軸流式水輪機結(jié)構(gòu)設(shè)計

1、有志者自有千方百計，無志者只感千難萬難。畢業(yè)設(shè)計（論文）題 目軸流式水輪機結(jié)構(gòu)設(shè)計 及導葉應力分析 專 業(yè) 熱能與動力工程 班 級 動094 班 學 生 指導教師 教 授 2013 年摘 要 本次設(shè)計主要是通過查閱相關(guān)設(shè)計手冊對型號為zz600-lh-300的水輪機進行結(jié)構(gòu)設(shè)計和對導葉進行應力應變分析并且對帶裂紋的導葉進行了應力應變分析首先對水輪機總體結(jié)構(gòu)作出設(shè)計其次完成了導水機構(gòu)裝配情況的設(shè)計及其傳動系統(tǒng)設(shè)計另外結(jié)合電站的具體情況以及我國制造業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀還對水輪機部分零部件例如主軸導葉控制環(huán)導葉臂等零件作了設(shè)計通過使用cad繪圖本次設(shè)計過程更加便捷設(shè)計成果更加精確 本次設(shè)計的應力應變分析是通過

2、ansys平臺軟件進行的其中包括用nx.ug軟件建模用ansys icem cfd軟件對導葉流場進行網(wǎng)格劃分用cfx軟件進行流場數(shù)值計算用ansys軟件進行模態(tài)分析和靜力分析關(guān)鍵字：水輪機結(jié)構(gòu)設(shè)計數(shù)值分析模態(tài)分析應力分析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 錄1 前言11.1 概述112 設(shè)計內(nèi)容21.3 原始資料22水輪機總體結(jié)構(gòu)設(shè)計32.1繪制軸面流道圖32.2 座環(huán)設(shè)計52.3活動導葉及導水機構(gòu)裝置零件72.3.1 活動導葉翼型72.3.2 導葉結(jié)構(gòu)系列尺寸和軸頸選擇82.3.3 導葉的密封結(jié)構(gòu)92.3.4 導葉軸頸密封102.3.5 導葉套筒122.3.6 導葉軸套132.3.7 導葉臂152.3.8 導水機構(gòu)裝配尺寸172.3.9 導葉傳動機構(gòu)182.3.10 連接板192.3.11 套筒202.3.12叉頭銷202.3.13 叉頭222.3.14 連接螺桿232.3.15 剪斷銷242.3.16分半鍵252.3.17

7、端蓋262.4 控制環(huán)272.5 主軸及其附屬部分282.5.1 主軸直徑計算282.5.2主軸結(jié)構(gòu)設(shè)計292.5.3 水導軸承302.5.4主軸密封332.6 操作油管332.7 轉(zhuǎn)輪部分342.7.1 葉片342.7.2 轉(zhuǎn)輪體352.7.3 葉片操作機構(gòu)與接力器362.7.4 泄油閥372.7.5 葉片密封裝置372.8 底環(huán)382.9 頂蓋和支持蓋392.10 真空破壞閥392.11 導水機構(gòu)傳動系統(tǒng)總設(shè)計402.11.1 確定導葉開度403 應力分析433.1 導葉模型建立433.2 導葉周邊流道模型建立433.2.1 單周期流道網(wǎng)格劃分443.3 cfx數(shù)值計算453.3.1 邊界

8、條件451.定常流動計算邊界條件452.進口邊界條件463.出口邊界條件464.固壁面邊界條件463.4定常流動計算結(jié)果分析463.5 導葉的模態(tài)分析與靜力分析483.5.1 約束施加483.5.2荷載施加493.5.3模態(tài)分析493.5.4 靜力分析513.6 帶裂紋缺陷的導葉的導葉分析523.6.1 帶裂紋導葉的模型523.6.2 帶裂紋導葉有限元網(wǎng)格劃分523.6.3 模態(tài)分析結(jié)果533.6.4 靜力分析結(jié)果543.6.5 結(jié)論554 總結(jié)56 致謝57 參考文獻581 前 言1.1 概述 能源作為經(jīng)濟發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)在我國社會主義現(xiàn)代化建設(shè)中起著決定性作用為保證國民經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展能持續(xù)

9、供應的能源就必須得到保證隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展能源需求逐年上升這樣以煤炭為主的能源結(jié)構(gòu)不僅在很大程度上限制了經(jīng)濟的快速發(fā)展同時也引發(fā)了能源安全以及環(huán)境污染等重大問題基于以上問題的考慮水能作為安全、可靠、清潔的可持續(xù)能源越來越受到人們的重視我國擁有世界上最為豐富的水能資源但水能的開發(fā)率較低為了滿足人民日漸增長的電力需求和化石能源的有限性之間的矛盾積極開發(fā)水電已經(jīng)成為我國的當務之急 近年來水輪發(fā)電機組的容量、尺寸及轉(zhuǎn)速不斷提高水輪機尺寸越來越大而葉片厚度越來越小其固有頻率大大降低水輪機各過流部件在運行過程中受到各種不平衡力的作用工作環(huán)境非常復雜各種水力不平衡力和激振源的相互藕合使過流部件產(chǎn)生振動近

10、年來投產(chǎn)的容易引起由于導葉與轉(zhuǎn)輪動靜干擾或葉道渦等影響產(chǎn)生的水壓脈動共振成為葉片產(chǎn)生裂紋的主要根源 水輪機過流部件的剛強度、振動特性與疲勞破壞是設(shè)計、運行部門等所關(guān)注的問題隨著有限元方法的日益成熟在水輪機過流部件的剛強度分析中的應用逐漸普及對于葉片的振動問題是涉及到固體力學、振動力學、水力學、計算流體力學、材料力學等多學科的綜合性課題其包含的知識內(nèi)容極為廣泛 因此在工程實際中對轉(zhuǎn)輪葉片的剛強度分析顯得越來越重要尤其對于分析水輪機葉片裂紋的事故并防止其發(fā)生具有重要作用目前工程中在軸流式轉(zhuǎn)輪的剛強度分析中大多利用現(xiàn)代的計算機技術(shù)采用ansys有限元分析計算方法對該水輪機葉片在最大水頭下的強度進行分

11、析計算1.2 設(shè)計內(nèi)容 一、繪制水輪機轉(zhuǎn)輪 1.按給定水輪機型號和轉(zhuǎn)輪直徑等參數(shù)確定水輪機轉(zhuǎn)輪流道的 主要特征尺寸繪制轉(zhuǎn)輪流道圖 2.應用cad軟件繪制導葉單線圖導葉布置圖 3.導葉最優(yōu)開度下實體造型 4.劃分網(wǎng)格并計算進行流場分析； 二、應力應變分析 1.正常導葉和帶裂紋導葉有限元網(wǎng)格劃分 2.正常導葉和帶裂紋導葉固有頻率分析 3.正常導葉和帶裂紋導葉靜力分析 三、外文翻譯 1.3 原始資料本次畢業(yè)設(shè)計基本參數(shù)如下：水輪機型號zz600-lh-300出力（kw）2500設(shè)計水頭（m）6.2額定轉(zhuǎn)速（r/min）125最大水頭（m）7.8設(shè)計流量（m3/s）51.5最小水頭（m）42 水輪機總

12、體結(jié)構(gòu)設(shè)計2.1繪制軸面流道圖 查閱水輪機設(shè)計手冊得型號為zz600-lh-300的水輪機模型流道尺寸和轉(zhuǎn)輪室尺寸分別如圖2-1圖2-2所示根據(jù)比例換算所得真機的流道尺寸和轉(zhuǎn)輪室尺寸如表2-1表2-2所示：圖2-1 zz600流道尺寸表2-1 流道尺寸參數(shù)符號真機數(shù)值（mm）參數(shù)符號真機數(shù)（mm）d13000r22832z14d2876d03765d3876z020d4832.5b01464h1717db999h2276r1708h3324 軸流式水輪機轉(zhuǎn)輪室是水輪機過流通道的一部分轉(zhuǎn)輪室的外形和選用的轉(zhuǎn)輪型號有關(guān)本水電站轉(zhuǎn)輪型號為zz600其轉(zhuǎn)輪室結(jié)構(gòu)如下圖所示圖2-2 zz600轉(zhuǎn)輪室尺寸

13、表2-2 zz600轉(zhuǎn)輪室尺寸參數(shù)符號模型數(shù)值mm真機數(shù)值mmr150150r2100300r35001500r43851155r（球）5001500h1209627h2154462h555165h481243d29731919d3981294388 在電站運行時由于水流的壓力脈動在轉(zhuǎn)輪室上作用有很大的周期性載荷為加強轉(zhuǎn)輪室的剛度并改善轉(zhuǎn)輪室與混凝土的結(jié)合在轉(zhuǎn)輪室四周有環(huán)向和豎向的加強筋并用千斤頂和拉緊桿將轉(zhuǎn)輪室牢牢固定在二期混凝土中2.2 座環(huán)設(shè)計 座環(huán)是反擊式水輪機的基礎(chǔ)部件之一除了承受水壓力作用外還承受整個機組和機組段混凝土重量因此要有足夠的強度和剛度其基本結(jié)構(gòu)是由上環(huán)、下環(huán)和固定導葉組

14、成 由于本水電站水頭較低小于40m故而選擇與混凝土蝸殼連接的座環(huán)考慮到電站的基本資料現(xiàn)對制造質(zhì)量提出如下要求： 1)此座環(huán)所選材料為 zg30采用鑄造結(jié)構(gòu)； 2)考慮到其強度要求鋼板厚度選取為75mm； 2)所有過流表面打磨光滑至表面粗糙度為3.2； 3)固定導葉進口端節(jié)距誤差不超過0.0015da； 4)頂蓋與底環(huán)把合面平行度誤差不超過0.025 毫米/米； 5)分瓣結(jié)構(gòu)的合縫面粗糙度為6.3合縫面間隙一般不超過0.05 毫米局部允許有0.150.3 毫米凹陷部分（深度小于接合縫的1/3長度不超過接合縫總長的1/5）但不允許有突起 座環(huán)的尺寸和轉(zhuǎn)輪型號、直徑有關(guān)其固定導葉的形狀又取決于水力和

15、強度計算所以座環(huán)尺寸變化的因素較多不可能完全統(tǒng)一參考水輪機設(shè)計手冊104 頁表6-14 選出座環(huán)基本尺寸再根據(jù)電站實際情況稍作改動設(shè)計如下圖2-3表2-3所示：表2.3 水輪機座環(huán)尺寸參數(shù)符號數(shù)值（mm）參數(shù)符號數(shù)值（mm）db5150h1=b0+10-251475da4500r200k75其中參數(shù)符號對應 圖2-3 水輪機座環(huán)（根據(jù)蝸殼而定）圖2-3 水輪機座環(huán)2.3活動導葉及導水機構(gòu)裝置零件2.3.1 活動導葉翼型 水輪機導水機構(gòu)的作用主要是形成和改變進入轉(zhuǎn)輪水流的環(huán)量保證水輪機具有良好的水力特性調(diào)節(jié)流量以改變機組出力正常與事故停機時封住水流停止機組轉(zhuǎn)動 圓柱式導水機構(gòu)的導葉葉形通常有對稱

16、形和非對稱形（正曲率）兩種標準葉形由于對稱形導葉一般用于具有不完全包角的高比轉(zhuǎn)速軸流式水輪機中故本設(shè)計中采用對稱形的葉形參考水輪機設(shè)計手冊中137 頁表8-5再根據(jù)本水輪機的具體情況得對稱形導葉葉形的斷面參數(shù)如下表： 表2-4 導葉翼型參數(shù)參數(shù)符號數(shù)值(mm)參數(shù)符號數(shù)值(mm)d13000k5.8d03765r44.4z020l665a56.7l1322.5b69.1l2342.5c71.8d0138.7d69.1m57.1e62.5其符號所代表的意義見圖 2-4: 圖2-4 導葉翼型圖2.3.2 導葉結(jié)構(gòu)系列尺寸和軸頸選擇 導葉軸頸可按轉(zhuǎn)輪直徑 d1使用水頭h1（指最高水頭）導葉的相對高度

17、b0/d1從水輪機設(shè)計手冊中146 頁表8-10 初選軸頸db選得db =115mm再根據(jù)db=115mm 從設(shè)計手冊中表8-9 查得導葉結(jié)構(gòu)的其它尺寸如下表： 表2-5 導葉尺寸參數(shù)符號數(shù)值（mm）參數(shù)符號數(shù)值（mm）db115ha95da95hb140d1125hc200dc105h120d2110h2110dm30h345d3m24h412d432h56d5109h 參考617其中參數(shù)符號所代表下圖2-5中符號圖2-5 導葉結(jié)構(gòu)尺寸導葉的材料為zg20mnsi整鑄為保證導葉轉(zhuǎn)動靈活導葉上、中、下三個軸頸要同心徑向擺度不大于中軸頸公差的一半導葉體端面與不垂直度允許誤差不超過0.15/100

18、0導葉過流表面型線要正確制造中應用樣板檢查2.3.3 導葉的密封結(jié)構(gòu)導葉關(guān)閉后導葉體的立面應該有很好的密封由于本機組屬于低水頭的機組因此采用圓橡皮條直接鑲?cè)滕澪膊蹆?nèi)封水這種結(jié)構(gòu)制造簡單但只適用于40 米水頭以下的機組因為水頭太高會把圓橡皮條沖掉從水輪機設(shè)計手冊上148 頁表8-12 查得圓橡皮條和鴿尾槽的尺寸如下表：（由于導葉體較高可在中間加焊數(shù)段鋼筋使橡皮條分段固定）表2-6 圓橡皮條和鴿尾槽的尺寸參數(shù)符號數(shù)值（mm）a9b9.5c2其中參數(shù)符號對應下圖2-6中符號：圖2-6 導葉密封2.3.4 導葉軸頸密封 導葉中軸頸密封多數(shù)裝在導葉套筒的下端目前不少機組中已改用l型密封實踐證明封水性能很

19、好結(jié)構(gòu)簡單l型密封圈與導葉中軸頸之間靠水壓貼緊封水因此軸套和套筒上開有排水孔形成壓差密封圈與頂蓋配合端面則靠壓緊封水所以套筒與頂蓋端面配合尺寸應保證橡膠有一定的壓縮量密封圈的材料采用中硬耐油橡膠模壓成型其尺寸大小如下表2-7： 表2-7 中軸頸密封參數(shù)符號數(shù)值（mm）參數(shù)符號數(shù)值（mm）db115h18d12014d111024d2155r20.5r51.5其中參數(shù)符號意義對應圖2-7： 圖2-7 中軸頸密封 導葉下軸頸的密封主要是防止泥沙進入發(fā)生軸頸磨損下軸頸密封一般采用o型橡皮圈密封結(jié)構(gòu)其尺寸大小如下表2-8：表2-8 下軸頸密封參數(shù)符號數(shù)值（mm）db115d95d7.5其中參數(shù)符號意義

20、對應圖2-8：圖2-8 下軸頸o型密封 導葉中軸頸處雖有密封裝置但因?qū)~是轉(zhuǎn)動的不可避免會有少量漏水其排除方法主要是通過自流排水或水泵排水將漏水排出對于軸流式水輪機導水機構(gòu)套筒處得漏水由排水管集中到頂蓋下部的軸承支架內(nèi)連同主軸密封處的漏水由水泵抽水至電站集水井2.3.5 導葉套筒 導葉套筒是固定活動導葉上中軸套的部件采用ht21-40鑄鐵鑄造套筒結(jié)構(gòu)與主軸材質(zhì)、密封結(jié)構(gòu)和頂蓋的高度有關(guān)分段套筒雖有質(zhì)量小便于加工容易調(diào)整裝配等優(yōu)點但由于受到機組尺寸的限制本次設(shè)計仍選擇傳統(tǒng)的整體圓筒形結(jié)構(gòu)套筒的尺寸大小如下表2-9：表2-9 導葉套筒參數(shù)符號數(shù)值（mm）參數(shù)符號數(shù)值（mm）db115d726d13

21、20d86d2195h210d3120h135d4130h2115d5135h353d6280z6h 參考430其中參數(shù)符號對應下圖2-9中符號： 圖2-9 導葉套筒為滿足于導葉臂的裝配要求最終取h=430mm2.3.6 導葉軸套 導葉軸套目前已廣泛采用具有自潤滑功能的工程塑料代替這樣不僅簡化了結(jié)構(gòu)而且節(jié)省了大量的有色金屬降低成本該設(shè)計中導葉套筒采用尼龍1010其吸水性小尺寸較為穩(wěn)定通過離心熔鑄成型適合在水輪機導葉、連桿等部位應用a） 上軸套尺寸系列如表2-10 所示：表2-10 上軸套尺寸參數(shù)符號數(shù)值（mm）參數(shù)符號數(shù)值（mm）dc105h37d1105h16d2120h212d3119.6

22、1d4150表中參數(shù)符號意義見圖2-10： 圖2-10 上軸套b） 中軸套尺寸系列如表2-11 所示：表2-11 中軸套尺寸參數(shù)符號數(shù)值（mm）參數(shù)符號數(shù)值（mm）db115h115d1115h125d2130h26d3129.6d56d41350.8表中參數(shù)符號意義見圖2-11：圖2-11 中軸套c） 下軸套尺寸系列如表2-12 所示：表2-12 下軸套尺寸參數(shù)符號數(shù)值（mm）參數(shù)符號數(shù)值（mm）da95h90d195h16d21100.8d3109.6表中參數(shù)符號意義見圖2-12：圖2-12 下軸套2.3.7 導葉臂 根據(jù)叉頭傳動機構(gòu)裝配尺寸從水輪機設(shè)計手冊上165 頁的表8-23查出導葉

23、臂及其銷孔尺寸如下表2-132-14：表2-13 導葉臂參數(shù)符號數(shù)值（mm）參數(shù)符號數(shù)值（mm）db115h154dc105dl181d1144de42d2148k8d2120r120dm35df11d3m16t0.2d422其中參數(shù)符號意義對應圖2-13(左) :表2-14導葉臂銷孔尺寸參數(shù)符號數(shù)值（mm）參數(shù)符號數(shù)值（mm）dcn40dc11r65h40b140h155其中參數(shù)符號意義對應圖2-13 ：圖2-13 導葉臂2.3.8 導水機構(gòu)裝配尺寸 導水機構(gòu)大部分零件應做到標準化、系列化在水輪機設(shè)計手冊上132頁查表8-1可得出按轉(zhuǎn)輪系列尺寸編制的導水機構(gòu)裝配系列下表2-15是本水電站對應

24、的導水機構(gòu)裝配尺寸：表2-15 導水機構(gòu)裝配尺寸參數(shù)符號數(shù)值（mm）參數(shù)符號數(shù)值(mm)d13000dc2400z020lh500d03765lp25030lc410其中參數(shù)符號意義對應圖2-14圖2-14導水機構(gòu)裝配 2.3.9 導葉傳動機構(gòu) 鑒于叉頭傳動機構(gòu)受力情況好所以本水電站采用叉頭傳動機構(gòu)其主要是由導葉臂、連接板、叉頭、叉頭銷、連接螺桿、螺帽、分瓣鍵、剪斷銷、軸套、端蓋和補償環(huán)等組成參照水輪機設(shè)計手冊164頁表8-25可得出本次設(shè)計的導葉傳動機構(gòu)裝配尺寸如表2-16所示： 表2-16 導葉傳動機構(gòu)裝配尺寸參數(shù)符號數(shù)值(mm)參數(shù)符號數(shù)值(mm)接力器直徑dc410d268d3/jdz

25、020h45d1m484h160dn60d/dc導葉中軸頸db115dcn45d4/dc4分瓣鍵直徑dm35d/gc2.3.10 連接板 根據(jù)叉頭傳動機構(gòu)裝配尺寸從水輪機設(shè)計手冊上167 頁的表8-29到表8-30查出連接板尺寸如下表2-17：表2-17 連接板尺寸參數(shù)符號數(shù)值（mm）參數(shù)符號數(shù)值（mm）d1165dr250r1100h40k0.02h155dcn40d4l20d258d3l1=l262d1150c1d2m24其中參數(shù)符號意義對應圖2-15： 圖2-15 連接板2.3.11 套筒 根據(jù)連接板d2=100從水輪機設(shè)計手冊上168 頁的表8-33查出軸套尺寸如下表2-18：表2-1

26、8 軸套尺寸參數(shù)符號數(shù)值（mm）參數(shù)符號數(shù)值（mm）dn70dh78d278jdh18d183c2.5其中參數(shù)符號意義對應圖圖2-16：圖2-16 軸套2.3.12叉頭銷根據(jù)套筒dn=70d從水輪機設(shè)計手冊上170頁的表8-36查出剪斷銷尺寸如下表2-19：表2-19 叉頭銷尺寸參數(shù)符號數(shù)值（mm）參數(shù)符號數(shù)值（mm）dn70dch210d70gbd59d165gbb3.5d269r1.5d362c3h88d03h130r1.5h143其中參數(shù)符號意義對應圖2-17：圖2-17 叉頭銷2.3.13 叉頭 根據(jù)連接板dn=70從水輪機設(shè)計手冊上167 頁的表8-31查出叉頭尺寸如下表2-20：

27、表2-20 叉頭尺寸參數(shù)符號數(shù)值（mm）參數(shù)符號數(shù)值（mm）d1m564l150d270dl195d365dr62d4100r12h140r16h90c12h125s20其中參數(shù)符號意義對應圖2-18：圖2-18叉頭2.3.14 連接螺桿 根據(jù)連接板d1=m56從水輪機設(shè)計手冊上168 頁的表8-32查出叉頭尺寸如下表2-21：表2-21 連接螺桿尺寸參數(shù)符號數(shù)值（mm）參數(shù)符號數(shù)值（mm）d1m564b24d260b18d350r2s50c3l135其中參數(shù)符號意義對應圖2-19：圖2-19 連接螺桿2.3.15 剪斷銷 根據(jù)連接板dcn=80mm從水輪機設(shè)計手冊上170頁的表8-35查出剪

28、斷銷尺寸如下表2-22：表2-22 剪斷銷尺寸參數(shù)符號數(shù)值（mm）參數(shù)符號數(shù)值（mm）dcn40dc4r1d20h14.5d239h210d345h40d440l38b4l90b13其中參數(shù)符號意義對應圖2-20：圖2-20剪斷銷2.3.16分半鍵 根據(jù)上軸直徑dc =230mm從水輪機設(shè)計手冊上169 頁的表8-34查出分半鍵尺寸如下表2-23：表2-23 分半鍵尺寸參數(shù)符號數(shù)值（mm）參數(shù)符號數(shù)值（mm）dc105b16.4dm35k4l110c1b34b118.6l1140h210l2110h325h5h46其中參數(shù)符號意義對應圖2-21：圖2-21 分半鍵2.3.17端蓋 根據(jù)軸頸db

29、=250mm從水輪機設(shè)計手冊上171頁的表8-37查出端蓋尺寸如下表2-24：表2-24 端蓋尺寸 參數(shù)符號數(shù)值（mm）參數(shù)符號數(shù)值（mm）db115h124d1195r52.5d21061m20d345218d426338d5135d665h32其中參數(shù)符號意義對應圖2-22：2-22 端蓋2.4 控制環(huán) 控制環(huán)是傳遞接力器作用力并通過傳動機構(gòu)轉(zhuǎn)動導葉的環(huán)形部件在本次設(shè)計中采用a3鑄造根據(jù)水輪機轉(zhuǎn)輪直徑查水輪機設(shè)計手冊第185頁圖8-34及其表8-52到表8-54得出控制環(huán)尺寸如下：表2-26 控制環(huán)尺寸（總體） 參數(shù)符號數(shù)值（mm）參數(shù)符號數(shù)值（mm）dc2400dy2550z020s25

30、r12其中參數(shù)符號意義對應圖2-23： 圖2-23 控制環(huán)（總體）2.5 主軸及其附屬部分2.5.1 主軸直徑計算主軸的外徑尺寸可以根據(jù)機組的扭力矩初選扭力矩按以下公式計算：式中 ： n-代表主軸傳遞的功率（千瓦）n-代表主軸轉(zhuǎn)速（轉(zhuǎn)/分）由原始資料：n=8.8mw=8.8kw n=187.5r/min所以 根據(jù)水輪機設(shè)計手冊上 319 頁圖12-12 扭力矩與主軸外徑的關(guān)系曲線查得d200（mm）主軸內(nèi)孔直徑按水輪機設(shè)計手冊320 頁上的公式12-2 計算：式中 ：d-主軸外徑（厘米）n-主軸傳遞的功率（千瓦）n-主軸轉(zhuǎn)速（轉(zhuǎn)/分）max-最大許用應力（公斤/厘米2）初選主軸的材料為 zg2

31、0mnsi其中max=550 （公斤/厘米）所以根據(jù)主軸內(nèi)孔直徑公式計算得：但為了保證主軸有足夠的剛強度可將主軸內(nèi)徑按標準直徑系列取為400mm 2.5.2主軸結(jié)構(gòu)設(shè)計 主軸是水輪機的關(guān)鍵部件之一用來傳遞水輪機轉(zhuǎn)輪產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩（功率）使發(fā)電機旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生電能同時承受軸向水推力及轉(zhuǎn)動部分的重量它的毛坯采用 zg20mnsi 整鍛由于本機組是大型的軸流式水輪機在主軸內(nèi)裝有操作油管所以主軸必須要有中心孔同時這樣的空心軸不但減輕了主軸的質(zhì)量提高軸的剛度和強度而且還能消除軸心部分組織疏松等缺陷便于檢查主軸與轉(zhuǎn)輪的連接結(jié)構(gòu)在設(shè)計中采用轉(zhuǎn)輪上蓋與主軸法蘭合一的結(jié)構(gòu)主軸一端與發(fā)電機相連另一端與轉(zhuǎn)輪相連查水輪機設(shè)計手

32、冊上312頁的表12-3 得軸的尺寸如下表2-29：表2-29 主軸尺寸參數(shù)符號數(shù)值（mm）參數(shù)符號數(shù)值（mm）參數(shù)符號數(shù)值（mm）d400d2102r35d725h100r16db580h1115r2375dp415l45r35d2717l145f2d3410l28z20d360m1.5c12d360c115db68d170其符號所代表的意義如下圖2-24所示: 圖2-24 主軸（其中上邊為水輪機端下邊為發(fā)電機端） 2.5.3 水導軸承 水輪機導軸承型式很多目前比較常用的有水潤滑的橡膠軸承;稀油潤滑有轉(zhuǎn)動油盤、斜油槽自循環(huán)的筒式軸承和稀油潤滑油浸式分塊瓦軸承其它型式軸承如稀油潤滑畢托管上油方

33、式軸承在中、小型機組中雖有采用但近期已被斜油槽自循環(huán)的筒式軸承所代替干油潤滑軸承國內(nèi)運用不多查水輪機設(shè)計手冊345頁本次設(shè)計中采用稀油潤滑分塊瓦式軸承主要是因為以下原因：稀油潤滑分塊瓦式軸承雖然有密封在軸承下部轉(zhuǎn)輪懸臂大成本高平面布置尺寸大等缺點但鑒于其受力均勻軸瓦研刮、調(diào)整方便運行安全可靠在大中型機組中應用較多其結(jié)構(gòu)如圖2-25：:圖2-25 稀油潤滑分塊瓦式水導軸承本次設(shè)計中 nr=2500kwn=125r/min再參照國內(nèi)部分運行機組的結(jié)構(gòu)參數(shù)其尺寸對應下表2-31：表2-31 水導軸承參數(shù)符號數(shù)值參數(shù)符號數(shù)值n（千瓦）2500瓦寬b（毫米）250n（轉(zhuǎn)/分）125瓦數(shù)10軸頸直徑（毫米

34、）610b/l0.8軸頸直徑de（毫米）738軸瓦單邊間隙（毫米）0.25瓦高l（毫米）666使用部位水導 考慮本次設(shè)計中其他部件的布置情況針對以上數(shù)值作出了一定的變動具體參照總裝圖中的尺寸 另外對于稀油潤滑分塊瓦式軸承本次設(shè)計選擇將軸領(lǐng)作為主軸軸身上的附加物之后與軸身焊成一體軸領(lǐng)采用與主軸同樣材質(zhì)的鑄件或者鍛件粗加工后焊于軸身上并經(jīng)退火處理消除焊接應力退火前主軸內(nèi)孔灌以鑄鐵鐵屑或者黃砂兩端封閉以減少內(nèi)孔氧化軸頸下部開有成一定角度或徑向的通油孔當主軸旋轉(zhuǎn)時此孔起著油泵的作用將經(jīng)過冷卻器冷卻后的潤滑油輸送到軸瓦面及軸承體空腔內(nèi)工作后的熱油經(jīng)軸承體上部油孔和頂部流向冷卻器形成油循環(huán)軸領(lǐng)下部通油孔數(shù)

35、目在2432范圍內(nèi)孔直徑取30mm擋油箱以上的軸領(lǐng)處開有數(shù)個通氣孔以平衡軸領(lǐng)內(nèi)外側(cè)壓力防止油和油霧外溢軸領(lǐng)處的結(jié)構(gòu)如下圖2-26：圖2-26軸頸處結(jié)構(gòu)本次設(shè)計中油盆選擇用a3鋼板焊接并在制造過程中進行煤油滲漏試驗分塊軸瓦采用zg30、滑動面澆注chsnsb11-6錫基軸承合金墊板采用30cr并有以下制造要求：本體鑄成整圈分割成若干塊合金澆注前掛純錫不許脫殼瓦面粗糙度為8瓦背面支頂墊板與背面貼緊不許有間隙墊片熱處理hrc3540支頂螺絲材料為鍛鋼35熱處理hrc40細牙螺紋與螺帽選配分塊瓦軸承體材料為zg30支頂螺絲孔中心線與軸心線垂直軸承體法蘭面與分塊瓦承托面平行誤差不超過0.030.05毫米

36、2.5.4主軸密封主軸部分的密封裝置分兩種一種是機組正常運行中橡膠軸承壓力水箱的密封稀油軸承下部防止機組漏水的主軸密封這一種密封的結(jié)構(gòu)形式很多如盤根、墊料式密封單層或雙層橡膠密封徑向式端面碳精塊（尼龍塊）密封水泵密封等等本次設(shè)計中采用的是水壓式端面密封這種密封方式檢修維護方便結(jié)構(gòu)簡單工作壽命長其結(jié)構(gòu)見圖2-30另一種是機組停機檢修軸承和軸承下部主軸密封時防止尾水往機坑內(nèi)泄漏的檢修密封這種密封的結(jié)構(gòu)形式有空氣圍帶式、機械操作式或抬機密封等多種在本次設(shè)計中采用的是空氣圍帶式密封采用的壓縮空氣壓力是47 公斤/厘米2其所采用的圍帶的剖面尺寸見下圖2-27： 圖2-27水壓式主軸密封2.6 操作油管轉(zhuǎn)

37、槳式水輪機轉(zhuǎn)輪的接力器操作油管裝于主軸中心孔內(nèi)通常操作油管用兩根無縫鋼管組成內(nèi)外兩個壓力油腔上部接至受油器下部與轉(zhuǎn)輪接力器的活塞桿連接操作油管的外油腔與轉(zhuǎn)輪接力器活塞上部油腔聯(lián)通內(nèi)腔則與活塞下部油腔聯(lián)通本次設(shè)計中操作油管被分為數(shù)段用法蘭連接這主要是考慮到電站布置主軸和接力器結(jié)構(gòu)的變化為滿足動作靈活加工、裝卸方便根據(jù)水輪機設(shè)計手冊中的要求參照已有電站資料本水電站操作油管水輪機段得結(jié)構(gòu)如圖2-28所示：圖2-28 操作油管示意圖2.7 轉(zhuǎn)輪部分2.7.1 葉片葉片由本體和樞軸構(gòu)成葉片本體與樞軸的連接方式有兩種一種是用分別整體鑄造；一種是采用分開鑄造加工后用螺釘或銷釘?shù)葯C械零件組合由于本機組屬于大型

38、機組所以葉片和樞軸采用分別鑄造然后用螺釘連接葉片材料為zg20simn由于該材料抗汽蝕性能差因此根據(jù)電站的運行條件在表面堆焊不銹鋼層以提高轉(zhuǎn)輪的抗汽蝕性能葉片樞軸支承在轉(zhuǎn)輪體上采用滑動軸承結(jié)構(gòu)軸承襯為青銅2.7.2 轉(zhuǎn)輪體 轉(zhuǎn)輪體外表面是過流通道的一部分其內(nèi)部則裝有全部葉片和操作機構(gòu)上部與主軸聯(lián)接下部接泄水錐形狀較為復雜在本次設(shè)計中轉(zhuǎn)輪體采用zg20mnsi 整鑄而成轉(zhuǎn)輪體外圓采用球形結(jié)構(gòu)球形輪轂能使葉片和轉(zhuǎn)輪體表面配合良好在各種葉片轉(zhuǎn)角下它們之間的間隙可以很小從而減小容積損失在本次畢業(yè)設(shè)計中轉(zhuǎn)輪體與主軸聯(lián)接時采用的是轉(zhuǎn)輪上蓋與主軸法蘭合一的結(jié)構(gòu) 圖2-29轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)圖2.7.3 葉片操作機構(gòu)與

39、接力器葉片操作機構(gòu)的型式很多本次設(shè)計采用的是帶直連桿的操作架的結(jié)構(gòu)由于其零件數(shù)少結(jié)構(gòu)簡單轉(zhuǎn)輪體高度可降低故其在水輪機中應用較多其具體結(jié)構(gòu)如圖2-30所示：圖2-30帶操作架的直連桿機構(gòu)2.7.4 泄油閥 軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機轉(zhuǎn)輪在泄水錐和轉(zhuǎn)輪體之間的底蓋上裝有泄油閥圖2-31本次設(shè)計中所用到的泄油閥結(jié)構(gòu)其特點是卸掉底部螺塞后油不會泄出必須擰入排油管頂起止油閥后才能排出積油圖2-31泄油閥結(jié)構(gòu)圖 2.7.5 葉片密封裝置 轉(zhuǎn)輪體內(nèi)充滿低壓油用以潤滑轉(zhuǎn)槳機構(gòu)機組運轉(zhuǎn)時接力器下腔的高壓油會沿著活塞桿和轉(zhuǎn)輪體襯套之間的間隙漏入轉(zhuǎn)輪體內(nèi)為降低轉(zhuǎn)輪體內(nèi)腔的漏油壓力調(diào)節(jié)和補償活塞推拉桿上下移動時引起的轉(zhuǎn)輪體內(nèi)腔

40、油體積的變化在推拉桿中心開設(shè)連通管連通管與主軸中心孔內(nèi)第一層環(huán)形空間相通溢油由此上升至發(fā)電機轉(zhuǎn)子頂上的受油器的回油腔這樣連通管能起到溢油和補充回油的作用為了防止轉(zhuǎn)輪體內(nèi)潤滑油沿著葉片法蘭的轉(zhuǎn)動間隙露出特別是因為葉片背面的壓力常是真空其法蘭周邊處更易露出也為了防止轉(zhuǎn)輪體外高壓水滲漏入體內(nèi)在葉片和轉(zhuǎn)輪體之間設(shè)有雙向的密封裝置其具體結(jié)構(gòu)如下圖2-32所示：圖2-32型密封2.8 底環(huán) 底環(huán)是一個環(huán)形部件固定于座環(huán)上作為導葉安放的基座在設(shè)計時應當主要考慮剛度可以不作強度計算本水輪機底環(huán)采用zg30鑄造由于該水輪機底環(huán)屬于大型部件受運輸條件的限制本次設(shè)計中的底環(huán)應分四瓣鑄造底環(huán)的結(jié)構(gòu)見下圖2-33：圖2

41、-33 水輪機底環(huán)2.9 頂蓋和支持蓋 頂蓋是水輪機的主要部件之一需要有足夠的強度和剛度由于本水電站為大型軸流式水輪機因此采用焊接頂蓋頂蓋的材料采用zg30基本厚度為140mm鋼板本水輪機的頂蓋最大直徑為4.7米受運輸條件的限制頂蓋采用分四瓣組合 頂蓋的結(jié)構(gòu)比較復雜制造要求較高尤其是裝導葉套筒的孔應與底環(huán)同心其結(jié)構(gòu)如圖2-34所示： 圖2-34 焊接頂蓋 圖2-35 支持蓋 支持蓋是軸流式水輪機的主要部件之一可以使得軸流式水輪機在檢修時候不必拆卸導葉和頂蓋支持蓋要求有足夠的強度和剛度材料為zg30 本文設(shè)計中電站水輪機的頂蓋最大直徑為4米之多屬于大型部件受運輸條件的限制頂蓋采用分四瓣組合支持蓋

42、見2-352.10 真空破壞閥 當導水機構(gòu)緊急關(guān)閉時由于水流的慣性和轉(zhuǎn)輪的水泵作用在導葉后轉(zhuǎn)輪室內(nèi)可能產(chǎn)生較高的真空引起下游尾水反沖產(chǎn)生很大的沖擊力甚至出現(xiàn)抬機現(xiàn)象真空破壞閥就是在緊急關(guān)閉導葉時補入空氣破壞真空起一定的保護作用深溪溝水電站機組尺寸較大故而我們在頂蓋加設(shè)真空破壞閥來作為補氣閥和空氣閥其結(jié)構(gòu)如圖2-38所示圖2-36 真空破壞閥2.11 導水機構(gòu)傳動系統(tǒng)總設(shè)計2.11.1 確定導葉開度根據(jù)水輪機的型號、轉(zhuǎn)輪直徑確定最大可能開度所要求的接力器行程從而確定傳動系統(tǒng)的參數(shù)根據(jù)水輪機原始資料：轉(zhuǎn)輪直徑： d1 3000mm；設(shè)計水頭：h r 6.2m；設(shè)計流量：q r 51.5m3/s；額

43、定轉(zhuǎn)速： n r =125r/min進行計算設(shè)計計算額定工況時的單位轉(zhuǎn)速和單位流量分別為：根據(jù)查zz600-lh-300的模型綜合特性曲線得模型得最大開度：由： z0m=20z0 =20d0 = 3765(mm )d0m = 195(mm )換算成真機的最大開度值為：計算真機的最大可能開度： 取設(shè)計水頭下的單位轉(zhuǎn)速與最優(yōu)效率點對應的開口值為最優(yōu)開口a0y 根據(jù)設(shè)計水頭hr下的單位轉(zhuǎn)速119.33( /min) 1查模型特性曲線得：所以真機得最優(yōu)開口為： 所得導葉布置圖和接力器行程曲線見下圖： 圖2-37 導葉布置圖 圖2-38 接力器行程圖3 應力分析3.1 導葉模型建立 本次畢業(yè)設(shè)計采用nx

44、 ug實體建模建立導葉模型如圖：圖3-1 導葉模型圖3.2 導葉周邊流道模型建立 本次設(shè)計導葉流道采用從固定導葉出口邊到轉(zhuǎn)輪葉片進口邊由于此流道具有周期性每個導葉工況幾乎一樣所以在進行cfd計算時可以采用單周期的方法流道模型如圖：圖3-2 導葉計算域圖3.2.1 單周期流道網(wǎng)格劃分本次分析采用ansys icem cfd平臺劃分網(wǎng)格由于流道是圓周的所以只需對一個導葉即單周期劃分網(wǎng)格即可劃分的網(wǎng)格如圖：圖3-3 網(wǎng)格圖 此網(wǎng)格是通過ansys icem cfd生成的經(jīng)質(zhì)量檢查是符合要求的所以可以直接導入cfx中計算3.3 cfx數(shù)值計算3.3.1 邊界條件1.定常流動計算邊界條件流場數(shù)值計算中邊

45、界條件的給定非常重要它不僅影響數(shù)值計算的收斂性而且很大程度上影響數(shù)值計算的精確性邊界條件設(shè)置的合理與否是計算得到真實可靠結(jié)果的保證水輪機的導葉流道計算的邊界條件相對較為簡單常使用到的邊界條件有進口、出口和固壁面三類2.進口邊界條件流動進口邊界條件一般有三種設(shè)置方法：壓力進口、速度進口和質(zhì)量流量進口邊界條件本文在對軸流式水輪機三維導葉流道流動進行數(shù)值計算時進口邊界條件給定為導葉進口質(zhì)量流量3.出口邊界條件流動出口邊界條件一般設(shè)置在離幾何擾動足夠遠的地方在這種位置流動是充分發(fā)展沿流動方向沒有變化在此設(shè)置一個垂直于流動方向的面然后便可施加流動出口邊界條件出口邊界條件主要有壓力出口和質(zhì)量流量出口兩種邊界條件本文在對軸流式水輪機三維導葉流道流動進行數(shù)值計算時出口邊界條件給定為導葉出口平均靜壓等于零4.固壁面邊界條件固壁面是流動問題中最常用的邊界對于固壁面邊界條件除壓力修正方程外各離散方程的源項需要作特殊處理壁面即可以設(shè)置為無滑移或滑移壁面對于近壁區(qū)域的流動的處理方法通常有兩種：使用低