切擊式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的三維模型建立

許晉邦

摘 要：切擊式水輪機(jī)是利用水流的動(dòng)能改變做功的水輪機(jī)，其工作射流中心線與轉(zhuǎn)輪節(jié)圓相切，故名切擊式水輪機(jī)。轉(zhuǎn)輪是水輪機(jī)能量轉(zhuǎn)換的核心，高落差水流在過轉(zhuǎn)輪水斗表面時(shí)將能量傳遞給水斗，進(jìn)而推動(dòng)轉(zhuǎn)輪，水斗的表面形狀、背面形狀、切口形狀是十分重要的，它們將影響水輪機(jī)的出力和效率。與傳統(tǒng)水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪設(shè)計(jì)不同，文章利用uG等軟件進(jìn)行轉(zhuǎn)輪的三維模型的建立。

關(guān)鍵詞：切擊式水輪機(jī)；水斗形狀；轉(zhuǎn)輪的三維模型建立

引言

近年，我國的水能資源開發(fā)已由過去的模式進(jìn)入向低水頭小容量和高水頭大容量發(fā)展階段。隨著工業(yè)水平與國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我們對水能清潔能源的需求越來越高，中、低水頭的水力資源已經(jīng)得到廣泛開發(fā)且趨于飽和。而剩余的大量水力資源多是處于交通不便的山區(qū)中的高水頭大容量水利資源。切擊式水輪機(jī)主要應(yīng)用在種工況下，其結(jié)構(gòu)簡單、適用水頭高、轉(zhuǎn)輪直徑小、效率高、對流量變化不敏感、在較大的流量出力范圍內(nèi)具有較高的效率?？蓮V泛應(yīng)用在河川上游、山區(qū)等高水頭地區(qū)，如今我國大力提倡西部大開發(fā)，水電開發(fā)是西部大開發(fā)的重點(diǎn)，對在西部應(yīng)用廣泛的切擊式水輪機(jī)進(jìn)行研究是很必要的。

1 UG軟件概述

UG即計(jì)算機(jī)輔助制造與交互式計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAM/CAD） 軟件，采用基于約束的傳統(tǒng)幾何建模和特征建模一體的復(fù)合建模技術(shù)，可很容易的實(shí)現(xiàn)各類型的復(fù)雜實(shí)體及各種造型的建構(gòu)。UG數(shù)學(xué)方面的基礎(chǔ)是NURBS、B樣條、Bezier曲線曲面，并保留了解析幾何實(shí)體上的建模方法，其造型能力很強(qiáng)。它的曲面建模過程完全集成在實(shí)體建模上，大部分曲面建模操作可直接修改或產(chǎn)生實(shí)體模型，實(shí)體、曲面殼體與定義它們的幾何體完全相關(guān)?？瑟?dú)立生成自由形狀形體，以備實(shí)體設(shè)計(jì)時(shí)使用。UG軟件實(shí)現(xiàn)了體與面非常完美精準(zhǔn)的集成，可在實(shí)體上縫合無厚度曲面殼，總得來說，UG強(qiáng)大的實(shí)體化曲面處理能力是其重要優(yōu)勢和特征。

2 三維模型建立的基本思想

當(dāng)我們?yōu)閺?fù)雜實(shí)體造型時(shí)，一般采用的方法是“片體縫合法”，這是一種用大量的面去包裹來形成框架實(shí)體的方法，完成面包裹后還需通過UG軟件里的命令縫合成實(shí)體。要完成模型建立首先是需要根據(jù)經(jīng)驗(yàn)與研究掌握對象的各種信息，把復(fù)雜實(shí)體分解為幾部分，要求好造型，并且用的面盡量不要太多。若包裹面在經(jīng)過分面后仍然十分繁復(fù)，應(yīng)進(jìn)一步將其再分成幾個(gè)相對容易造型的面，直到包裹面十分簡潔優(yōu)美，然后我們對包裹面來分別進(jìn)行造型，接這時(shí)需要檢查各個(gè)造型面的縫合、相交狀況，用UG的剪切命令切去造型上多余的面。接著檢查各面的光滑性，看其分面曲率的一致性是否符合要求，能否做到光滑連接。最后我們在一定的公差下把各個(gè)面縫合連接在一起，形成我們需要的實(shí)體，完成復(fù)雜實(shí)體造型。

3 轉(zhuǎn)輪的三維造型過程

3.1 單個(gè)水斗三維造型

切擊式水輪機(jī)與其他水輪機(jī)不同，它的轉(zhuǎn)輪并不包含葉片而是以很多狀完全相同的水斗等角度排列來組成的，我們在建立切擊式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪模型時(shí)就可以只先建立一個(gè)斗葉的三維模型，再將建成的這個(gè)斗葉模型用UG軟件命名旋轉(zhuǎn)，這樣我們就能得到轉(zhuǎn)輪的三維模擬圖。

在笛卡爾坐標(biāo)系中，我們一旦確定了斗葉表面上控制點(diǎn)的具體三維坐標(biāo)，就可以繪出斗葉的三維圖形。在木模圖中，曲面的X、Y、Z坐標(biāo)分別由軸面視圖及等高線給出，前者為我們提供了具體柱坐標(biāo)，后者則提供了X、Y坐標(biāo)，將二維圖形轉(zhuǎn)換到三維圖形，就是把兩個(gè)視圖中同一個(gè)曲線上的X、Y、Z坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到一起。

對于橫縱斷面線的定位，我們是利用AUTOCAD軟件等平面軟件完成切擊式式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪木模圖的繪制的。利用AUTOCAD來分解出縱截面線與橫截面線。橫縱截面線的分解圖坐標(biāo)全部設(shè)為同樣的一個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)并把這個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)設(shè)置到原點(diǎn)。再通過UG的導(dǎo)入命令導(dǎo)入格式成DXF/DWG格式，然后通過平移、旋轉(zhuǎn)等變換命令，把橫縱斷面線放到相對應(yīng)的等高切面線上。

對于工作面與背面的造型，首先將刃口封閉，通過對比平面以及軸面視圖，先繪制出斗葉中的水碗部分，通過UG中網(wǎng)格曲線命令通過曲線組構(gòu)建出整個(gè)的工作面與背面。在曲面生成的過程中，斗葉出水邊、背面缺口、正面根部、根部曲率的變化都非常大，在曲面造型過程中會(huì)發(fā)生畸變，為了應(yīng)對這種情況我們應(yīng)采用UG命令中的裁減片體命令剪掉多余部分。對于那些生成曲面嚴(yán)重失真的面或者那些曲率變化過大的面，我們需要繼續(xù)把這種面切分成幾個(gè)小面再進(jìn)行分別的造型。將各個(gè)縫合面縫合成切擊式水輪機(jī)水斗實(shí)體時(shí)，應(yīng)注意在使用FLUENT等分析軟件時(shí)要求縫合公差不可大于0.001mm。不然當(dāng)我們將造型導(dǎo)入分析軟件時(shí)，該造型會(huì)無法識(shí)別成實(shí)體。

3.2 轉(zhuǎn)輪的三維造型

最后是構(gòu)造出切擊式水輪機(jī)的轉(zhuǎn)輪實(shí)體，我們將水斗實(shí)體模型以輪轂中心線為中心進(jìn)行截面線應(yīng)用旋轉(zhuǎn)命令形成陣列得到所需水斗的斗葉，對水輪機(jī)輪轂和斗葉進(jìn)行布爾運(yùn)算求解出和，就這樣我們得了切擊式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪體。

4 結(jié)束語

現(xiàn)在我國切擊式水輪機(jī)的應(yīng)用儲(chǔ)能非常之大，但是開發(fā)量比例甚少。我國是電力生產(chǎn)、裝備及流體機(jī)械設(shè)備使用大國，又是輸出大國，但在電力、流體機(jī)械相關(guān)行業(yè)的技術(shù)創(chuàng)新能力還不是的特別高，產(chǎn)品附加值低，缺乏核心競爭力。開發(fā)中國設(shè)計(jì)的有自主產(chǎn)權(quán)的切擊式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪，有著無比廣闊的工程應(yīng)用前景和十分巨大的產(chǎn)業(yè)化價(jià)值。

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