轴流式水轮机结构设计

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1、有志者自有千方百计，无志者只感千难万难。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 2013 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

2、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-300 and make analysis of stress and

3、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 designed some of the parts in details suc

4、h 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 ANSYS platform software including usi

5、ng 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 numerical analysis modal analysis stress a

6、nalysis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222.3.14 连接螺杆232.3.15 剪断销242.3.16分半键252.3.17

7、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292.5.3 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352.7.3 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433.2.1 单周期流道网格划分443.3 CFX数值计算453.3.1 边界

8、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

9、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

10、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

11、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最小水头（m）42 水轮机总

12、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（mm）D13000R22832Z14d2876D03765d3876Z020d4832.5b01464h1717dB999h2276R1708h3324 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

13、表2-2 ZZ600转轮室尺寸参数符号模型数值mm真机数值mmR150150R2100300R35001500R43851155R（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

14、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

15、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+10-251475Da4500R200k75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

16、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 导叶轴颈可按转轮直径 D1使用水头H1（指最高水头）导叶的相对高度

17、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（mm）db115hA95da95hB140d1125hc200dc105h120d2110h2110dm30h345d3M24h412d432h56d5109H 参考617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0.15/100

18、0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（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

19、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其中参数符号意义

20、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（mm）db115d726d13

21、20d86d2195h210d3120h135d4130h2115d5135h353d6280Z6H 参考430其中参数符号对应下图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（mm）参数符号数值（mm）dc105h37d1105h16d2120h212d3119.6

22、1d4150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（mm）da95h90d195h16d21100.8d3109.6表中参数符号意义见图2-12：图2-12 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

23、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（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 ：图2-13 导叶臂2.3.8 导水机构装配尺寸 导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

24、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2-16 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/jdZ

25、020h45d1M484h160dn60D/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（mm）D1165DR250R1100h40K0.02h155Dcn40D4l20D258D3l1=l262d1150c1d2M24其中参数符号意义对应图2-15： 图2-15 连接板2.3.11 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2-1

26、8 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（mm）dn70dch210d70gbD59d165gbb3.5d269R1.5d362c3h88d03h130r1.5H143其中参数符号意义对应图2-17：图2-17 叉头销2.3.13 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：

27、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：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（mm）d1M564b24d260b18d350r2S50c3l135其中参数符号意义对应图2-19：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

28、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）Dcn40dc4r1d20h14.5d239h210d345h40d440l38b4L90b13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（mm）dc105b16.4dm35K4L110c1B34b118.6l1140h210l2110h325h5h46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

29、=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（mm）db115h124d1195R52.5d21061M20d345218d426338d5135d665h32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：表2-26 控制环尺寸（总体） 参数符号数值（mm）参数符号数值（mm）DC2400Dy2550Z020S25

30、R12其中参数符号意义对应图2-23： 图2-23 控制环（总体）2.5 主轴及其附属部分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=8.8KW 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D200（mm）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）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 ZG2

31、0MnSi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

32、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）D400d2102R35D725h100R16Db580h1115R2375Dp415l45R35D2717l145f2D3410l28Z20d360m1.5C12d360C115db68d170其符号所代表的意义如下图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其它型式轴承如稀油润滑毕托管上油方

33、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=2500kWn=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

34、）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

35、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

36、2.5.4主轴密封主轴部分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图2-27： 图2-27水压式主轴密封2.6 操作油管转

37、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

38、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2.7.3 叶片操作机构与

39、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

40、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间设有双向的密封装置其具体结构如下图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

41、-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

42、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：转轮直径： D1 3000mm；设计水头：H r 6.2m；设计流量：Q r 51.5m3/s；额

43、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图： 图2-37 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

44、 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

45、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

46、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3.4 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本文主要针对导叶的动力特性进

47、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（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3.5 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550MPa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

48、有限元网格图3.5.1 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3.5.2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模态分析模态分析是研究结构动力特性一种方法是系统辨别方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

49、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

50、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3.5.4 静力分析图3-8 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3.6 带裂纹缺陷的导叶的导叶分析3.6.1 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图3-10 带裂纹的导叶有限元网格图3.6.3 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 3.6.4 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3.6.5 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