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生活中若没有朋友，就像生活中没有阳光一样。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ABSTRACTAccordingtoconsultingthedesignbookandreferringthebuiltupstationthepresentpaperistodesignthestructureofKaplanturbineZZ600-LH-300andmakeanalysisofstressandstrainfirstlymakethedesignofthearchitecturalstructuretheguidevanesmachanismassemblyandthesystemofthewaytodrivetheguidevanes.Besidesconsideringthesituationofthepowerstationandnowthedevelopmentofthemanufactoryathomewehavedesignedsomeofthepartsindetailssuchastheprincipalaxistheguidevanesthedischargedringthearmsoftheguidevanes.UsingtheCADtheprocessofdesignismoreconvenientandtheresultismoreaccurate.ThisdesignmadeanalysisofstressandstrainontheguidevaneofthemodelsthroughtheANSYSplatformsoftwareincludingusingNX.UGsoftwaremodelingmeshingtheflowfieldoftheguidevanethroughANSYSICEMCFDsoftwareCFXsoftwareisusedtonumericalcalculationmodalanalysisandstaticanalysisisdonethroughANSYSsoftware.KEYWORDS:hydroturbinearchitecturaldesignnumericalanalysismodalanalysisstressanalysis目录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443.3CFX数值计算453.3.1边界条件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）42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（αγ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