制取，则由氨基酸中的碳原子数来决定。例如已内酸胺中有 6 个碳原子，故自聚物称尼龙 6 或聚已内酰胺。尼龙常
27、见的品种有尼龙 1010、尼龙 610、尼龙 66、尼龙 6、尼龙 9、尼龙 11 等。尼龙的力学性能优良，抗拉、抗压、耐磨。是产量最大的工程塑料。尼龙抗冲击强度比一般塑料有显著提高，其中尼龙 6 更优。作为机械零件的制造材料，尼龙具有良好的消音效果和自润滑性能。尼龙耐碱、弱酸，但强酸和氧化剂能侵蚀尼龙。尼龙本身无毒、无味、不霉烂，但其吸水性强、收缩率大，常常因吸水而湘潭大学兴湘学院本科毕业设计（论文）8引起尺寸变化。制品精度不高。尼龙的稳定性较差，一般只能在 800C100 0C 以下使用。为了进一步改善尼龙的性能，常在尼龙中加入减摩剂、稳定剂、润滑剂、玻璃纤维填料等，以克服尼龙存在的缺点，
28、提高其机械强度。2)主要用途由于尼龙有较好的力学性能，它被广泛地应用于工业制作各种机械、化学和电气零件，如轴承、齿轮、滚子、辊轴、滑轮、泵叶轮、风扇叶片、蜗轮、高压密封扣圈、垫片、阀座、输油管、储油容器、绳索、传动带、电池箱和电器线圈等零件。各塑料的密度及收缩率如表 2-1 所示表 2-1 各塑料的密度及收缩率塑料 名称 密度（g/cm3） 收缩率 成型温度 ()ABS 丙烯腈-丁二烯-苯乙烯 1.05 0.4-0.8% 200-240PS 聚苯乙烯 1.05 0.4-0.8% 170-250PMMA 有机玻璃（聚甲基丙烯酸甲脂 1.15-1.18 0.3-0.6% 170-250POM 聚甲
29、醛 1.41-1.43 1.3-2.5% 170-200PP 聚丙烯 0.80-0.91 1.3-2.5% 160-220PP+GF30 1.13 0.4-0.5% PBT-G30 1.5-1.6 PE 聚乙烯 0.94-0.96 1.5-3.6% 140-220PVC 聚氯乙烯 1.38 0.6-1.5% 160-190 PA6 尼龙 1.13 0.8-2.0% 220-300 PA66 尼龙 1.14 0.8-2.0% 220-300 尼龙 1010 1.0-1.05 1.2-2.5 200210PC 聚碳酸脂 1.18-1.20 0.5-0.8% 110-120PC+ABS 1.15 D
30、MC/SMC 不饱和聚脂玻璃纤维模塑料 1.75-1.85 0.1-0.8 PPO 聚苯醚 1.06-1.07 0.7-1.0% 260-290 PPO+20GF 1.21 0.4-0.8% 130PPO+30GF 1.3 0.2-0.5% 140PSU 聚砜 1.20-1.25 0.5-0.7% 290-350湘潭大学兴湘学院本科毕业设计（论文）9PTFE 聚四氟乙烯 2.1-2.17 1.5-3.5% 330-380ASA 丙烯酸-苯乙烯-丙烯睛 1.05 0.4-0.7% 170-230PPS 聚苯硫醚 1.36 0.70% 300-330ETFE 聚四氟乙烯-乙烯共聚物 1.7 3.1
31、-7.7% 300-330PFA 可溶性聚四氟乙烯 2.13-2.167 3.1-7.7% 350-400PAR U 塑料（聚芳脂） 1.2-1.26 0.80% 300-350 PF 酚醛塑料 1.4-1.95 0.1-1.0% 150-170氨基塑料 1.5 0.6-1.0% 160-180EP 环氧树脂 1.5-2.0 0.1-0.5% 140-170IS 有机硅塑料 1.75-1.95 0.50% 160-180PU 聚氨酯 1.10-1.25 EMA 0.93 PPT20 1.026 TPE 0.92-0.98 0.6%-2% TPV 0.900.97 PPE 0.96-1.06 H
32、DPE 高压聚乙烯 0.94-0.96 1.2-3.0 LDPE 低压聚乙烯 0.91-0.93 1.0-3.0 UF 脲醛塑料 1.45-1.55 0.6-1.4 PBTP 聚对苯二甲酸丁二酯 1.3-1.32 1.0-2.2 PTFE 聚四氟乙烯 2.1-2.17 1.5-3.5 MF 纸浆填料 1.45-1.6 0.6-1.4 综合以上数据并参考表 2-1 各塑料的密度以及收缩率现选择如下选择：因为聚丙烯在氧、热、光的作用下极易解聚、老化；ABS 耐热性不高，连续工作温度为 700C 左右，热变形温度为 930C 左右，且耐气候性差，在紫外线作用下容易变硬发脆；尼龙其吸水性强、收缩率大，
33、常常因吸水而引起尺寸变化;考虑到水轮机的工作环境及运转原理，所以我选择的塑料是用玻璃纤维增强聚碳酸酯，其具有突出的抗冲击性，良好的抗蠕变、耐磨、耐热和耐寒性，吸水率低等优点，满足了水轮机所要求的材料性能。湘潭大学兴湘学院本科毕业设计（论文）10第三章 样机机械部分设计计算3.1 射流的反推力如图 3-1 所示，装有液体的容器侧壁开直径为 d 的小孔，流体便从小孔流出形成射流。取孔口中心线为基准面，列水箱液面 A-A 与孔口截面 B-B 列伯努利方程图 3-1 射流反推原理图对于断面 有（暂不计能量能量损失）11AB、2201pvpvHgg010,aP可求得孔口的速度： 12vh取 A-A 与
34、B-B 之间充满的流体作为控制体，设作用在控制体上的力为 R，且与射流方向一致，并定义为正向，则该方向上的动量方程（作用在所研究流体上的外力矢量湘潭大学兴湘学院本科毕业设计（论文）11和等于单位时间内流入流体的动量之差）为 (),BXARqvV由于 （因为流入几乎为 0） ，12,0gh2/4Xd因此得出 2/Rgh根据作用力与反作用力，则射流给容器的反推力 F 与 R 大小相等、方向相反。如果容器与地面无摩擦，可自由运动，那么容器在反推力 F 的作用下，将沿与射流相反的反向运动，这就是射流的反推力。火箭、喷气式飞机、喷水船等都是借助这种反推力而工作的。所以 F=R3.2 流量 Q 的计算首先
35、设定初值，设有效水头为 2m，水管的内直径为 30mm，喷口直径为 10mm。由清华大学出版社出版的水力学（第 2 版） ，第 146 页得到 Q=A ， ，2gH2vg其中 为自由出流的流量系数，计算公式为 = ，公式中 为沿程阻力1+ld损失系数， 为局部阻力损失系数。 g 为重力加速度， H 为有效水头，设 为喷口断水 2A面积, 为水管断水面积。1A易求得 = = 0.0000785220.512m= = 0.00071(3)H=2m由于水管极段，暂忽略沿程阻力损失，查水力计算手册求得 =0.5。所以水管出口流量 ，31Q0.729.80.4/ms水管出口流速 V63m/s湘潭大学兴湘
36、学院本科毕业设计（论文）12喷管出口流量 321Q0.5.40.1m/s喷管射流速度 m/s2V.A.7853.3 旋转扭矩的计算 根据牛顿力学定律，喷流反作用力大小：F=ma （1）式中： F反作用力（N）m质量（kg） ； a 加速度（ ） 。2/s水管出口流速度为 （m/s） ；1V喷口射流流速为 （m/s）2喷口断面面积 =0.0000785A2m加速时间为 t（s）当水流经过旋转体到达喷口，整个过程水流流态复杂，为了简化计算，暂忽略水头损失，则水流速由 增加到 所用时间为加速时间 t，由运动学定律，得平均加速1V2度为：（2）1at在加速时间 t 内喷管出流的水量由下式计算：（3）其
37、中 为水常温下的密度，取 2mAV3=10/kgm把（2） 、 （3）带入（1）得： 22F()a带入数值求得 F=8.5N设旋转体旋转直径为 d，则旋转力矩为：M=Fd湘潭大学兴湘学院本科毕业设计（论文）133.4 分析样机在射流反推力作用下转动情况简化后的受力图如图 3-2 所示图 3-2 简化受力图即水旋机在两个喷管的作用下受到一对力偶的作用，力偶之间的距离为 d。即所设计的水旋机在这对力偶的作用下按要求转动。角动量动力：对质点 其中()()000()ieii idMmvFmt： (1,23,)in对质点系： 其中()()0()+ii it（ ）左边交换求和与导数运算顺序，则 ()000
38、,iiLvF这是质点对固定点的动量矩定理。质点对任一固定点的动量矩对时间的导数，等于作用在质点系上所有外力对同一点之矩的矢量和（外力系的主矩） 。对于一个定轴转动的刚体： zLJ代入质点系动量矩定理有： ()(ezzdMt所以 ()3lMm而 其中 r 为喷管的长度，R 为旋转体的半径， 为旋转体的角速度。lr 湘潭大学兴湘学院本科毕业设计（论文）14即 2()()3lFRrm设定初值计算：设旋转体的半径为 89mm，壁厚为 30mm，高为 88mm，喷管的半径为16mm，壁厚为 4mm，长为 114mm。验算旋转力矩能否克服旋转装置的摩擦力矩做旋转运动。易求得整个旋转装置的质量大约为 1kg
39、,查百度文库密度表得到聚碳酸酯在无润滑时候的静摩擦系数为 0.3，则：19.80317.52.()fMdNcmA喷管射流产生的旋转力矩 8.40635.1()MFdNcA因为 远小于 ,所以该装置是可以正常运转的。f3.5 零件的设计3.5.1 旋转体的设计图如图 3-3图 3-3 旋转体在旋转体的左右两侧各开一孔安装喷管，为保证喷管的左右喷口在同一水平面上，喷管采用小螺钉固定在旋转体上，齿轮也采用螺钉固定。3.5.2 旋转体的转动惯量计算公式推导湘潭大学兴湘学院本科毕业设计（论文）15对于旋转体如图 3，可以将其视为空心圆柱，其旋转中心为回转中心线所以可以将其视为空心圆柱，根据高等教育出版社
40、理论力学（） 第 271 页关于空心圆柱的转动惯量公式有： 21=mJ（ R+r）其中惯性半径为 ，体积为 ； 为外径， 为内径。211()211(R-)Vhr11r对上式进行推导后讲得出最终的转动惯量表达式：，其中 为选用材料222411111()()()JvRrhRrr的密度，由表 1 得知其密度为 3./gcm带入以上转动惯量计算式 = 1J28590kgA3.5.3 喷管的设计参数如下D=32mm,d=24mm，L=114mm，喷管上开的小孔直径 d=10mm图 3-4 喷管3.5.4 喷管的转动惯量计算公式推导1）喷管的转动惯量计算公式推导：对于喷管见图 4，同样可以看作空心圆柱，其
41、旋转中心为旋转体的回中心线，故采用积分计算其转动惯量，根据高等教育出版社理论力学（） 第 11章第四节公式 11-13，设体积 ，其中 l 为喷管长度， 为喷管外径，2=()VlRr2R湘潭大学兴湘学院本科毕业设计（论文）16为喷管内径；2r从而喷管的转动惯量应为：，其中1 12222232 111()3Rl RlJrdxrxdlRrlR 为喷管的材料密度。带入以上转动惯量计算公式推导 3220.4Jkgm2）腔内充满水时的转动惯量计算，其中 为水的密度。1 322300113RrlJxdrRlr 0由以上的赋值，可以求得 23.480Jkg根据理论力学（）第 11 章第四节公式有 为旋转体的
42、转矩，LJ带入数据所以求得旋转体转速 转/分52n3.5.5 套筒的参数为了配合旋转体的各个参数，套筒的壁厚取 4mm，套筒的半径为 55mm，在套筒壁上选择开 6 个小孔，孔的位置要刚好配合旋转体上所开孔的位置及尺寸。选择孔的半径为 12mm。套筒设计图如下湘潭大学兴湘学院本科毕业设计（论文）17图 3-5 套筒3.5.6 空心轴的参数为配合套筒的各个参数，空心轴的壁厚也选取 4mm，则空心轴上开 6 个小孔，孔的位置、大小都由套筒上孔的位置大小所决定。图 3-6 空心轴柱3.5.7 大齿轮的设计参数创建渐开线直齿轮，因为齿轮是套在旋转体上的，所以为了配合旋转体的尺寸，则齿轮的孔直径为 17
43、8mm，设定初值：齿轮齿数 z=80，模数 m=2.5，压力角取标准值为20 度。设计图如图 3-7a 分度圆直径 802.5dmzb 齿顶高 .ahc 齿根高 31fd 齿顶圆直径 205adc 齿根圆直径 9.7f3.5.8 传动比的设计湘潭大学兴湘学院本科毕业设计（论文）18考虑到是样机的设计，对输出功率要求不高，所以采用一级变速，参考机械设计手册，一级变速一般采用的传动比为 8-12，现设定传动比为 8，则小齿轮即电机主轴齿轮的齿数为 10，模数为 2.5，压力角度按标准值取 20 度图 3-7 大齿轮3.5.9 小齿轮的参数a 分度圆直径 102.5dmzb 齿顶高 .ahc 齿根高
44、 3fd 齿顶圆直径 28adc 齿根圆直径 1.75f湘潭大学兴湘学院本科毕业设计（论文）19第四章 发电部分设计4.1 安装功率的估算在有水位差的地方，谁从高处往低处流，水有一定的流动速度，因此水带有动能；因为水位差，水在高处被地球的引力吸引往低处，从而水带有重力势能，水的动能和水的势能总和就是水的能量，水位差越高，水流量越大，水的能量就越大。水的能量作用在水轮机上，使得水轮机转动，带动发电机发电。也就是水的能量转变成电能的过程，就是水力发电。水位差，或者说水流落差，即进水处和出水处之间的垂直距离，我们简称为水头。水流量和水头就可以决定安装发电机组的功率。水流量一般是指一秒钟内流出的水的体
45、积。以立方米/秒为单位。理论上的安装功率的计算公式为：水 头 (m)流 量 (m3/s)9.8 功 率 (KW)。 实 际 上 机 组 的 效 率 并 不 是 100%， 因 此 要 把 机 组 的 效 率 算 上 。一 般 水 头 我 们 以 H 来 表 示 ， 流 量 以 Q 来 表 示 ， 本 机 组 效 率 大 约 为 0.5， 一 般 发电 部 分 的 效 率 取 0.7， g 表 示 重 力 加 速 度 ， 功 率 以 P 来 表 示 ， 那 么 安 装 功 率 的计 算 公 式 为 ： P 。在 本 设 计 中 ， H、 Q 均 在 以 上 求 得 。所 以 安 装 功 率 20
46、.4.5079.83pkw4.2 发电部分电动机的选择4.2.1 直流发电机的工作原理发电机的工作原理就是把电枢线圈中感应产生的交变电动势，靠换向器配合电刷的换向作用，使之从电刷端引出时变为直流电动势 因为电刷 A 通过换向片所引出的电动势始终是切割 N 端磁力线的线圈边中的电动势。所以电刷 A 始终有正极性，同样道理，电刷 B 始终有负极性。所以电刷端可以引出方向不变大小变化的脉动电动势。线圈内的感应电动势是一种交变电动势，而在电刷 AB 端的电动势却是直流电动势。当发电机的电枢被其他机器带动以匀速逆时针旋转时，线圈作切割磁感线运动。线圈转到上图右边所示位置时，用右手定则可以判断出端导体产生
47、的感应电湘潭大学兴湘学院本科毕业设计（论文）20动势方向为； 段导体产生的感应电动势方向为 c，则与滑片 1 接触的电刷 A 为正极，与滑片 2 接触的电刷 B 为负极。当线圈转到中性面（与磁感线相垂直的平面）时，感应电动势从最大值逐渐减小到零。当线圈转过中性面后，段导体产生的感应电动势方向由；段导体的感应电动势方向由。此时，电刷 A 改为与换向器的滑片 2 接触，电刷 B 与滑片 1 接触。随着线圈在磁场中的不断转动，换向器滑片 1 和 2 间的感应电动势是大小和方向都随时间变化的交变电动势，但电刷 A 与 B 交替地接触与线圈同时转动的换向器滑片 1 和 2，因此在电刷 A 与 B 间产生的是脉动直流电动势，从 A 与 B 输出的就是直流电了。直流发电机原理图如图 4-1 图 4-1 直流发电原理图在本设计中，考虑到成本问题，应尽量使设计的装置简单化，参考手摇发电机的设计方法，样机的发电部分用一个小型的直流电机代替，这样既简单，也能达到设计的要求。当直流电机反转时，即可输出直流电。参考现选择小型马达的型号为 DC2
