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水轮机导水控止装置结构设计方案及加工工艺-学位论文.doc
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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。
2、关键词:水力发电;导水控制;摇臂;开角ABSTRACTThis study investigated the water turbine 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 disadvantage
3、s,and indentifies a reasonable guide water control machinery parts 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 confor
4、ms to the actual processing requirements,to verify the preliminary 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 benefici
5、al theoretical basis. Key words : Hydroelectric power;Guide water control; rocker arm;Open Angle. 目 录摘 要IABSTRACTII1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
6、基本参数132.2 速机构中主要零件强度、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415.3.1 机械加工工艺规程
7、的制订原则415.3.2 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5150兰州工业学院毕业设计(论文)1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
8、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260-270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
9、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。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。 1.2 水轮机
10、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1632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,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.
11、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
12、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.导水机构中应设有安全保护装置,防止调节
13、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。1.2.3 径向式导水机构的几何参数1.导叶开度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。它
14、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。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
15、似关系。2.导叶出水角 导叶出口边处骨线与圆周方向的夹角称为导叶出口角 。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 。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。在开度相同的情况下,若出口角不同,则过流量各不相同,大者也大,而在三者出口角相同的情况下,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,而是导叶出口角度。对某一固定形状的导叶,开度和出口角应是一一对应的关系。由于在测量中量值比较方便,故在实用中都以开度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
16、.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,和比转速都有一定的关系。实际上从定性地分析来看,对直径一定的水轮机,比转速越高流量就越大,导叶应该做得高一些,否则就要增加开度 。开度过大导叶片将会接近于颈向开度,如前面所述这样将增加导叶及转轮内的流动损失。反之,对低比转速水轮机,流量相对比较小。如果导叶过高,则对应的开度将很小,水流从两片导叶之间的窄缝中流出,也会引起较大的损失。因此,对应于某一比转速水轮机应有一个最佳的导叶高度和最佳出流角或开度。4.导叶数,导叶轴线分布圆直径 及导叶弦长L导叶数影响进入转轮水流的均匀度,数目多叶栅稠密度大出水流速分布均
17、匀。而且单片导叶重量减轻。但是加工量增加,结构较复杂。故而,对大型水轮机采用较多的导叶数,较小的及较小的弦长L。根据实践经验,相对值 。大的比值用于小型水轮机。对大型水轮机多采用=1.16 。但为了减少径向尺寸,可采用=1.13,不过应以导叶在最大可能的开度下不至于与转轮叶片相碰为限。近年来许多实践表明,某些低比转速混流式水轮机由于水头很高(H150m),蜗壳和导叶内流速很大,随着导叶进口处径向尺寸的减小,流速更增加。这样,导叶表面的磨损将很严重。另外高水头水轮机转轮的进口边如距导叶出口太近,导叶出来的不均匀水流可能使转轮产生振动,同时也影响机组效率。因此在材料强度允许的条件下,适当加大导叶分
18、布圆直径以降低流经导叶的流速,对增长机组的工作周期和提高工作稳定性能是有利的。当 和 确定后,即可按导水机构能紧密关闭的原则,确定叶栅密度和翼弦长度L。1.3 水轮机的工作原理1.3.1 发电机原理一.发电机概述 发电机是将其他形式的能源转换成电能的机械设备,它由水轮机、汽轮机、柴油机或其他动力机械驱动,将水流,气流,燃料燃烧或原子核裂变产生的能量转化为机械能传给发电机,再由发电机转换为电能。发电机在工农业生产,国防,科技及日常生活中有广泛的用途。 发电机的形式很多,但其工作原理都基于电磁感应定律和电磁力定律。因此,其构造的一般原则是:用适当的导磁和导电材料构成互相进行电磁感应的磁路和电路,以
19、产生电磁功率,达到能量转换的目的。 发电机已实施出口产品质量许可制度,未取得出口质量许可证的产品不准出口。 二.发电机的分类可归纳如下: 发电机分:直流发电机和交流发电机 交流发电机分:同步发电机和异步发电机(很少采用) 交流发电机还可分为单相发电机与三相发电机。 三.发电机结构及工作原理 发电机通常由定子、转子、端盖及轴承等部件构成。 定子由定子铁芯、线包绕组、机座以及固定这些部分的其他结构件组成。 转子由转子铁芯(或磁极、磁扼)绕组、护环、中心环、滑环、风扇及转轴等部件组成。 由轴承及端盖将发电机的定子,转子连接组装起来,使转子能在定子中旋转,做切割磁力线的运动,从而产生感应电势,通过接线
20、端子引出,接在回路中,便产生了电流。1.3.2 水轮发电机的基本工作原理 水电厂的发电机都为同步电机,它能把原动机(水轮机)的机械能转变成电能,通过输电线路等 设备 送往用户。我们知道,导线切割磁力线能产生感应电动势,将导线连成闭合回路,就有电流通过,同步发电机就是利用电磁感应原理将机械能转变为电能的。导线放在空心圆桶铁心槽里,铁心时固定不动的,称为定子。磁力线是由磁极产生的,磁极时转动的,称为转子。定子和转子是发电机最基本的部分。为了得到三相交流电,沿定子铁芯内圆每相隔120度分别放三相绕组A-X,B-Y,C-Z,转子上有励磁绕组(又称转子绕组)。通过电刷和滑环的滑动接触,将励磁系统产生的直
21、流电引入转子励磁绕组,产生 恒定的磁场当转子被原动机拖动旋转时,定子绕组不断切割磁力线,就在其中感应出电动势。导线切割磁力线能产生感应电动势,将导线连成闭合回路,就有电流通过,同步发电机就是利用电磁感应原理将机械能转变为电能的。导线放在空心圆桶铁心槽里,铁心是固定不动的,称为定子。磁力线是由磁极产生的,磁极是转动的,称为转子。定子和转子是发电机最基本的部分。为了得到三相交流电,沿定子铁芯内圆每相隔120度分别放三相绕组A-X,B-Y,C-Z,转子上有励磁绕组(又称转子绕组)。通过电刷和滑环的滑动接触,将励磁系统产生的直流电引入转子励磁绕组,产生恒定的磁场。当转子被原动机拖动旋转时,定子绕组不断
22、切割磁力线,就在其中感应出电动势将机械能转变成电能的电机。通常由汽轮机、水轮机或内燃机驱动。小型发电机也有用风车或其他机械经齿轮或皮带驱动的。 发电机分为直流发电机和交流发电机两大类。后者又可分为同步发电机和异步发电机两种。现代发电站中最常用的是同步发电机。这种发电机的特点是由直流电流励磁,既能提供有功功率,也能提供无功功率,可满足各种负载的需要。异步发电机由于没有独立的励磁绕组,其结构简单,操作方便,但是不能向负载提供无功功率,而且还需要从所接电网中汲取滞后的磁化电流。因此异步发电机运行时必须与其他同步电机并联,或者并接相当数量的电容器。这限制了异步发电机的应用范围,只能较多地应用于小型自动
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