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1、 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ANSY
2、S平台软件进行的，其中包括用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ABSTRACTAccording to consulting the design book and referring the built up station,the present paper is to design the structure of Kaplan turbine ZZ600-LH-300 and make analysis of stres
3、s 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 the manufactory at home,we have designed some of the parts in d
4、etails 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 the guide vane of the models through the ANSYS platform software,
5、 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 WORDS: hydroturbine, architectural design , numerical analysis, mod
6、al analysis, stress analysis目 录1 前言11.1 概述112 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
7、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44
8、3.3 CFX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58591 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
9、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
10、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
11、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（
12、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2-1 ZZ600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2-2 ZZ600转轮室尺寸表2-2 ZZ600转轮室尺寸参数符号模型数值mm真机数值mmR150150R2100300R35001500R43851155R（球）5001500h1209627h2154462H555165h481243D29731919D3981294388
