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1、XX本科毕业设计热能与动力工程设计说明书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2013 年摘要本次设计要紧是通过查阅有关设计手册对型号为ZZ600-LH-300的水轮机进行结构设计与对导叶进行应力应变分析 同时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与我国制造业进展现状还对水轮机部分零部件比如主轴导叶操纵环导叶臂等零件作了设计通过使用CAI）绘图其中参数符号对应
2、图2-3水轮机座环（a丫根据蜗壳而定）图2-3水轮机座环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要紧是形成与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与非对称形（正曲率）两种标准叶形由于对称形导叶通常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使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）D13000k5.8DO3765r44.4Z
3、020L66556.7LI 322.5 b69. 1 L2 342. 5 c 71.8 dO 138.7 d69. 1 m57. 1 e62. 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导叶结构系列尺寸与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bO/Dl从水轮机设计手册中146页表8T0初选轴颈db选得 db =115mm再根据db=115nun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)db115hA95da95hB140dl125he 200de105 hl20d2110h2
4、110dm30h345d3M24h412d432h56d5109II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同意误差不超过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使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米水头下列的机组由于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查得圆橡皮条与鸽尾槽的尺寸如下
5、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圆橡皮条与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很多机组中已改用 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与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因此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使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)db115h18d1206
6、14dl 110 S24 d2 155R20.5R51.5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要紧是防止泥沙进入 发生轴颈磨损下轴颈密封通常使用 0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0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要紧是通过自流排水或者水泵排水将漏水排出关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
7、轴套的部件使用HT21-40铸铁铸造套筒结构与主轴材质、密封结构与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)db115d726dl320d86d2195h210d3120hl35d4130h2115d5135h353d6280Z6H参考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IM30mm2. 3.6导叶轴套导叶轴套目前已广泛使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约了大量的有色金属降
8、低成本该设计中导叶套筒使用尼龙1010其吸水性小尺寸较为稳固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2To所示：表2-10上轴套尺寸参数符号数值(mm)参数符号数值(mm)de105h37dl105hl6d2120h212d3119.61d4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) db115h115dl115hl25d2130h26d3129.6d56d41358 /0.8表中参数符号意义见图2T1：图2-11 中轴套c)下轴套尺寸系列如表2T2所示:表2-
9、12下轴套尺寸参数符号数值(mm)参数符号数值(mm)da9590 dl95hl6d21103/0.8d3109.6表中参数符号意义见图2T2：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2-132-14：表2-13导叶臂参数符号数值(mm)参数符号数值(mm)db115II154De105DLI81Dl144de42D2 148 d2 120RI 20 dm 35D fl1 d3 M16 T 0.2 d4 22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)
10、den40DCl1R65h40B140hl55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、系列化本次设计过程更加便利 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 其中包含用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软件进行模态分析与静力分析关键字：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
11、up station the present paper is to design the structure of Kaplan turbine ZZ600-LH-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. Besides considering the situation
12、 of the power station and now the development of the manufactory at home we have designed some of the parts in details such as the principal axis the guide vanes the discharged ringthe arms of the guide vanes. Using the CADthe process of design is more convenient and the result is more accurate.This
13、 design made analysis of stress and strain on the guide vane of the models through the 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 ana
14、lysis is done through ANSYS software.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)D13000De2400Z020LH500DO3765lp250山301c410其中参数符号意义对应图2T4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因此本水电站使用叉头传动机构其要紧是由导叶臂、连接板、叉头、叉头销、连接螺杆、螺帽、分瓣键、剪断销、轴套、端 盖与补偿环等构成参照水轮机设计手册164页表8
15、-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de410d268D3/jdZO20 h45 dl M48 X 4 hl60 dn 60D/dc 导叶中轴颈db 115 den45D4/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) D1 165DR250R1 100 h 40 K 0. 02 hl55 Den 40D4 12
16、0D2 58D3 11=1262 dl 150c1d2M24其中参数符号意义对应图2T5：图2-15连接板2. 3. 11套筒根据连接板02=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) dn70D h 78 d2 78jd hl 8 dl 83 c 2.5 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=701)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2T9叉头销尺寸参数符号数值(mm)参数符号数值(mm) dn70dc h210 d
17、 70gb D 59 dl 65gb b 3.5 d2 69 R1.5 d3 62c 3 h 88 dO 3 hl 30 r 1.5 H 143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二70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) dlM56 X 4L150d270DLI95d365DR62d4100r12H140rl6h90cl2hl25S20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dl二M56从水轮机设计手册上168页
18、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)dlM56 X 4b24d260bl8d350r2 S50c3135其中参数符号意义对应图2-19：图2-19连接螺杆. 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)Den40dc4r1d20hl4.5d239 h2 10 d3 45 h40 d4 40 138 b4 L 90 bl 3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d
19、e =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) de 105 b16.4 dm 35 K 4 L 110 c 1B34bl18.611140h21012110h325h5h46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)db115hl24dl195R52.5d210601M20d345(D218d4 26 3 38 d5
20、 135 d6 65h32其中参数符号意义对应图2-22：2-22端盖4操纵环操纵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使用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得出操纵 环尺寸如下：表2-26操纵环尺寸(总体)参数符号数值(mm)参数符号数值(mm)DC2400Dy2550Z020S25R12其中参数符号意义对应图2-23：图2-23操纵环(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能够根据机组的扭力矩初选 扭力矩按下列公式计算：式中：N一代表主轴传递的功率（千瓦）n-代表主轴转速（转/分）
21、由原始资料：N=8. 8MW=8. 8XKW n=187. 5r/min因此根据水轮机设计手册上319页图12T2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一主轴传递的功率（千瓦）n-主轴转速（转/分）t max最大许用应力（公斤/厘米2）初选主轴的材料为ZG20MnSi其中t max=550 （公斤/厘米）因此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400mm2. 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
22、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使用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因此主轴务必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与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使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：KEY WORDS: hydroturbine architectural design numerical analysis modal analysis stress analysis目录
23、1 前言11. 1概述 11. 2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7 活动导叶翼型72. 3.2导叶结构系列尺寸与轴颈选择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
24、252.3.17 端盖 262. 4操纵环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 35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) D 400 d2 102 R 35 D 725 h 100 RI 6 Db 580 hl 115 R2 375 Dp 415 1 45 R3 5 D2 717 11 45 f 2 D3 410 12 8 Z 20 d3601.
25、5C12 d， 360Cl15 db68 dl70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与稀油 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、小型机组中虽有使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页本次设计中使用稀汕润滑分块瓦式轴承要紧是由于下列原因：稀油润滑分块瓦式轴承尽管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
26、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）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关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
27、体轴领使用与主轴同样材质的铸件或者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者径向的通油孔当主轴旋转时此孔起着油泵的作用将通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与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与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使用ZG30、滑动面浇注ChSnSbll-6锡基
28、轴承合金垫板使用30Cr并有下列制造要求：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、垫料式密封单层或者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使用的是水压式端面密封这种密封方式检修保护方便结构简
29、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与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、机械操作式或者抬机密封等多种在本次设计中使用的是空气围带式密封使用的压缩空气压力是47公斤/厘米2其所使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构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要紧是考虑到电站布置主轴与接力器结构的变化
30、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叶片叶片由本体与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；一种是使用分开铸造 加工后用螺钉或者销钉等机械零件组合 由于本机组属于大型机组因此叶片与枢轴使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使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与操
31、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使用ZG20MnSi整铸而成转轮体外圆使用球形结构球形轮毂能使叶片与转轮体表面配合良好在各类叶片转角下它们之间的间隙能够很小从而减小容积缺失在本次毕业设计中转轮体与主轴联接时使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叶片操作机构与接力器叶片操作机构的型式很多本次设计使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与转轮体之间的底盖上装有泄油阀 图2-31本次设计
32、中所用到的泄油阀结构 其特点是卸掉底部螺塞后油不可能泄出 务必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与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与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与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由于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
33、渗漏入体内在叶片与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入型密封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要紧考虑刚度能够不作强度计算本水轮机底环使用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2-33水轮机底环2. 9顶盖与支持盖顶盖是水轮机的要紧部件之一需要有足够的强度与刚度由于本水电站为大型轴流式水轮机因此使用焊接顶盖顶盖的材料使用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使用分四瓣组合顶盖的结构比较复杂制造要求较高特别
34、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耍紧部件之一能够使得轴流式水轮机在检修时候不必拆卸导叶与顶盖 支持盖要求有足够的强度与刚度材料为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使用分四瓣组合支持盖见2-3510真空破坏阀当导水机构紧急关闭时由于水流的惯性与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与空气阀其
35、结构如图2-38所示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：DI = 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与单位流量分别为：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 =20DO 二 3765 (mm )DOM = 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
36、位转速与最优效率点对应的开口值为最优开口 aOy 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：因此真机得最优开口为：所得导叶布置图与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使用NX UG实体建模建立导叶模型如图：3.2导叶周边流道模型建立本次设计导叶流道使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因此在进行CFD计算时能够使用单周期的方法流道模型如图：图3-2导叶计算域图2.1单周期流道网格划分本次分析使用ANSYS ICEM CFD平台划分网格由于流道是圆周的因此
37、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因此能够直接导入CFX中计算3 CFX数值计算2. 3. 1边界条件.定常流淌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、出口与固壁面三类2,进口边界条件流淌进口边界条件通常有三种设置方法：压力进口、速度进口与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淌进行数值计算时进口
38、边界条件给定为导叶进口质量流量3.出口边界条件流淌出口边界条件通常设置在离几何扰动足够远的地方在这种位置流淌是充分进展沿流淌方向没有变化在此设置一个垂直于流淌方向的面然后便可施加流淌出口边界条件出口边界条件要紧有压力出口与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淌进行数值计算时2. 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顶盖与支持盖 3910真空破坏阀392.11导水机构传动系统总设计4011. 1确定导叶开度403应力分析431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
39、443. 3 CFX数值计算453. 1边界条件451 .定常流淌计算边界条件45.进口边界条件462 .出口边界条件46.固壁面边界条件463 .4定常流淌计算结果分析46.5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49静力分析513. 6带裂纹缺陷的导叶的导叶分析52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刖1.1概述能源作为经济进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
40、国民经济的可持续进展能持续供应的能源就务必得到保证随着我国经济的快速进展能源需求逐年上升这样以煤炭为主的能源结构出口边界条件给定为导叶出口平均静压等于零1.1 壁面边界条件固壁面是流淌问题中最常用的边界关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能够设置为无滑移或者滑移壁面关于近壁区域的流淌的处理方法通常有两种：使用低雷诺数标准k- 模型或者使用壁面函数法本文中使用了壁面函数法同时在对轴流式水轮机三维导叶流道流淌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定常流淌计算结果分析在定常流淌计算中要紧通过给定导叶进口流量与导叶出口相对压力并操纵收敛残差使之小于同意范围
41、得到稳固流淌下的结果文件本文要紧针对导叶的动力特性进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因此着重对定常流淌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与静力分析都是通过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. OXlOHPa 泊松比：0.27密度：7850kg/m3叶片材料使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
42、下图其中单元节点数为47664个图3-6有限元网格图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荷载施加本文使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与节点应力都通过ANSYS分析软件中的APDL语言来实现加载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、阻尼比与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与
43、分析方法固有频率的计算能够给出避免结构发生共振或者以特定频率进行振动的外界激励范围同时掌握结构关于不一致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能够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一致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如今物体的振动形态叫做一阶振型或者主振型；二阶模态是外力的激励频率是物体固有频率 的两倍时候出现如今的振动外形叫做二阶振型以依次类推通常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
44、动特性每一个模态具有特定的固有频率、阻尼比与模态振型这些模态参数能够由计算或者试验分析取得这样一个计算或者试验分析过程称之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因此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3T0带裂纹的导叶有限元网格图3. 6. 3模态分析结果
45、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232.027386.982603. 360665. 326789.323由此能够看出缺陷导叶各阶固有频率都比正常导叶各阶固有频率大；2、正常导叶的最大压力点位于导叶下端面背面轴颈处其数值为8. 9Mpa带裂纹导叶最大应力值为30. 7Mpa明显比正常导叶大许多故有裂纹缺陷的导叶处于更危险的工作状态更容易达到破坏的界限因此要尽量避免使用有裂纹的导叶；4总结本次毕业设计的任务首先是对轴流式水轮机进行了全面的结构设计其次是对该水轮机的活动导叶进行了模态分析与静力分析这其中要用到的CAD软件与CFD软件包含Auto CAD、NX. UG、MDT、ICEM、C