西华大学上机实验报告一、实验目的本次实验是在学习了流体机械结构及强度设计中的金属蜗壳断面断面强度计算课程之后，通过编程上机，对给定机组参数进行金属蜗壳各断面强度的计算，并根据计算结果绘制应力与断面关系图，以掌握金属蜗壳强度设计的方法。

二、实验内容通过VB编程计算各断面几何尺寸。

对蜗壳进行水力计算，按Cu*r=const，就是在给定设计水头，设计流量，导水相对高度及座环尺寸的条件下，确定蜗壳各断面的形状和尺寸，并根据所得尺寸对各断面的强度进行计算，列出各断面的各应力表。

以便为实际的生产和制造提供相应依据。

三、实验环境与工具本次实验是在Windows XP 上进行的实验。

并运用了VB和CAD进行辅助计算和设计，以及运用office 2003对相关文字进行处理。

四、实验过程或实验数据由已知条件（设计水头，设计流量，导水相对高度及座环尺寸），先计算出进口断面参数，再根据这些参数，对各断面的强度进行计算，最后再绘制出应力与断面关系图。

金属蜗壳强度计算步骤1 、设计参数：水轮机型号HL240/D41-LJ-410转轮直径D1=4100 mm， =2 cm ，最大水头 H max=92 m错误!未指定书签。

设计水头Hr = 74 m ，设计流量Qv=154 m3/s ，导叶相对高度b1=0.252 、确定蜗壳包角Φ0及蜗壳进口断面的平均流速Co：Φ0=345o Co=k*(Hr)^(1/2) k=0.9--0.953 、根据座环尺寸系列表确定连接尺寸：由D1、Hr可查表得到：Da、Db、K、RRa =Da/2RA =Ra+kB0=b+(10--20)mmb=b1*D1h1=R*(1-cos(α))h=h1+B/2b1=0.254 、蜗壳进口断面参数计算：C0、ρ、a、Rρ0= ((345 * Qv) / (360 * 3.141592 * C)) ^ (1 / 2)a0=Ra+X= RA+ (ρ^ 2 - h ^ 2) ^ (1 / 2)R0=a+ρ5 、求蜗壳常数C：C= 345 / (a0 - (a^ 2 -ρ^ 2) ^ (1 / 2))6 、求临界包角Φs(ρ=s):Φs = C* (RA+ Tan(a) * h - (RA^ 2 + 2 * RA* Tan(a) * h - h ^ 2) ^ (1 / 2))7、当Φi >Φs时为圆断面Xi =Φi/c+(2*RA*Φi/c-h^2)^(1/2)ρi=(Xi^2+H^2)^(1/2)ai =RA+XiRi =ai+ρi8 、对各圆断面的强度进行计算yl1 = (P * ρi * (1 + ai / 330)) / (2 * 2.1)子午向应力yl2 = P * ρi / (2 * 2.1)环向应力fj = ((0.635 - 0.272 * ai / RA) * ρi * 100 * yl0) / 10000附加应力zyl = yl1 + Abs(fj) 总应力9 、当Φi <Φs时为椭圆断面ρi =(Φi/c)*((cot(α)^2+2*rB/(Φi/c))^(1/2)+1/(sin(α)))L=h/sin(α)ρ2i=(1.045*( *ρi^2+1.428(R a-r B)^2+0.81*L^2)^(1/2)-1.345Lρ1i =L+ρi2-ρi2*cot(α)ai =rB+ρ2i/sin(α)Ri =ai+ρ1iai ′=ai+(ρ1i-ρ2i)*cos(α)10 、对各椭圆断面的强度进行计算yl11 = (P * (1 + ai / 330) * (ρ1 ^ 4 + (330 - ai) ^ 2 * (ρ1 ^ 2 - ρ2 ^ 2)) ^ 0.5) / (4.2 * ρ2)子午向应力yl21 = (P / (2 * ρ2 * 2.1)) * (ρ1 ^ 4 + 2 * 330 * (330 - ai) * (ρ1 ^ 2 - ρ2 ^ 2)) / (ρ1 ^ 4 + (330 - ai) ^ 2 * (ρ1 ^ 2 - ρ2 ^ 2)) ^ 0.5环向应力fj = ((0.635 - 0.272 * ai / RA) * ρi * 100 * yl0) / 10000附加应力zyl = yl1 + Abs(fj) 总应力11 、根据公式计算出蜗壳各断面的尺寸,再进一步计算各断面的强度。

12 、根据各断面的强度绘出水轮机蜗壳强度与断面的关系如下图1。

金属蜗壳强度计算程序Option ExplicitPrivate Sub Form_Click()Dim D1!, Hr!, Qv!, b!, Ra1!, rb!, a#, k#, r#, C0#, KK#, RA#, h!, B0!, h1!, ρ0!, a0#, R0#, C#Dim i!, k1!, t!, xi!, ρi!, ai!, ri!, rb1!, f!, e!, s!, j!, ρ1!, ρ2!, z!, yl1!, yl2!, P!, yl0!, fj!, zyl!Dim yl11!, yl12!, yl21!, yl22!，hmax!D1 = 4.1: Hr = 74: Qv = 154: b = 0.25 :Hmax=92Ra1 = 3.15: rb = 2.725: k = 0.15: r = 0.35: P = 1.015C0 = 0.92 * (Hr ^ (1 / 2)) : RA = Ra1 + k : a = 55 * 3.141592 / 180B0 = b * D1 + 0.01 : h1 = r * (1 - Cos(a)) : h = h1 + B0 / 2ρ0 = ((345 * Qv) / (360 * 3.141592 * C0)) ^ (1 / 2) : a0 = RA + (ρ0 ^ 2 - h ^ 2) ^ (1 / 2) : R0 = a0 + ρ0C = 345 / (a0 - (a0 ^ 2 - ρ0 ^ 2) ^ (1 / 2))KK = C * (RA + Tan(a) * h - (RA ^ 2 + 2 * RA * Tan(a) * h - h ^ 2) ^ (1 / 2))yl0 = P / 2.1Print "角度", " 子午向应力", " 环向应力", " 附加应力", " 总应力"For i = 345 To 15 Step -15k1 = i / CIf i >= KK Thent = (2 * RA * k1 - h ^ 2) ^ (1 / 2)xi = k1 + tρi = ((xi ^ 2 + h ^ 2) ^ (1 / 2)) * 100ai = (RA + xi) * 100ri = (ai + ρi)yl1 = (P * ρi * (1 + ai / 330)) / (2 * 2.1)子午向应力yl2 = P * ρi / (2 * 2.1)环向应力fj = ((0.635 - 0.272 * ai / RA) * ρi * 100 * yl0) / 10000附加应力zyl = yl1 + Abs(fj) 总应力Print i, yl1, yl2, fj, zylPrintElserb1 = RA - h / Tan(a)f = k1 * ((0.49 + 2 * rb1 / k1) ^ (1 / 2) + 1.221)e = 3.141592 *f ^ 2 : s = 1.428 * (Ra1 - rb1) ^ 2j = 1.045 * (e + s) : z = 0.81 * (1.221 * h) ^ 2ρ2 = ((j + z) ^ (1 / 2) - 1.345 * 1.221 * h) * 100ρ1 = (1.221 * h * 100 + 0.3 * ρ2)ai = (rb1 * 100 + 1.221 * ρ2)ri = (ai + ρ1)yl11 = (P * (1 + ai / 330) * (ρ1 ^ 4 + (330 - ai) ^ 2 * (ρ1 ^ 2 - ρ2 ^ 2)) ^ 0.5) / (4.2 * ρ2)yl12 = (P * (1 + ai / 330) * (ρ1 ^ 4 + (ρ2) ^ 2 * (ρ1 ^ 2 - ρ2 ^ 2)) ^ 0.5) / (4.2 * ρ2)yl1 = yl12yl21 = (P / (2 * ρ2 * 2.1)) * (ρ1 ^ 4 + 2 * 330 * (330 - ai) * (ρ1 ^ 2 - ρ2 ^ 2)) / (ρ1 ^ 4 + (330 - ai) ^ 2 * (ρ1 ^ 2 - ρ2 ^ 2)) ^ 0.5yl22 = (P / (2 * ρ2 * 2.1)) * (ρ1 ^ 4 + 2 * 330 * (ρ2) * (ρ1 ^ 2 - ρ2 ^ 2)) / (ρ1 ^ 4 + (ρ2) ^ 2 * (ρ1 ^ 2 - ρ2 ^ 2)) ^ 0.5yl2 = yl22If yl11 > yl12 Then yl1 = yl11 子午向应力If yl21 > yl22 Then yl2 = yl21 环向应力fj = ((0.635 - 0.272 * ai / RA) * ρi * 100 * yl0) / 10000附加应力zyl = yl1 + Abs(fj) 总应力Print i, yl1, yl2, Abs(fj), zylPrintEnd IfNext iEnd Sub金属蜗壳相关设计数据统计转轮型号：HL240/D40-LJ-410 D1=4100 Qv=154 m3/s Hr=74 m查表得：Da =6300 Db=5450 K=150 Hmax=92 m导叶相对高度：0.25 流速系数k=0.92包角差：15°金属蜗壳系数：c=623.856座环进口圆周直径（查表）：R=350 进口断面半径：ρ=2436座环蝶形边半径：RA=3300 蝶形边长度：L=814圆形断面过渡到椭圆断面的临界包角：101.19°蜗壳断面的外圆半径：R=8079蜗壳中心线到主轴中心线的距离：a=5643 蝶形边锥角：55°蝶形边至导水机构水平中心线高度：h=667 蜗壳钢板厚度 =2 cm错误!未指定书签。

(应力单位为：MPa)五、总结通过此次上机实验，使我进一步理解和掌握了金属蜗壳的计算机辅助设计方法,并在此基础上对蜗壳各断面的应力进行计算，以确定个断面的最佳厚度。