基于ANSYS平台轴流式水轮机应力应变分析毕业设计

1、 0毕业设计（ 论文）题 目轴流式水轮机结构设计轴流式水轮机结构设计 及导叶及导叶应力分析应力分析 专 业 热能与动力工程热能与动力工程 班 级 动动 094094 班班 学 生 指导教师 教教 授授 2013 年 1摘摘 要要 本次设计主要是通过查阅相关设计手册，对型号为 zz600-lh-300 的水轮机进行结构设计和对导叶进行应力应变分析,并且对带裂纹的导叶进行了应力应变分析。首先对水轮机总体结构作出设计，其次完成了导水机构装配情况的设计及其传动系统设计，另外，结合电站的具体情况以及我国制造业发展现状，还对水轮机部分零部件，例如主轴，导叶，控制环，导叶臂等零件作了设计。通过使用 cad

2、绘图，本次设计过程更加便捷，设计成果更加精确。 本次设计的应力应变分析是通过 ansys 平台软件进行的，其中包括用nx.ug 软件建模，用 ansys icem cfd 软件对导叶流场进行网格划分，用cfx 软件进行流场数值计算，用 ansys 软件进行模态分析和静力分析。关键字：关键字：水轮机，结构设计，数值分析，模态分析，应力分析 2abstractaccording to consulting the design book and referring the built up station,the present paper is to design the structure o

3、f kaplan turbine zz600-lh-300 and make analysis of stress and strain, firstly make the design of the architectural structure,the guide vanes machanism assembly and the system of the way to drive the guide vanes.besides,considering the situation of the power station and now the development of the man

4、ufactory at home,we have designed some of the parts in details such as the principal axis,the guide vanes,the discharged ring,the arms of the guide vanes.using the cad,the process of design is more convenient and the result is more accurate.this design made analysis of stress and strain on the guide

5、 vane of the models through the ansys platform software, including using nx.ug software modeling, meshing the flow field of the guide vane through ansys icem cfd software, cfx software is used to numerical calculation, modal analysis and static analysis is done through ansys software.key words: hydr

6、oturbine, architectural design , numerical analysis, modal analysis, stress analysis 3目目 录录1 1 前言前言 .1 11.11.1 概述概述 .1 11 12 2 设计内容设计内容 .2 21.31.3 原始资料原始资料 .2 22 2水轮机总体结构设计水轮机总体结构设计.3 32.1 绘制轴面流道图.32.2 座环设计.52.3 活动导叶及导水机构装置零件.72.3.1 活动导叶翼型.72.3.2 导叶结构系列尺寸和轴颈选择.82.3.3 导叶的密封结构.92.3.4 导叶轴颈密封.102.3.5 导叶

7、套筒.122.3.6 导叶轴套.132.3.7 导叶臂.152.3.8 导水机构装配尺寸.172.3.9 导叶传动机构.182.3.10 连接板.192.3.11 套筒.202.3.12 叉头销 .202.3.13 叉头.222.3.14 连接螺杆.232.3.15 剪断销.242.3.16 分半键 .252.3.17 端盖 .262.4 控制环.272.5 主轴及其附属部分.282.5.1 主轴直径计算.282.5.2 主轴结构设计 .29 42.5.3 水导轴承.302.5.4 主轴密封 .332.6 操作油管.332.7 转轮部分.342.7.1 叶片.342.7.2 转轮体.352.7

8、.3 叶片操作机构与接力器.362.7.4 泄油阀.372.7.5 叶片密封装置.372.8 底环.382.9 顶盖和支持盖.392.10 真空破坏阀.392.11 导水机构传动系统总设计.402.11.1 确定导叶开度.403 3 应力分析应力分析 .43433.1 导叶模型建立.433.2 导叶周边流道模型建立.433.2.1 单周期流道网格划分.443.3 cfx 数值计算 .453.3.1 边界条件.451.定常流动计算边界条件.452.进口边界条件.463.出口边界条件.464.固壁面边界条件.463.4 定常流动计算结果分析.463.5 导叶的模态分析与静力分析.483.5.1 约

9、束施加.483.5.2 荷载施加 .493.5.3 模态分析 .493.5.4 静力分析.513.6 带裂纹缺陷的导叶的导叶分析.523.6.1 带裂纹导叶的模型.523.6.2 带裂纹导叶有限元网格划分.523.6.3 模态分析结果.533.6.4 静力分析结果.543.6.5 结论.554 4 总结总结 .5656 5致谢致谢 .5757参考文献参考文献 .5858 11 前前 言言1.1 概述概述 能源作为经济发展的物质基础，在我国社会主义现代化建设中起着决定性作用，为保证国民经济的可持续发展，能持续供应的能源就必须得到保证。随着我国经济的快速发展，能源需求逐年上升，这样，以煤炭为主的能

10、源结构，不仅在很大程度上限制了经济的快速发展，同时也引发了能源安全以及环境污染等重大问题。基于以上问题的考虑，水能，作为安全、可靠、清洁的可持续能源越来越受到人们的重视。我国拥有世界上最为丰富的水能资源，但水能的开发率较低，为了满足人民日渐增长的电力需求和化石能源的有限性之间的矛盾，积极开发水电，已经成为我国的当务之急。 近年来，水轮发电机组的容量、尺寸及转速不断提高。水轮机尺寸越来越大，而叶片厚度越来越小，其固有频率大大降低，水轮机各过流部件在运行过程中，受到各种不平衡力的作用，工作环境非常复杂，各种水力不平衡力和激振源的相互藕合使过流部件产生振动。近年来投产的容易引起由于导叶与转轮动静干扰

11、或叶道涡等影响产生的水压脉动共振，成为叶片产生裂纹的主要根源。 水轮机过流部件的刚强度、振动特性与疲劳破坏是设计、运行部门等所关注的问题。随着有限元方法的日益成熟，在水轮机过流部件的刚强度分析中的应用逐渐普及。对于叶片的振动问题，是涉及到固体力学、振动力学、水力学、计算流体力学、材料力学等多学科的综合性课题，其包含的知识内容极为广泛。 因此，在工程实际中，对转轮叶片的刚强度分析显得越来越重要，尤其对于分析水轮机叶片裂纹的事故并防止其发生，具有重要作用。目前，工程中在轴流式转轮的刚强度分析中，大多利用现代的计算机技术，采用ansys 有限元分析计算方法，对该水轮机叶片在最大水头下的强度进行分析计

12、算。 21.2 设计内容设计内容 一、绘制水轮机转轮 1.按给定水轮机型号和转轮直径等参数，确定水轮机转轮流道的 主要特征尺寸绘制转轮流道图 2.应用 cad 软件绘制导叶单线图，导叶布置图 3.导叶最优开度下实体造型 4.划分网格并计算，进行流场分析； 二、应力应变分析 1.正常导叶和带裂纹导叶有限元网格划分 2.正常导叶和带裂纹导叶固有频率分析 3.正常导叶和带裂纹导叶静力分析 三、外文翻译 1.3 原始资料原始资料本次毕业设计基本参数如下：水轮机型号zz600-lh-300出力（kw）2500设计水头（m）6.2额定转速（r/min）125最大水头（m）7.8设计流量（m3/s）51.5

13、最小水头（m）42 2 水轮机总体结构设计水轮机总体结构设计2.1 绘制轴面流道图绘制轴面流道图 查阅水轮机设计手册得，型号为 zz600-lh-300 的水轮机模型流 3道尺寸和转轮室尺寸分别如图 2-1，图 2-2 所示，根据比例换算所得真机的流道尺寸和转轮室尺寸如表 2-1，表 2-2 所示：d0 z0d1b0r1d2d1 z1d3倒 db 倒 d1/2r2d5h5h4rh3h1d4图 2-1 zz600 流道尺寸表2-1 流道尺寸参数符号真机数值（mm）参数符号真机数（mm）d13000r22832z14d2876d03765d3876 4z020d4832.5b01464h1717d

14、b999h2276r1708h3324 轴流式水轮机转轮室是水轮机过流通道的一部分，转轮室的外形和选用的转轮型号有关。本水电站转轮型号为 zz600，其转轮室结构如下图所示。图 2-2 zz600 转轮室尺寸表2-2 zz600转轮室尺寸参数符号模型数值 mm真机数值 mmr150150r2100300 5r35001500r43851155r（球）5001500h1209627h2154462h555165h481243d29731919d3981294388 在电站运行时，由于水流的压力脉动在转轮室上作用有很大的周期性载荷，为加强转轮室的刚度并改善转轮室与混凝土的结合，在转轮室四周有环向和

15、竖向的加强筋，并用千斤顶和拉紧杆将转轮室牢牢固定在二期混凝土中。2.2 座环设计座环设计 座环是反击式水轮机的基础部件之一，除了承受水压力作用外，还承受整个机组和机组段混凝土重量，因此要有足够的强度和刚度。其基本结构是由上环、下环和固定导叶组成。 由于本水电站水头较低，小于 40m，故而选择与混凝土蜗壳连接的座环，考虑到电站的基本资料，现对制造质量提出如下要求： 1)此座环所选材料为 zg30，采用铸造结构； 2)考虑到其强度要求，钢板厚度选取为 75mm； 2)所有过流表面打磨光滑至表面粗糙度为 3.2； 3)固定导叶进口端节距误差不超过 0.0015da； 4)顶盖与底环把合面平行度误差不

16、超过 0.025 毫米/米； 5)分瓣结构的合缝面粗糙度为 6.3，合缝面间隙一般不超过 0.05 毫米， 6局部允许有 0.150.3 毫米凹陷部分（深度小于接合缝的 1/3，长度不超过接合缝总长的 1/5） ，但不允许有突起。 座环的尺寸和转轮型号、直径有关，其固定导叶的形状又取决于水力和强度计算，所以座环尺寸变化的因素较多，不可能完全统一。参考水轮机设计手册104 页表 6-14 选出座环基本尺寸，再根据电站实际情况稍作改动，设计如下图 2-3，表 2-3 所示：表2.3 水轮机座环尺寸参数符号数值（mm）参数符号数值（mm）db5150h1=b0+10-251475da4500r200

17、k75其中参数符号对应 图 2-3 水轮机座环（， 根据蜗壳而定）图 2-3 水轮机座环 72.3 活动导叶及导水机构装置零件活动导叶及导水机构装置零件2.3.1 活动导叶翼型活动导叶翼型 水轮机导水机构的作用，主要是形成和改变进入转轮水流的环量，保证水轮机具有良好的水力特性，调节流量，以改变机组出力，正常与事故停机时，封住水流，停止机组转动。 圆柱式导水机构的导叶叶形，通常有对称形和非对称形（正曲率）两种标准叶形。由于对称形导叶一般用于具有不完全包角的高比转速轴流式水轮机中，故本设计中采用对称形的叶形。参考水轮机设计手册中137 页表 8-5，再根据本水轮机的具体情况，得对称形导叶叶形的断面

18、参数如下表：表2-4 导叶翼型参数参数符号数值(mm)参数符号数值(mm)d13000k5.8d03765r44.4z020l665a56.7l1322.5b69.1l2342.5c71.8d0138.7d69.1m57.1e62.5其符号所代表的意义见图 2-4: 8图2-4 导叶翼型图2.3.2 导叶结构系列尺寸和轴颈选择导叶结构系列尺寸和轴颈选择 导叶轴颈可按转轮直径 d1，使用水头 h1（指最高水头） ，导叶的相对高度 b0/d1，从水轮机设计手册中 146 页表 8-10 初选轴颈 db，选得db =115mm，再根据 db=115mm 从设计手册中表 8-9 查得导叶结构的其它尺寸

19、如下表：表2-5 导叶尺寸参数符号数值（mm）参数符号数值（mm）db115ha95da95hb140d1125hc200dc105h120d2110h2110dm30h345d3m24h412d432h56d5109h 参考617 9其中参数符号所代表下图 2-5 中符号图 2-5 导叶结构尺寸导叶的材料为 zg20mnsi 整铸，为保证导叶转动灵活，导叶上、中、下三个轴颈要同心，径向摆度不大于中轴颈公差的一半，导叶体端面与不垂直度允许误差不超过 0.15/1000。导叶过流表面型线要正确，制造中应用样板检查。2.3.3 导叶的密封结构导叶的密封结构导叶关闭后，导叶体的立面应该有很好的密封。

20、由于本机组属于低水头的机组，因此采用圆橡皮条直接镶入鸽尾槽内封水，这种结构制造简单，但只适用于 40 米水头以下的机组，因为水头太高会把圆橡皮条冲掉。从水轮机设计手册上 148 页表 8-12 查得圆橡皮条和鸽尾槽的尺寸如下表：（由于导叶体较高，可在中间加焊数段钢筋，使橡皮条分段固定。 ） 10表2-6 圆橡皮条和鸽尾槽的尺寸参数符号数值（mm）a9b9.5c2其中参数符号对应下图 2-6 中符号：图2-6 导叶密封2.3.4 导叶轴颈密导叶轴颈密封封 导叶中轴颈密封多数装在导叶套筒的下端，目前不少机组中已改用“l”型密封，实践证明，封水性能很好，结构简单。 “l”型密封圈与导叶中轴颈之间靠水

21、压贴紧封水，因此轴套和套筒上开有排水孔，形成压差。密封圈与顶盖配合端面，则靠压紧封水，所以套筒与顶盖端面配合尺寸应保证橡胶有一定的压缩量。密封圈的材料采用中硬耐油橡胶，模压成型。 11其尺寸大小如下表 2-7：表2-7 中轴颈密封参数符号数值（mm）参数符号数值（mm）db115h18d12014d111024d2155r20.5r51.5其中参数符号意义对应图2-7： 图2-7 中轴颈密封 导叶下轴颈的密封主要是防止泥沙进入，发生轴颈磨损。下轴颈密封一般采用“o”型橡皮圈密封结构，其尺寸大小如下表 2-8：表2-8 下轴颈密封参数符号数值（mm）db115d95d7.5 12其中参数符号意义

22、对应图2-8：图2-8 下轴颈“o”型密封 导叶中轴颈处虽有密封装置，但因导叶是转动的，不可避免会有少量漏水，其排除方法主要是通过自流排水或水泵排水将漏水排出。对于轴流式水轮机，导水机构套筒处得漏水由排水管集中到顶盖下部的轴承支架内，连同主轴密封处的漏水，由水泵抽水至电站集水井。2.3.5 导叶套筒导叶套筒 导叶套筒是固定活动导叶上中轴套的部件，采用 ht2140 铸铁铸造。套筒结构与主轴材质、密封结构和顶盖的高度有关。分段套筒虽有质量小，便于加工，容易调整装配等优点，但由于受到机组尺寸的限制，本次设计仍选择传统的整体圆筒形结构。套筒的尺寸大小如下表 2-9：表2-9 导叶套筒参数符号数值（m

23、m）参数符号数值（mm）db115d726d1320d86d2195h210d3120h135d4130h2115d5135h353d6280z6h 参考430其中参数符号对应下图 2-9 中符号： 13图2-9 导叶套筒为满足于导叶臂的装配要求，最终取 h=430mm。2.3.6 导叶轴套导叶轴套 导叶轴套目前已广泛采用具有自润滑功能的工程塑料代替，这样不仅简化了结构，而且节省了大量的有色金属，降低成本。该设计中，导叶套筒采用尼龙 1010，其吸水性小，尺寸较为稳定，通过离心熔铸成型，适合在水轮机导叶、连杆等部位应用。a）上轴套尺寸系列如表2-10 所示：表2-10 上轴套尺寸参数符号数值（

24、mm）参数符号数值（mm）dc105h37d1105h16d2120h212d3119.61d4150 14表中参数符号意义见图2-10： 图2-10 上轴套b）中轴套尺寸系列如表2-11 所示：表2-11 中轴套尺寸参数符号数值（mm）参数符号数值（mm）db115h115d1115h125d2130h26d3129.6d56d41350.8表中参数符号意义见图2-11：图2-11 中轴套 15c）下轴套尺寸系列如表2-12 所示：表2-12 下轴套尺寸参数符号数值（mm）参数符号数值（mm）da95h90d195h16d21100.8d3109.6表中参数符号意义见图2-12：图2-12

25、下轴套2.3.7 导叶臂导叶臂 根据叉头传动机构装配尺寸从水轮机设计手册上 165 页的表8-23 查出导叶臂及其销孔尺寸如下表 2-13,2-14： 16表2-13 导叶臂参数符号数值（mm）参数符号数值（mm）db115h154dc105dl181d1144de42d2148k8d2120r120dm35df11d3m16t0.2d422其中参数符号意义对应图2-13(左) :表2-14导叶臂销孔尺寸参数符号数值（mm）参数符号数值（mm）dcn40dc11r65h40b140h155其中参数符号意义对应图2-13 ： 17图2-13 导叶臂2.3.8 导水机构装配尺寸导水机构装配尺寸 导

26、水机构大部分零件应做到标准化、系列化，在水轮机设计手册上 132 页查表 8-1 可得出按转轮系列尺寸编制的导水机构装配系列，下表2-15 是本水电站对应的导水机构装配尺寸：表 2-15 导水机构装配尺寸参数符号数值（mm）参数符号数值(mm)d13000dc2400z020lh500d03765lp25030lc410 18其中参数符号意义对应图 2-14图2-14导水机构装配2.3.9 导叶传动机构导叶传动机构 鉴于叉头传动机构受力情况好，所以本水电站采用叉头传动机构。其主要是由导叶臂、连接板、叉头、叉头销、连接螺杆、螺帽、分瓣键、剪断销、轴套、端盖和补偿环等组成。参照水轮机设计手册164

27、 页表 8-25，可得出本次设计的导叶传动机构装配尺寸，如表 2-16 所示：表 2-16 导叶传动机构装配尺寸参数符号数值(mm)参数符号数值(mm)接力器直径 dc410d268d3/jdz020h45d1m484h160dn60d/dc导叶中轴颈 db115dcn45d4/dc4分瓣键直径 dm35d/gc 192.3.10 连接板连接板 根据叉头传动机构装配尺寸从水轮机设计手册上 167 页的表 829 到表 8-30 查出连接板尺寸如下表 2-17：表2-17 连接板尺寸参数符号数值（mm）参数符号数值（mm）d1165dr250r1100h40k0.02h155dcn40d4l20

28、d258d3l1=l262d1150c1d2m24其中参数符号意义对应图 2-15： 图2-15 连接板 202.3.11 套筒套筒 根据连接板 d2=100，从水轮机设计手册上 168 页的表 833 查出轴套尺寸如下表 2-18：表2-18 轴套尺寸参数符号数值（mm）参数符号数值（mm）dn70dh78d278jdh18d183c2.5其中参数符号意义对应图图 2-16：图2-16 轴套2.3.12 叉头销叉头销根据套筒dn=70d，从水轮机设计手册上170页的表836查出剪断销尺寸如下表2-19： 21表2-19 叉头销尺寸参数符号数值（mm）参数符号数值（mm）dn70dch210d

29、70gbd59d165gbb3.5d269r1.5d362c3h88d03h130r1.5h143其中参数符号意义对应图2-17：图2-17 叉头销 222.3.13 叉头叉头 根据连接板 dn=70 从水轮机设计手册上 167 页的表 8-31 查出叉头尺寸如下表 2-20： 表2-20 叉头尺寸参数符号数值（mm）参数符号数值（mm）d1m564l150d270dl195d365dr62d4100r12h140r16h90c12h125s20其中参数符号意义对应图 2-18：c1d1d4rr1l1d3c145c145d2rsh1hh图2-18叉头 232.3.14 连接螺杆连接螺杆 根据连

30、接板 d1=m56 从水轮机设计手册上 168 页的表 832 查出叉头尺寸如下表 2-21：表2-21 连接螺杆尺寸参数符号数值（mm）参数符号数值（mm）d1m564b24d260b18d350r2s50c3l135其中参数符号意义对应图 2-19：图 2-19 连(倒倒倒倒倒)ld1b1d2bc45d1倒倒倒d3lls接螺杆 242.3.15 剪断销剪断销 根据连接板 dcn=80mm，从水轮机设计手册上 170 页的表 835 查出剪断销尺寸如下表 2-22：表2-22 剪断销尺寸参数符号数值（mm）参数符号数值（mm）dcn40dc4r1d20h14.5d239h210d345h40

31、d440l38b4l90b13其中参数符号意义对应图 2-20：h23hllddcnd1d4h1brb160r1倒倒倒r0.5图 2-20 剪断销 252.3.16 分半键分半键 根据上轴直径 dc =230mm，从水轮机设计手册上 169 页的表 834 查出分半键尺寸如下表 2-23：表2-23 分半键尺寸参数符号数值（mm）参数符号数值（mm）dc105b16.4dm35k4l110c1b34b118.6l1140h210l2110h325h5h46其中参数符号意义对应图 2-21：kl1h hbbh4cx45h2h3b1倒倒1倒100ldcdm图2-21 分半键 262.3.17 端盖

32、端盖 根据轴颈 db=250mm，从水轮机设计手册上 171 页的表 837 查出端盖尺寸如下表 2-24：表2-24 端盖尺寸参数符号数值（mm）参数符号数值（mm）db115h124d1195r52.5d21061m20d345218d426338d5135d665h32其中参数符号意义对应图 2-22：2-22 端盖 272.4 控制环控制环 控制环是传递接力器作用力，并通过传动机构转动导叶的环形部件，在本次设计中采用 a3 铸造。根据水轮机转轮直径查水轮机设计手册第 185 页图 8-34 及其表 8-52 到表 8-54 得出控制环尺寸如下：表2-26 控制环尺寸（总体）参数符号数值

33、（mm）参数符号数值（mm）dc2400dy2550z020s25r12其中参数符号意义对应图 2-23： 图2-23 控制环（总体） 282.5 主轴及其附属部分主轴及其附属部分2.5.1 主轴直径计算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：厘米）（公斤nnm97400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=8.8mw=8.8kw n=187.5r/min310所以， )(106 . 45 .187108 . 89740063厘米公斤m根据水轮机设计手册上 319 页图 1212 扭力矩与主轴外径的关系曲线查得 d200

34、（mm） ，主轴内孔直径按水轮机设计手册320 页上的公式 122 计算：4max4496102nnddd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 zg20mnsi，其中 max=550 （公斤/厘米）所以根据主轴内孔直径公式计算得：)(5505 .187200108 . 8496102434厘米dd 29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400mm 。2.5.2 主轴结构设计主轴结构设计 主轴是水轮机的关键部件之一，用来传递水轮机转轮产生的转矩（功率） ，使发电机旋转，产生电能，同时承

35、受轴向水推力及转动部分的重量。它的毛坯采用 zg20mnsi 整锻。由于本机组是大型的轴流式水轮机，在主轴内装有操作油管，所以主轴必须要有中心孔。同时，这样的空心轴，不但减轻了主轴的质量，提高轴的刚度和强度，而且还能消除轴心部分组织疏松等缺陷，便于检查。主轴与转轮的连接结构在设计中采用转轮上盖与主轴法兰合一的结构。主轴一端与发电机相连，另一端与转轮相连。查水轮机设计手册上 312 页的表 12-3 得轴的尺寸如下表 2-29：表 2-29 主轴尺寸参数符号数值（mm）参数符号数值（mm）参数符号数值（mm）d400d2102r35d725h100r16db580h1115r2375dp415l

36、45r35d2717l145f2d3410l28z20d360m1.5c12d360c115db68d170其符号所代表的意义如下图 2-24 所示: 30图2-24 主轴（其中上边为水轮机端，下边为发电机端）2.5.3 水导轴承水导轴承 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。 31其它型式轴承如稀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，本次设计中采用稀油润滑分块瓦式轴承，主要是因为以下原因：稀油润滑分

37、块瓦式轴承虽然有密封在轴承下部，转轮悬臂大，成本高，平面布置尺寸大等缺点，但鉴于其受力均匀，轴瓦研刮、调整方便，运行安全可靠，在大中型机组中应用较多其结构如图 2-25：:图2-25 稀油润滑分块瓦式水导轴承本次设计中， nr=2500kw，n=125r/min，再参照国内部分运行机组的结构参数，其尺寸对应下表 2-31：表2-31 水导轴承参数符号数值参数符号数值n（千瓦）2500瓦宽b（毫米）250n（转/分）125瓦数10轴颈直径（毫米）610b/l0.8轴颈直径de（毫米）738轴瓦单边间隙（毫米）0.25瓦高l（毫米）666使用部位水导 32 考虑本次设计中，其他部件的布置情况，针对

38、以上数值作出了一定的变动，具体参照总装图中的尺寸。 另外，对于稀油润滑分块瓦式轴承，本次设计选择将轴领作为主轴轴身上的附加物，之后与轴身焊成一体，轴领采用与主轴同样材质的铸件或者锻件，粗加工后焊于轴身上，并经退火处理，消除焊接应力。退火前主轴内孔灌以铸铁铁屑或者黄砂，两端封闭，以减少内孔氧化。轴颈下部开有成一定角度或径向的通油孔。当主轴旋转时，此孔起着油泵的作用，将经过冷却器冷却后的润滑油输送到轴瓦面及轴承体空腔内，工作后的热油经轴承体上部油孔和顶部流向冷却器，形成油循环。轴领下部通油孔数目在 2432 范围内，孔直径取 30mm。挡油箱以上的轴领处，开有数个通气孔，以平衡轴领内外侧压力，防止

39、油和油雾外溢。轴领处的结构如下图 2-26：图2-26轴颈处结构本次设计中，油盆选择用a3钢板焊接，并在制造过程中进行煤油渗漏试验。分块轴瓦采用zg30、滑动面浇注chsnsb11-6锡基轴承合金，垫板采用30cr，并有以下制造要求：本体铸成整圈，分割成若干块，合金浇注前挂纯锡，不许脱壳，瓦面粗糙度为8，瓦背面支顶垫板与背面贴紧不许有间隙，垫片热处理hrc3540。支顶螺丝材料为锻钢35，热处理hrc40，细牙螺纹与螺帽选配。分块瓦轴承体材料为zg30，支顶螺丝孔中心线与轴心线垂直，轴承体法兰面与分块瓦承托面平行，误差不超过0.030.05毫米。 332.5.4 主轴密封主轴密封主轴部分的密封

40、装置分两种，一种是机组正常运行中，橡胶轴承压力水箱的密封，稀油轴承下部防止机组漏水的主轴密封。这一种密封的结构形式很多，如盘根、垫料式密封，单层或双层橡胶密封，径向式端面碳精块（尼龙块）密封，水泵密封等等。本次设计中采用的是水压式端面密封，这种密封方式检修维护方便，结构简单，工作寿命长，其结构见图2-30。另一种是机组停机检修轴承和轴承下部主轴密封时防止尾水往机坑内泄漏的检修密封。这种密封的结构形式有空气围带式、机械操作式或抬机密封等多种。在本次设计中采用的是空气围带式密封，采用的压缩空气压力是47 公斤/厘米2，其所采用的围带的剖面尺寸见下图2-27：图2-27水压式主轴密封2.6 操作油管

41、操作油管转桨式水轮机转轮的接力器操作油管装于主轴中心孔内。通常，操作油管用两根无缝钢管组成内外两个压力油腔，上部接至受油器，下部与转轮接力器的活塞杆连接。操作油管的外油腔与转轮接力器活塞上部油腔联通，内腔则与活塞下部油腔联通。本次设计中操作油管被分为数段，用法 34兰连接，这主要是考虑到电站布置，主轴和接力器结构的变化，为满足动作灵活，加工、装卸方便。根据水轮机设计手册中的要求，参照已有电站资料，本水电站操作油管水轮机段得结构如图2-28所示：图 2-28 操作油管示意图2.7 转轮部分转轮部分2.7.1 叶片叶片叶片由本体和枢轴构成。叶片本体与枢轴的连接方式有两种。一种是 35用分别整体铸造

42、；一种是采用分开铸造，加工后用螺钉或销钉等机械零件组合。由于本机组属于大型机组，所以叶片和枢轴采用分别铸造，然后用螺钉连接。叶片材料为zg20simn，由于该材料抗汽蚀性能差，因此根据电站的运行条件，在表面堆焊不锈钢层，以提高转轮的抗汽蚀性能。叶片枢轴支承在转轮体上，采用滑动轴承结构，轴承衬为青铜。2.7.2 转轮体转轮体转轮体外表面是过流通道的一部分，其内部则装有全部叶片和操作机构，上部与主轴联接，下部接泄水锥，形状较为复杂。在本次设计中转轮体采用zg20mnsi 整铸而成。转轮体外圆采用球形结构，球形轮毂能使叶片和转轮体表面配合良好，在各种叶片转角下它们之间的间隙可以很小，从而减小容积损失

43、。在本次毕业设计中，转轮体与主轴联接时，采用的是转轮上盖与主轴法兰合一的结构。图 2-29 转轮结构图 362.7.3 叶片操作机构与接力器叶片操作机构与接力器叶片操作机构的型式很多，本次设计采用的是带直连杆的操作架的结构。由于其零件数少，结构简单，转轮体高度可降低，故其在水轮机中应用较多。其具体结构如图2-30所示：图 2-30 带操作架的直连杆机构 372.7.4 泄油阀泄油阀 轴流转桨式水轮机转轮在泄水锥和转轮体之间的底盖上装有泄油阀，图 2-31 本次设计中所用到的泄油阀结构，其特点是卸掉底部螺塞后油不会泄出，必须拧入排油管顶起止油阀后才能排出积油。图2-31泄油阀结构图 2.7.5

44、叶片密封装置叶片密封装置 转轮体内充满低压油用以润滑转桨机构。机组运转时，接力器下腔的高压油会沿着活塞杆和转轮体衬套之间的间隙漏入转轮体内。为降低转轮体内腔的漏油压力，调节和补偿活塞推拉杆上下移动时引起的转轮体内腔油体积的变化，在推拉杆中心开设连通管。连通管与主轴中心孔内第一层环形空间相通，溢油由此上升至发电机转子顶上的受油器的回油腔。这样，连通管能起到溢油和补充回油的作用。为了防止转轮体内润滑油沿着叶片法兰的转动间隙露出，特别是因为叶片背面的压力常是真空，其法兰周边处更易露出，也为了防止转轮体外高压水渗漏入体内，在叶片和转轮体之 38间设有双向的密封装置。其具体结构如下图 2-32 所示：图

45、 2-32“”型密封2.8 底环底环 底环是一个环形部件，固定于座环上，作为导叶安放的基座，在设计时应当主要考虑刚度，可以不作强度计算。本水轮机底环采用 zg30 铸造。由于该水轮机底环属于大型部件，受运输条件的限制，本次设计中的底环应分四瓣铸造。底环的结构见下图 2-33：图2-33 水轮机底环 392.9 顶盖和支持盖顶盖和支持盖 顶盖是水轮机的主要部件之一，需要有足够的强度和刚度，由于本水电站为大型轴流式水轮机，因此采用焊接顶盖。顶盖的材料采用 zg30，基本厚度为 140mm 钢板。本水轮机的顶盖最大直径为 4.7 米。受运输条件的限制，顶盖采用分四瓣组合。 顶盖的结构比较复杂，制造要

46、求较高，尤其是装导叶套筒的孔应与底环同心。其结构如图 2-34 所示： 图2-34 焊接顶盖 图2-35 支持盖 支持盖是轴流式水轮机的主要部件之一，可以使得轴流式水轮机在检修时候不必拆卸导叶和顶盖。支持盖要求有足够的强度和刚度，材料为zg30。 本文设计中电站水轮机的顶盖最大直径为 4 米之多，属于大型部件，受运输条件的限制，顶盖采用分四瓣组合。支持盖见 2-35。2.10 真空破坏阀真空破坏阀 当导水机构紧急关闭时，由于水流的惯性和转轮的水泵作用，在导叶后转轮室内可能产生较高的真空，引起下游尾水反冲，产生很大的冲击力，甚至出现抬机现象。真空破坏阀就是在紧急关闭导叶时补入空气，破坏真空，起一

47、定的保护作用。深溪沟水电站机组尺寸较大，故而我们在顶盖加设真空破坏阀，来作为补气阀和空气阀。其结构如图 2-38 所示。 40图2-36 真空破坏阀2.11 导水机构传动系统总设计导水机构传动系统总设计2.11.1 确定导叶开度确定导叶开度根据水轮机的型号、转轮直径，确定最大可能开度所要求的接力器行程，从而确定传动系统的参数。根据水轮机原始资料：转轮直径： d1 3000mm；设计水头：h r 6.2m；设计流量：q r 51.5m3/s；额定转速： n r =125r/min进行计算设计。计算额定工况时的单位转速和单位流量分别为：min)/(78.1252 . 6312511rhdnnrrr

48、)/(4 .1540)/(5404. 12 . 635 .5132211slsmhdqqrrr 41根据查zz600lh300的模型综合特性曲线得模型得最大开度：1,1,rrqn)(3 .20)max(0mmam由： z0m=20，z0 =20，d0 = 3765(mm )，d0m = 195(mm )换算成真机的最大开度值为：)( 3 .312242419530003 .2000)max(0max0mmzzddaaoommm计算真机的最大可能开度： )(92.3273 .31205. 105. 1max0mmaa最大可能取设计水头下的单位转速与最优效率点对应的开口值为最优开口a0y ，根据设

49、计水头hr下的单位转速119.33( /min) 1查模型特性曲线得：1rn)(2 .19)(mmamoy所以真机得最优开口为： )(38.195242419530002 .190)(mmzzddaaoomommoyoy所得导叶布置图和接力器行程曲线见下图： 42图2-37 导叶布置图图2-38 接力器行程图 433 3 应力分析应力分析3.1 导叶模型建立导叶模型建立 本次毕业设计采用 nx ug 实体建模，建立导叶模型如图：图 3-1 导叶模型图3.2 导叶周边流道模型建立导叶周边流道模型建立 本次设计导叶流道采用从固定导叶出口边到转轮叶片进口边，由于此流道具有周期性，每个导叶工况几乎一样

50、，所以在进行 cfd 计算时可以采用单周期的方法。流道模型如图： 44图 3-2 导叶计算域图3.2.1 单周期流道网格划分单周期流道网格划分本次分析采用 ansys icem cfd 平台划分网格，由于流道是圆周的,所以只需对一个导叶，即单周期划分网格即可，划分的网格如图： 45图 3-3 网格图 此网格是通过 ansys icem cfd 生成的，经质量检查是符合要求的，所以可以直接导入 cfx 中计算。3.3 cfx 数值计算数值计算3.3.1 边界条件边界条件1.定常流动计算边界条件流场数值计算中边界条件的给定非常重要，它不仅影响数值计算的收敛性，而且很大程度上影响数值计算的精确性。边

51、界条件设置的合理与否是计算得到真实可靠结果的保证。水轮机的导叶流道计算的边界条件相对较为简单，常使用到的边界条件有进口、出口和固壁面三类。 462.进口边界条件流动进口边界条件一般有三种设置方法：压力进口、速度进口和质量流量进口边界条件。本文在对轴流式水轮机三维导叶流道流动进行数值计算时，进口边界条件给定为导叶进口质量流量。3.出口边界条件流动出口边界条件一般设置在离几何扰动足够远的地方，在这种位置，流动是充分发展，沿流动方向没有变化，在此设置一个垂直于流动方向的面，然后便可施加流动出口边界条件。出口边界条件主要有压力出口和质量流量出口两种边界条件。本文在对轴流式水轮机三维导叶流道流动进行数值

52、计算时，出口边界条件给定为导叶出口平均静压等于零。4.固壁面边界条件固壁面是流动问题中最常用的边界，对于固壁面边界条件，除压力修正方程外，各离散方程的源项需要作特殊处理。壁面即可以设置为“无滑移”或“滑移”壁面。对于近壁区域的流动的处理方法通常有两种：使用低雷诺数标准k - 模型，或使用壁面函数法。本文中采用了壁面函数法，并且在对轴流式水轮机三维导叶流道流动进行数值计算时，固壁面边界条件给定为“无滑移”边界条件，即。0wallu3.4 定常流动计算结果分析定常流动计算结果分析在定常流动计算中，主要通过给定导叶进口流量和导叶出口相对压力，并控制收敛残差，使之小于允许范围，得到稳定流动下的结果文件

53、。本文主要针对导叶的动力特性进行分析，故需要以导叶的流场分析作为后面刚强度的基础，并为刚强度分析提供压力荷载，所以着重对定常流动计算结果的叶片进行分析。 47（1）计算域流线如下图：图 3-4 流线图（2）计算域压力分布云图如下：图 3-5 压力分布云图 483.5 导叶的模态分析与静力分析导叶的模态分析与静力分析此次毕业设计的导叶模态分析和静力分析都是通过 ansys 平台软件进行的。首先将之前建立的导叶模型导入 ansys 软件定义导叶的属性为弹性模量：2.01011pa，泊松比：0.27，密度：7850kg/m3。叶片材料采用马氏体不锈钢，许用应力为 196mpa，极限破坏应力为 550

54、mpa。然后对其划分网格，其中设置单元长度为 0.03，划分网格如下图,其中单元节点数为 47664 个。图 3-6 有限元网格图3.5.1 约束施加约束施加轴流转轮的导叶通过转轴与轮毂与轴套连接，当正常工况时可视为三个自由度为 0 的固定约束，故将其约束面定义为转轴的表面，约束形式为全约束。 493.5.2 荷载施加荷载施加本文采用的载荷施加方式是把水压力施加到转轮叶片的有限元模型上，也就是以节点一对一的形式加载至有限元网格单元节点处。以上这些体力和节点应力都通过 ansys 分析软件中的 apdl 语言来实现加载。3.5.3 模态分析模态分析模态分析是研究结构动力特性一种方法，是系统辨别方

55、法在工程振动领域中的应用。模态是机械结构的固有振动特性，每一个模态具有特定的固有频率、阻尼比和模态振型。也是研究水轮机模型刚强度的最基本的研究手段和分析方法。固有频率的计算可以给出避免结构发生共振或以特定频率进行振动的外界激励范围，并且掌握结构对于不同类型的动力荷载是如何响应的。物体按照某一阶固有频率振动时，物体上各个点偏离平衡位置的位移是满足一定的比例关系的，可以用一个向量表示，这个就称之为模态。物体都具有自己的固有频率，在外力的激励作用下，物体会表现出不同的振动特性。一阶模态是外力的激励频率与物体固有频率相等的时候出现的，此时物体的振动形态叫做一阶振型或主振型；二阶模态是外力的激励频率是物

56、体固有频率的两倍时候出现，此时的振动外形叫做二阶振型，以依次类推。一般来讲，外界激励的频率非常复杂，物体在这种复杂的外界激励下的振动反应是各阶振型的复合。模态是结构的固有振动特性，每一个模态具有特定的固有频率、阻尼比和模态振型。这些模态参数可以由计算或试验分析取得，这样一个计算或试验分析过程称为模态分析。有限元中模态分析的本质是求矩阵的特征值问题，所以“阶数”就是指特征值的个数。将特征值从小到大排列就是阶次。本次模态分析由于受到计算机硬件的制约，只进行了 5 阶的固有频率 50分析，下图为五阶振型图： 一阶 二阶 三阶 四阶 五阶图 3-7 模态振型图 513.5.4 静力分析静力分析图 3-

57、8 应力分布图其中最大应力为 8.93mpa，分布在导叶下端面轴颈处。 523.6 带裂纹缺陷的导叶的导叶分析带裂纹缺陷的导叶的导叶分析3.6.1 带裂纹导叶的模型带裂纹导叶的模型图 3-9 裂纹图3.6.2 带裂纹导叶有限元网格划分带裂纹导叶有限元网格划分图 3-10 带裂纹的导叶有限元网格图 533.6.3 模态分析结果模态分析结果 一阶 二阶 三阶 四阶 五阶图 3-11 带裂纹导叶模态分析图 543.6.4 静力分析结果静力分析结果图 3-12 静力分析结构图其中最大应力值为 30.7mpa,位置处于裂纹处。 553.6.5 结论结论1、正常导叶与带裂纹导叶固有频率比较如下：(其中单位为 hz)一阶二阶三阶四阶五阶正常导叶201.601329.827538.766549.652672.503裂纹导叶232.027386.982603.360665.326789.323由此可以看出，缺陷导叶各阶固有频率都比正常导叶各阶固有频率大；2、正常导叶的最大压力点位于导叶下端面背面轴颈处，其数值为8.9mpa，带裂纹导叶最大应力值为 30.7mpa，明显比正常导叶大许多