刘家峡2号机组水轮机结构设计与cfd分析

**：刘家峡2号机组水轮机结构设计及CFD分析2013届热能与动力工程专业毕业设计（论文）毕业设论题目刘家峡2号机组水轮机结构设计与CFD分析专业热能与动力工程

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TheStructuralturbineDesignof#2inLiujiaxiaHydropowerStationandtheanalysisofCFDABSTRACTThecontentofthisgraduationdesignismainlydividedintotwoparts:thestructureofwaterturbineguidevanedesignandsinglecycleCFDanalysisofinternalflow.Structuredesignofunit2inliujiaxiahydropowerstationasthedesignobject.Theprocessofdesignistodesignpartsoftheturbinethroughfullyconsultingtheturbinedesignmanualsandrelatedinformation,includingembeddedturbinecomponents,guideapparatus,rotatingpartsvacuumdevices,shaftseal,guidebearingandotherpartsoftheturbine.thesetaskssuchasthespiralcaseandthedrafttubeofhydraulicdesign,theguidewaterbodyassemblydrawing,thegeneralassemblydrawingoftheturbine,turbineguidevanearrangementdrawingandthepartsofmain-axisdesignshouldbecompleted.Themaincontentofthedesignincludesthreeparts.Thefirstpartisthebasicdatabasedonthegivenbasicparameteroftheturbineofhydroelectricstation.Theintentionofthesecondpartistodesigntheoverallstructureoftheturbine.Thethirdpartistodesignwaterdistributor.CFDanalysisismainlybasedonthesinglecyclevanesinternalflowCFDanalysistostudythebasinasapointofvelocity,pressureandflowdistribution.TheAutoCADandCFDisadoptedtodrawforthedesign.KEYWORDS:Francisturbine,Liujiaxiahydropowerstation,#2,structuraldesign，AutoCAD，theanalysisofCFD**：刘家峡2号机组水轮机结构设计及CFD分析2013届热能与动力工程专业毕业设计（论文）目录**：刘家峡2号机组水轮机结构设计及CFD分析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，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100km，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1~4号机组为225MW，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拟用水轮机型号：HL001(200)－LJ－550额定转速：125r/min水轮机设计流量：259m3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=0.8m3/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=5.186m。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，0.46mD1–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n11r=n110M+n11=n110M=68r/minHa===115.8m参照《水轮机-发电机标准同步转速》取水轮机转速为136.4r/min2.2.5设计流量的计算额定流量的计算公式为：计算得：Qr=Q11rD12=0.8×5.22×=227m3/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：Zο=24；查附图18得导叶分布圆直径Dο=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。主轴上部与发电机连接，下部与水轮机转轮连接，一般都采用法兰盘连接。如果厂房布置和铸造条件允许，可把水轮机轴和发电机轴做成整轴结构，这样由于没有中间法兰，减少加工量，有利于安装。主轴直径按其传递的扭矩大小选定：式中：—主轴传递功率，225000kW；—额定转速，125。计算得：根据值，由主轴扭矩与主轴直径关系曲线中查取外径,并根据外径系列尺寸，初选外径D=1530mm。主轴内径按下式计算：对于大中型机组，主轴材料为20MnSi钢时，厚壁轴取，薄壁轴取。计算得：，按内径的尺寸系列选取主轴设计上采用允许最小直径，尺寸选取允许最小值，并进一步进行强度校核。与主轴成一体的上下法兰尺寸选取见下表：表3.1主轴法兰尺寸系列表序号DhDbdbd0尺寸(mm)36504003000240420主轴承受扭矩和轴向拉力（包括轴向水推力及计算断面以下的转动部分重量引起的拉力），还应校核拉、扭应力。参考同类型电站设计标准，考虑主轴壁厚及外径尺寸确定本次设计的主轴轴身采用铸钢整锻，材料为20MnSi，主轴直径，且为薄壁轴，主轴的内径为。3.3.2主轴密封（1）端面密封油轴承的主轴密封装置在轴承下面，地位狭窄，造成检修工作不便，因此工作条件很差，所以要求密封结构简单、维修量小，而端面密封就具有以上优点。本次设计采用的是水压式端面密封。这种密封基本代替了机械式端面密封，同时也改变了弹簧力不均的缺陷，利用水压力替代弹簧力，就现有运行机组反应效果较好。下图3.11为设计的水压式端面密封。图3.11水压式主轴密封这种密封形式为压力水自外部引入，适宜于含泥沙较多的机组采用，故适合本次设计的刘家峡水电站2号机组。密封环的材质好坏会直接影响到封水效果和使用寿命。采用碳晶块作材料，材质处理和加工要求严格，质量上还不够稳定。因此有的结构中采用了尼龙做密封环，运行表明，也存在磨转环、容易烧化等缺陷，这些都需要进一步改进。本次设计水轮机的转轮直径为5.2m（>4.1m），故密封环端面密封环处的接触宽度可取80~120mm,本设计中的接触宽度取120mm，较宽的接触面中部应车制环形凹槽，这样既能增加漏水压力，也可在密封装置下部无水运行时，从外部通水润滑和冷却。（2）检修密封当下游水位高于轴承密封时，设有检修密封，供停机或检修轴承及其密封时使用。空气围带式检修密封是大、中型水轮机常用的检修密封结构。使用时，可往空气围带中通进压力为左右的压缩空气。在无压时，间隙取1.5～2。本设计中主轴密封选用的是水压式端面密封，检修密封为空气围带式检修密封。这两种密封的形式如上图3.8所示。3.4转轮结构设计转轮是水轮机的核心部件，它直接把水流能量转换成机械能，转轮设计的优劣直接影响着水轮机的过流能力、水力效率、空蚀性能、工作稳定性以及水轮机对变工况的适应性，是对设计的最大挑战，同时其加工制造和现场处理工作也很复杂。3.4.1转轮结构形式及材质混流式转轮由上冠、叶片和下环组成。上冠通常装有减少漏水损失的止漏环，减少轴向水推力的减压装置，它的上法兰面与主轴连接，下部接泄水锥。下环上也装有止漏装置。过去，混流式转轮大多用铸钢铸造，现在焊接结构有了很大发展。大型转轮因受制造和运输条件的限制，采用分瓣的组合结构。为了提高强度、抗空蚀性和耐磨性，有的转轮采用了不锈钢材料或低合金高强度钢种。也有采用不锈钢叶片和碳素钢上冠和下环焊接的结构。采用普通碳素钢的转轮，在其容易空蚀和磨损的过流部位，堆焊抗空蚀、抗泥沙磨损的材料。这次设计采用的转轮是由各单个叶片，均带有叶片根部的两瓣上冠及两瓣下环组成。各部件的焊接选用电渣焊，并在现场进行。上冠及下环在制造厂铸造成两瓣并加工好，仅在关键部位留下少量金属在现场组装完成后削除。转轮材质为ZG20MnSi。其尺寸根据已选定的转轮型谱确定。水轮机转速较低，转轮高度与直径之比小于1，只作静平衡试验。上冠转轮上冠形状对效率和最大流量的影响较大，其形状有直线型和上抬曲线型两种。直线型上冠具有较好的加工工艺性，但在大流量时会使效率降低，同时也会使单位流量减小，故现在很少采用。而上抬曲线型上冠，虽然制造加工稍麻烦些，但它使得转轮流道在出口附近的过流面积大大增加，从而有利于提高水轮机的单位流量及水力效率，向上抬的曲线也不能太接近于水平位置，因有可能在小流量范围内上冠区域出现二次回流，所以上冠形状在向上抬处的切线与水轮机中心线的夹角应控制在左右，本次设计中的夹角在左右，增大了过流量，并无破坏上冠的光滑度。同时，保证上冠下部与泄水锥相接处，不产生脱流和撞击，泄水锥与主轴中心夹角控制在左右，每瓣尺寸（）。下环下环形状及下锥角与水轮机的比转速有关。对于低比转速水轮机，下环形状为曲线形，能使水流能平顺的拐弯，曲率半径较大，否则易产生脱流。对于中高比转速的水轮机，下环形状为圆锥或圆柱形，这有助于增加转轮出口的过流断面面积，对提高过流量，降低转轮出口水流速度，改善空化空蚀性能是有利的，但过大的下环锥角，将使下环曲线的曲率增大，脱流损失加大，而导致水力效率下降。叶片根据转轮的比转速，选定转轮叶片数为24个。转轮是水轮机的关键部件，对水轮机的性能影响大，叶片表面光洁度不应低于4，叶片型线要正确，相邻叶片间的开口误差相对于设计值不应大于，周围平均开口误差不大于。3.4.2止漏装置止漏装置的作用是减少机组的容积损失。目前常用的形式有间隙式、迷宫式、梳齿式和阶梯式四种。（1）形式的选择当水头时，混流式转轮一般可采用间隙式或迷宫式止漏环，其中含泥沙较多的电站采用间隙式，清水电站采用迷宫式止漏环。当水头时，采用梳齿式或阶梯式止漏环。止漏环与转轮的连接方式，为考虑拆卸方便，一般在整铸转轮上采用红套固定。分瓣的大型转轮可以在工地组装焊接。止漏环的材料一般采用ZG30或A3钢板，泥沙较多的电站采用不锈钢或其他耐磨钢板。对水质干净，转轮尺寸较小的转轮，也可以直接在上冠下环上车制迷宫槽。刘家峡水电站的最高水头为１２５m，且所在河流泥沙较多，所以选用缝隙式密封止漏环，止漏环分为固定部分和转轮部分，分成多瓣现场安装。固定止漏环有紧密配装的抗磨板，设计允许在万一需要拆卸时无需拆卸水轮机，转轮下环部位的固定止漏环嵌在一个支持环上，支持环也是分成多瓣，固定在底环底部。固定在转轮下环上的止漏环均用不锈钢压环固定，分为多瓣方便拆卸。固定与转动部分的设计间隙略大于4.8mm3.4.3泄水锥结构泄水锥采用A3钢板制造。与上冠的连接方式参考转轮的各典型结构图。本次使用M48螺钉与上冠把合，螺钉数32，并焊接加强，避免运行中脱落。上冠与泄水锥形成光滑的过水面。3.5导叶及附属部件3.5.1导叶导叶的结构与导叶套筒、轴套、密封等形式有关。目前常用的带有套筒、中轴颈采用“L”形密封，下轴颈采用“O”形密封的导叶结构。导叶的材料一般采用ZG30或ZG20MnSi整铸，大型机组中也有采用铸焊结构的。本设计中，活动导叶的材料为ZG20MnSi整铸，同时下轴颈采用“O”形密封圈，中轴颈出采用“L”型密封。导叶相对高度比b0/D1为0.2。为了保证导叶转动灵活，导叶上、中、下三轴颈要同心，径向摆度不大于中轴颈公差的一半，导叶体端面与轴线不垂直度允许误差不超过。导叶过流表面型线要正确，制造中应用样板检查。使用于中、高水头下的导叶，尾部可铺焊不锈钢板，提高抗空蚀能力。使用于水流含泥沙较多的电站，还在导叶头部堆焊抗磨材料。导叶结构图如下图3.3所示：图3.3导叶结构图导叶轴颈尺寸的选择见下表：表3.3轴颈尺寸参数符号数值（mm）参数符号数值（mm）dc210H1147d2220hC385db230h125d1240hB260d5208.5hA190da1903.5.2导叶套筒导叶套筒是固定导叶上中轴套的部件，一般都采用HT21-40铸铁铸造。套筒结构与轴套材质，密封结构和顶盖的高度等有关。目前多采用整体圆筒形式。本设计中的导叶套筒结构如下图3.4所示：图3.4导叶套筒结构图表3.4导叶套筒尺寸参数符号数值（mm）参数符号数值（mm）db230d4250d1560h52d2365h2230d3230H840h31053.5.3导叶轴套及轴颈密封1）导叶轴套导叶轴套过去大多数采用铸锡青铜，加注黄干油润滑。目前已广泛应用具有自润滑性能的工程塑料代替，这样不仅简化结构，而且节省大量有色金属，降低成本。现阶段的实验研究表明，聚甲醛或尼龙1010的吸水性小，尺寸较稳定，比较适合在水轮机导叶、连杆等部位做自润滑轴套的材料。本设计中，采用铸铁HT18-38作套，内表面涂复尼龙1010制成复合轴套。本设计中的导叶轴套结构如下图所示图3.5导叶中轴套结构图图3.6导叶下轴套结构图表3.5导叶中轴套尺寸参数符号数值（mm）参数符号数值（mm）db230h230d1230h140d2250h28d3249.6δ'1d4260表3.6导叶下轴套尺寸参数符号数值（mm）参数符号数值（mm）da190h190d1190h18d2210δ'1d3209.62）导叶轴颈密封图3.7“L”型密封圈图3.8“O”型密封圈导叶中轴颈密封多数装在导叶套筒的下端，目前不少机组中已改用“L”型密封，“L”型密封圈与导叶中轴颈之间靠水压贴紧封水，因此轴套和套筒上开有排水孔，形成压差。实践证明，封水性能很好，结构简单。“L”型密封圈与导叶中轴颈之间靠水压贴近封水，因此轴套和套筒上开有排水孔，形成压差。密封圈与顶盖配合端面，则靠压紧封水，所以套筒与顶盖端面配合尺寸应保证橡胶有一定的压缩量。密封圈的材料采用中硬耐油橡胶，模压成型。“O”型密封圈用于导叶下轴颈，主要是防止泥沙进入，发生轴颈磨损。表3.7中轴颈“L”型密封参数符号数值（mm）参数符号数值（mm）db230R55D237h18d2280δ14R22δ24图3.9导叶中轴颈“L”型密封表3.8下轴颈“O”型密封参数符号数值（mm）db230D190d10图3.10导叶下轴颈“O”型密封3.6环形部件设计导水机构的环形部件有底环、顶盖、支持盖、控制环、轴承支架、推力轴承支架等。它们的受力比较复杂、制造要求较高。3.6.1底环底环是一个扁平的环形部件，固定于基础环之上，设计时主要考虑刚度，一般不作强度计算。大多数底环都采用ZG30铸钢铸造，大型机组中因受运输条件限制，可分为两半或更多分瓣数组合。底环上部过流表面尺寸应符合各型转轮的流道尺寸，形成光滑的过渡面。对于有泥沙磨损的电站，过流表面应采取一定的抗磨措施。目前设计中与导叶相配端面上装有抗磨板，用螺钉固定，圆弧部分则铺焊3毫米厚不锈钢或Cr5Cu钢板条。抗磨板的厚度一般采用16～20毫米，多数采用Q235钢，也有采用Cr5Cu在本次设计中，底环采用分瓣焊接结构，材料选用ZG30铸钢，除此之外，底环上的导叶轴孔应与顶盖同心，装配时，先把顶盖加工好后，按顶盖同划孔线，单独镗孔，满足同心的要求。3.6.2顶盖顶盖和支持盖是水轮机的主要部件，要求有足够的强度和刚度，因此多数设计成箱形结构。此外，还应考虑有一定的空间位置，便于检修。顶盖的材料可以采用铸铁HT210和HT240和铸钢ZG30，近来则广泛用焊接结构。一般混流式水轮机中仅有顶盖，对于本设计中的混流式水轮机水轮机来说，采用的是焊接结构顶盖，材料选用A3钢板。顶盖的设计基本上是一个带很多径向筋板的顶部开敞的止水面板，它由全钢板焊接结构，并且分为4瓣加工。所用钢板厚度为10到15厘米经过加工的顶盖合缝法兰由20个8厘米顶盖外圈的底面铺焊不锈钢护层，分瓣的固定止漏环的装配与转轮上冠相同，其结构与下环止漏环相似。3.6.3控制环控制环是传递接力器作用力，并通过传动机构转动导叶的环形部件，可采用ZG30铸钢铸造，但近来大量采用的是A3钢板焊接结构。大型机组中因受运输条件限制，也可设计成分瓣结构，分瓣面应设计在应力最低部位。本设计中的控制环采用整铸结构。其结构如图3.2所示。图3.2控制环结构图相关数据如下表所示：表3.2控制环尺寸参数符号数值（mm）参数符号数值（mm）Dy4100d2230Dc4000d3460Zo24h90d1240s30h185h2270R353.6.4座环、基础环座环是反击式水轮机的基础部件，除了承受水压力之外，还承受整个机组和机组段混凝土重量，因此要求有足够的强度和刚度。而基础环是混流式水轮机中座环与尾水管进口锥管段相连接的基础部件，埋设二期混凝土内。转轮的下环在其内转动。本次设计中座环和基础环焊接在一起，以起到支撑和连接机组的作用。本次采用的座环形式为与金属蜗壳相连的带蝶形边形式，考虑到改善焊接性能，铸焊结构中、上下环和固定导叶分别铸造后组焊成一体，考虑到改善焊接性能，铸件采用ZG20MnSi铸钢。座环与蜗壳连接处采用对接焊缝。由于蜗壳钢板与蝶形边厚度不一致，会出现接缝处座环侧强度不够的问题，需要采用加强措施，本设计中，采用在蝶形边侧按强度需要适当增加焊缝。座环的固定导叶断面形状、数量和分布位置按水力和强度计算确定。靠近尾部的及个固定导叶设计成空心，作为顶盖自流排水的通道。基础环用钢板焊接而成，分成4瓣加工。上法兰与座环焊接在一起，下法兰直接与尾水管锥管段的里衬焊接。基础环的下法兰面与转轮下环留有一定间隙，作为安放转轮，调整水平用。具体间隙值为径向间隙15mm，轴向间隙453.7水轮机轴承水轮机轴承型式很多，目前比较常用的有水润滑的橡胶轴承；稀油润滑带有转动油盆、斜油槽自循环的筒式轴承和稀油润滑油浸式分块瓦轴承。其他型式轴承如稀油润滑毕托管上油方式轴承，在中小型机组中虽有采用，近期已被斜油槽自循环的筒式轴承所代替。干油润滑轴承国内应用不多。本设计中采用稀油润滑浸式分块瓦轴承。这种轴承运行中采用稀油润滑，轴瓦下部浸入油内。主轴轴领旋转，在油离心力作用下经轴领下部径向孔升入轴瓦，经上部油箱返回连续循环。这种轴承润滑方式受力均匀，有自调能力，轴承的安装，维护都较筒式轴承方便，但刚性略次于筒式轴承，它由8~12块巴氏合金轴瓦组成，用支顶螺丝支撑在轴承体上，平面布置尺寸较大，主轴直径超过1米常用的轴领分三种形式：（1）轴领与两端带法兰的主轴锻成一体，这种结构轴领与轴间空腔的机械加工量大；（2）主轴一端不带法兰，采用热套方式将轴领紧固于轴身上，这种结构多用于伞式机组上；（3）轴领与轴身焊成一段，通常轴领采用与主轴同样材质的铸件或锻件，粗加工后焊于轴身，并经退火处理，消除焊接应力。退火前主轴内孔灌以铸铁铁屑或黄砂，两端封闭，以减少内孔氧化。本设计采用第三种轴领形式，且在轴领下部开有成一定角度或径向的通油孔。当主轴旋转时，此孔起着油泵的作用，将经过冷却器冷却后的润滑油输送到轴瓦面及轴承体空腔内，工作后的热油经轴承体上部油孔和顶部流向冷却器，形成油循环。轴领下部通油孔数目在24~32范围内，孔的直径取24~30mm。挡油箱上部的轴领处，开有数个通气孔，以平衡轴领内外侧压力，防止油和油雾外溢。分块瓦轴承的间隙视机组大小而定，单边间隙通常取0.1~0.25mm。轴领内侧装有挡油箱，保证机组静止时瓦面约有1/3~1/2浸油高度。冷却器布置在油箱底部，设计中把托盘与轴领相配处圆筒适当伸长，挡住一部分回油，改善冷却效果。稀油润滑浸式分块瓦轴承结构如下图3.12所示。图3.12稀油润滑浸式分块瓦轴承3.8真空破坏阀真空破坏阀的作用是：当导水机构紧急事故关闭时，由于水流的惯性和转轮的水泵作用，在导叶后转轮室内可能产生较高真空，引起下游尾水反冲，产生很大的冲击力或出现抬机现象。真空破坏阀就是在紧急关闭导叶时，补入空气，破坏真空，减少上述有害的冲击力或抬机现象，起到一定的保护作用。大中型水轮机中，真空破坏阀均安装在顶盖或支持盖上。本设计中机组的真空破坏阀安装在顶盖内，共设置2只，较靠近机组中心，以提高空气补入速度。其具体结构如图3.13所示。图3.13真空破坏阀**：刘家峡2号机组水轮机结构设计及CFD分析4.传动机构的设计水轮机导水机构的作用，主要是形成和改变进入转轮水流的环量，保证水轮机具有良好的水力特性，调节流量，以改变机组出力，正常与事故停机时，封住水流，停止机组转动。大中型导水机构，按其导叶轴线布置位置可以分为圆柱式、圆锥式、径向式三种形式。其中，圆柱式导水机构导叶轴线布置在圆柱面，这种导水机构制造方便，保证水轮机有足够的效率，因而应用广泛，故本次设计选用该形式的导水机构。导叶传动机构的型式较多，其中常用的两种为叉头传动机构和耳柄传动机构。叉头传动机构受力情况较好，适于大、中型机组采用，耳柄式结构简单，比较适宜在中小型机组中使用。本设计采用叉头式传动机构。叉头传动机构主要由导叶臂、连接板、叉头、叉头销、连接螺杆、螺帽、分半键、剪断销、轴套、端盖和补偿环组成。导叶臂与导叶用分半键连接，直接传递操作力矩。导叶臂上装有端盖，用调节螺钉把导叶悬挂在端盖上。由于采用了分半键，因此在调整导叶体上下端面间隙时，导叶上下移动，而其他传动件位置不受影响。叉头传动机构中，导叶臂与连接板上装有剪断销，如果导叶间因异物卡住，有关传动件的操作力将急剧增大，应力增高到1.5倍时，剪断销首先剪断，保护其他传动件不受损坏。此外，连接板或控制环与叉头连接处，为了使连接螺杆保持水平，可以装补偿环进行调整。连接螺杆两端螺纹分别为左旋和右旋，以便在安装中调整连接螺杆长度和导叶开口。以下为叉头传动机构零件的结构和尺寸。4.1导叶臂图4.4导叶臂根据叉头传动机构装配尺寸从《水轮机设计手册》上166页的表8-27、8-28查出导叶臂及其销孔尺寸如下表4.3、4.4：表4.3导叶臂参数符号数值（mm）参数符号数值（mm）db230H270Dc210L1225D1310e60D2340K10D3310R130D4370340f12d2290260h345dm60lp335d3M24d432表4.4销孔尺寸参数符号数值（mm）参数符号数值（mm）dcn70C12R105h70B260h1904.2连接板图4.5连接板根据叉头传动机构装配尺寸从《水轮机设计手册》上167页的表8—29到表8-30查出连接板尺寸如下表4.5表4.5导叶臂尺寸参数参数符号数值（mm）参数符号数值（mm）D1310R275h70h190R1190lp335Dcn70l1=l2120D2100c11.5d1135Lp+1.7Dcn4544.3叉头图4.6叉头根据连接板d1=M72，从《水轮机设计手册》上167页的表8-31查出叉头尺寸如下表4.6：表4.6叉头尺寸参数符号数值（mm）参数符号数值（mm）d1M90X4L240d2110DL1150d3105DR100d4170r20H240r110h150c12h145S364.4连接螺杆根据连接板d1=M90从《水轮机设计手册》上168页的表8-32查出连接螺杆尺寸如下表4.7：图4.7连接螺杆表4.7连接螺杆尺寸参数符号数值（mm）参数符号数值（mm）d1M90X4b32d2100b18d384r2S85c3l2154.5分半键根据上轴直径dc=210mm，查《水轮机设计手册》上169页的表8-34，选用b型分半键，得分半键尺寸如下表4.8：图4.8分半键表4.8分半键尺寸参数符号数值（mm）参数符号数值（mm）dc210b27.7dm60K5L225c1.5B58b132.9l1285h225l2230h340h10h4104.6剪断销叉头传动机构中，导叶臂和连接板上装有剪断销，如果导叶间因异物卡住，有关传动件的操作力将急剧增大，应力增高的1.5倍时，剪断销首先剪断，保护其他传动件不受损坏。根据连接板Dcn=70mm，从《水轮机设计手册》上170页的表8-35查出剪断销结构及尺寸如下图4.9、表4.9.：图4.9剪断销表4.9剪断销尺寸参数符号数值（mm）参数符号数值（mm）Dcn70r1.5d30h15.5d269h213d375h70d470l66b5L153b144.7叉头销根据叉头传动机构尺寸中dn=90，从《水轮机设计手册》上170页的表8-36查出剪断销机构及尺寸如下图4.10、表4.10图4.10叉头销表4.10叉头销尺寸参数符号数值（mm）参数符号数值（mm）dn90H183d90h210d185b4.5d289R2d381c3h108r2h1404.8叉头销轴套根据连接板d2=100mm，从《水轮机设计手册》上168页的表8-33查出叉头销轴套尺寸如下表4.11：图4.11轴套表4.11轴套尺寸参数符号数值（mm）参数符号数值（mm）dn90h98d2100h18d1105c2.54.9端盖根据轴颈db=250mm，从《水轮机设计手册》上171页的表8-37查出端盖尺寸如下表4.12：其中参数符号意义对应图4.12图4.12端盖表4.12端盖尺寸参数符号数值（mm）参数符号数值（mm）db230h138d1370R105d2212Φ1M36d390Φ226d452Φ364d5260d6130h48本设计的叉头式传动机构结构示意图如图4.13所示。图4.13叉头式转动机构装配要点：检查调整传动机构运转灵活性和各部间隙是否符合图样的要求，主要有导叶上下端面与顶盖底环面的间隙，安装导叶三孔的同轴度，导叶与相邻导叶密封带的间隙，32个导叶的动作协调性和同步性。上下止漏环控制环内径等环件的同轴度等。

5.导叶布置图的绘制5.1绘制导叶布置图的目的1）确定各开度下所需要的接力器行程，从而最终确定各传动机构的尺寸参数。2）确定最大可能开度下的接力器行程，绘制接力器行程与导叶任意开度的关系曲线，并检查导水机构运行时的均衡性（即各曲线是否连续光滑）；3）确定不同导叶开度下的、值，并绘制及曲线。其中，为连杆与控制环小耳孔所在圆周切线方向的夹角，为连杆与导叶拐臂夹角。4）确定控制环大耳孔、小耳孔的相对位置，及相应的推拉杆位置，使得大耳孔在2个极限位置时，推拉杆的偏斜角度为最小。5）确定导叶关闭时，相邻导叶间的密封位置及导叶端面密封条的分布圆直径，或端面密封所需要的最小平面尺寸。7）确定固定导叶的布置位置及进、出口角，设计固定导叶形状。5.2计算真机导叶开度ao（1）由前面的水轮机选型设计时所确定的真机的额定工况点和模型机的最优工况点在模型综合特性曲线上查得模型机最大开度和最优开度，然后换算得到真机开度。水轮机的导叶开度是指从一个导叶的出口边到相邻导叶的最短距离。随着导叶位置的不同，开度是不相同的。在绘制导水机构运动图时，常用到的特征开度值为：1）导叶关闭开度2）最优开度（水轮机在最优工况下的开度）式中：—模型机的导叶最优开度、、—分别为真机的导叶开度、转轮直径、和导叶数目、、—分别为模型机的最优导叶开度、转轮直径、和导叶数目计算得：最优开度3）最大开度（水轮机在额定水头发出额定功率时的水轮机导叶开度）计算得：最大开度4）最大可能开度（导叶所能开的最大开度）取计算得：最大可能开度5）取2个额外特征开度。5.3确定真机导水机构尺寸参数经查阅《水轮机设计手册》后得出：活动导叶分度圆直径Do=5800mm；导叶数Zo=24。5.4确定真机导叶的形状及尺寸从水轮机基本方程可以看出，高比转速的水轮机转轮进口环量小，在保持较优开度的情况下，正曲率的导叶有使环量减小的效果，故高比转速水轮机可采用正曲率(非对称型)的导叶。因为该电站的较低，转轮进口环量要求较小，使得导叶水流角大，小开度时有负冲角的出现，此时选用正曲率导叶具有较小的阻力系数，损失较小。本次导叶翼型选用正曲率的翼型。因水轮机转轮直径D1=5200mm，故在《水轮机设计手册》非对称导叶叶形断面尺寸系列表中查出相关正曲率导叶尺寸作为参考，其特征尺寸及形状如4.1所示。图4.1非对称导叶（正曲率）表4.1相关参数值参数符号数值（mm）参数符号数值（mm）D15200do146.2Do5800m67.8Zo24m153.5a100.5K8.2a125.9f42.8b102.6r54.6b145.6R1171c101.4R2147c161.9R3340d93.4L1430d170.1L2387e84.2L817e174.8q25t105.5绘制导叶布置图及其参数曲线图在绘制导叶布置图中，所用到的参数如下：导叶分布圆直径Do=5800mm；连接板长度LH=670mm；连杆长度LC=527mm，大耳柄控制环圆直径Dy=4100mm；小耳柄控制环圆直径Dc=4000mm。1）确定β与γ值将导叶置于全关位置状态，此时要求，，否则可适当调整连杆与拐臂的长度，在全关时，拐臂中心线与圆周切线夹角为，从而可确定出初始位置。2）确定大、小耳孔的位置及接力器行程由上面的数据画出导水机构运动图，图中共取六个导叶开度，当导叶位于某一个开度时，量取此时的导叶臂与连杆的夹角的值和连杆与控制环小耳孔圆周切线的夹角的值，连杆与圆周的交点即为小耳孔位置，然后以圆心为起点作过小耳孔的直线与圆周的交点即为相应的大耳孔的位置。以导叶全关时大耳孔的位置为起点到各开度下大耳孔的位置的距离就是大耳孔的行程，如图4.2所示。图4.2导水机构角度关系图在导水机构运动图中量取各个开度下的导叶运动关系值，根据所量取的参数值，分别作三条曲线、、曲线，然后再检查所做曲线的光滑性，以检查导水机构运行时的均衡性，数据记录在表4.2中并作曲线图，如图4.3所示。表4.2导叶运动关系值（mm）0100200288.04369.57388.050186.73317.73424.05533.59564.727050373024221059897100105107图4.3接力器行程与导叶开度及转角关系曲线6.单周期导叶内部流动CFD分析6.1单周期导叶计算域本设计选用正曲率导叶翼型，将所选翼型按比例放大至实际尺寸，在MDT中将平面翼型拉伸，与进出口环面、顶盖、底环等组成单导叶计算域，如下图所示，并将几何模型以igs格式输出保存。图6-1单周期导叶计算域6.2网格划分将模型igs导入ICEM网划分软件，由于计算域几何规则，故采用六面体结构化网格对计算域进行离散划分，网格节点数3.6万，调整网格质量，最小角度达25度以上，总体网格质量4.0.输出cfx5格式的网格文件。图6-2单导叶网格划分6.3单周期导叶CFX计算6.3.1cfx-pre前处理在cfx前处理中导入网格文件，建立“gv”计算域，并对进出口、壁面等设置边界条件如下：进口：质量流量，10.8kg/s出口：静压，0pa边壁：无滑移壁面条件，标准壁面函数图6-3计算域边界设置6.3.2求解cfxsolver求解器对设置好的计算域完成计算，计算残差达到0.00001一下，结果收敛，得到.res.结果文件。6.3.3后处理结果提取在cfxpost中提取流动域的流线、压力分布等对计算结果进行分析6-4单导叶域流线分布上图可以看出，整个计算区域流线分布均匀流畅，在最优工况无漩涡乱流等，流速从进口到出口对过流断面面积的减小而增加。图6-4导叶（a）背面压力（b）正面压力6-5导叶正背面压力分布从图6-5可以看出，叶片正背面压力分布均匀，正面压力明显高于背面压力，背面靠近头部位置压力较低。图6-650%叶高上压力分布图6-6可以看出，所计算工况的压力最高点靠近导叶头部，图中红色高压点对应为驻点位置，速度接近0。7.总结本次设计任务为刘家峡2号机水轮机结构设计和CFD分析，历时4个月，基本路线为：总装配图—导叶布置图—导水机构装配图—控制环零件图—单周期导叶内部流动的CFD分析。在这次设计中，我的收获颇丰，由零散的知识由点及面，逐步摸索和翻书查资料，到形成一个完整的知识体系和结构大纲。首先通过查阅相关资料，了解自己所要设计的水轮机的相关内容，然后通过一步步的设计，了解到对于一个水轮机来说，各个部件的设计目的和功用，然后达到对四年所学知识的融会贯通。这个过程中虽有很多不懂的地方，但通过向廖老师和师兄师姐询问，答疑解惑，加上自己的一点点查阅相关资料和思考，更多的是学到了很多课本上没有的知识经验和对待设计工作的严谨的学习态度。这对我以后进一步的设计学习工作起到了很重要的作用。在CFD软件学习过程中，我通过对单周期导叶内部流动的CFD分析，了解了从建模到网格划分再到CFX前处理、计算和结果提取的整个过程，最然中途碰到许多困难，甚至有一度停滞不前，但幸而有老师的督促指导和师兄师姐的细心辅导，使得我最终得以顺利完成CFD软件的初步学习。从这件事情上，我学到了对待学习生活应有的正确态度，“面对它，正视它，然后解决它”，相信在以后的学习中我会再接再厉，虚心请教，争取更大的进步。**：刘家峡2号机组水轮机结构设计及CFD分析致谢首先非常感谢本次设计过程中*老师和师兄师姐对我的诸多帮助！没有老师的悉心教导和师兄师姐的辅导解惑，我想本次的设计很难如此得以顺利完成。这次毕业设计让我学到了很多，受益匪浅，也看到了更多自身的不足。有知识方面的，也有生活态度方面的，但看到问题，正视问题，然后改正问题，正是老师和大学四年的学习经历教导我们的。我也会遵循这一原则，提高自身，更加端正自己的学习态度，形成良好的学习习惯，在学习和生活方面都更上一层楼。与此同时，本次任务中对设计的严谨，也让我对设计工作有一种油然而生的尊敬感。对待一份工作，尤其是设计的作品是要经得起“雨打风吹”的考验，更加为自己的工作感到自豪，也更加不敢懈怠。这是一个成长的过程，从刚入学对本专业的皮毛了解到一点一滴的知识融会贯通，经过四年最后再到最后的毕业设计，整个知识结构的建立，终于全面了解学的东西，也更加明白要学的还有很多很多。相信在以后的学习工作中，我也会带着这份心存尊敬和严谨作风去面对困难，解决困难，做好每一件事情。同时感谢大学四年每一位谆谆教导我的老师和给予我帮助陪伴我成长的每位同学，谢谢你们，也谢谢自己为四年的大学生活画上一个完美的句号！

参考文献[1]刘大恺.水轮机(第三版).中国水利水电出版社,1996[2]哈尔滨大电机研究所.水轮机设计手册（第一部分）.北京:机械工业出版社,1975[3]张克危.流体机械原理(上册).北京:机械工业出版社,2000[4]刘光宁.我国水轮机技术发展的现状与趋势.《动力工程》第13卷第1期,1993[5]谭叔楠，张沪俊.水轮机结构的发展.《东方电机》第2期，1998[6]天津电气传动设计研究所.水轮机结构图册.北京:科学出版社,1978[7]ExperimentalinvestigationofaddedmasseffectsonaFrancisturbinerunnerinstillwater.C.G.Rodrigueza,E.Egusquizaa,_,X.Escalera,Q.W.Lianga,F.Avellanb[8]InteractionofapulsatingvortexropewiththelocalvelocityfieldinaFrancisturbinedrafttube.AMüller,ABullani,MDreyer,SRoth,AFavrel,CLandryandFAvellan[9]AllignéS2011ForcedandSelf-oscillationsofHydraulicSystemsinducedbyCavitationVortexRopeofFrancisTurbinesPhDThesis(Switzerland:EPFL)[10]AllignéS,MaruzewskiP,DinhT,WangB,FedorovA,IosfinJandAvellanF2010PredictionofaFrancisturbineprototypefullloadinstabilityfrominvestigationsonareducedscalemodelProc.ofthe25thIAHRSymp.onhydr.MachineryandSystems(Timisoara,RomaniaTOC\o"1-2"\h\z\u66441.概述 2310191.1项目名称 28181.2项目建设单位 3177371.3项目性质 363851.4项目产生背景 3248041.5建设地点 4200261.6工期 5196711.7项目内容与规模 5313751.8项目主要技术经济指标 5154692.编制原则及依据 6324332.1编制原则 695902.2编制范围 763712.3编制依据 8138493.项目现状与必要性分析 9112513.1项目所在地社会经济发展概况 915713.2项目现状 1460903.3项目建设必要性分析 15184024.项目选址及合理性分析 17305574.1项目选址 1773804.2选址合理性分析 18305075.项目建设方案 1952835.1建设依据 19206575.2设计规范要求 20208195.3建设内容 2467805.4建筑结构设计 24249685.5建筑电气设计 26229725.6弱电系统设计 27108276.投资估算与资金筹措 29270166.1编制依据 29173466.2建设内容 30115746.3总投资估算 3022116.4资金筹措 31282717.项目实施方案 P