淺談水輪機(jī)CAD系統(tǒng)的應(yīng)用與發(fā)展

李一鳳喆

【摘要】水輪機(jī)CAD系統(tǒng)的這種設(shè)計(jì)，它主要是用計(jì)算機(jī)進(jìn)行繪圖分析。這種水輪機(jī)CAD系統(tǒng)使用了集數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)和水輪機(jī)計(jì)算機(jī)圖形化處理為一體的設(shè)計(jì)方法，不僅能表現(xiàn)出水輪機(jī)的流體動(dòng)力、結(jié)構(gòu)剛強(qiáng)度以及動(dòng)力分析，更有其珍貴的應(yīng)用價(jià)值，例如水輪機(jī)蝸殼、固定導(dǎo)葉、活動(dòng)導(dǎo)葉 、轉(zhuǎn)輪、尾水管等水力機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

【關(guān)鍵詞】水輪機(jī)；CAD技術(shù)；應(yīng)用與發(fā)展

水輪機(jī)的四個(gè)主要過(guò)流部件幾何由于應(yīng)用水頭和裝機(jī)容量的變化而變化，再加上現(xiàn)如今計(jì)算機(jī)的高度發(fā)展和計(jì)算機(jī)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，在設(shè)計(jì)水輪機(jī)過(guò)流部件的問(wèn)題上，反問(wèn)題計(jì)算和優(yōu)化的這種設(shè)計(jì)逐步走入了人們的視野。再來(lái)說(shuō)說(shuō)CAD，它其實(shí)是Computer Aided Design的縮寫(xiě)，而CAD技術(shù)設(shè)計(jì)就是計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)。其中心部分就是計(jì)算機(jī)輔助繪圖，這種繪圖軟件的替換了原來(lái)的手工繪圖，不僅節(jié)省了大量的時(shí)間，還實(shí)現(xiàn)了繪圖工具的一大飛躍?，F(xiàn)如今的CAD技術(shù)主要應(yīng)用于工程和產(chǎn)品設(shè)計(jì)等方面。計(jì)算機(jī)輔助繪圖只是邁出設(shè)計(jì)的一小步，應(yīng)該要在此前提下將專業(yè)計(jì)算與繪圖結(jié)合起來(lái)，才能更好的實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的完整性。由此可見(jiàn)，這種現(xiàn)代化高速發(fā)展的新興領(lǐng)域其前景是非常可觀的。而且我們國(guó)家對(duì)于水輪機(jī)CAD系統(tǒng)的應(yīng)用發(fā)展，也給予了一定的重視，其中包括水輪機(jī)的初步設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)優(yōu)化以及有限元分析。

1.水輪機(jī)CAD系統(tǒng)的介紹

1.1水輪機(jī)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

自80年代后期，對(duì)于水輪機(jī)CAD技術(shù)，我們國(guó)家首先針對(duì)水輪機(jī)的初步設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)優(yōu)化以及有限元分析等部分做了探討。華中理工大學(xué)曾開(kāi)展過(guò)“水輪機(jī)CAD圖形處理系統(tǒng)”課題，浙江大學(xué)在后一年也與杭州發(fā)電設(shè)備廠共同完成了“混流式臥軸式水輪機(jī)CAD系統(tǒng)”項(xiàng)目，哈爾濱電機(jī)廠等地方也舉行了水輪機(jī)CAD的展開(kāi)計(jì)劃，都獲得了一定的成功。但水輪機(jī)設(shè)計(jì)存在許多復(fù)雜的地方，怎么便捷、高效率地合成繁瑣的裝配圖，以及快速得到零部件尺寸參數(shù)，一直是大家在開(kāi)發(fā)這個(gè)系統(tǒng)中十分注意的地方。水輪機(jī)存在多種形式，在此篇文章中將以混流式水輪機(jī)CAD來(lái)舉例分析，便于探討?；炝魇剿啓C(jī)包括：導(dǎo)水機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)動(dòng)部分、蝸殼、尾水管裝配、調(diào)速機(jī)構(gòu)、軸承座等部分，每一部分又包括很多個(gè)零件。水輪機(jī)的全套設(shè)計(jì)圖樣分總裝圖、部裝圖、分部裝圖以及零件圖。水輪機(jī)系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)包括尺寸參數(shù)，它是指決定零件形狀大小的變量，它是圖形生成、處理的先決條件。本系統(tǒng)不僅能夠由已有設(shè)計(jì)結(jié)果，直接輸入尺寸參數(shù)數(shù)據(jù)，還可以根據(jù)數(shù)學(xué)函數(shù)式和模型快速得到尺寸參數(shù)數(shù)據(jù)。由尺寸參數(shù)，再調(diào)節(jié)基礎(chǔ)圖形軟件，就能夠得到想要的圖形。再結(jié)合各割面區(qū)域定義點(diǎn)的坐標(biāo)，識(shí)別割面輪廓，從而得到割面輪廓信息和割面線，并經(jīng)零件間遮擋裁剪處理、圖線與字符干涉處理、零件尺寸標(biāo)注后完成所需要的裝配圖、零件圖。

1.2關(guān)于裝配圖和零件參數(shù)處理

裝配圖在處理時(shí)必須要注意是否與圖表數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)保持一致、零件間的遮擋、數(shù)據(jù)覆蓋以及微機(jī)內(nèi)存限制等等。CAD系統(tǒng)在1M內(nèi)存微機(jī)上也能很好的實(shí)現(xiàn)水輪機(jī)總裝圖的處理與輸出。而在零件尺寸參數(shù)處理這個(gè)方面上，由于每種零件都有其對(duì)應(yīng)的尺寸參數(shù)，零件的每種系列規(guī)格也有其對(duì)應(yīng)的尺寸數(shù)據(jù)。不同零件的尺寸參數(shù)數(shù)據(jù)生成及處理過(guò)程是大體一樣的，但產(chǎn)生的數(shù)學(xué)模型是不相同的。如導(dǎo)水機(jī)構(gòu)裝配及其零部件的設(shè)計(jì)， 水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片、上冠、下環(huán)通流形狀總是由它的轉(zhuǎn)速變化所控制的，這也同時(shí)決定了導(dǎo)葉、項(xiàng)蓋、底環(huán)、控制環(huán)的布置。混流式水輪機(jī)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)布置的設(shè)計(jì)原則就是對(duì)已有水輪機(jī)型譜規(guī)定的型號(hào)，根據(jù)規(guī)格的變化，對(duì)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)的形式分別歸檔。而零件結(jié)構(gòu)尺寸則是由功能、作用、強(qiáng)度、剛度等因素決定。CAD系統(tǒng)使用了標(biāo)準(zhǔn)系列的典型參數(shù)化表格圖，創(chuàng)建起十分充足的數(shù)據(jù)和圖形庫(kù)，這樣做的目的是想使其運(yùn)行更加容易，系統(tǒng)更加合理，方便以后設(shè)計(jì)出新型號(hào)規(guī)格水輪機(jī)。例如，我們?cè)谀Ｐ蛯?shí)驗(yàn)時(shí)設(shè)計(jì)導(dǎo)葉時(shí)，主要依據(jù)水輪機(jī)型號(hào)，對(duì)于同一型式導(dǎo)葉，根據(jù)葉型相似原則，可根據(jù)數(shù)學(xué)模型來(lái)決定所設(shè)計(jì)導(dǎo)葉斷面尺寸，而關(guān)于導(dǎo)葉其它相關(guān)的尺寸，可以使用數(shù)學(xué)關(guān)系式、表格數(shù)據(jù)方法，讓計(jì)算機(jī)自動(dòng)生成。

2.CAD水輪機(jī)系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)例

將CAD技術(shù)與水輪機(jī)過(guò)流部件的優(yōu)化設(shè)計(jì)相融合，將優(yōu)化計(jì)算的結(jié)果用*.scR文件保存，再運(yùn)行CAD，就能夠便捷地將計(jì)算結(jié)果繪成設(shè)計(jì)制造的各種圖形。而關(guān)于我國(guó)的水輪機(jī)CAD系統(tǒng)，不僅在給工程師和設(shè)計(jì)師在水輪機(jī)的設(shè)計(jì)方面提供了很多的靈感和方便，還大程度的節(jié)省了物質(zhì)和人力資源，而且在全亞洲，甚至歐洲等地方也擁有一定的地位，已經(jīng)很好的與CAE、CAM融合并為我們國(guó)家的二灘電站、三峽機(jī)組水輪機(jī)而服務(wù)。再來(lái)具體到以蝸殼為研究對(duì)象，首先將水流引入到蝸殼的引水室中，之后將其導(dǎo)入導(dǎo)水機(jī)構(gòu)中，使之流入轉(zhuǎn)輪區(qū)中，最后再?gòu)奈菜苤辛鞒?，這種內(nèi)部水流運(yùn)動(dòng)，在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)輪的時(shí)候，最好沿著軸向均勻的流轉(zhuǎn)，其流量應(yīng)在轉(zhuǎn)輪的切線方向平衡分布，最好沿著軸向均勻的流轉(zhuǎn)。而蝸殼式水輪機(jī)被稱為蝸牛的原因是它形似蝸牛殼。環(huán)量的出現(xiàn)必須由蝸殼那不斷沿面變小的斷面于導(dǎo)水機(jī)構(gòu)前方回轉(zhuǎn)，使導(dǎo)水組織結(jié)構(gòu)水流平衡，這是它一個(gè)很具特色的地方。蝸殼并不只有一種，根據(jù)適應(yīng)水頭有40m以下機(jī)組的混凝土蝸殼和40m以上機(jī)組的高水頭金屬蝸殼。后一種金屬蝸殼所能承受的壓力顯然大于前一種，由名字我們就能得出，這也為我們?cè)谶x擇蝸殼時(shí)提供了一個(gè)很好的參考依據(jù)。再來(lái)說(shuō)說(shuō)蝸殼是怎樣來(lái)運(yùn)行CAD系統(tǒng)，說(shuō)到電腦程序，無(wú)非是創(chuàng)建數(shù)據(jù)、輸入數(shù)據(jù)、繪圖然后得到結(jié)果，當(dāng)然CAD系統(tǒng)也不例外，但是在輸入數(shù)據(jù)文件時(shí)應(yīng)具體，例如水輪機(jī)的流量、轉(zhuǎn)輪的直徑以及導(dǎo)葉的長(zhǎng)度等等，想要強(qiáng)調(diào)的是在使用繪圖軟件時(shí)，應(yīng)要?jiǎng)?chuàng)建*.SCR文件類型，再用AutoCAD程序繪圖，這樣就能快速的得到想要的結(jié)果，大大的減少了時(shí)間。

結(jié)語(yǔ)

CAD水輪機(jī)系統(tǒng)已經(jīng)得到了實(shí)際應(yīng)用，由以往的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)圖樣轉(zhuǎn)變成系統(tǒng)化產(chǎn)品，不同的產(chǎn)品參數(shù)都有不同規(guī)格的圖樣。采用數(shù)據(jù)搜蓋、輪廓自動(dòng)識(shí)別、自動(dòng)裁剪，以往想要得到復(fù)雜的零件圖、裝配圖，其過(guò)程是較為繁瑣的，但此系統(tǒng)使用數(shù)據(jù)搜蓋、輪廓自動(dòng)識(shí)別、自動(dòng)裁剪這種程序，能夠讓過(guò)程變得十分的簡(jiǎn)單，并且將計(jì)算機(jī)輔助繪圖與水輪機(jī)設(shè)計(jì)相結(jié)合，創(chuàng)新的歸納出了水力計(jì)算、三維實(shí)。這種獨(dú)特的系統(tǒng)不僅大幅度的提升水輪機(jī)CAD設(shè)計(jì)的質(zhì)量，還完美的表現(xiàn)出了水輪機(jī)的水力設(shè)計(jì)、生成零件三維實(shí)體模型和實(shí)現(xiàn)虛擬設(shè)計(jì)，恰好迎合了軟件工程的新思想，增加了它的可維護(hù)性和可擴(kuò)展性，減少了開(kāi)發(fā)新軟件系統(tǒng)的所需時(shí)間。

參考文獻(xiàn)

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