劉家峽2號機(jī)組水輪機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及CFD分析畢業(yè)設(shè)計(jì)

1、 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）題 目 劉家峽2號機(jī)組水輪機(jī) 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與cfd分析 專 業(yè) 熱能與動力工程 班 級 動 09*班 學(xué) 生 * 指導(dǎo)教師 教授 2013 年劉家峽2號機(jī)水輪機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與cfd分析 摘 要本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的內(nèi)容主要分為兩部分：水輪機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和單周期導(dǎo)葉內(nèi)部流動的cfd分析。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面是以劉家峽水電站的2號機(jī)組為設(shè)計(jì)對象。設(shè)計(jì)過程通過充分查閱水輪機(jī)設(shè)計(jì)手冊和相關(guān)資料，對水輪機(jī)各個部分進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，包括水輪機(jī)埋入部件、導(dǎo)水機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)動部件、減壓裝置、主軸密封、水導(dǎo)軸承等部分的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。然后完成總裝配結(jié)構(gòu)圖、導(dǎo)葉布置圖、導(dǎo)水機(jī)構(gòu)裝配圖和控制環(huán)零件圖等設(shè)計(jì)任務(wù)。設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容包括兩個部分。第

2、一部分是根據(jù)給定的電站基本資料進(jìn)行水輪機(jī)的基本參數(shù)計(jì)算，第二部分是進(jìn)行水輪機(jī)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，第三部分是對導(dǎo)水機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。cfd分析方面主要是通過對單周期導(dǎo)葉內(nèi)部流動的cfd分析來研究流域內(nèi)任一點(diǎn)的速度，壓力和流線分布。本次設(shè)計(jì)主要采用autocad和cfd軟件繪圖。關(guān)鍵詞：劉家峽水電站，2號機(jī)組，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，autocad，cfd分析the structural turbine design of #2 in liujiaxia hydropower station and the analysis of cfd abstractthe content of this graduation d

3、esign is mainly divided into two parts: the structure of water turbine guide vane design and single cycle cfd analysis of internal flow.structure design of unit 2 in liujiaxia hydropower station as the design object.the process of design is to design parts of the turbine through fully consulting the

4、 turbine design manuals and related information, including embedded turbine components, guide apparatus, rotating parts vacuum devices, shaft seal, guide bearing and other parts of the turbine. these tasks such as the spiral case and the draft tube of hydraulic design, the guide water body assembly

5、drawing, the general assembly drawing of the turbine, turbine guide vane arrangement drawing and the parts of main -axis design should be completed. the main content of the design includes three parts. the first part is the basic data based on the given basic parameter of the turbine of hydroelectri

6、c station. the intention of the second part is to design the overall structure of the turbine. the third part is to design water distributor. cfd analysis is mainly based on the single cycle vanes internal flow cfd analysis to study the basin as a point of velocity, pressure and flow distribution.th

7、e autocad and cfd is adopted to draw for the design. key words: francis turbine,liujiaxia hydropower station, #2,structural design，autocad ，the analysis of cfd2013屆熱能與動力工程專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 目 錄1.前 言1.1選題的目的和意義如今，隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，電力行業(yè)作為一種先進(jìn)的生產(chǎn)力和基礎(chǔ)行業(yè)得到蓬勃的發(fā)展。而水能資源是高效、清潔、可再生、廉價的能源，優(yōu)先開發(fā)水電，加快水電建設(shè)，是客觀所需的，也是世界各國開發(fā)利用能源的重要經(jīng)

8、驗(yàn)。水輪機(jī)是一個典型的機(jī)械系統(tǒng)，具有軸類零件、盤套類零件、箱體類零件、齒輪類零件等，具有較強(qiáng)的綜合性。作為水電機(jī)組實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換的核心部件，水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪性能的優(yōu)劣對水電機(jī)組的運(yùn)行乃至整個電力系統(tǒng)的生產(chǎn)和安全具有非常重要的意義.因此設(shè)計(jì)高效率、高空蝕性能、高穩(wěn)定性的轉(zhuǎn)輪是水輪機(jī)研究和設(shè)計(jì)者的追求目標(biāo)。通過設(shè)計(jì)對專業(yè)知識有更深一步的理解，同時可以將大學(xué)幾年所學(xué)到的知識融會貫通，理論與實(shí)踐相結(jié)合，進(jìn)一步提高設(shè)計(jì)能力，為將來的工作打下良好的基礎(chǔ)。1.2設(shè)計(jì)內(nèi)容根據(jù)給定的劉家峽2號機(jī)基本資料進(jìn)行水輪機(jī)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 1.根據(jù)給定的水輪機(jī)型號和轉(zhuǎn)輪直徑等基本參數(shù)，確定水輪機(jī)的主要特征尺寸，對水輪機(jī)主要部件進(jìn)行結(jié)

9、構(gòu)設(shè)計(jì)； 2.繪制水輪機(jī)總裝配圖、導(dǎo)葉布置圖、導(dǎo)葉布置圖及主要部件零件圖。 3. 單周期活動導(dǎo)葉內(nèi)部流動cfd分析。 1.3劉家峽水電站的基本情況劉家峽水電站位于甘肅省永靖縣境內(nèi)的黃河干流上，上距黃河源頭2019km，下距省會蘭州市約100 km，是我國自己調(diào)試管理的第一座百萬千瓦級大型水力發(fā)電站。該水電站以發(fā)電為主，兼有防洪、灌溉、防凌、供水、航運(yùn)、養(yǎng)殖等效益。劉家峽水電站共有五臺水輪發(fā)電機(jī)組，總裝機(jī)量為1160mw，其中14 號機(jī)組為225 mw，5 號機(jī)組為260mw。2.基本參數(shù)計(jì)算2.1水輪機(jī)基本參數(shù)單機(jī)容量：225mw 擬用水輪機(jī)型號：hl001(200)lj550額定轉(zhuǎn)速：125

10、r/min水輪機(jī)設(shè)計(jì)流量：259 m3/s設(shè)計(jì)水頭：110（m）吸出高度：-4.5（m）安裝高程：1615.5（m）2.2參數(shù)計(jì)算2.2.1初選額定工況點(diǎn)對已選定的水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪型號，查出其模型綜合特性曲線。由于所選機(jī)組為，查出其額定工況點(diǎn)單位流量q11r=0.8 m3/s，模型最優(yōu)單位轉(zhuǎn)速n11o=68r/min, 對應(yīng)的模型效率=0.894，暫取效率修正值，則額定工況的原型水輪機(jī)的效率。2.2.2確定轉(zhuǎn)輪直徑轉(zhuǎn)輪直徑計(jì)算公式為：d1=式中： p 水輪機(jī)的額定出力，225000kw； 模型最優(yōu)工況點(diǎn)單位流量，0.8m3/s。代入數(shù)據(jù)，得 =5.186m。計(jì)算值處于標(biāo)準(zhǔn)值5.0m與5.5m之間，考

11、慮到取5.0m偏小，難于保證額定水頭下發(fā)出額定出力，取5.5m又偏大，不滿足經(jīng)濟(jì)性要求。本次設(shè)計(jì)機(jī)組為大型機(jī)組，所以最終取非標(biāo)準(zhǔn)值=5.2m。2.2.3效率及單位參數(shù)修正值效率修正值 式中： d1m 模型機(jī)轉(zhuǎn)輪直徑，0.46m d1 真機(jī)轉(zhuǎn)輪直徑 ，5.2m由國際電工委員會（iec）推薦的公式，將模型最優(yōu)的工況效率，換成真機(jī)最優(yōu)工況效率。對混流式水輪機(jī)，按moody公式換算。即:= 計(jì)算得： =0.894 = = 0.028 即限制工況原型水輪機(jī)效率為0.9222.2.4額定轉(zhuǎn)速的計(jì)算n11r-原型水輪機(jī)設(shè)計(jì)單位轉(zhuǎn)速n110m 模型最優(yōu)單位轉(zhuǎn)速n11r = n110m + n11 = n110

12、m = 68 r/minha = = = 115.8 m 參照水輪機(jī)-發(fā)電機(jī)標(biāo)準(zhǔn)同步轉(zhuǎn)速 取水輪機(jī)轉(zhuǎn)速為136.4 r/min2.2.5設(shè)計(jì)流量的計(jì)算額定流量的計(jì)算公式為：計(jì)算得： qr = q11r d12 = 0.85.22 = 227 m3/s3.水輪機(jī)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3.1概述混流式水輪機(jī)是一種采用最多的水輪機(jī)類型。其應(yīng)用水頭范圍很廣：大中型的水頭從；小型的也有。其比轉(zhuǎn)速，比沖擊式高；空蝕系數(shù)比軸流式?。粷M負(fù)荷時效率高。低水頭大容量混流式水輪機(jī)的轉(zhuǎn)速低，尺寸大，要重視大型零部件的加工、運(yùn)輸以及結(jié)構(gòu)剛度問題。高水頭混流式水輪機(jī)的空蝕、磨損和振動問題比較突出，轉(zhuǎn)輪宜用不銹鋼或其他抗空蝕性能較好

13、的材料制造，導(dǎo)水機(jī)構(gòu)有關(guān)部位要采取抗磨和防止間隙空蝕的措施?；炝魇剿啓C(jī)本體主要由埋入部分、導(dǎo)水機(jī)構(gòu)和轉(zhuǎn)動部分組成。埋入部分包括蝸殼、座環(huán)、基礎(chǔ)環(huán)、尾水管里襯、水輪機(jī)機(jī)坑里襯等，其均埋在混凝土中，既是機(jī)組的基礎(chǔ)件，也是水流通道的一部分；導(dǎo)水機(jī)構(gòu)包括底環(huán)、活動導(dǎo)葉、頂蓋、套筒及導(dǎo)葉操作機(jī)構(gòu)等，它起著控制流量的作用，使水流以很小的能量損失沿圓周均勻進(jìn)入轉(zhuǎn)輪；轉(zhuǎn)動部分主要由轉(zhuǎn)輪、主軸、軸承及密封裝置等組成。 為了減輕空蝕和泥沙磨損對水輪機(jī)部件的破壞，需對過流部件采取一定的措施，如在頂蓋和底環(huán)過流面上鋪焊不銹鋼抗磨層，導(dǎo)葉立面合縫處堆焊不銹鋼或其它耐磨材料。對于普通碳鋼和低合金鋼鑄造的轉(zhuǎn)輪過流表面在其

14、易氣蝕、磨損部分堆焊不銹鋼或耐磨材料。劉家峽水電站水輪發(fā)電機(jī)組采用立軸混流式結(jié)構(gòu)，水輪機(jī)旋轉(zhuǎn)方向?yàn)楦┮曧槙r針，機(jī)組主軸設(shè)計(jì)上應(yīng)采用允許最小直徑，使水導(dǎo)軸承與主軸密封盡量與實(shí)用的一樣小，以節(jié)約花費(fèi)，主軸兩端帶有整體法蘭。3.2流道尺寸的計(jì)算 根據(jù)水輪機(jī)設(shè)計(jì)手冊中提供的水輪機(jī)各型號的流道尺寸圖，并將已選型號與各型號比較之后，選用hl200的轉(zhuǎn)輪流道圖作為轉(zhuǎn)輪尺寸確定的參考。根據(jù)圖3.2模型流道尺寸，參考圖中尺寸比例，使用cad作圖即畫出如圖3.1所示真機(jī)轉(zhuǎn)輪流道尺寸圖。 圖3-2 模型轉(zhuǎn)輪流道尺寸 確定真機(jī)導(dǎo)葉尺寸參數(shù)：查水輪機(jī)書，可得：z=24；查附圖18得導(dǎo)葉分布圓直徑d=5800mm。由相對

15、高度b0/d1=0.2，求得：導(dǎo)葉高度h=1040mm（不包括上下軸頸）。3.3 主軸設(shè)計(jì)3.3.1 主軸的計(jì)算主軸是水輪機(jī)的主要部件。通過它，將水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的機(jī)械能傳遞給發(fā)電機(jī)。它的毛坯通常采用鑄鋼35、45或20mnsi整鍛，或采用鑄造法蘭、鍛造軸身并用環(huán)形電渣焊焊接成整軸。軸身采用鋼板卷焊的大型薄壁軸目前也有采用。大型水輪機(jī)主軸都有中心孔，它不僅可以消除軸心部分組織疏松等材質(zhì)缺陷，便于檢查，在結(jié)構(gòu)上還可以減輕重量，而且也是為實(shí)現(xiàn)中心孔補(bǔ)氣、裝操作油管的需要。主軸上部與發(fā)電機(jī)連接，下部與水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪連接，一般都采用法蘭盤連接。如果廠房布置和鑄造條件允許，可把水輪機(jī)軸和發(fā)電機(jī)軸做成整軸結(jié)構(gòu)，這樣

16、由于沒有中間法蘭，減少加工量，有利于安裝。主軸直徑按其傳遞的扭矩大小選定：式中：主軸傳遞功率，225000kw；額定轉(zhuǎn)速，125。計(jì)算得： 根據(jù)值，由主軸扭矩與主軸直徑關(guān)系曲線中查取外徑,并根據(jù)外徑系列尺寸，初選外徑d=1530mm。主軸內(nèi)徑按下式計(jì)算：對于大中型機(jī)組，主軸材料為20mnsi鋼時，厚壁軸取，薄壁軸取。計(jì)算得：，按內(nèi)徑的尺寸系列選取主軸設(shè)計(jì)上采用允許最小直徑，尺寸選取允許最小值，并進(jìn)一步進(jìn)行強(qiáng)度校核。與主軸成一體的上下法蘭尺寸選取見下表：表3.1 主軸法蘭尺寸系列表序號dhdbdbd0尺寸(mm)36504003000240420主軸承受扭矩和軸向拉力（包括軸向水推力及計(jì)算斷面以

17、下的轉(zhuǎn)動部分重量引起的拉力），還應(yīng)校核拉、扭應(yīng)力。參考同類型電站設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，考慮主軸壁厚及外徑尺寸確定本次設(shè)計(jì)的主軸軸身采用鑄鋼整鍛，材料為20mnsi，主軸直徑，且為薄壁軸，主軸的內(nèi)徑為。3.3.2 主軸密封（1） 端面密封油軸承的主軸密封裝置在軸承下面，地位狹窄，造成檢修工作不便，因此工作條件很差，所以要求密封結(jié)構(gòu)簡單、維修量小，而端面密封就具有以上優(yōu)點(diǎn)。本次設(shè)計(jì)采用的是水壓式端面密封。這種密封基本代替了機(jī)械式端面密封，同時也改變了彈簧力不均的缺陷，利用水壓力替代彈簧力，就現(xiàn)有運(yùn)行機(jī)組反應(yīng)效果較好。下圖3.11為設(shè)計(jì)的水壓式端面密封。 圖3.11 水壓式主軸密封 這種密封形式為壓力水自外部引

18、入，適宜于含泥沙較多的機(jī)組采用，故適合本次設(shè)計(jì)的劉家峽水電站2號機(jī)組。 密封環(huán)的材質(zhì)好壞會直接影響到封水效果和使用壽命。采用碳晶塊作材料，材質(zhì)處理和加工要求嚴(yán)格，質(zhì)量上還不夠穩(wěn)定。因此有的結(jié)構(gòu)中采用了尼龍做密封環(huán)，運(yùn)行表明，也存在磨轉(zhuǎn)環(huán)、容易燒化等缺陷，這些都需要進(jìn)一步改進(jìn)。 本次設(shè)計(jì)水輪機(jī)的轉(zhuǎn)輪直徑為5.2m（4.1m），故密封環(huán)端面密封環(huán)處的接觸寬度可取80120mm,本設(shè)計(jì)中的接觸寬度取120mm，較寬的接觸面中部應(yīng)車制環(huán)形凹槽，這樣既能增加漏水壓力，也可在密封裝置下部無水運(yùn)行時，從外部通水潤滑和冷卻。（2）檢修密封當(dāng)下游水位高于軸承密封時，設(shè)有檢修密封，供停機(jī)或檢修軸承及其密封時使用。

19、空氣圍帶式檢修密封是大、中型水輪機(jī)常用的檢修密封結(jié)構(gòu)。使用時，可往空氣圍帶中通進(jìn)壓力為左右的壓縮空氣。在無壓時，間隙取1.52。本設(shè)計(jì)中主軸密封選用的是水壓式端面密封，檢修密封為空氣圍帶式檢修密封。這兩種密封的形式如上圖3.8所示。3.4 轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)輪是水輪機(jī)的核心部件，它直接把水流能量轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，轉(zhuǎn)輪設(shè)計(jì)的優(yōu)劣直接影響著水輪機(jī)的過流能力、水力效率、空蝕性能、工作穩(wěn)定性以及水輪機(jī)對變工況的適應(yīng)性，是對設(shè)計(jì)的最大挑戰(zhàn)，同時其加工制造和現(xiàn)場處理工作也很復(fù)雜。3.4.1 轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)形式及材質(zhì)混流式轉(zhuǎn)輪由上冠、葉片和下環(huán)組成。上冠通常裝有減少漏水損失的止漏環(huán)，減少軸向水推力的減壓裝置，它的上法蘭面

20、與主軸連接，下部接泄水錐。下環(huán)上也裝有止漏裝置。過去，混流式轉(zhuǎn)輪大多用鑄鋼鑄造，現(xiàn)在焊接結(jié)構(gòu)有了很大發(fā)展。大型轉(zhuǎn)輪因受制造和運(yùn)輸條件的限制，采用分瓣的組合結(jié)構(gòu)。為了提高強(qiáng)度、抗空蝕性和耐磨性，有的轉(zhuǎn)輪采用了不銹鋼材料或低合金高強(qiáng)度鋼種。也有采用不銹鋼葉片和碳素鋼上冠和下環(huán)焊接的結(jié)構(gòu)。采用普通碳素鋼的轉(zhuǎn)輪，在其容易空蝕和磨損的過流部位，堆焊抗空蝕、抗泥沙磨損的材料。這次設(shè)計(jì)采用的轉(zhuǎn)輪是由各單個葉片，均帶有葉片根部的兩瓣上冠及兩瓣下環(huán)組成。各部件的焊接選用電渣焊，并在現(xiàn)場進(jìn)行。上冠及下環(huán)在制造廠鑄造成兩瓣并加工好，僅在關(guān)鍵部位留下少量金屬在現(xiàn)場組裝完成后削除。轉(zhuǎn)輪材質(zhì)為zg20mnsi。其尺寸根據(jù)

21、已選定的轉(zhuǎn)輪型譜確定。水輪機(jī)轉(zhuǎn)速較低，轉(zhuǎn)輪高度與直徑之比小于1，只作靜平衡試驗(yàn)。（1） 上冠轉(zhuǎn)輪上冠形狀對效率和最大流量的影響較大，其形狀有直線型和上抬曲線型兩種。直線型上冠具有較好的加工工藝性，但在大流量時會使效率降低，同時也會使單位流量減小，故現(xiàn)在很少采用。而上抬曲線型上冠，雖然制造加工稍麻煩些，但它使得轉(zhuǎn)輪流道在出口附近的過流面積大大增加，從而有利于提高水輪機(jī)的單位流量及水力效率，向上抬的曲線也不能太接近于水平位置，因有可能在小流量范圍內(nèi)上冠區(qū)域出現(xiàn)二次回流，所以上冠形狀在向上抬處的切線與水輪機(jī)中心線的夾角應(yīng)控制在左右，本次設(shè)計(jì)中的夾角在左右，增大了過流量，并無破壞上冠的光滑度。同時，保

22、證上冠下部與泄水錐相接處，不產(chǎn)生脫流和撞擊，泄水錐與主軸中心夾角控制在左右，每瓣尺寸（）。（2） 下環(huán)下環(huán)形狀及下錐角與水輪機(jī)的比轉(zhuǎn)速有關(guān)。對于低比轉(zhuǎn)速水輪機(jī)，下環(huán)形狀為曲線形，能使水流能平順的拐彎，曲率半徑較大，否則易產(chǎn)生脫流。對于中高比轉(zhuǎn)速的水輪機(jī)，下環(huán)形狀為圓錐或圓柱形，這有助于增加轉(zhuǎn)輪出口的過流斷面面積，對提高過流量，降低轉(zhuǎn)輪出口水流速度，改善空化空蝕性能是有利的，但過大的下環(huán)錐角，將使下環(huán)曲線的曲率增大，脫流損失加大，而導(dǎo)致水力效率下降。（3） 葉片根據(jù)轉(zhuǎn)輪的比轉(zhuǎn)速，選定轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)為24個。轉(zhuǎn)輪是水輪機(jī)的關(guān)鍵部件，對水輪機(jī)的性能影響大，葉片表面光潔度不應(yīng)低于4，葉片型線要正確，相鄰葉

23、片間的開口誤差相對于設(shè)計(jì)值不應(yīng)大于，周圍平均開口誤差不大于。3.4.2 止漏裝置止漏裝置的作用是減少機(jī)組的容積損失。目前常用的形式有間隙式、迷宮式、梳齒式和階梯式四種。（1）形式的選擇當(dāng)水頭時，混流式轉(zhuǎn)輪一般可采用間隙式或迷宮式止漏環(huán)，其中含泥沙較多的電站采用間隙式，清水電站采用迷宮式止漏環(huán)。當(dāng)水頭時，采用梳齒式或階梯式止漏環(huán)。止漏環(huán)與轉(zhuǎn)輪的連接方式，為考慮拆卸方便，一般在整鑄轉(zhuǎn)輪上采用紅套固定。分瓣的大型轉(zhuǎn)輪可以在工地組裝焊接。止漏環(huán)的材料一般采用zg30或a3鋼板，泥沙較多的電站采用不銹鋼或其他耐磨鋼板。對水質(zhì)干凈，轉(zhuǎn)輪尺寸較小的轉(zhuǎn)輪，也可以直接在上冠下環(huán)上車制迷宮槽。劉家峽水電站的最高水

24、頭為m，且所在河流泥沙較多，所以選用縫隙式密封止漏環(huán)，止漏環(huán)分為固定部分和轉(zhuǎn)輪部分，分成多瓣現(xiàn)場安裝。固定止漏環(huán)有緊密配裝的抗磨板，設(shè)計(jì)允許在萬一需要拆卸時無需拆卸水輪機(jī)，轉(zhuǎn)輪下環(huán)部位的固定止漏環(huán)嵌在一個支持環(huán)上，支持環(huán)也是分成多瓣，固定在底環(huán)底部。固定在轉(zhuǎn)輪下環(huán)上的止漏環(huán)均用不銹鋼壓環(huán)固定，分為多瓣方便拆卸。固定與轉(zhuǎn)動部分的設(shè)計(jì)間隙略大于4.8mm。上冠部位的連接與此類似。3.4.3 泄水錐結(jié)構(gòu)泄水錐采用a3鋼板制造。與上冠的連接方式參考轉(zhuǎn)輪的各典型結(jié)構(gòu)圖。本次使用m48螺釘與上冠把合，螺釘數(shù)32，并焊接加強(qiáng)，避免運(yùn)行中脫落。上冠與泄水錐形成光滑的過水面。3.5 導(dǎo)葉及附屬部件3.5.1 導(dǎo)

25、葉導(dǎo)葉的結(jié)構(gòu)與導(dǎo)葉套筒、軸套、密封等形式有關(guān)。目前常用的帶有套筒、中軸頸采用“l(fā)”形密封，下軸頸采用“o”形密封的導(dǎo)葉結(jié)構(gòu)。導(dǎo)葉的材料一般采用zg30或zg20mnsi整鑄，大型機(jī)組中也有采用鑄焊結(jié)構(gòu)的。本設(shè)計(jì)中，活動導(dǎo)葉的材料為zg20mnsi整鑄，同時下軸頸采用“o”形密封圈，中軸頸出采用“l(fā)”型密封。導(dǎo)葉相對高度比b0/d1為0.2。為了保證導(dǎo)葉轉(zhuǎn)動靈活，導(dǎo)葉上、中、下三軸頸要同心，徑向擺度不大于中軸頸公差的一半，導(dǎo)葉體端面與軸線不垂直度允許誤差不超過。導(dǎo)葉過流表面型線要正確，制造中應(yīng)用樣板檢查。使用于中、高水頭下的導(dǎo)葉，尾部可鋪焊不銹鋼板，提高抗空蝕能力。使用于水流含泥沙較多的電站，還

26、在導(dǎo)葉頭部堆焊抗磨材料。導(dǎo)葉結(jié)構(gòu)圖如下圖3.3所示：圖3.3 導(dǎo)葉結(jié)構(gòu)圖導(dǎo)葉軸頸尺寸的選擇見下表：表3.3 軸頸尺寸參數(shù)符號數(shù)值（mm）參數(shù)符號數(shù)值（mm）dc210h1147d2220hc385db230h125d1240hb260d5208.5ha190da1903.5.2 導(dǎo)葉套筒 導(dǎo)葉套筒是固定導(dǎo)葉上中軸套的部件，一般都采用ht21-40鑄鐵鑄造。套筒結(jié)構(gòu)與軸套材質(zhì)，密封結(jié)構(gòu)和頂蓋的高度等有關(guān)。目前多采用整體圓筒形式。本設(shè)計(jì)中的導(dǎo)葉套筒結(jié)構(gòu)如下圖3.4所示：圖3.4 導(dǎo)葉套筒結(jié)構(gòu)圖 表3.4 導(dǎo)葉套筒尺寸參數(shù)符號數(shù)值（mm）參數(shù)符號數(shù)值（mm）db230d4250d1560h52d23

27、65h2230d3230h840h31053.5.3 導(dǎo)葉軸套及軸頸密封1） 導(dǎo)葉軸套導(dǎo)葉軸套過去大多數(shù)采用鑄錫青銅，加注黃干油潤滑。目前已廣泛應(yīng)用具有自潤滑性能的工程塑料代替，這樣不僅簡化結(jié)構(gòu)，而且節(jié)省大量有色金屬，降低成本?，F(xiàn)階段的實(shí)驗(yàn)研究表明，聚甲醛或尼龍1010的吸水性小，尺寸較穩(wěn)定，比較適合在水輪機(jī)導(dǎo)葉、連桿等部位做自潤滑軸套的材料。本設(shè)計(jì)中，采用鑄鐵ht18-38作套，內(nèi)表面涂復(fù)尼龍1010制成復(fù)合軸套。本設(shè)計(jì)中的導(dǎo)葉軸套結(jié)構(gòu)如下圖所示圖3.5 導(dǎo)葉中軸套結(jié)構(gòu)圖 圖3.6 導(dǎo)葉下軸套結(jié)構(gòu)圖 表3.5 導(dǎo)葉中軸套尺寸參數(shù)符號數(shù)值（mm）參數(shù)符號數(shù)值（mm）db230h230d1230

28、h140d2250h28d3249.6d91d4260表3.6 導(dǎo)葉下軸套尺寸參數(shù)符號數(shù)值（mm）參數(shù)符號數(shù)值（mm）da190h190d1190 h18d2210 1d3209.62） 導(dǎo)葉軸頸密封 圖3.7 “l(fā)”型密封圈 圖3.8 “o”型密封圈導(dǎo)葉中軸頸密封多數(shù)裝在導(dǎo)葉套筒的下端，目前不少機(jī)組中已改用“l(fā)”型密封，“l(fā)”型密封圈與導(dǎo)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。實(shí)踐證明，封水性能很好，結(jié)構(gòu)簡單?！發(fā)”型密封圈與導(dǎo)葉中軸頸之間靠水壓貼近封水，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(yīng)保證橡膠有

29、一定的壓縮量。密封圈的材料采用中硬耐油橡膠，模壓成型。“o”型密封圈用于導(dǎo)葉下軸頸，主要是防止泥沙進(jìn)入，發(fā)生軸頸磨損。表3.7 中軸頸“l(fā)”型密封參數(shù)符號數(shù)值（mm）參數(shù)符號數(shù)值（mm）db230r55d237h18d228014r2224圖3.9 導(dǎo)葉中軸頸“l(fā)”型密封表3.8 下軸頸“o”型密封參數(shù)符號數(shù)值（mm）db230d190d10 圖3.10 導(dǎo)葉下軸頸“o”型密封3.6環(huán)形部件設(shè)計(jì)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)的環(huán)形部件有底環(huán)、頂蓋、支持蓋、控制環(huán)、軸承支架、推力軸承支架等。它們的受力比較復(fù)雜、制造要求較高。3.6.1 底環(huán)底環(huán)是一個扁平的環(huán)形部件，固定于基礎(chǔ)環(huán)之上，設(shè)計(jì)時主要考慮剛度，一般不作強(qiáng)度計(jì)

30、算。大多數(shù)底環(huán)都采用zg30鑄鋼鑄造，大型機(jī)組中因受運(yùn)輸條件限制，可分為兩半或更多分瓣數(shù)組合。底環(huán)上部過流表面尺寸應(yīng)符合各型轉(zhuǎn)輪的流道尺寸，形成光滑的過渡面。對于有泥沙磨損的電站，過流表面應(yīng)采取一定的抗磨措施。目前設(shè)計(jì)中與導(dǎo)葉相配端面上裝有抗磨板，用螺釘固定，圓弧部分則鋪焊3毫米厚不銹鋼或cr5cu鋼板條?？鼓グ宓暮穸纫话悴捎?620毫米，多數(shù)采用q235鋼，也有采用cr5cu鋼板的，其工藝較困難，有的機(jī)組中試用了尼龍抗磨板，工藝性較好。在本次設(shè)計(jì)中，底環(huán)采用分瓣焊接結(jié)構(gòu)，材料選用zg30鑄鋼，除此之外，底環(huán)上的導(dǎo)葉軸孔應(yīng)與頂蓋同心，裝配時，先把頂蓋加工好后，按頂蓋同劃孔線，單獨(dú)鏜孔，滿足同心

31、的要求。3.6.2 頂蓋頂蓋和支持蓋是水輪機(jī)的主要部件，要求有足夠的強(qiáng)度和剛度，因此多數(shù)設(shè)計(jì)成箱形結(jié)構(gòu)。此外，還應(yīng)考慮有一定的空間位置，便于檢修。頂蓋的材料可以采用鑄鐵ht210和ht240和鑄鋼zg30，近來則廣泛用焊接結(jié)構(gòu)。一般混流式水輪機(jī)中僅有頂蓋，對于本設(shè)計(jì)中的混流式水輪機(jī)水輪機(jī)來說，采用的是焊接結(jié)構(gòu)頂蓋，材料選用a3鋼板。頂蓋的設(shè)計(jì)基本上是一個帶很多徑向筋板的頂部開敞的止水面板，它由全鋼板焊接結(jié)構(gòu)，并且分為4瓣加工。所用鋼板厚度為10到15厘米不等。經(jīng)過加工的頂蓋合縫法蘭由20個8厘米直徑的螺栓組合在一起，有錐形銷在組裝時定位。在頂蓋頂部有一組裝好的平板用以支持主軸密封箱，頂蓋頂部有

32、加工出的環(huán)形槽用以安放控制環(huán)，頂蓋的外圈部分實(shí)際上是箱型截面，其上下兩個板面均有鏜孔，用以安裝導(dǎo)葉套筒與軸套，鏜孔間距要與底環(huán)配合。頂蓋外圈的底面鋪焊不銹鋼護(hù)層，分瓣的固定止漏環(huán)的裝配與轉(zhuǎn)輪上冠相同，其結(jié)構(gòu)與下環(huán)止漏環(huán)相似。3.6.3 控制環(huán)控制環(huán)是傳遞接力器作用力，并通過傳動機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動導(dǎo)葉的環(huán)形部件，可采用zg30鑄鋼鑄造，但近來大量采用的是a3鋼板焊接結(jié)構(gòu)。大型機(jī)組中因受運(yùn)輸條件限制，也可設(shè)計(jì)成分瓣結(jié)構(gòu)，分瓣面應(yīng)設(shè)計(jì)在應(yīng)力最低部位。本設(shè)計(jì)中的控制環(huán)采用整鑄結(jié)構(gòu)。其結(jié)構(gòu)如圖3.2所示。 圖3.2控制環(huán)結(jié)構(gòu)圖相關(guān)數(shù)據(jù)如下表所示： 表3.2 控制環(huán)尺寸參數(shù)符號數(shù)值（mm）參數(shù)符號數(shù)值（mm）dy4

33、100d2230dc4000d3460zo24h90d1240s30h185h2270r353.6.4 座環(huán)、基礎(chǔ)環(huán)座環(huán)是反擊式水輪機(jī)的基礎(chǔ)部件，除了承受水壓力之外，還承受整個機(jī)組和機(jī)組段混凝土重量，因此要求有足夠的強(qiáng)度和剛度。而基礎(chǔ)環(huán)是混流式水輪機(jī)中座環(huán)與尾水管進(jìn)口錐管段相連接的基礎(chǔ)部件，埋設(shè)二期混凝土內(nèi)。轉(zhuǎn)輪的下環(huán)在其內(nèi)轉(zhuǎn)動。本次設(shè)計(jì)中座環(huán)和基礎(chǔ)環(huán)焊接在一起，以起到支撐和連接機(jī)組的作用。本次采用的座環(huán)形式為與金屬蝸殼相連的帶蝶形邊形式，考慮到改善焊接性能，鑄焊結(jié)構(gòu)中、上下環(huán)和固定導(dǎo)葉分別鑄造后組焊成一體，考慮到改善焊接性能，鑄件采用zg20mnsi鑄鋼。座環(huán)與蝸殼連接處采用對接焊縫。由于蝸

34、殼鋼板與蝶形邊厚度不一致，會出現(xiàn)接縫處座環(huán)側(cè)強(qiáng)度不夠的問題，需要采用加強(qiáng)措施，本設(shè)計(jì)中，采用在蝶形邊側(cè)按強(qiáng)度需要適當(dāng)增加焊縫。座環(huán)的固定導(dǎo)葉斷面形狀、數(shù)量和分布位置按水力和強(qiáng)度計(jì)算確定?？拷膊康募皞€固定導(dǎo)葉設(shè)計(jì)成空心，作為頂蓋自流排水的通道?；A(chǔ)環(huán)用鋼板焊接而成，分成4瓣加工。上法蘭與座環(huán)焊接在一起，下法蘭直接與尾水管錐管段的里襯焊接?；A(chǔ)環(huán)的下法蘭面與轉(zhuǎn)輪下環(huán)留有一定間隙，作為安放轉(zhuǎn)輪，調(diào)整水平用。具體間隙值為徑向間隙15mm，軸向間隙45mm。3.7 水輪機(jī)軸承水輪機(jī)軸承型式很多，目前比較常用的有水潤滑的橡膠軸承；稀油潤滑帶有轉(zhuǎn)動油盆、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

35、他型式軸承如稀油潤滑畢托管上油方式軸承，在中小型機(jī)組中雖有采用，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)應(yīng)用不多。本設(shè)計(jì)中采用稀油潤滑浸式分塊瓦軸承。這種軸承運(yùn)行中采用稀油潤滑，軸瓦下部浸入油內(nèi)。主軸軸領(lǐng)旋轉(zhuǎn)，在油離心力作用下經(jīng)軸領(lǐng)下部徑向孔升入軸瓦，經(jīng)上部油箱返回連續(xù)循環(huán)。這種軸承潤滑方式受力均勻，有自調(diào)能力，軸承的安裝，維護(hù)都較筒式軸承方便，但剛性略次于筒式軸承，它由812塊巴氏合金軸瓦組成，用支頂螺絲支撐在軸承體上，平面布置尺寸較大，主軸直徑超過1米優(yōu)先采用。常用的軸領(lǐng)分三種形式：（1）軸領(lǐng)與兩端帶法蘭的主軸鍛成一體，這種結(jié)構(gòu)軸領(lǐng)與軸間空腔的機(jī)械加工量大；（2）主軸一端不帶

36、法蘭，采用熱套方式將軸領(lǐng)緊固于軸身上，這種結(jié)構(gòu)多用于傘式機(jī)組上；（3）軸領(lǐng)與軸身焊成一段，通常軸領(lǐng)采用與主軸同樣材質(zhì)的鑄件或鍛件，粗加工后焊于軸身，并經(jīng)退火處理，消除焊接應(yīng)力。退火前主軸內(nèi)孔灌以鑄鐵鐵屑或黃砂，兩端封閉，以減少內(nèi)孔氧化。本設(shè)計(jì)采用第三種軸領(lǐng)形式，且在軸領(lǐng)下部開有成一定角度或徑向的通油孔。當(dāng)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)目在2432范圍內(nèi)，孔的直徑取2430mm。擋油箱上部的軸領(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。分塊瓦軸承的間

37、隙視機(jī)組大小而定，單邊間隙通常取0.10.25mm。軸領(lǐng)內(nèi)側(cè)裝有擋油箱，保證機(jī)組靜止時瓦面約有1/31/2浸油高度。冷卻器布置在油箱底部，設(shè)計(jì)中把托盤與軸領(lǐng)相配處圓筒適當(dāng)伸長，擋住一部分回油，改善冷卻效果。稀油潤滑浸式分塊瓦軸承結(jié)構(gòu)如下圖3.12所示。圖3.12 稀油潤滑浸式分塊瓦軸承3.8 真空破壞閥真空破壞閥的作用是：當(dāng)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)緊急事故關(guān)閉時，由于水流的慣性和轉(zhuǎn)輪的水泵作用，在導(dǎo)葉后轉(zhuǎn)輪室內(nèi)可能產(chǎn)生較高真空，引起下游尾水反沖，產(chǎn)生很大的沖擊力或出現(xiàn)抬機(jī)現(xiàn)象。真空破壞閥就是在緊急關(guān)閉導(dǎo)葉時，補(bǔ)入空氣，破壞真空，減少上述有害的沖擊力或抬機(jī)現(xiàn)象，起到一定的保護(hù)作用。大中型水輪機(jī)中，真空破壞閥均安

38、裝在頂蓋或支持蓋上。本設(shè)計(jì)中機(jī)組的真空破壞閥安裝在頂蓋內(nèi)，共設(shè)置2只，較靠近機(jī)組中心，以提高空氣補(bǔ)入速度。其具體結(jié)構(gòu)如圖3.13所示。圖3.13 真空破壞閥4.傳動機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)水輪機(jī)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)的作用，主要是形成和改變進(jìn)入轉(zhuǎn)輪水流的環(huán)量，保證水輪機(jī)具有良好的水力特性，調(diào)節(jié)流量，以改變機(jī)組出力，正常與事故停機(jī)時，封住水流，停止機(jī)組轉(zhuǎn)動。大中型導(dǎo)水機(jī)構(gòu)，按其導(dǎo)葉軸線布置位置可以分為圓柱式、圓錐式、徑向式三種形式。其中，圓柱式導(dǎo)水機(jī)構(gòu)導(dǎo)葉軸線布置在圓柱面，這種導(dǎo)水機(jī)構(gòu)制造方便，保證水輪機(jī)有足夠的效率，因而應(yīng)用廣泛，故本次設(shè)計(jì)選用該形式的導(dǎo)水機(jī)構(gòu)。導(dǎo)葉傳動機(jī)構(gòu)的型式較多，其中常用的兩種為叉頭傳動機(jī)構(gòu)和耳柄傳

39、動機(jī)構(gòu)。叉頭傳動機(jī)構(gòu)受力情況較好，適于大、中型機(jī)組采用，耳柄式結(jié)構(gòu)簡單，比較適宜在中小型機(jī)組中使用。本設(shè)計(jì)采用叉頭式傳動機(jī)構(gòu)。叉頭傳動機(jī)構(gòu)主要由導(dǎo)葉臂、連接板、叉頭、叉頭銷、連接螺桿、螺帽、分半鍵、剪斷銷、軸套、端蓋和補(bǔ)償環(huán)組成。導(dǎo)葉臂與導(dǎo)葉用分半鍵連接，直接傳遞操作力矩。導(dǎo)葉臂上裝有端蓋，用調(diào)節(jié)螺釘把導(dǎo)葉懸掛在端蓋上。由于采用了分半鍵，因此在調(diào)整導(dǎo)葉體上下端面間隙時，導(dǎo)葉上下移動，而其他傳動件位置不受影響。叉頭傳動機(jī)構(gòu)中，導(dǎo)葉臂與連接板上裝有剪斷銷，如果導(dǎo)葉間因異物卡住，有關(guān)傳動件的操作力將急劇增大，應(yīng)力增高到1.5倍時，剪斷銷首先剪斷，保護(hù)其他傳動件不受損壞。此外，連接板或控制環(huán)與叉頭連接

40、處，為了使連接螺桿保持水平，可以裝補(bǔ)償環(huán)進(jìn)行調(diào)整。連接螺桿兩端螺紋分別為左旋和右旋，以便在安裝中調(diào)整連接螺桿長度和導(dǎo)葉開口。以下為叉頭傳動機(jī)構(gòu)零件的結(jié)構(gòu)和尺寸。4.1 導(dǎo)葉臂 圖4.4 導(dǎo)葉臂根據(jù)叉頭傳動機(jī)構(gòu)裝配尺寸從水輪機(jī)設(shè)計(jì)手冊上166頁的表8-27、8-28查出導(dǎo)葉臂及其銷孔尺寸如下表4.3、4.4：表4.3 導(dǎo)葉臂參數(shù)符號數(shù)值（mm）參數(shù)符號數(shù)值（mm）db230h270dc210l1225d1310e60d2340k10d3310r130d4 370340f12d2 290260h345dm60lp335d3m24d432表4.4 銷孔尺寸參數(shù)符號數(shù)值（mm）參數(shù)符號數(shù)值（mm）dc

41、n70c12r105h70b260h1904.2 連接板 圖4.5 連接板根據(jù)叉頭傳動機(jī)構(gòu)裝配尺寸從水輪機(jī)設(shè)計(jì)手冊上167 頁的表829到表8-30查出連接板尺寸如下表4.5 表4.5導(dǎo)葉臂尺寸參數(shù)參數(shù)符號數(shù)值（mm）參數(shù)符號數(shù)值（mm）d1310r275h70h190r1190lp335dcn70l1=l2120d2100c11.5d1135lp+1.7dcn4544.3 叉頭 圖4.6 叉頭根據(jù)連接板d1=m72，從水輪機(jī)設(shè)計(jì)手冊上167 頁的表8-31查出叉頭尺寸如下表4.6： 表4.6 叉頭尺寸參數(shù)符號數(shù)值（mm）參數(shù)符號數(shù)值（mm）d1m90x4l240d2110dl1150d310

42、5dr100d4170r20h240r110h150c12h145s364.4 連接螺桿根據(jù)連接板d1=m90從水輪機(jī)設(shè)計(jì)手冊上168 頁的表8-32查出連接螺桿尺寸如下表4.7： 圖4.7 連接螺桿表4.7 連接螺桿尺寸參數(shù)符號數(shù)值（mm）參數(shù)符號數(shù)值（mm）d1m90x4b32d2100b18d384r2s85c3l2154.5 分半鍵根據(jù)上軸直徑dc =210mm，查水輪機(jī)設(shè)計(jì)手冊上169 頁的表8-34，選用b型分半鍵，得分半鍵尺寸如下表4.8：圖4.8分半鍵 表4.8 分半鍵尺寸參數(shù)符號數(shù)值（mm）參數(shù)符號數(shù)值（mm）dc210b27.7dm60k5l225c1.5b58b132.9

43、l1285h225l2230h340h10h4104.6 剪斷銷叉頭傳動機(jī)構(gòu)中，導(dǎo)葉臂和連接板上裝有剪斷銷，如果導(dǎo)葉間因異物卡住，有關(guān)傳動件的操作力將急劇增大，應(yīng)力增高的1.5倍時，剪斷銷首先剪斷，保護(hù)其他傳動件不受損壞。根據(jù)連接板dcn=70mm，從水輪機(jī)設(shè)計(jì)手冊上170頁的表8-35查出剪斷銷結(jié)構(gòu)及尺寸如下圖4.9、表4.9.： 圖4.9 剪斷銷表4.9 剪斷銷尺寸參數(shù)符號數(shù)值（mm）參數(shù)符號數(shù)值（mm）dcn70r1.5d30h15.5d269h213d375h70d470l66b5l153b144.7 叉頭銷根據(jù)叉頭傳動機(jī)構(gòu)尺寸中dn=90，從水輪機(jī)設(shè)計(jì)手冊上170頁的表8-36查出剪

44、斷銷機(jī)構(gòu)及尺寸如下圖4.10、表4.10圖4.10 叉頭銷 表4.10 叉頭銷尺寸參數(shù)符號數(shù)值（mm）參數(shù)符號數(shù)值（mm）dn90h183d90h210d185b4.5d289r2d381c3h108r2h1404.8 叉頭銷軸套根據(jù)連接板d2=100mm，從水輪機(jī)設(shè)計(jì)手冊上168 頁的表8-33查出叉頭銷軸套尺寸如下表4.11：圖4.11 軸套表4.11 軸套尺寸 參數(shù)符號數(shù)值（mm）參數(shù)符號數(shù)值（mm）dn90h98d2100h18d1105c2.54.9 端蓋根據(jù)軸頸db=250mm，從水輪機(jī)設(shè)計(jì)手冊上171頁的表8-37查出端蓋尺寸如下表4.12：其中參數(shù)符號意義對應(yīng)圖4.12 圖4.

45、12 端蓋表4.12 端蓋尺寸參數(shù)符號數(shù)值（mm）參數(shù)符號數(shù)值（mm）db230h138d1370r105d22121m36d390226d452364d5260d6130h48本設(shè)計(jì)的叉頭式傳動機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖如圖4.13所示。 圖4.13 叉頭式轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)裝配要點(diǎn)：檢查調(diào)整傳動機(jī)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)靈活性和各部間隙是否符合圖樣的要求，主要有導(dǎo)葉上下端面與頂蓋底環(huán)面的間隙，安裝導(dǎo)葉三孔的同軸度，導(dǎo)葉與相鄰導(dǎo)葉密封帶的間隙，32個導(dǎo)葉的動作協(xié)調(diào)性和同步性。上下止漏環(huán)控制環(huán)內(nèi)徑等環(huán)件的同軸度等。5.導(dǎo)葉布置圖的繪制5.1繪制導(dǎo)葉布置圖的目的1）確定各開度下所需要的接力器行程，從而最終確定各傳動機(jī)構(gòu)的尺寸參數(shù)。2）

46、確定最大可能開度下的接力器行程，繪制接力器行程與導(dǎo)葉任意開度的關(guān)系曲線，并檢查導(dǎo)水機(jī)構(gòu)運(yùn)行時的均衡性（即各曲線是否連續(xù)光滑）；3）確定不同導(dǎo)葉開度下的、值，并繪制及曲線。其中，為連桿與控制環(huán)小耳孔所在圓周切線方向的夾角，為連桿與導(dǎo)葉拐臂夾角。4）確定控制環(huán)大耳孔、小耳孔的相對位置，及相應(yīng)的推拉桿位置，使得大耳孔在2個極限位置時，推拉桿的偏斜角度為最小。5）確定導(dǎo)葉關(guān)閉時，相鄰導(dǎo)葉間的密封位置及導(dǎo)葉端面密封條的分布圓直徑，或端面密封所需要的最小平面尺寸。7）確定固定導(dǎo)葉的布置位置及進(jìn)、出口角，設(shè)計(jì)固定導(dǎo)葉形狀。5.2計(jì)算真機(jī)導(dǎo)葉開度ao （1）由前面的水輪機(jī)選型設(shè)計(jì)時所確定的真機(jī)的額定工況點(diǎn)和模

47、型機(jī)的最優(yōu)工況點(diǎn)在模型綜合特性曲線上查得模型機(jī)最大開度和最優(yōu)開度，然后換算得到真機(jī)開度。水輪機(jī)的導(dǎo)葉開度是指從一個導(dǎo)葉的出口邊到相鄰導(dǎo)葉的最短距離。隨著導(dǎo)葉位置的不同，開度是不相同的。在繪制導(dǎo)水機(jī)構(gòu)運(yùn)動圖時，常用到的特征開度值為：1）導(dǎo)葉關(guān)閉開度2）最優(yōu)開度（水輪機(jī)在最優(yōu)工況下的開度）式中：模型機(jī)的導(dǎo)葉最優(yōu)開度、分別為真機(jī)的導(dǎo)葉開度、轉(zhuǎn)輪直徑、和導(dǎo)葉數(shù)目、分別為模型機(jī)的最優(yōu)導(dǎo)葉開度、轉(zhuǎn)輪直徑、和導(dǎo)葉數(shù)目計(jì)算得：最優(yōu)開度3）最大開度（水輪機(jī)在額定水頭發(fā)出額定功率時的水輪機(jī)導(dǎo)葉開度）計(jì)算得：最大開度 4）最大可能開度（導(dǎo)葉所能開的最大開度）取計(jì)算得： 最大可能開度5）取2個額外特征開度。5.3確定

48、真機(jī)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)尺寸參數(shù)經(jīng)查閱水輪機(jī)設(shè)計(jì)手冊后得出：活動導(dǎo)葉分度圓直徑do=5800mm；導(dǎo)葉數(shù)zo=24。5.4確定真機(jī)導(dǎo)葉的形狀及尺寸從水輪機(jī)基本方程可以看出，高比轉(zhuǎn)速的水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪進(jìn)口環(huán)量小，在保持較優(yōu)開度的情況下，正曲率的導(dǎo)葉有使環(huán)量減小的效果，故高比轉(zhuǎn)速水輪機(jī)可采用正曲率(非對稱型)的導(dǎo)葉。因?yàn)樵撾娬镜妮^低，轉(zhuǎn)輪進(jìn)口環(huán)量要求較小，使得導(dǎo)葉水流角大，小開度時有負(fù)沖角的出現(xiàn)，此時選用正曲率導(dǎo)葉具有較小的阻力系數(shù)，損失較小。本次導(dǎo)葉翼型選用正曲率的翼型。因水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪直徑d1=5200mm，故在水輪機(jī)設(shè)計(jì)手冊非對稱導(dǎo)葉葉形斷面尺寸系列表中查出相關(guān)正曲率導(dǎo)葉尺寸作為參考，其特征尺寸及形狀如4.1所示

49、。圖4.1 非對稱導(dǎo)葉（正曲率） 表4.1 相關(guān)參數(shù)值參數(shù)符號數(shù)值（mm）參數(shù)符號數(shù)值（mm）d15200do146.2do5800m67.8zo24m153.5a100.5k8.2a125.9f42.8b102.6r54.6b145.6r1171c101.4r2147c161.9r3340d93.4l1430d170.1l2387e84.2l817e174.8q25t105.5繪制導(dǎo)葉布置圖及其參數(shù)曲線圖在繪制導(dǎo)葉布置圖中，所用到的參數(shù)如下：導(dǎo)葉分布圓直徑do=5800mm；連接板長度lh=670mm；連桿長度lc=527mm，大耳柄控制環(huán)圓直徑dy=4100mm；小耳柄控制環(huán)圓直徑dc=4

50、000mm。1）確定與值 將導(dǎo)葉置于全關(guān)位置狀態(tài)，此時要求，否則可適當(dāng)調(diào)整連桿與拐臂的長度，在全關(guān)時，拐臂中心線與圓周切線夾角為，從而可確定出初始位置。2）確定大、小耳孔的位置及接力器行程 由上面的數(shù)據(jù)畫出導(dǎo)水機(jī)構(gòu)運(yùn)動圖，圖中共取六個導(dǎo)葉開度，當(dāng)導(dǎo)葉位于某一個開度時，量取此時的導(dǎo)葉臂與連桿的夾角的值和連桿與控制環(huán)小耳孔圓周切線的夾角的值，連桿與圓周的交點(diǎn)即為小耳孔位置，然后以圓心為起點(diǎn)作過小耳孔的直線與圓周的交點(diǎn)即為相應(yīng)的大耳孔的位置。以導(dǎo)葉全關(guān)時大耳孔的位置為起點(diǎn)到各開度下大耳孔的位置的距離就是大耳孔的行程，如圖4.2所示。圖4.2 導(dǎo)水機(jī)構(gòu)角度關(guān)系圖在導(dǎo)水機(jī)構(gòu)運(yùn)動圖中量取各個開度下的導(dǎo)葉運(yùn)

51、動關(guān)系值，根據(jù)所量取的參數(shù)值，分別作三條曲線、曲線，然后再檢查所做曲線的光滑性，以檢查導(dǎo)水機(jī)構(gòu)運(yùn)行時的均衡性，數(shù)據(jù)記錄在表4.2中并作曲線圖，如圖4.3所示。表4.2 導(dǎo)葉運(yùn)動關(guān)系值（mm）0100200288.04369.57388.050186.73317.73424.05533.59564.727050373024221059897100105107圖4.3接力器行程與導(dǎo)葉開度及轉(zhuǎn)角關(guān)系曲線6.單周期導(dǎo)葉內(nèi)部流動cfd分析6.1單周期導(dǎo)葉計(jì)算域 本設(shè)計(jì)選用正曲率導(dǎo)葉翼型，將所選翼型按比例放大至實(shí)際尺寸，在mdt中將平面翼型拉伸，與進(jìn)出口環(huán)面、頂蓋、底環(huán)等組成單導(dǎo)葉計(jì)算域，如下圖所示，并將幾何模型以igs格式輸出保存。 圖6-1 單周期導(dǎo)葉計(jì)算域6.2網(wǎng)格劃分將模型igs導(dǎo)入icem網(wǎng)劃分軟件，由于計(jì)算域幾何規(guī)則，故采用六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對計(jì)算域進(jìn)行離散劃分，網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)3.6萬，調(diào)整網(wǎng)格質(zhì)量，最小角度達(dá)25度以上，總體網(wǎng)格質(zhì)量4.0.輸出cfx5格式的網(wǎng)格文件。圖6-2 單導(dǎo)葉網(wǎng)格劃分 6.3單周期導(dǎo)葉cfx計(jì)算6.3.1 cfx-pre