刘家峡2号机组水轮机_结构设计与cfd分析_本科毕业设计(编辑修改稿)

刘家峡2号机组水轮机_结构设计与cfd分析_本科毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

所示： **：刘家峡 2号机组水轮机结构设计及 CFD 分析 图 导叶结构图 导叶轴颈尺寸的选择见下表： 表 轴颈尺寸 参数符号 数值（ mm） 参数符号 数值（ mm） dc 210 H 1147 d2 220 hC 385 db 230 h1 25 d1 240 hB 260 d5 hA 190 da 190 20xx 届热能与动力工程专业毕业设计（论文） 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 HT2140 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 所示： 图 导叶套筒结构图 表 导叶套筒尺寸 参数符号 数值（ mm） 参数符号 数值（ mm） db 230 d4 250 d1 560 h 52 d2 365 h2 230 d3 230 H 840 h3 105 **：刘家峡 2号机组水轮机结构设计及 CFD 分析 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 HT1838 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 导叶中轴套结构图 图 导叶下轴套结构图 表 导叶中轴套尺寸 参数符号 数值（ mm） 参数符号 数值（ mm） db 230 h 230 d1 230 h1 40 d2 250 h2 8 d3 δ 39。 1 d4 260 20xx 届热能与动力工程专业毕业设计（论文） 表 导叶下轴套尺寸 参数符号 数值（ mm） 参数符号 数值（ mm） da 190 h 190 d1 190 h1 8 d2 210 δ 39。 1 d3 2） 导叶轴颈密封 图 “ L”型密封圈 图 “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。 **：刘家峡 2号机组水轮机结构设计及 CFD 分析 表 中轴颈 “L”型密封 参数符号 数值（ mm） 参数符号 数值（ mm） db 230 R5 5 D 237 h 18 d2 280 δ1 4 R2 2 δ 2 4 图 导叶中轴颈 “L”型 密封 表 下轴颈 “O”型密封 图 导叶下轴颈 “ O” 型 密封 参数符号 数值（ mm） db 230 D 190 d 10 20xx 届热能与动力工程专业毕业设计（论文） 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。 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 钢板的，其工艺较困难，有的机组中试用了尼龙抗磨板，工艺性较好。 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。 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**：刘家峡 2号机组水轮机结构设计及 CFD 分析 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 厘米不等。 经过加工的顶盖合缝法兰由 20 个 8 厘米直径的螺栓组合在一起，有锥形销在组装时定位。 在顶盖顶部有一组装好的平板用以支持主轴密封箱，顶盖顶部有加工出的环形槽用以安放控制环，顶盖的外圈部分实际上是箱型截面，其上下两个板面均有镗孔，用以安装导叶套筒与轴套，镗孔间距要与底环配合。 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。 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。 图 控制环结构图 相关数据如下表所示： 20xx 届热能与动力工程专业毕业设计（论文） 表 控制环尺寸 参数符号 数值（ mm） 参数符号 数值（ mm） Dy 4100 d2 230 Dc 4000 d3 460 Zo 24 h 90 d1 240 s 30 h1 85 h2 270 R 35 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 45mm。 **：刘家峡 2号机组水轮机结构设计及 CFD 分析 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 米优先采用。 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 ~。 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 所示。 20xx 届热能与动力工程专业毕业设计（论文） 图 稀油润滑浸式分块瓦轴承 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 所示。 图 真空破坏阀**：刘家峡 2号机组水轮机结构设计 及 CFD 分析。