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 *：刘家峡 2 号机组水轮机结构设计及 CFD 分析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
2、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2013 届热能与动力工程专业毕业设计（论文）The Structural turbine Design of #2 in Li
3、ujiaxia Hydropower Station and the analysis of CFDABSTRACTThe content 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 o
4、bject.The process of design is to design parts of the turbine through 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
5、 as the spiral case and the draft tube of hydraulic design, the guide 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 firs
6、t part is the basic data based on the given basic parameter of the 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
7、 CFD analysis to study the basin as a point of velocity, pressure and flow distribution.The AutoCAD and CFD is adopted to draw for the design. *：刘家峡 2 号机组水轮机结构设计及 CFD 分析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
8、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
9、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 100 km，是我国自己调试管理的第一座百万2013 届热能与动力工
10、程专业毕业设计（论文）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。*：刘家峡 2 号机组水轮机结构设计及 CFD 分析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)LJ550额定转速：125r/min水轮机设计流量：259 m 3/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
11、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01HL速 n11o=68r/min, 对应的模型效率 =0.894，暂取效率修正值 ，M3%则额定工况的原型水轮机的效率 。924.0.894.02.2.2 确定转轮直径转轮直径计算公式为：D 1= 3219.8rPQH式中： P 水轮机的额定出力，225000kW；2013 届热能与动力工程专业毕业设计（论文）模型最优工况点单位流量，0.8m 3/s。1rQ代入数据，得 =5.186m。1D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
12、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。1D2.2.3 效率及单位参数修正值效率修正值 )1)(321MMAX式中： 89.0模 型 机 最 优 效 率 ，MAXD1M 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 ，om换成真机最优工况效率 。max对混流式水轮机，按 Moody 公式换算。即:= ax151()moD计算得： =0.894 =M)(3251MMAX= 0.028)2.54601)(89.(3292.08.9.M即限制工况原型水轮机效率为 0.922*：刘家峡 2 号机组水轮机结构设计及 CFD 分析2.2.4 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 = 68 r/minHa = = = 115.8 m 95.0Hr.1in/7.1402.5861 rDnar 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： 21rrrQDH计算得： Qr = Q11r D12 = 0.85.22 = 227 m3/s10
