基于參數(shù)化技術(shù)的中、小型水輪機(jī)設(shè)計(jì)

劉敬花，胡桂川

LIU Jing-hua, HU Gui-chuan

（重慶科技學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，重慶 401331）

0 引言

水輪機(jī)是水電站關(guān)鍵設(shè)備，將水流能量轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。由于各個(gè)電站的水頭、流量等水力參數(shù)，泥沙含量等水質(zhì)參數(shù)不同，采取的機(jī)組類型和結(jié)構(gòu)形式不同，必須根據(jù)各種參數(shù)的要求，進(jìn)行機(jī)組設(shè)計(jì)并組織生產(chǎn)。

水輪機(jī)設(shè)計(jì)包括水輪機(jī)的水力設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)兩大部分。中、小型水輪機(jī)的水力設(shè)計(jì)主要選擇比轉(zhuǎn)速相同在模型轉(zhuǎn)輪，不單獨(dú)進(jìn)行針對(duì)該電站的水力參數(shù)進(jìn)行水力設(shè)計(jì)，本文討論的設(shè)計(jì)是針對(duì)水輪機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。水輪機(jī)設(shè)計(jì)主要參考已經(jīng)投入運(yùn)行的機(jī)組進(jìn)行繼承式設(shè)計(jì)，真正的全新結(jié)構(gòu)很少。為了降低成本，縮短機(jī)組設(shè)計(jì)周期，各生產(chǎn)企業(yè)都在探索水輪機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)化、通用化、系列化工作，但由于機(jī)組結(jié)構(gòu)復(fù)雜，各零部件間結(jié)構(gòu)尺寸相互影響，難以一應(yīng)懼全，難度很大本文擬就利用參數(shù)化技術(shù)建立中、小型混流式水輪機(jī)設(shè)計(jì)進(jìn)行探索。

1 水輪機(jī)零部件的參數(shù)化設(shè)計(jì)

參數(shù)化設(shè)計(jì)是指設(shè)計(jì)對(duì)象的結(jié)構(gòu)形狀比較定型，可以用一組參數(shù)來約定尺寸關(guān)系，參數(shù)與設(shè)計(jì)對(duì)象的控制尺寸是顯式的對(duì)應(yīng)，參數(shù)驅(qū)動(dòng)圖形修改，通過尺寸驅(qū)動(dòng)來修改設(shè)計(jì)結(jié)果，圖形改變時(shí)尺寸發(fā)生改變。

1.1 實(shí)體分解思想的復(fù)雜零件參數(shù)化設(shè)計(jì)

水輪機(jī)零部件結(jié)構(gòu)形式多樣、復(fù)雜，很難用一個(gè)模型來概括所有的結(jié)構(gòu)形式。利用模型分解思想將復(fù)雜零部件間約束關(guān)系進(jìn)行分解，將所有控制水輪機(jī)結(jié)構(gòu)的參數(shù)分為內(nèi)部參數(shù)(單個(gè)特征的參數(shù)化)和關(guān)聯(lián)參數(shù)(特征之間的約束參數(shù)化)。內(nèi)部參數(shù)是指零件中與上一級(jí)模型無關(guān)的參數(shù)，不存在零件間的關(guān)聯(lián)；關(guān)聯(lián)參數(shù)是指構(gòu)成某一級(jí)拼裝模型的若干零部件間與拼裝相關(guān)的參數(shù)，這些參數(shù)必須進(jìn)行關(guān)聯(lián)。

在進(jìn)行水輪機(jī)復(fù)雜零部件參數(shù)化設(shè)計(jì)時(shí)，首先將復(fù)雜零部件分解，其次引入模塊拼合關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)復(fù)雜三維零部件實(shí)體模型的參數(shù)化。在參數(shù)化的零件、組件、部件的基礎(chǔ)上，利用拼合關(guān)系進(jìn)行零部件間的約束，最終實(shí)現(xiàn)整個(gè)復(fù)雜零件及部件的參數(shù)化。

1.2 零部件間參數(shù)分析與關(guān)聯(lián)

對(duì)于水輪機(jī)，零、部件的約束十分復(fù)雜，可變參數(shù)數(shù)目很多，由于水輪機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是采用相似理論進(jìn)行設(shè)計(jì)，即在已有的模型水輪機(jī)流道基礎(chǔ)上通過幾何相似、水流在流道內(nèi)流動(dòng)的運(yùn)動(dòng)相似進(jìn)行水輪機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。將機(jī)組零部件的尺寸參數(shù)分為水輪機(jī)過流部件尺寸、影響水輪機(jī)結(jié)構(gòu)剛、強(qiáng)度和動(dòng)力學(xué)性能的尺寸和零件的工程特征尺寸兩類，對(duì)兩類參數(shù)采用不同的方法進(jìn)行處理。

零部件參數(shù)分析是實(shí)現(xiàn)水輪機(jī)參數(shù)化設(shè)計(jì)的前提。包括產(chǎn)品總體參數(shù)分析、零件參數(shù)分析和參數(shù)間的關(guān)聯(lián)分析。

1）產(chǎn)品總體參數(shù)分析 目的是分析影響整個(gè)產(chǎn)品功能、結(jié)構(gòu)的主要性能參數(shù)，從而能從產(chǎn)品整體上把握。如水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的結(jié)構(gòu)尺寸，導(dǎo)葉分布圓直徑，主軸直徑等。

2）零件參數(shù)分析 目的在于對(duì)零件參數(shù)進(jìn)行分類，并在零件參數(shù)中提取能直接驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)的主參數(shù)。可將參數(shù)分為三種類型：主參數(shù)(直接驅(qū)動(dòng)參數(shù))，可以直接控制模型的結(jié)構(gòu)形狀特性；基本不必作改動(dòng)的參數(shù)和附加參數(shù)(間接驅(qū)動(dòng)參數(shù))，它是自定義的參數(shù)，不能直接控制尺寸，但可以通過在參數(shù)間建立某種關(guān)聯(lián)以間接控制某些結(jié)構(gòu)特性。

3）關(guān)聯(lián)分析 目的是建立參數(shù)間的關(guān)聯(lián)，主要分零部件之間的參數(shù)關(guān)聯(lián)和零件內(nèi)的參數(shù)關(guān)聯(lián)兩部分。零部件間的參數(shù)關(guān)聯(lián)通過模型本身的裝配來保證，而零件內(nèi)的參數(shù)關(guān)聯(lián)可以通過CAD系統(tǒng)的功能來保證。

在零件級(jí)參數(shù)化實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)上，利用模塊拼合實(shí)現(xiàn)部件級(jí)的參數(shù)化，充分考慮到裝配中各個(gè)零件尺寸的相互關(guān)系，避免部件與部件，部件與零件，零件與零件間發(fā)生干涉。

1.3 零部件間數(shù)據(jù)庫參數(shù)表

參數(shù)之間的關(guān)系是參數(shù)化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵,建立全局參數(shù)表和零件參數(shù)表，用數(shù)據(jù)庫參數(shù)表之間的關(guān)系來表示產(chǎn)品中零件變量參數(shù)間的關(guān)系。建立水輪機(jī)數(shù)據(jù)庫參數(shù)表的方法和步驟如下：1）分析結(jié)構(gòu)和參數(shù)，建立參數(shù)間的關(guān)系；2）提取驅(qū)動(dòng)參數(shù)，利用數(shù)學(xué)關(guān)系表達(dá)式來反映對(duì)象間的幾何關(guān)系；3）建立設(shè)計(jì)規(guī)則，即變量名命名規(guī)則和參數(shù)表格式。用產(chǎn)品全局參數(shù)表與零件參數(shù)表相結(jié)合的方法，來解決復(fù)雜產(chǎn)品尺寸變量眾多的問題。

2 水輪機(jī)零、部件庫建立

水輪機(jī)設(shè)計(jì)具有其自身的特點(diǎn)，如何對(duì)企業(yè)現(xiàn)有的設(shè)計(jì)制造經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行收集、整理；提煉各個(gè)不同機(jī)組零、部件的共同性與特殊性是進(jìn)行水輪機(jī)參數(shù)化設(shè)計(jì)的前提。通過建立各個(gè)零件的3D模型，進(jìn)行裝配設(shè)計(jì)。充分考慮零、部件間的裝配關(guān)系，提取關(guān)聯(lián)尺寸；實(shí)現(xiàn)知識(shí)與經(jīng)驗(yàn)的共享，建立零部件庫是整個(gè)設(shè)計(jì)工作的關(guān)鍵。圖1為零、部件模型庫建立流程圖。

圖1 零、部件模型庫建立流程圖

3 基于參數(shù)化的水輪機(jī)設(shè)計(jì)

水輪機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以分為總體方案設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)人員根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)，確定水輪機(jī)整機(jī)及主要零、部件的布局與結(jié)構(gòu)形式，主要尺寸，以滿足水輪機(jī)能量特性，效率，結(jié)構(gòu)剛、強(qiáng)度，振動(dòng)等特性要求。根據(jù)設(shè)計(jì)工作的實(shí)施情況，建立水輪機(jī)開發(fā)平臺(tái)如圖2所示。

在進(jìn)行水輪機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)機(jī)組設(shè)計(jì)參數(shù)，水輪機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范和企業(yè)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，推理出水輪機(jī)及關(guān)鍵零、部件的結(jié)構(gòu)形式和主要尺寸與性能參數(shù)（如轉(zhuǎn)輪直徑，主軸轉(zhuǎn)速，主軸直徑，流道曲線，蝸殼型線圖，導(dǎo)葉開口布置圖等）。從零、部件產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫中選擇包括軸承、主軸密封等通用部件；從庫中提取滿足要求的或相近的轉(zhuǎn)動(dòng)部件、導(dǎo)水機(jī)構(gòu)、埋人部件、控制部分等部件的零、部件模型，修改模型特征尺寸，得到設(shè)計(jì)機(jī)組的零件，完成總體方案設(shè)計(jì)。

根據(jù)制定的總體方案，從模型庫中調(diào)入各部件的三維實(shí)體模型，利用各部件間的裝配關(guān)系，定位關(guān)系，構(gòu)建各零、部件3D裝配和水輪機(jī)整機(jī)裝配模型，輸出總體設(shè)計(jì)方案，總體布置設(shè)計(jì)及相關(guān)參數(shù)。對(duì)各裝配部件內(nèi)的零件與零件之間，裝配件與零件之間，裝配與裝配之間進(jìn)行全面的干涉檢查，檢查水輪機(jī)運(yùn)行過程中是否有干涉發(fā)生，計(jì)算相鄰零、部件之間的最小間隙。若發(fā)生干涉，或根據(jù)設(shè)計(jì)、制造經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行判斷最小間隙不能滿足要求，確定需要修改的零件或裝配，修改零、部件后，對(duì)裝配進(jìn)行更新，重新進(jìn)行干涉檢查，直到滿足設(shè)計(jì)要求。

利用有限元分析方法，對(duì)水輪機(jī)的關(guān)鍵零、部件進(jìn)行剛、強(qiáng)度分析，分析水輪機(jī)在各種運(yùn)行工況下，各關(guān)鍵零、部件的應(yīng)力、變形及其分布規(guī)律；對(duì)關(guān)鍵零、部件進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，計(jì)算各階固有模態(tài)；利用轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)理論，分析轉(zhuǎn)動(dòng)部件的臨界轉(zhuǎn)速，渦動(dòng)頻率等。對(duì)分析結(jié)果，利用企業(yè)的經(jīng)驗(yàn)建立的基于知識(shí)的輔助分析系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)價(jià)，判斷結(jié)構(gòu)是否滿足要求，并根據(jù)分析結(jié)果，對(duì)水輪機(jī)各個(gè)關(guān)鍵零、部件提出優(yōu)化方案。對(duì)設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)供企業(yè)專家進(jìn)行審核、工藝審查，若不滿足要求或工藝部門提出改進(jìn)意見，則通過修改零、部件類型，結(jié)構(gòu)尺寸，材料等方法對(duì)模型進(jìn)行修改，直到滿足要求。

4 結(jié)束語

利用參數(shù)化技術(shù)，對(duì)企業(yè)現(xiàn)有的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行收集、總結(jié)和提煉，在繼承現(xiàn)有設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上進(jìn)行創(chuàng)新是提高水輪機(jī)的質(zhì)量，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期的一種比較好的方法。隨著系統(tǒng)的不斷完善，設(shè)計(jì)資源的不斷增加，系統(tǒng)的智能性、可靠性將不斷增強(qiáng)。可以縮短水輪機(jī)設(shè)計(jì)周期，提高產(chǎn)品可靠性。

圖2 水輪機(jī)開發(fā)平臺(tái)的工作流程圖

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