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1、“水力机械水力设计”毕业设计任务书1. 设计题目（1）斜流式水轮机转轮内部流动数值模拟计算2. 设计参数 （1）电站形式：坝后式，岸边厂房，单元引水，具有不完全年调节水库 （2）水轮机工作水头 设计水头Hr=204.51mm 平均水头Ha=200m 最大水头Hmax=209.59m 最小水头Hmin=180m 水轮机设计流量Qr=17.1m3/s ( 3) 电站在系统中的作用:系统主力电站，担任调峰、调频的重要任务3. 设计任务及提交的成果 （1）转轮的水力设计 （2）转轮叶片的计算机三维实体造型 （3）转轮内部流动计算域三维实体造型 （4）转轮内部流动数值模拟计算 （5）撰写设计说明书 （6
2、）绘制转轮结构图4.设计重点利用及掌握知识 （1）Auto CAD与SolidWorks （2）水力机械工作原理 （3）水力机械水力设计方法 （4）FLUENT软件5. 设计进度安排 （1）四月初至四月底，完成平面设计部分。 （2）五月初至五月中旬，完成solidworks三维造型部分。 （3）五月中旬至五月底，完成fluent流场分析部分。 （4）六月上旬，完成设计说明书及制图部分。摘 要摘要：本文主要是应用现代设计方法进行转轮的水力设计，即通过Solidworks生成转轮三维模型，并截出计算域，为Fluent分析做准备，最后在Gambit中生成网格文件，再倒入Fluent模拟并分析流场，根
3、据分析结界改善转轮以达到最大效率。关键字：转轮、流场分析、最大效率AbstractThis paper describes a runner of modern design method, that is, first, use the Solidworks software to generate a three-dimensional model,and in preparation for the Fluent analysis cut out the calculation domain, and finally to generate the grid file in Gambit
4、, and then into the Fluent simulation and analysis of flow field, to improve the analysis runner for maximum efficiency.Keywords: runner,flow field analysis , maximum efficiency目 录第一章 绪论11.1 水轮机概述11.1.1 水轮机简述11.1.2水轮机分类及应用11.2 水轮机转轮简介41.2.1 转轮的发展简介41.2.2 转轮的工作原理51.3 工具介绍.5 1.3.1 软件soildworks功能简介.5 1
5、.3.2软件Fluent简介.6第二章 水轮转轮机设计方法简介82.1 现代设计方法简介82.2 研究方案的制定92.2.1主要原始参数92.2.2主要研究内容和路线9第三章 水轮机转轮及叶片的立体部分103.1 Solidworks画涡轮叶片103.1.1统计各点的坐标103.1.2工作转轮叶片轴绘制12 3.1.3转轮叶片绘制12 3.2 确定转轮实体型流动域133.2.1 确定转轮流域的轮廓线13 3.2.2 确定转轮流域实体型143.3 截取流道的计算域153.3.1 绘制整个流道计算域15 3.3.2 绘制计算流道域16第四章Fluent分析174.1 Gambit部分174.1.1
6、 Gambit中画网格174.1.2 定义边界条件184.2 Fluent部分184.2.1 Fluent中边界条件的定义184.3 计算结果体现224.3.1 进口速度为18.03m/s224.3.2进口速度为22.36m/s .264.4水泵的fluent分析.31 4.4.1水泵的fluent中边界条件定义.31 4.4.2进口速度为18.03m/s的水泵分析.31 4.4.3进口速度为22.36m/s的水泵分析.37第五章 总结.435.1 本设计的主要工作.435.2 需要改进之处.43致 谢参考文献II第一章 绪论1.1 水轮机概述1.1.1 水轮机简述水轮机是把水流的能量转换为旋
7、转机械能的动力机械，它属于流体机械中的透平机械。早在公元前100年前后，中国就出现了水轮机的雏形水轮，用于提灌和驱动粮食加工器械。现代水轮机则大多数安装在水电站内，用来驱动发电机发电。在水电站中，上游水库中的水经引水管引向水轮机，推动水轮机转轮旋转，带动发电机发电。作完功的水则通过尾水管道排向下游。水头越高、流量越大，水轮机的输出功率也就越大。1.1.2 水轮机分类及应用 水轮机按工作原理可分为冲击式水轮机和反击式水轮机两大类。冲击式水轮机的转轮受到水流的冲击而旋转，工作过程中水流的压力不变，主要是动能的转换；反击式水轮机的转轮在水中受到水流的反作用力而旋转，工作过程中水流的压力能和动能均有改
8、变，但主要是压力能的转换。 （1）冲击式水轮机按水流的流向可分为切击式(又称水斗式)和斜击式两类。斜击式水轮机的结构与水斗式水轮机基本相同，只是射流方向有一个倾角，只用于小型机组。理论分析证明，当水斗节圆处的圆周速度约为射流速度的一半时，效率最高。这种水轮机在负荷发生变化时，转轮的进水速度方向不变，加之这类水轮机都用于高水头电站，水头变化相对较小，速度变化不大，因而效率受负荷变化的影响较小，效率曲线比较平缓，最高效率超过91%。（2）反击式水轮机可分为混流式、轴流式、斜流式和贯流式。在混流式水轮机中，水流径向进入导水机构，轴向流出转轮；在轴流式水轮机中，水流径向进入导叶，轴向进入和流出转轮；在
9、斜流式水轮机中，水流径向进入导叶而以倾斜于主轴某一角度的方向流进转轮，或以倾斜于主轴的方向流进导叶和转轮；在贯流式水轮机中，水流沿轴向流进导叶和转轮。 轴流式、贯流式和斜流式水轮机按其结构还可分为定桨式和转桨式。定桨式的转轮叶片是固定的；转桨式的转轮叶片可以在运行中绕叶片轴转动，以适应水头和负荷的变化。各种类型的反击式水轮机都设有进水装置，大、中型立轴反击式水轮机的进水装置一般由蜗壳、固定导叶和活动导叶组成。蜗壳的作用是把水流均匀分布到转轮周围。当水头在40米以下时，水轮机的蜗壳常用钢筋混凝土在现场浇注而成；水头高于40米时，则常采用拼焊或整铸的金属蜗壳。 在反击式水轮机中，水流充满整个转轮流
10、道，全部叶片同时受到水流的作用，所以在同样的水头下，转轮直径小于冲击式水轮机。它们的最高效率也高于冲击式水轮机，但当负荷变化时，水轮机的效率受到不同程度的影响。 反击式水轮机都设有尾水管，其作用是：回收转轮出口处水流的动能；把水流排向下游；当转轮的安装位置高于下游水位时，将此位能转化为压力能予以回收。对于低水头大流量的水轮机，转轮的出口动能相对较大，尾水管的回收性能对水轮机的效率有显著影响。轴流式水轮机适用于较低水头的电站。在相同水头下，其比转数较混流式水轮机为高。 轴流定桨式水轮机的叶片固定在转轮体上。一般安装高度在3-50m。，叶片安放角不能在运行中改变，结构简单，效率较低，适用于负荷变化
11、小或可以用调整机组运行台数来适应负荷变化的电站。 轴流转桨式水轮机是奥地利工程师卡普兰在1920年发明的，故又称卡普兰水轮机。一般安装高度在3-80m。其转轮叶片一般由装在转轮体内的油压接力器操作，可按水头和负荷变化作相应转动，以保持活动导叶转角和叶片转角间的最优配合，从而提高平均效率，这类水轮机的最高效率有的已超过94%。典型例子就是葛洲坝。贯流式水轮机的导叶和转轮间的水流基本上无变向流动，加上采用直锥形尾水管，排流不必在尾水管中转弯，所以效率高，过流能力大，比转数高，特别适用于水头为320米的低水头小型河床电站。 这种水轮机装在潮汐电站内还可以实现双向发电。这种水轮机有多种结构，使用最多的
12、是灯泡式水轮机。 灯泡式机组的发电机装在水密的灯泡体内。其转轮既可以设计成定桨式，也可以设计成转桨式。其中又可以细分为贯流式和半贯流式。世界上最大的灯泡式水轮机(转桨式半贯流)装在美国的罗克岛第二电站，水头12.1米，转速为85.7转/分，转轮直径为7.4米，单机功率为54兆瓦，于1978年投入运行。混流式水轮机是世界上使用最广泛的一种水轮机，由美国工程师弗朗西斯于1849年发明，故又称弗朗西斯水轮机。与轴流转桨式相比，其结构较简单，运行稳定，最高效率也比轴流式的高，但在水头和负荷变化大时，平均效率比轴流转桨式的低，这类水轮机的最高效率有的已超过95%。混流式水轮机适用的水头范围很宽，为570
13、0米，但采用最多的是40300米。混流式的转轮一般用低碳钢或低合金钢铸件，或者采用铸焊结构。为提高抗汽蚀和抗泥沙磨损性能，可在易气蚀部位堆焊不锈钢，或采用不锈钢叶片，有时也可整个转轮采用不锈钢。采用铸焊结构能降低成本，并使流道尺寸更精确，流道表面更光滑，有利于提高水轮机的效率，还可以分别用不同材料制造叶片、上冠和下环。典型例子是我国的刘家峡。斜流式水轮机是瑞士工程师德里亚于1956年发明，故又称德里亚水轮机。其叶片倾斜的装在转轮体水轮机上，随着水头和负荷的变化，转轮体内的油压接力器操作叶片绕其轴线相应转动。它的最高效率稍低于混流式水轮机，但平均效率大大高于混流式水轮机；与轴流转桨水轮机相比，抗气蚀性能较好，飞逸转速较低，适用于40120米水头。 由于斜流式水轮机结构复杂、造价高，一般只在不宜使用混流式或轴流式水轮机，或不够理想时才采用。这种水轮机还可用作可逆式水泵水轮机。当它在水泵工况启动时，转轮叶片可关闭成近于封闭的圆锥因而能减小电动机的启动负荷。1.2 水轮机转轮简介 1.2.1 转轮简介水轮机构件中可以旋转的轮子。是水轮机中把水能转换成机械能的核心部件,它决定水轮机的
