1、畢業(yè)設(shè)計（ 論文） 題 目軸流式水輪機結(jié)構(gòu)設(shè)計軸流式水輪機結(jié)構(gòu)設(shè)計 及導(dǎo)葉及導(dǎo)葉應(yīng)力分析應(yīng)力分析 專 業(yè) 熱能與動力工程熱能與動力工程 班 級 動動 094094 班班 學(xué) 生 指導(dǎo)教師 教教 授授 2013 年 摘摘 要要 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(dǎo)葉進行應(yīng)力應(yīng)變分析,并且對帶裂紋的導(dǎo)葉進行 了應(yīng)力應(yīng)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(dǎo)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(dǎo)葉，控制環(huán)，導(dǎo) 葉臂等零件作了設(shè)計。通過使用 c

2、ad 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(yīng)力應(yīng)變分析是通過 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(dǎo)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：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(yīng)力分析 abstract according to consulting the design book and referring the built up station,the present paper is to design the stru

3、cture of kaplan turbine zz600-lh-300 and make analysis of stress and strain, firstly make the design of the architectural structure,the guide vanes machanism assembly and the system of the way to drive the guide vanes.besides,considering the situation of the power station and now the development of

4、the manufactory at home,we have designed some of the parts in details such as the principal axis,the guide vanes,the discharged ring,the arms of the guide vanes.using the cad,the process of design is more convenient and the result is more accurate. this design made analysis of stress and strain on t

5、he 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 analysis is done through ansys software. key wo

6、rds: hydroturbine, architectural design , numerical analysis, modal analysis, stress analysis 目目 錄錄 1 1 前言前言 .1 1 1.11.1 概述概述 .1 1 1 12 2 設(shè)計內(nèi)容設(shè)計內(nèi)容 .2 2 1.31.3 原始資料原始資料 .2 2 2 2水輪機總體結(jié)構(gòu)設(shè)計水輪機總體結(jié)構(gòu)設(shè)計.3 3 2.1 繪制軸面流道圖.3 2.2 座環(huán)設(shè)計.5 2.3 活動導(dǎo)葉及導(dǎo)水機構(gòu)裝置零件.7 2.3.1 活動導(dǎo)葉翼型.7 2.3.2 導(dǎo)葉結(jié)構(gòu)系列尺寸和軸頸選擇.8 2.3.3 導(dǎo)葉的密封結(jié)構(gòu).9 2.3

7、.4 導(dǎo)葉軸頸密封.10 2.3.5 導(dǎo)葉套筒.12 2.3.6 導(dǎo)葉軸套.13 2.3.7 導(dǎo)葉臂.15 2.3.8 導(dǎo)水機構(gòu)裝配尺寸.17 2.3.9 導(dǎo)葉傳動機構(gòu).18 2.3.10 連接板.19 2.3.11 套筒.20 2.3.12 叉頭銷 .20 2.3.13 叉頭.22 2.3.14 連接螺桿.23 2.3.15 剪斷銷.24 2.3.16 分半鍵 .25 2.3.17 端蓋 .26 2.4 控制環(huán).27 2.5 主軸及其附屬部分.28 2.5.1 主軸直徑計算.28 2.5.2 主軸結(jié)構(gòu)設(shè)計 .29 2.5.3 水導(dǎo)軸承.30 2.5.4 主軸密封 .33 2.6 操作油管.3

8、3 2.7 轉(zhuǎn)輪部分.34 2.7.1 葉片.34 2.7.2 轉(zhuǎn)輪體.35 2.7.3 葉片操作機構(gòu)與接力器.36 2.7.4 泄油閥.37 2.7.5 葉片密封裝置.37 2.8 底環(huán).38 2.9 頂蓋和支持蓋.39 2.10 真空破壞閥.39 2.11 導(dǎo)水機構(gòu)傳動系統(tǒng)總設(shè)計.40 2.11.1 確定導(dǎo)葉開度.40 3 3 應(yīng)力分析應(yīng)力分析 .4343 3.1 導(dǎo)葉模型建立.43 3.2 導(dǎo)葉周邊流道模型建立.43 3.2.1 單周期流道網(wǎng)格劃分.44 3.3 cfx 數(shù)值計算 .45 3.3.1 邊界條件.45 1.定常流動計算邊界條件.45 2.進口邊界條件.46 3.出口邊界條件

9、.46 4.固壁面邊界條件.46 3.4 定常流動計算結(jié)果分析.46 3.5 導(dǎo)葉的模態(tài)分析與靜力分析.48 3.5.1 約束施加.48 3.5.2 荷載施加 .49 3.5.3 模態(tài)分析 .49 3.5.4 靜力分析.51 3.6 帶裂紋缺陷的導(dǎo)葉的導(dǎo)葉分析.52 3.6.1 帶裂紋導(dǎo)葉的模型.52 3.6.2 帶裂紋導(dǎo)葉有限元網(wǎng)格劃分.52 3.6.3 模態(tài)分析結(jié)果.53 3.6.4 靜力分析結(jié)果.54 3.6.5 結(jié)論.55 4 4 總結(jié)總結(jié) .5656 致謝致謝 .5757 參考文獻參考文獻 .5858 1 前前 言言 1.1 概述概述 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

10、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)供應(yīng)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(dāng)務(wù)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

11、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(fù)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。近年來投產(chǎn)的容易引 起由于導(dǎo)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(yīng)用逐漸普及。對于葉片的振動問題，是涉及到固體力學(xué)、振動 力學(xué)、水力學(xué)、計算流體力學(xué)、材料力學(xué)等多學(xué)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

12、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析計算。 1.2 設(shè)計內(nèi)容設(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(yīng)用 cad 軟件繪制導(dǎo)葉單線圖，導(dǎo)葉布置圖 3.導(dǎo)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(yīng)力應(yīng)變分析 1.正常導(dǎo)葉和帶裂紋導(dǎo)葉有限元網(wǎng)格劃分 2.正常導(dǎo)葉和帶裂紋導(dǎo)葉固有頻率分析 3.正常導(dǎo)葉和帶裂紋導(dǎo)葉靜力分析 三、外文翻譯 1.3 原始資料原

13、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）4 2 2 水輪機總體結(jié)構(gòu)設(shè)計水輪機總體結(jié)構(gòu)設(shè)計 2.1 繪制軸面流道圖繪制軸面流道圖 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： d0 z0 d1 b0 r1 d2 d1 z1 d3 倒 db 倒 d1/2 r2 d5 h5 h4

14、r h3 h1 d4 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） d13000r22832 z14d2876 d03765d3876 z020d4832.5 b01464h1717 db999h2276 r1708h3324 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 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 mm r150150 r2100300 r35001500 r4385115

15、5 r（球） 5001500 h1209627 h2154462 h555165 h481243 d29731919 d39812943 88 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)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(dǎo)葉組成。 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

16、 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(dǎo)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(dǎo)葉的形狀又取決于水力 和強度計算，所以

17、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+10-251475 da4500r200 k75 其中參數(shù)符號對應(yīng) 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(dǎo)葉及導(dǎo)水機構(gòu)裝置零件活動導(dǎo)葉及導(dǎo)水機構(gòu)裝置零件 2.3.1 活動導(dǎo)葉翼型活動導(dǎo)葉翼型 水輪機導(dǎo)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，

18、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(dǎo)水機構(gòu)的導(dǎo)葉葉形，通常有對稱形和非對稱形（正曲率）兩 種標準葉形。由于對稱形導(dǎo)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(dǎo)葉葉形的斷面參 數(shù)如下表： 表2-4 導(dǎo)葉翼型參數(shù) 參數(shù)符號數(shù)值(mm)參數(shù)符號數(shù)值(mm) d13000k5.8 d03765r44.4 z020l665 a56.7l1322.5 b69.1l2342.5 c71.8d0138.7 d69.1m57.1 e62.5 其符號所代表的意義見圖

19、 2-4: 圖2-4 導(dǎo)葉翼型圖 2.3.2 導(dǎo)葉結(jié)構(gòu)系列尺寸和軸頸選擇導(dǎo)葉結(jié)構(gòu)系列尺寸和軸頸選擇 導(dǎo)葉軸頸可按轉(zhuǎn)輪直徑 d1，使用水頭 h1（指最高水頭） ，導(dǎo)葉的相對 高度 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(dǎo)葉結(jié)構(gòu)的其它 尺寸如下表： 表2-5 導(dǎo)葉尺寸 參數(shù)符號數(shù)值（mm）參數(shù)符號數(shù)值（mm） db115ha95 da95hb140 d1125hc200 dc105h120 d2110h2110 dm30h345 d3m24h412 d432h56 d5109 h 參考

20、 617 其中參數(shù)符號所代表下圖 2-5 中符號 圖 2-5 導(dǎo)葉結(jié)構(gòu)尺寸 導(dǎo)葉的材料為 zg20mnsi 整鑄，為保證導(dǎo)葉轉(zhuǎn)動靈活，導(dǎo)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(dǎo)葉體端面與不 垂直度允許誤差不超過 0.15/1000。導(dǎo)葉過流表面型線要正確，制造中應(yīng) 用樣板檢查。 2.3.3 導(dǎo)葉的密封結(jié)構(gòu)導(dǎo)葉的密封結(jié)構(gòu) 導(dǎo)葉關(guān)閉后，導(dǎo)葉體的立面應(yīng)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

21、和鴿尾槽的尺寸如下 表：（由于導(dǎo)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） a9 b9.5 c2 其中參數(shù)符號對應(yīng)下圖 2-6 中符號： 圖2-6 導(dǎo)葉密封 2.3.4 導(dǎo)葉軸頸密導(dǎo)葉軸頸密封封 導(dǎo)葉中軸頸密封多數(shù)裝在導(dǎo)葉套筒的下端，目前不少機組中已改用 “l(fā)”型密封，實踐證明，封水性能很好，結(jié)構(gòu)簡單。 “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。 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

22、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） db115h18 d12014 d111024 d2155r20.5 r51.5 其中參數(shù)符號意義對應(yīng)圖2-7： 圖2-7 中軸頸密封 導(dǎo)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） db115 d95 d7.5 其中參數(shù)符號意義對應(yīng)圖2-8： 圖2-8 下軸頸“o”型密封 導(dǎo)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

23、于軸流 式水輪機，導(dǎo)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(dǎo)葉套筒導(dǎo)葉套筒 導(dǎo)葉套筒是固定活動導(dǎo)葉上中軸套的部件，采用 ht2140 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(dǎo)葉套筒 參數(shù)符號數(shù)值（mm）參數(shù)符號數(shù)值（mm） db115d726 d1320d86 d2195h210 d3120h135 d4130h2115 d5135h353

24、d6280z6 h 參考 430 其中參數(shù)符號對應(yīng)下圖 2-9 中符號： 圖2-9 導(dǎo)葉套筒 為滿足于導(dǎo)葉臂的裝配要求，最終取 h=430mm。 2.3.6 導(dǎo)葉軸套導(dǎo)葉軸套 導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)葉、連桿等部位應(yīng)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） dc105h37 d1105h16 d2120h212 d3119.61 d4150

25、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） db115h115 d1115h125 d2130h26 d3129.6d56 d41350.8 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） da95h90 d195h16 d21100.8 d3109.6 表中參數(shù)符號意義見圖2-12： 圖2-12 下軸套 2.3.7 導(dǎo)葉臂導(dǎo)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

26、 165 頁的表 8-23 查出導(dǎo)葉臂及其銷孔尺寸如下表 2-13,2-14： 表2-13 導(dǎo)葉臂 參數(shù)符號數(shù)值（mm）參數(shù)符號數(shù)值（mm） db115h154 dc105dl181 d1144de42 d2148k8 d2120r120 dm35df11 d3m16t0.2 d422 其中參數(shù)符號意義對應(yīng)圖2-13(左) : 表2-14導(dǎo)葉臂銷孔尺寸 參數(shù)符號數(shù)值（mm）參數(shù)符號數(shù)值（mm） dcn40dc11 r65h40 b140h155 其中參數(shù)符號意義對應(yīng)圖2-13 ： 圖2-13 導(dǎo)葉臂 2.3.8 導(dǎo)水機構(gòu)裝配尺寸導(dǎo)水機構(gòu)裝配尺寸 導(dǎo)水機構(gòu)大部分零件應(yīng)做到標準化、系列化，在水輪機

27、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(dǎo)水機構(gòu)裝配系列，下表 2-15 是本水電站對應(yīng)的導(dǎo)水機構(gòu)裝配尺寸： 表 2-15 導(dǎo)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) d13000dc2400 z020lh500 d03765lp250 30lc410 其中參數(shù)符號意義對應(yīng)圖 2-14 圖2-14導(dǎo)水機構(gòu)裝配 2.3.9 導(dǎo)葉傳動機構(gòu)導(dǎo)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(dǎo)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

28、本次設(shè)計的導(dǎo)葉傳動機構(gòu)裝配尺寸，如表 2-16 所示： 表 2-16 導(dǎo)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 dc 410d268d3/jd z020h45 d1m484h160 dn60d/dc 導(dǎo)葉中軸頸 db 115 dcn45d4/dc4 分瓣鍵直徑 dm 35d/gc 2.3.10 連接板連接板 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） d1165dr250 r1100h40 k0.02h155 dcn40

29、d4l20 d258d3l1=l262 d1150c1 d2m24 其中參數(shù)符號意義對應(yīng)圖 2-15： 圖2-15 連接板 2.3.11 套筒套筒 根據(jù)連接板 d2=100，從水輪機設(shè)計手冊上 168 頁的表 833 查 出軸套尺寸如下表 2-18： 表2-18 軸套尺寸 參數(shù)符號數(shù)值（mm）參數(shù)符號數(shù)值（mm） dn70dh78 d278jdh18 d183c2.5 其中參數(shù)符號意義對應(yīng)圖圖 2-16： 圖2-16 軸套 2.3.12 叉頭銷叉頭銷 根據(jù)套筒dn=70d，從水輪機設(shè)計手冊上170頁的表836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

30、 數(shù)值 （mm） dn70dch210 d70gbd59 d165gbb3.5 d269r1.5 d362c3 h88d03 h130r1.5 h143 其中參數(shù)符號意義對應(yīng)圖2-17： 圖2-17 叉頭銷 2.3.13 叉頭叉頭 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： 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） d1m564l150 d270dl195 d365dr62 d4100r12 h140r16 h90c12 h125s20 其中參數(shù)符號意義對應(yīng)圖 2-18： c1 d1 d4 r r1 l1 d3

31、c145 c145 d2 r s h1 h h 圖2-18叉頭 2.3.14 連接螺桿連接螺桿 根據(jù)連接板 d1=m56 從水輪機設(shè)計手冊上 168 頁的表 832 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） d1m564b24 d260b18 d350r2 s50c3 l135 其中參數(shù)符號意義對應(yīng)圖 2-19： 圖 2-19 連 (倒倒倒倒倒) l d1 b1 d2 b c45 d1倒倒倒 d3 l l s 接螺桿 2.3.15 剪斷銷剪斷銷 根據(jù)連接板 dcn=80mm，從水輪機設(shè)計手冊上 170 頁的表 835 查 出剪斷銷尺寸

32、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） dcn40dc4r1 d20h14.5 d239h210 d345h40 d440l38 b4l90 b13 其中參數(shù)符號意義對應(yīng)圖 2-20： h2 3 hl l d dcn d1 d4 h1b r b1 60 r1 倒倒倒r0.5 圖 2-20 剪斷銷 2.3.16 分半鍵分半鍵 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） dc105b16.4 dm35k4 l110c1

33、 b34b118.6 l1140h210 l2110h325 h5h46 其中參數(shù)符號意義對應(yīng)圖 2-21： k l1 h h b b h4 cx45 h2h3 b1 倒倒1倒100 l dc dm 圖2-21 分半鍵 2.3.17 端蓋端蓋 根據(jù)軸頸 db=250mm，從水輪機設(shè)計手冊上 171 頁的表 837 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） db115h124 d1195r52.5 d21061m20 d345218 d426338 d5135d665 h32 其中參數(shù)符號意義對應(yīng)圖 2-22： 2-22 端蓋 2.4 控制

34、環(huán)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(dǎo)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） dc2400dy2550 z020s25 r12 其中參數(shù)符號意義對應(yīng)圖 2-23： 圖2-23 控制環(huán)（總體） 2.5 主軸及其附屬部分主軸及其附屬部分 2.5.1 主軸直徑計算主軸直徑計算 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： 厘米）（公斤 n n m97400 式中 ：

35、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 3 10 所以， )(106 . 4 5 . 187 108 . 8 97400 6 3 厘米公斤 m 根據(jù)水輪機設(shè)計手冊上 319 頁圖 1212 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 122 計算： 4 max 4 496102 n nd dd 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(yīng)力（公斤/厘米 2） 初選主軸的材料為 zg20mnsi，其中 ma

36、x=550 （公斤/厘米） 所以根據(jù)主軸內(nèi)孔直徑公式計算得： )( 550 5 . 187 200108 . 8496102 4 3 4 厘米 dd 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

37、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） d400d2102r35 d725h100r16 db580h1115r2375 dp415l45r35 d2717l145f2 d3410l28z20 d360m1.5c12 d360c115 db68 d170 其符號所代表的意義如下圖 2-24 所示: 圖2-24 主軸 （其中上

38、邊為水輪機端，下邊為發(fā)電機端） 2.5.3 水導(dǎo)軸承水導(dǎo)軸承 水輪機導(dǎo)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(yīng)用較多其結(jié)構(gòu)如圖 2-25

39、： :圖2-25 稀油潤滑分塊瓦式水導(dǎo)軸承 本次設(shè)計中， nr=2500kw，n=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(yīng)下表 2-31： 表2-31 水導(dǎo)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） 250 n（轉(zhuǎn)/分） 125 瓦數(shù) 10 軸頸直徑（毫米） 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(dǎo) 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，

40、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(yīng)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(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

41、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。 2.5.4 主軸密封主軸密封 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

42、。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 操作油管操作油管 轉(zhuǎn)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

43、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)輪部分轉(zhuǎn)輪部分 2.7.1 葉片葉片 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

44、本機組屬于大型機組，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 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(fù)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?zāi)苁?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

45、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)與接力器葉片操作機構(gòu)與接力器 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(yīng) 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 葉片密封裝置葉片密封裝置 轉(zhuǎn)輪體

46、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 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

47、 2.8 底環(huán)底環(huán) 底環(huán)是一個環(huán)形部件，固定于座環(huán)上，作為導(dǎo)葉安放的基座，在設(shè)計 時應(yīng)當(dāng)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(yīng)分四瓣鑄造。底環(huán)的結(jié)構(gòu)見下圖 2-33： 圖2-33 水輪機底環(huán) 2.9 頂蓋和支持蓋頂蓋和支持蓋 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(fù)雜，制造要求較高，

48、尤其是裝導(dǎo)葉套筒的孔應(yīng)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(dǎo)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。支持蓋見 2-35。 2.10 真空破壞閥真空破壞閥 當(dāng)導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)葉時補入空氣，破壞真

49、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(dǎo)水機構(gòu)傳動系統(tǒng)總設(shè)計導(dǎo)水機構(gòu)傳動系統(tǒng)總設(shè)計 2.11.1 確定導(dǎo)葉開度確定導(dǎo)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： min)/(78.125 2 .

50、 6 3125 1 1 r h dn n r r r )/( 4 . 1540)/(5404 . 1 2 . 63 5 . 51 3 22 1 1 slsm hd q q r r r 根據(jù)查zz600lh300的模型綜合特性曲線得模型得最大開度： 1 , 1 , rr qn )( 3 . 20 )max(0 mma m 由： z0m=20，z0 =20，d0 = 3765(mm )，d0m = 195(mm ) 換算成真機的最大開度值為： )( 3 .312 24 24 195 3000 3 . 20 0 0 )max(0max0 mm z z d d aa o om m m 計算真機的最大可

51、能開度： )(92.327 3 . 31205 . 1 05 . 1 max0 mmaa 最大可能 取設(shè)計水頭下的單位轉(zhuǎn)速與最優(yōu)效率點對應(yīng)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： 1r n )(2 .19 )( mma moy 所以真機得最優(yōu)開口為： )(38.195 24 24 195 3000 2 . 19 0 )( mm z z d d aa o om om moyoy 所得導(dǎo)葉布置圖和接力器行程曲線見下圖： 圖2-37 導(dǎo)葉布置圖 圖2-38 接力器行程圖 3 3 應(yīng)力分析應(yīng)力分析 3.1 導(dǎo)葉模型建立導(dǎo)葉模型建立 本次畢

52、業(yè)設(shè)計采用 nx ug 實體建模，建立導(dǎo)葉模型如圖： 圖 3-1 導(dǎo)葉模型圖 3.2 導(dǎo)葉周邊流道模型建立導(dǎo)葉周邊流道模型建立 本次設(shè)計導(dǎo)葉流道采用從固定導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)葉計算域圖 3.2.1 單周期流道網(wǎng)格劃分單周期流道網(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(dǎo)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

53、的， 所以可以直接導(dǎo)入 cfx 中計算。 3.3 cfx 數(shù)值計算數(shù)值計算 3.3.1 邊界條件邊界條件 1.定常流動計算邊界條件 流場數(shù)值計算中邊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(dǎo)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(dǎo)葉流道流動進行數(shù)值計 算時，進口邊界條件給定為導(dǎo)葉進口質(zhì)量流量。 3.出口邊界條件 流動出口邊

54、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(dǎo)葉流道流動進行 數(shù)值計算時，出口邊界條件給定為導(dǎo)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 低雷諾數(shù)標準k - 模型，或使用壁面函數(shù)法。本文中采用了壁面函數(shù) 法，并且在對

55、軸流式水輪機三維導(dǎo)葉流道流動進行數(shù)值計算時，固壁面邊 界條件給定為“無滑移”邊界條件，即。0 wall u 3.4 定常流動計算結(jié)果分析定常流動計算結(jié)果分析 在定常流動計算中，主要通過給定導(dǎo)葉進口流量和導(dǎo)葉出口相對壓力， 并控制收斂殘差，使之小于允許范圍，得到穩(wěn)定流動下的結(jié)果文件。本文 主要針對導(dǎo)葉的動力特性進行分析，故需要以導(dǎo)葉的流場分析作為后面剛 強度的基礎(chǔ)，并為剛強度分析提供壓力荷載，所以著重對定常流動計算結(jié) 果的葉片進行分析。 （1）計算域流線如下圖： 圖 3-4 流線圖 （2）計算域壓力分布云圖如下： 圖 3-5 壓力分布云圖 3.5 導(dǎo)葉的模態(tài)分析與靜力分析導(dǎo)葉的模態(tài)分析與靜力分析

56、 此次畢業(yè)設(shè)計的導(dǎo)葉模態(tài)分析和靜力分析都是通過 ansys 平臺軟件 進行的。首先將之前建立的導(dǎo)葉模型導(dǎo)入 ansys 軟件定義導(dǎo)葉的屬性為 彈性模量：2.01011pa，泊松比：0.27，密度：7850kg/m3。葉片材料采用 馬氏體不銹鋼，許用應(yīng)力為 196mpa，極限破壞應(yīng)力為 550mpa。然后對其 劃分網(wǎng)格，其中設(shè)置單元長度為 0.03，劃分網(wǎng)格如下圖,其中單元節(jié)點數(shù) 為 47664 個。 圖 3-6 有限元網(wǎng)格圖 3.5.1 約束施加約束施加 軸流轉(zhuǎn)輪的導(dǎo)葉通過轉(zhuǎn)軸與輪轂與軸套連接，當(dāng)正常工況時可視為三 個自由度為 0 的固定約束，故將其約束面定義為轉(zhuǎn)軸的表面，約束形式為 全約束。

57、 3.5.2 荷載施加荷載施加 本文采用的載荷施加方式是把水壓力施加到轉(zhuǎn)輪葉片的有限元模型上， 也就是以節(jié)點一對一的形式加載至有限元網(wǎng)格單元節(jié)點處。以上這些體力 和節(jié)點應(yīng)力都通過 ansys 分析軟件中的 apdl 語言來實現(xiàn)加載。 3.5.3 模態(tài)分析模態(tài)分析 模態(tài)分析是研究結(jié)構(gòu)動力特性一種方法，是系統(tǒng)辨別方法在工程振動 領(lǐng)域中的應(yīng)用。模態(tài)是機械結(jié)構(gòu)的固有振動特性，每一個模態(tài)具有特定的 固有頻率、阻尼比和模態(tài)振型。也是研究水輪機模型剛強度的最基本的研 究手段和分析方法。固有頻率的計算可以給出避免結(jié)構(gòu)發(fā)生共振或以特定 頻率進行振動的外界激勵范圍，并且掌握結(jié)構(gòu)對于不同類型的動力荷載是 如何響應(yīng)的

58、。 物體按照某一階固有頻率振動時，物體上各個點偏離平衡位置的位移 是滿足一定的比例關(guān)系的，可以用一個向量表示，這個就稱之為模態(tài)。 物體都具有自己的固有頻率，在外力的激勵作用下，物體會表現(xiàn)出不 同的振動特性。 一階模態(tài)是外力的激勵頻率與物體固有頻率相等的時候出現(xiàn)的，此時 物體的振動形態(tài)叫做一階振型或主振型；二階模態(tài)是外力的激勵頻率是物 體固有頻率的兩倍時候出現(xiàn)，此時的振動外形叫做二階振型，以依次類推。 一般來講，外界激勵的頻率非常復(fù)雜，物體在這種復(fù)雜的外界激勵下 的振動反應(yīng)是各階振型的復(fù)合。 模態(tài)是結(jié)構(gòu)的固有振動特性，每一個模態(tài)具有特定的固有頻率、阻尼 比和模態(tài)振型。這些模態(tài)參數(shù)可以由計算或試驗

59、分析取得，這樣一個計算 或試驗分析過程稱為模態(tài)分析。 有限元中模態(tài)分析的本質(zhì)是求矩陣的特征值問題，所以“階數(shù)”就是 指特征值的個數(shù)。將特征值從小到大排列就是階次。 本次模態(tài)分析由于受到計算機硬件的制約，只進行了 5 階的固有頻率 分析，下圖為五階振型圖： 一階 二階 三階 四階 五階 圖 3-7 模態(tài)振型圖 3.5.4 靜力分析靜力分析 圖 3-8 應(yīng)力分布圖 其中最大應(yīng)力為 8.93mpa，分布在導(dǎo)葉下端面軸頸處。 3.6 帶裂紋缺陷的導(dǎo)葉的導(dǎo)葉分析帶裂紋缺陷的導(dǎo)葉的導(dǎo)葉分析 3.6.1 帶裂紋導(dǎo)葉的模型帶裂紋導(dǎo)葉的模型 圖 3-9 裂紋圖 3.6.2 帶裂紋導(dǎo)葉有限元網(wǎng)格劃分帶裂紋導(dǎo)葉有限

60、元網(wǎng)格劃分 圖 3-10 帶裂紋的導(dǎo)葉有限元網(wǎng)格圖 3.6.3 模態(tài)分析結(jié)果模態(tài)分析結(jié)果 一階 二階 三階 四階 五階 圖 3-11 帶裂紋導(dǎo)葉模態(tài)分析圖 3.6.4 靜力分析結(jié)果靜力分析結(jié)果 圖 3-12 靜力分析結(jié)構(gòu)圖 其中最大應(yīng)力值為 30.7mpa,位置處于裂紋處。 3.6.5 結(jié)論結(jié)論 1、正常導(dǎo)葉與帶裂紋導(dǎo)葉固有頻率比較如下：(其中單位為 hz) 一階二階三階四階五階 正常導(dǎo)葉201.601329.827538.766549.652672.503 裂紋導(dǎo)葉232.027386.982603.360665.326789.323 由此可以看出，缺陷導(dǎo)葉各階固有頻率都比正常導(dǎo)葉各階固有頻