本科毕业设计热能与动力工程设计说明书

1、生活中假设没有朋友，就像生活中没有阳光一样。少为失败找理由多为成功找方法大多数人想要改革这个世界却不晓得即时从小事做起毕业设计论文题 目轴流式水轮机结构设计 及导叶应力分析 专 业 热能与动力工程 班 级 动094 班 学 生 指导教师 教 授 2022 年摘 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开展现状还对水轮机局部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C

2、AD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：水轮机结构设计数值分析模态分析应力分析ABSTRACTAccording to consulting the design book and referring the built up stationthe present paper is to design the structure of Kaplan turbine ZZ600-LH

3、-300 and make analysis of stress and strain firstly make the design of the architectural structurethe guide vanes machanism assembly and the system of the way to drive the guide vanes.Besidesconsidering the situation of the power station and now the development of the manufactory at homewe have desi

4、gned some of the parts in details such as the principal axisthe guide vanesthe discharged ringthe arms of the guide vanes.Using the CADthe process of design is more convenient and the result is more accurate. This design made analysis of stress and strain on the guide vane of the models through the

5、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: hydroturbine architectural design numer

6、ical analysis modal analysis stress analysis目 录1 前言11.1 概述112 设计内容21.3 原始资料22水轮机总体结构设计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222.3.1

7、4 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 主轴及其附属局部282.5.1 主轴直径计算282.5.2主轴结构设计292.5.3 水导轴承302.5.4主轴密封332.6 操作油管332.7 转轮局部342.7.1 叶片342.7.2 转轮体352.7.3 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 应力分析433.1 导叶模型建立433.2 导叶周边流道模型建立433

8、.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 总结56 致谢57 参考文献581 前 言1.1 概述 能源作为经济开展的物质根

9、底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开展能持续供给的能源就必须得到保证随着我国经济的快速开展能源需求逐年上升这样以煤炭为主的能源结构不仅在很大程度上限制了经济的快速开展同时也引发了能源平安以及环境污染等重大问题基于以上问题的考虑水能作为平安、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

10、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 水轮机过流部件的坚强度、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坚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坚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坚强度分析中大多利用现代的计算机

11、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算1.2 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 原始资料本次毕业设计根本参数如下：水轮机型号ZZ600-LH-300出力kw2500设计水头m6.2额定转速r/min125最大水头m7.

12、8设计流量m3/s51.5最小水头m42 水轮机总体结构设计2.1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：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mmD13000R22832Z14d2876D03765d3876Z020d4832.5b01464h1717dB999h2276R1708h3324 轴流式水轮机转轮室是水轮机过流通道的一局部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

13、室结构如下列图所示图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mmR150150R2100300R35001500R43851155R球5001500h1209627h2154462H555165h481243D29731919D398129438°8° 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 座环是还击式水轮机的根底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

14、凝土重量因此要有足够的强度和刚度其根本结构是由上环、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根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)所有过流外表打磨光滑至外表粗糙度为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 毫米局部允许有0.150.3 毫米凹陷局部深度小于接合缝的1/3长度不超过接合缝总长的1/5但不允许有突

15、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 选出座环根本尺寸再根据电站实际情况稍作改动设计如下列图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mmDb5150H1=b0+10-251475Da4500R200k75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2.3活动导叶及导水机构装置零件2.3.1 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

16、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: 图2-4 导叶翼型图2.3.2 导叶结构系列尺寸和轴颈选择 导叶轴颈

17、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如下表： 表2-5 导叶尺寸参数符号数值mm参数符号数值mmdb115hA95da95hB140d1125hc200dc105h120d2110h2110dm30h345d3M24h412d432h56d5109H 参考617其中参数符号所代表下列图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

18、半导叶体端面与不垂直度允许误差不超过0.15/1000导叶过流外表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关闭后导叶体的立面应该有很好的密封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表2-6 圆橡皮条和鸽尾槽的尺寸参数符号数值mma9b9.5c2其中参数符号对应下列图2-6中符号：图2-6 导叶密封2.3.4 导叶轴颈密封 导叶中轴颈密封多数装在导叶套筒的

19、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那么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mmdb115h18d12014d111024d2155R20.5R51.5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

20、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mmdb115D95d7.5其中参数符号意义对应图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防止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 导叶套筒是固定活动导叶上中轴套的部件采用HT21-40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

21、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mm参数符号数值mmdb115d726d1320d86d2195h210d3120h135d4130h2115d5135h353d6280Z6H 参考430其中参数符号对应下列图2-9中符号： 图2-9 导叶套筒为满足于导叶臂的装配要求最终取H=430mm2.3.6 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本钱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

22、：表2-10 上轴套尺寸参数符号数值mm参数符号数值mmdc105h37d1105h16d2120h212d3119.61d4150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mmdb115h115d1115h125d2130h26d3129.6d56d41350.8表中参数符号意义见图2-11：图2-11 中轴套c 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mmda95h90d195h16d21100.8d3109.6表中参数符号意义见图2-12：图2-12

23、 下轴套2.3.7 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2-132-14：表2-13 导叶臂参数符号数值mm参数符号数值mmdb115H154Dc105DL181D1144de42D2148K8d2120R120dm35Df11d3M16T0.2d422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mmdcn40DC11R65h40B140h155其中参数符号意义对应图2-13 ：图2-13 导叶臂2.3.8 导水机构装配尺寸 导水机构大局部零件应做到标准化、系列化在?水轮机设计手

24、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)D13000Dc2400Z020LH500D03765lp25030°lc410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 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2-1

25、6 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/jdZ020h45d1M48×4h160dn60D/dc导叶中轴颈db115dcn45D4/dc4分瓣键直径dm35D/gc2.3.10 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8-29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mmD1165DR250R1100h40K0.02h155Dcn40D4l20D258D3l1=l262d1150c1d2M24其中参数符号意义对应图2-15： 图2-15 连接板2.3

26、.11 套筒 根据连接板D2=100从?水轮机设计手册?上168 页的表8-33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mmdn70Dh78d278jdh18d183c2.5其中参数符号意义对应图图2-16：图2-16 轴套2.3.12叉头销根据套筒dn=70D从?水轮机设计手册?上170页的表8-36查出剪断销尺寸如下表2-19：表2-19 叉头销尺寸参数符号数值mm参数符号数值mmdn70dch210d70gbD59d165gbb3.5d269R1.5d362c3h88d03h130r1.5H143其中参数符号意义对应图2-17：图2-17 叉头销2.3

27、.13 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mmd1M56×4L150d270DL195d365DR62d4100r12H140r16h90c12h125S20其中参数符号意义对应图2-18：图2-18叉头2.3.14 连接螺杆 根据连接板d1=M56从?水轮机设计手册?上168 页的表8-32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mmd1M56×4b24d260b18d350r2S50c3l135其中参数符号意义对应图2

28、-19：图2-19 连接螺杆2.3.15 剪断销 根据连接板Dcn=80mm从?水轮机设计手册?上170页的表8-35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mmDcn40dc4r1d20h14.5d239h210d345h40d440l38b4L90b13其中参数符号意义对应图2-20：图2-20剪断销2.3.16分半键 根据上轴直径dc =230mm从?水轮机设计手册?上169 页的表8-34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mmdc105b16.4dm35K4L110c1B34b118.6l1140h2

29、10l2110h325h5h46其中参数符号意义对应图2-21：图2-21 分半键2.3.17端盖 根据轴颈db=250mm从?水轮机设计手册?上171页的表8-37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mmdb115h124d1195R52.5d21061M20d345218d426338d5135d665h32其中参数符号意义对应图2-22：2-22 端盖2.4 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

30、：表2-26 控制环尺寸总体 参数符号数值mm参数符号数值mmDC2400Dy2550Z020S25R12其中参数符号意义对应图2-23： 图2-23 控制环总体2.5 主轴及其附属局部2.5.1 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=8.8MW=8.8×KW n=187.5r/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<200mm主轴内孔直径按?水轮机设计手册?320 页上的公式12-2 计算：式中 ：D-主轴外径厘米

31、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：但为了保证主轴有足够的坚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受轴向水推力及转动局部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局部组织疏松等缺陷便于检查主轴与转轮的连接结构在

32、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mmD400d2102R35D725h100R16Db580h1115R2375Dp415l45R35D2717l145f2D3410l28Z20d360m1.5C12d360C115db68d170其符号所代表的意义如下列图2-24所示: 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 水轮机导轴承型式很多目前比拟常用的有水润滑的橡胶轴承;稀油润滑有转动油盘、斜油

33、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：稀油润滑分块瓦式轴承虽然有密封在轴承下部转轮悬臂大本钱高平面布置尺寸大等缺点但鉴于其受力均匀轴瓦研刮、调整方便运行平安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=2500kWn=125r/min再参照国内局部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

34、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 考虑本次设计中其他部件的布置情况针对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

35、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油和油雾外溢轴领处的结构如下列图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假设干块合金浇注前挂纯锡不许脱壳瓦面粗糙度为8瓦反面支顶垫板与反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

36、承体法兰面与分块瓦承托面平行误差不超过0.030.05毫米2.5.4主轴密封主轴局部的密封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列

37、图2-27： 图2-27水压式主轴密封2.6 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那么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 转轮局部2.7.1 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用分别整体铸造；一种是

38、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外表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 转轮体外外表是过流通道的一局部其内部那么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外表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

39、轴法兰合一的结构 图2-29转轮结构图2.7.3 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2.7.4 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 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

40、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反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间设有双向的密封装置其具体结构如下列图2-32所示：图2-32""型密封2.8 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

41、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列图2-33：图2-33 水轮机底环2.9 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根本厚度为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 顶盖的结构比拟复杂制造要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

42、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2-352.10 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所示图2-36 真空破坏阀2.11 导水机构传动系统总设计2.11.1 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

43、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：根据查ZZ600-LH-300的模型综合特性曲线得模型得最大开度：由： Z0M=20Z0 =20D0 = 3765(mm )D0M = 195(mm )换算成真机的最大开度值为：计算真机的最大可能开度： 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 根据设计水头Hr下的单位转速119.33( /min) 1查模型特性曲线得：所以真机得最优开口为： 所得导叶布置图和接力器行程曲线见下列图： 图2-3

44、7 导叶布置图 图2-38 接力器行程图3 应力分析3.1 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 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：图3-2 导叶计算域图3.2.1 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：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

45、CFX中计算3.3 CFX数值计算3.3.1 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2.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开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