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1、2013 届热能与动力工程专业毕业设计（论文）1毕业设计（ 论文）开开 题题 报报 告告题 目 ZZ560 轴流式水轮机 的结构设计 专 业 热能与动力工程 班 级 动 09* 班 学 生 * 指导教师 * 教授 2013 年一、毕业设计的课题来源、类型一、毕业设计的课题来源、类型来源:轴流式水轮机在我国运用广泛，尤其是在低水头地区起着至关重要的作用。本人的设计课题ZZ560 轴流式水轮机的结构设计是根据我未来可能要到低水头水电站就业而从众多选题中精心挑选的，对我将来的工作必定会起着至关重要的作用。类型：结构设计类二、选题的目的和意义二、选题的目的和意义葛洲坝水利枢纽位于中国湖北省宜昌市境内的
2、长江三峡末端河段上，距上游的三峡水电站 38 公里。它是长江上第一座大型水电站，也是世界上最大的低水头大流量、径流式水电站。1971 年 5 月开工兴建，1972 年12 月停工，1974 年 10 月复工，1988 年 12 月全部竣工。坝型为闸坝，最大坝高 47 米，总库容 15.8 亿立方米。总装机容量 271.5 万千瓦，二江水电站安装 2 台 17 万千瓦和 5 台 12.5 万千瓦机组；大江水电站安装 14 台12.5 万千瓦机组，年均发电量 140 亿千瓦时。其中二江电站安装的#1 和#2 机组都使用的是 zz560 轴流转桨式水轮机。轴流式水轮机适用于低水头，大流量的水电站，这
3、与葛洲坝的特点十分的吻合所以在葛洲坝上得到了充分的运用并取得了良好的效果。本课题就是对 zz560 轴流式水轮机结构的设计。低水头大流量的水利枢纽历经 30 多年的设计和建设，在正常蓄水位和库区保护、坝址选择和枢纽布置、泄洪规模和施工导流，泄水闸消能防冲和土坝无围堰筑坝等方面都取得了长足进步，使低水头大流量水利枢纽设计水平大大提高。低水头水利枢纽具有对环境影响小等优点，所以对低水头大流量水利枢纽的研究对我国水利事业的发展具有重要的意义。与其他水轮机相比轴流式水轮机最适合中低水头、大流量的水电站。在相同水头下，其比转速较混流式水轮机为高，应用水头约为 8 米到 80米。它的过流能力也比混流舍的要
4、大，气蚀性能稍差。根据其转轮叶片在运行之中能否转动，又可分为轴流转浆式和轴流定浆式两种。轴流定桨式2013 届热能与动力工程专业毕业设计（论文）3水轮机的叶片固定在转轮体上，叶片安放角度不能在运行中改变，效率曲线较陡，适用于负荷变化小或可以用调整机组运行台数来适应负荷变化的电站。优点：结构简单，造价较低。缺点：在偏离设计工况时效率会急剧下降。根据其特点，一般用于出力较小，水头较低以及水头变化幅度较小的水电站。而轴流转桨式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%。但
5、是，这种水轮机需要一个操作叶片转动的机构，因而结构较复杂，造价较高，一般用于水头、出力均有较大变化幅度的大中型水电站。轴流转桨式水轮机对于低水头大流量水利枢纽来说是个不错的选择，但又因为其复杂的结构和较高的造价让人感觉性价比不是很高。正因如此研究发展轴流转桨式水轮机对于我国这个平原地区水利资源丰富的国家来说具有深远的意义。对于我自己来说这次毕业设计既是给自己的一个机遇也是对自己提出的一个严峻的挑战。我希望通过此次毕业设计把我所学的课本知识能应运的实际的问题当中去，同时毕业设计过程中我还能熟悉各种设计绘图软件，以帮助我以后能更好的在工作岗位上走下去。三、本课题在国内外的研究现状及发展趋势三、本课
6、题在国内外的研究现状及发展趋势随着科学技术的不断发展，水轮机应用水头向着较宽的范围发展, 以适应不同形式存在的水能开发。从水头2 m 到水头1 000 2 000 m, 都有相应的品种。繁多品种的水轮机大体可归纳为冲击式和反击式两大类。在反击式水轮机中根据水流在转轮区域流动方向不同又分为混流式、轴流式、斜流式和贯流式以及可逆式水泵轮机。然而对于低水头，大流量的水利枢纽来说轴流式水轮机以其高效率的优势依然是众多水电站的不二选择。和大多数科学技术一样，轴流式水轮机的发展史也是充满了坎坷。最早的轴流式水轮机是由法国的琼瓦尔在改进了德国人汉希尔提出的方案以后,于 1883 年制成的。他的水轮机首次采用
7、了尾水管,有效地利用了转轮与尾水管之间的水头,从而显示了其优越性。所以在 19 世纪末的一段时期内,琼瓦尔水轮机获得了一定的发展。法兰西斯式水轮机和琼瓦尔水轮机一般适用于中水头和低水头。但为了发展平原地区的水电站,上述水轮机已不能满足提高出力的要求,当时曾通过切割混流式水轮机叶片的泄水边、提高导叶高度和增大叶片的出口直径等措施来提高比转速，但在当时比转速也只能由 275 提高到 400,这显然不能满足要求。20 世纪初,奥匈帝国的布尔诺(现为捷克斯洛伐克)工业大学教授卡普兰于 1921 年提出了适应低水头电站需要的轴流式水轮机。早期的卡普兰水轮机为定桨式并具有下环。时隔不久, 于 1916 年
8、他又研制成功轴流转桨式水轮机,比速达到 1000 ,单位流量 20002200 升/秒，由于这种水轮机可以实现导叶和叶片的协联调节,显著地改善了变工况条件下的运行质量,从而大大推动了低水头水轮机的发展。现代的轴流式水轮机有定桨与转桨之分，转桨式的适用水头为 370米,定桨式为 350 米,轴流转桨式水轮机的特点是比转速高,在水头和容量相同条件下,其转速约为混流式水轮机的两倍。因此,机组尺寸可显著缩小, 水轮机的平均效率高该型水轮机特别适宜于低水头且水头与负荷变动较大的电站。随着水头增高, 其过流能力受到汽蚀与挖深的限制,因此,使用水头一般限制在 70 米以下。定桨式水轮机的叶片固定于轮毅,因其
9、轮毅比转桨式小,故其过流能力高,汽蚀性能有所改善。适用于小型机组或水头与负荷变化不大及多机组运行的电站。中国葛洲坝水利枢纽转轮直径 11.3m 水轮机是世界上最大尺寸的轴流转桨式水轮机，出力为 17.55 万kW。陕西省石门水电站的水轮机最大水头 77m，是中国水头最高的转桨式水轮机。伴随着计算机水品的飞速发展，研究人员对于水轮机内部的研究也开始进入了深入的研究。反击式水轮机内部的水流运动是复杂的三维流动，而且，由于水流具有较大的粘性而使本已复杂的流动变得更加复杂。对于牛顿流体，目前普遍认为纳维-斯托克斯方程能正确地描述这类流体的运动规律。近年来，随着计算机技术的迅速发展及湍流流动研究的不断深
10、入 ，求解水轮机内部的流动状态已成为可能。现在国际上各水轮机制造厂商均采用计算流体动力学辅助设计的方法进行水轮机转轮的优化设计(简称CFD)。该方法首先必须进行转轮叶片形状的设计，其次是对设计好的转轮2013 届热能与动力工程专业毕业设计（论文）5进行流场计算和流动分析，求解转轮内部的速度场和压力场，接着再对转轮进行修改，最后再通过湍流计算求解转轮及流道的水力损失，计算出转轮的各项性能指标，以便提出进一步改型的措施 。由此可见，快速而准确的转轮设计就成为使用 CFD 技术的前提。另外，转轮叶片设计系统本身可开发成一个独立的设计系统。它利用计算机的快速、多变、准确的特性可克服以前人工的盲目性，因
11、为进行转轮设计时，计算机不仅可以将前人的经验作为依据、还可对各种不同的水流流动条件及设计经验进行反复的比较，可以快速地对设计中的不足进行修正，以获取较为满意的结果。因此，利用计算机进行转轮设计是十分必要的，它不仅可以提高工作效率，而且可以提高设计的可靠性。轴流式水轮机作为反击式水轮机的一种，广泛地用于低水头电站，它以比转速较高、配用电机尺寸较小和较高的平均效率、运输及加工方便等而具有明显的优越性。国内对混流式水轮机转轮的设计程序较多且涵盖了各种设计方法，而专门针对轴流式水轮机转轮的设计程序较少，覆盖的设计方法也较少。本程序是专门针对轴流式水轮机转轮设计开展的。它是利用流线积分法并充分考虑到设计
12、人员的经验及许多优秀转轮的数据库而编制的转轮设计程序 。它不但可作为 CFD 的一个重要分块，而且可以作为一个独立的设计单元来完成转轮设计。自1 9 5 8 年以来, 我国先后设计和制造了多台大、中型轴流转桨式水轮机。通过20 多年的实践, 积了不少经验。但是, 近年来在轴流转桨式水轮机的结构上相继出现了转轮叶片密封漏油操作机构零件损坏、叶片失控和泄水锥脱落丢失 等问题。泄水锥脱落丢失: 近几年来, 不少机组发现泄水锥脱落丢失. 各机组丢失泄水锥的情况不尽相同, 但如下几点情况类暇:（1）多数机组在检修时才发现泄水锥丢失, 都无法确切判断丢失时间, 有些运行人员回忆临修前运行情况, 也仅能指出
13、各部轴承处的摆度稍有增大;（2）多数丢失的泄水锥, 是由于大部分把合螺栓先巳松脱, 剩下的少部分螺栓最后被强行剪断或弯断；（3）泄水锥的把合螺栓邵是采取了一些防松措施的(如防松垫片、点焊等) , 但仍被振松脱落, 说明泄水锥处的振动是很剧烈的。一台2 2 5 60 一L H 一5 0 型机发现丢失泄水锥后, 仔细检查其它部位, 发现装于底盖中部的排油阀上屯只健16 螺栓已脱落4 只。一般认为泄水锥脱落丢失的原因主要是：( 1 ) 泄水锥所处部位振动较剧烈。尤其转轮偏离设计工况或者转轮叶片与导叶协联动作不好或者转桨机组作定桨运行, 尾水管中的脉动可能会更大些, 由于水力不平衡引起的振动会更剧烈些
14、。( 2 ) 泄水锥与转轮体下部的连接螺栓把合的不够牢固。在有些机组中, 该螺栓所处的位置使得不易紧固之; 改进结构后, 易于把合螺栓, 但在焊接外f书围板l寸, 法兰面会庄焊接应力作门下变形张口, 使螺栓伸长, 降低了螺俭的顶紧力, 而且无法检查和重新把紧。基于以上分析, 从设计、安装、维修和运行方面出发, 至少应作以下改进:( 1 ) 在可能肯况下, 适当增大或增多把合螺栓,( 2 ) 法兰外部围阪改成所示的结构,( 3 ) 安装、维修时, 泄水谁的把合螺栓都应有可靠的防松措施,( 4 ) 机组运行工况应符合设计要求。抬机是轴流转桨式水轮机较常见的现象。国内外的这类机组都因抬机造成过严重事
15、故。关于抬机问题的研究得到了有关部门、单位的重视。根据一些电站总结的经验以及有关试验,目前在防止抬机的措施方面, 以下几点结论得到确认:（1 ) 适当增长导叶关闭时间, 或改变导叶关闭规律(如采用两段关闭) , 可以避免抬机或减少机组上抬量；（2 ) 当机组紧急关闭时, 利用调相补气管自动补入压缩空气, 能有较防止抬机。1 9 7 7 年3 月在某电站进行试验, 甩75 % 负荷时, 采取补气或采用两段关闭, 都可避免抬机。两项措施全无, 则机组产生抬机；（3 ) 适当增大真空破坏阀的直径或增加真空破坏阀数量,对减小抬机量有一定效果；（4 ) 设置机组上抬限位块, 减轻抬机事故。今后还应继续研
16、究以下问题:（ 1 ) 非正常工况下(如叶片、导叶脱离协联, 调速器失控, 关机后2013 届热能与动力工程专业毕业设计（论文）7又突然开启等等) ,机组发生抬机的基本理论问题；（2 ) 2 2 4 0 一L H 一4 50 型机组的抬机事故, 在国内同类事故中, 迄今是最产重的。该机组几次抬机事故都表明尾水管处的压力在抬机时达到较高值。该机组的尾水管很长(4 OD ) , 对于装有长尾水管的轴流式机组,抬机时尾水处的情况(如压力值、压力脉动等) 比较复杂, 今后设计时应慎重研究, 以防止抬机造成的严重事故。轴流转桨式水轮机的转轮叶片与转轮室,普遍存在着汽蚀与磨损问题。多年来, 国内生产机组的转轮叶片和转轮室一般都采用普通碳素铸钢制造, 在汽蚀区铺焊不锈钢板以抗蚀、抗磨。运行几年后, 都出现较严重的汽蚀破坏, 铺焊层成片剥落, 致使维修工作量大, 周期长。国外进口的机组基本都是采用不锈钢铸造叶片, 有的转轮室也用不锈钢制造, 抗蚀性能
