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1、2013届热能与动力工程专业毕业设计（论文）毕业设计（论文）题 目 刘家峡2号机组水轮机 结构设计与CFD分析 专 业 热能与动力工程 班 级 动 09*班 学 生 * 指导教师 廖伟丽 教授 2013 年刘家峡2号机水轮机结构设计与CFD分析 摘 要本次毕业设计的内容主要分为两部分：水轮机结构设计和单周期导叶内部流动的CFD分析。结构设计方面是以刘家峡水电站的2号机组为设计对象。设计过程通过充分查阅水轮机设计手册和相关资料，对水轮机各个部分进行结构设计，包括水轮机埋入部件、导水机构、转动部件、减压装置、主轴密封、水导轴承等部分的结构设计。然后完成总装配结构图、导叶布置图、导水机构装配图和控制
2、环零件图等设计任务。设计的主要内容包括两个部分。第一部分是根据给定的电站基本资料进行水轮机的基本参数计算，第二部分是进行水轮机的总体结构设计，第三部分是对导水机构进行设计。CFD分析方面主要是通过对单周期导叶内部流动的CFD分析来研究流域内任一点的速度，压力和流线分布。本次设计主要采用AutoCAD和CFD软件绘图。关键词：刘家峡水电站，2号机组，结构设计，Autocad，CFD分析The Structural turbine Design of #2 in Liujiaxia Hydropower Station and the analysis of CFD ABSTRACTThe con
3、tent of this graduation design is mainly divided into two parts: the structure of water turbine guide vane design and single cycle CFD analysis of internal flow.Structure design of unit 2 in liujiaxia hydropower station as the design object.The process of design is to design parts of the turbine thr
4、ough fully consulting the turbine design manuals and related information, including embedded turbine components, guide apparatus, rotating parts vacuum devices, shaft seal, guide bearing and other parts of the turbine. these tasks such as the spiral case and the draft tube of hydraulic design, the g
5、uide water body assembly drawing, the general assembly drawing of the turbine, turbine guide vane arrangement drawing and the parts of main -axis design should be completed. The main content of the design includes three parts. The first part is the basic data based on the given basic parameter of th
6、e turbine of hydroelectric station. The intention of the second part is to design the overall structure of the turbine. The third part is to design water distributor. CFD analysis is mainly based on the single cycle vanes internal flow CFD analysis to study the basin as a point of velocity, pressure
7、 and flow distribution.The AutoCAD and CFD is adopted to draw for the design. KEY WORDS: Francis turbine,Liujiaxia hydropower station, #2,structural design，AutoCAD ，the analysis of CFD2013届热能与动力工程专业毕业设计（论文） 目 录1.前 言1.1选题的目的和意义如今，随着我国经济的发展，电力行业作为一种先进的生产力和基础行业得到蓬勃的发展。而水能资源是高效、清洁、可再生、廉价的能源，优先开发水电，加快水电建
8、设，是客观所需的，也是世界各国开发利用能源的重要经验。水轮机是一个典型的机械系统，具有轴类零件、盘套类零件、箱体类零件、齿轮类零件等，具有较强的综合性。作为水电机组实现能量转换的核心部件，水轮机转轮性能的优劣对水电机组的运行乃至整个电力系统的生产和安全具有非常重要的意义.因此设计高效率、高空蚀性能、高稳定性的转轮是水轮机研究和设计者的追求目标。通过设计对专业知识有更深一步的理解，同时可以将大学几年所学到的知识融会贯通，理论与实践相结合，进一步提高设计能力，为将来的工作打下良好的基础。1.2设计内容根据给定的刘家峡2号机基本资料进行水轮机总体结构设计 1.根据给定的水轮机型号和转轮直径等基本参数
9、，确定水轮机的主要特征尺寸，对水轮机主要部件进行结构设计； 2.绘制水轮机总装配图、导叶布置图、导叶布置图及主要部件零件图。 3. 单周期活动导叶内部流动CFD分析。 1.3刘家峡水电站的基本情况刘家峡水电站位于甘肃省永靖县境内的黄河干流上，上距黄河源头2019km，下距省会兰州市约100 km，是我国自己调试管理的第一座百万千瓦级大型水力发电站。该水电站以发电为主，兼有防洪、灌溉、防凌、供水、航运、养殖等效益。刘家峡水电站共有五台水轮发电机组，总装机量为1160MW，其中14 号机组为225 MW，5 号机组为260MW。2.基本参数计算2.1水轮机基本参数单机容量：225MW 拟用水轮机型
10、号：HL001(200)LJ550额定转速：125r/min水轮机设计流量：259 m3/s设计水头：110（m）吸出高度：-4.5（m）安装高程：1615.5（m）2.2参数计算2.2.1初选额定工况点对已选定的水轮机转轮型号，查出其模型综合特性曲线。由于所选机组为，查出其额定工况点单位流量Q11r=0.8 m3/s，模型最优单位转速n11o=68r/min, 对应的模型效率=0.894，暂取效率修正值，则额定工况的原型水轮机的效率。2.2.2确定转轮直径转轮直径计算公式为：D1=式中： P 水轮机的额定出力，225000kW； 模型最优工况点单位流量，0.8m3/s。代入数据，得 =5.1
11、86m。计算值处于标准值5.0m与5.5m之间，考虑到取5.0m偏小，难于保证额定水头下发出额定出力，取5.5m又偏大，不满足经济性要求。本次设计机组为大型机组，所以最终取非标准值=5.2m。2.2.3效率及单位参数修正值效率修正值 式中： D1M 模型机转轮直径，0.46m D1 真机转轮直径 ，5.2m由国际电工委员会（IEC）推荐的公式，将模型最优的工况效率，换成真机最优工况效率。对混流式水轮机，按Moody公式换算。即:= 计算得： =0.894 = = 0.028 即限制工况原型水轮机效率为0.9222.2.4额定转速的计算n11r-原型水轮机设计单位转速n110M 模型最优单位转速
12、n11r = n110M + n11 = n110M = 68 r/minHa = = = 115.8 m 参照水轮机-发电机标准同步转速 取水轮机转速为136.4 r/min2.2.5设计流量的计算额定流量的计算公式为：计算得： Qr = Q11r D12 = 0.85.22 = 227 m3/s3.水轮机总体结构设计3.1概述混流式水轮机是一种采用最多的水轮机类型。其应用水头范围很广：大中型的水头从；小型的也有。其比转速，比冲击式高；空蚀系数比轴流式小；满负荷时效率高。低水头大容量混流式水轮机的转速低，尺寸大，要重视大型零部件的加工、运输以及结构刚度问题。高水头混流式水轮机的空蚀、磨损和振
13、动问题比较突出，转轮宜用不锈钢或其他抗空蚀性能较好的材料制造，导水机构有关部位要采取抗磨和防止间隙空蚀的措施。混流式水轮机本体主要由埋入部分、导水机构和转动部分组成。埋入部分包括蜗壳、座环、基础环、尾水管里衬、水轮机机坑里衬等，其均埋在混凝土中，既是机组的基础件，也是水流通道的一部分；导水机构包括底环、活动导叶、顶盖、套筒及导叶操作机构等，它起着控制流量的作用，使水流以很小的能量损失沿圆周均匀进入转轮；转动部分主要由转轮、主轴、轴承及密封装置等组成。 为了减轻空蚀和泥沙磨损对水轮机部件的破坏，需对过流部件采取一定的措施，如在顶盖和底环过流面上铺焊不锈钢抗磨层，导叶立面合缝处堆焊不锈钢或其它耐磨
14、材料。对于普通碳钢和低合金钢铸造的转轮过流表面在其易气蚀、磨损部分堆焊不锈钢或耐磨材料。刘家峡水电站水轮发电机组采用立轴混流式结构，水轮机旋转方向为俯视顺时针，机组主轴设计上应采用允许最小直径，使水导轴承与主轴密封尽量与实用的一样小，以节约花费，主轴两端带有整体法兰。3.2流道尺寸的计算 根据水轮机设计手册中提供的水轮机各型号的流道尺寸图，并将已选型号与各型号比较之后，选用HL200的转轮流道图作为转轮尺寸确定的参考。根据图3.2模型流道尺寸，参考图中尺寸比例，使用CAD作图即画出如图3.1所示真机转轮流道尺寸图。 图3-2 模型转轮流道尺寸 确定真机导叶尺寸参数：查水轮机书，可得：Z=24；查附图18得导叶分布圆直径D=5800mm。由相对高度b0/D1=0.2，求得：导叶高度H=1040mm（不包括上下轴颈）。3.3 主轴设计3.3.1 主轴的计算主轴是水轮机的主要部件。通过它，将水轮机转轮的机械能传递给发电机。它的毛坯通常采用铸钢35、45或20MnSi整锻，或采用铸造法兰、锻造轴身并用环形电渣焊焊接成整轴。轴身采用钢板卷焊的大型薄壁轴目前也有采用。大型水轮机主轴都有中心孔，它不仅可以消除轴心部分组织疏松等材质缺陷，便于检查，在结构上还可以减轻重量，而且也是为实现中心孔补气、装操作油管的需要。主
