本科毕业设计热能与动力工程设计说明书.docx

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本科毕业设计热能与动力工程设计说明书

努力造就实力，态度决定高度。

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ANSYS平台软件进行的

其中包括用NX.UG软件建模

用ANSYSICEMCFD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

ABSTRACT

　　Accordingtoconsultingthedesignbookandreferringthebuiltupstation

thepresentpaperistodesignthestructureofKaplanturbineZZ600-LH-300andmakeanalysisofstressandstrain

firstlymakethedesignofthearchitecturalstructure

theguidevanesmachanismassemblyandthesystemofthewaytodrivetheguidevanes.Besides

consideringthesituationofthepowerstationandnowthedevelopmentofthemanufactoryathome

wehavedesignedsomeofthepartsindetailssuchastheprincipalaxis

theguidevanes

thedischargedring

thearmsoftheguidevanes.UsingtheCAD

theprocessofdesignismoreconvenientandtheresultismoreaccurate.

ThisdesignmadeanalysisofstressandstrainontheguidevaneofthemodelsthroughtheANSYSplatformsoftware

includingusingNX.UGsoftwaremodeling

meshingtheflowfieldoftheguidevanethroughANSYSICEMCFDsoftware

CFXsoftwareisusedtonumericalcalculation

modalanalysisandstaticanalysisisdonethroughANSYSsoftware.

KEYWORDS:

hydroturbine

architecturaldesign

numericalanalysis

modalanalysis

stressanalysis

1前言1

1.1概述1

1．2设计内容2

1.3原始资料2

2水轮机总体结构设计3

2.1绘制轴面流道图3

2.2座环设计5

2.3活动导叶及导水机构装置零件7

2.3.1活动导叶翼型7

2.3.2导叶结构系列尺寸和轴颈选择8

2.3.3导叶的密封结构9

2.3.4导叶轴颈密封10

2.3.5导叶套筒12

2.3.6导叶轴套13

2.3.7导叶臂15

2.3.8导水机构装配尺寸17

2.3.9导叶传动机构18

2.3.10连接板19

2.3.11套筒20

2.3.12叉头销20

2.3.13叉头22

2.3.14连接螺杆23

2.3.15剪断销24

2.3.16分半键25

2.3.17端盖26

2.4控制环27

2.5主轴及其附属部分28

2.5.1主轴直径计算28

2.5.2主轴结构设计29

2.5.3水导轴承30

2.5.4主轴密封33

2.6操作油管33

2.7转轮部分34

2.7.1叶片34

2.7.2转轮体35

2.7.3叶片操作机构与接力器36

2.7.4泄油阀37

2.7.5叶片密封装置37

2.8底环38

2.9顶盖和支持盖39

2.10真空破坏阀39

2.11导水机构传动系统总设计40

2.11.1确定导叶开度40

3应力分析43

3.1导叶模型建立43

3.2导叶周边流道模型建立43

3.2.1单周期流道网格划分44

3.3CFX数值计算45

3.3.1边界条件45

1.定常流动计算边界条件45

2.进口边界条件46

3.出口边界条件46

4.固壁面边界条件46

3.4定常流动计算结果分析46

3.5导叶的模态分析与静力分析48

3.5.1约束施加48

3.5.2荷载施加49

3.5.3模态分析49

3.5.4静力分析51

3.6带裂纹缺陷的导叶的导叶分析52

3.6.1带裂纹导叶的模型52

3.6.2带裂纹导叶有限元网格划分52

3.6.3模态分析结果53

3.6.4静力分析结果54

3.6.5结论55

4总结56

致谢57

参考文献58

1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）4　　

2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2-1ZZ600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2-2ZZ600转轮室尺寸

　表2-2ZZ600转轮室尺寸

参数符号模型数值mm真机数值mmR150150R2100300R35001500R43851155R（球）5001500h1209627h2154462H555165h481243D29731919D39812943α8°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0.15～0.3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+10-251475Da4500R200k75其中参数符号对应图2-3水轮机座环（α

γ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0.15/1000

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）db115h18d120δ14d1110δ24d2155R20.5R51.5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）db115d726d1320d86d2195h210d3120h135d4130h2115d5135h353d6280Z6H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=430mm

2.3.6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）dc105h37d1105h16d2120h212d3119.6δ′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）db115h115d1115h125d2130h26d3129.6d56d4135δ′0.8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）da95h90d195h16d2110δ′0.8d3109.6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查出导叶臂及其销孔尺寸如下表2-13

2-14：

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）D13000Dc2400Z020LH500D03765lp250ψ30°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2-16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/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（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2-18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

　　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：

　　表2-20叉头尺寸

参数符号数值（mm）参数符号数值（mm）d1M56×4L150d270DL195d365DR62d4100r12H140r16h90c12h125S20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（mm）d1M56×4b24d260b18d350r2S50c3l135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=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）db115h124d1195R52.5d2106Φ1M20d345Φ218d426Φ338d5135d665h32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