基于三維技術的軸流水輪機模型設計及制造

曹 雙 利，彭 志 遠，桂 紹 波

(1.陜西省引漢濟渭工程建設有限公司，陜西 西安 710000； 2.長江勘測規(guī)劃設計研究有限責任公司，湖北 武漢 430010)

隨著我國技術水平的不斷提高，三維技術[1-2]在機械設計制造行業(yè)[3-4]中的應用已是大勢所趨。三維技術作為一種新的設計理念和先進的設計手段[5-6]，經(jīng)過近幾年的實踐與推廣，其優(yōu)勢越來越顯著[7-8]。在水輪機模型設計及制造領域[9]，由于水輪機流道復雜，葉片的空間曲面抽象，在二維圖紙上難以得到具體表達，這樣不利于生產(chǎn)單位加工制造。但是通過采用三維技術，可以使得水輪機模型設計變得參數(shù)化、具體化[10]，所建立的三維模型可以生成IGS格式文件直接編程加工，使得加工制造更加精準。本文采用三維技術，完成了軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機模型的結(jié)構設計及制造，設計并加工制造了軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機模型[11]進水管、蝸殼、座環(huán)、導水機構、轉(zhuǎn)輪和轉(zhuǎn)輪室以及尾水管等關鍵過流部件，并按照IEC-60193規(guī)范[12]要求，研究布置了水輪機壓力和壓力脈動測點。

1 水輪機模型結(jié)構設計及制造

本文設計加工制造的真機轉(zhuǎn)輪及試驗臺使用的模型轉(zhuǎn)輪結(jié)構的相關參數(shù)如表1所列。

表1 真機及模型轉(zhuǎn)輪結(jié)構相關參數(shù)Tab.1 Parameters of real and model runner

1.1 軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機模型

根據(jù)真機轉(zhuǎn)輪直徑與模型機轉(zhuǎn)輪直徑比值，得到的真機與模型機之間的幾何比例為12.57。根據(jù)該幾何比例，將真機三維模型體縮放成相應的模型機三維模型，再由試驗室臺架接口的活動調(diào)節(jié)量確定進出口的具體尺寸；部件之間主要連接方式為螺栓連接，螺栓規(guī)格為Φ16，螺栓孔間距不大于150 mm，密封方式為密封條密封，密封條規(guī)格為Φ9。模型水輪機轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)為6片；模型機總長為3.820 m；模型機的裝機高程(導葉中心線距地面)為1.921 m。模型機三維模型如圖1所示。

圖1 模型機三維模型Fig.1 3D model of hydro-turbine model

1.2 進口管

作為試驗臺高壓管和蝸殼之間的過渡部件，進口管起到的是引水和穩(wěn)定流態(tài)的作用，通常情況下采用的是結(jié)構件形式。進口管三維模型及加工的成品如圖2所示。

圖2 進口管三維模型及加工成品Fig.2 3D model of import pipe and finished products

1.3 蝸 殼

蝸殼是整個模型機中的重要部件[13]，由上、下蝸殼體和座環(huán)組成。蝸殼主要是起到支撐導水機構、連接轉(zhuǎn)輪室、為水流提供環(huán)量，以及發(fā)揮初步導流的作用。蝸殼三維模型及加工成品如圖3所示。

圖3 蝸殼三維模型及加工成品Fig.3 3D model of volute and finished products

上、下蝸殼體用不銹鋼鑄造而成，如圖4所示。通過高精度銑床加工出內(nèi)腔體后放置座環(huán)，再由連接螺栓把合，密封條提供密封。蝸殼內(nèi)腔體的流道面均由三維模型的IGS格式文件直接編程加工，相較于傳統(tǒng)的樣板和傳統(tǒng)數(shù)控編程擁有更高的精度。

圖4 上下蝸殼體加工成品Fig.4 Finished products of up and down volute body

蝸殼上預留有與座環(huán)、導水機構精確定位的配合面，以及與導水機構、轉(zhuǎn)輪室連接的螺栓孔位。上蝸殼設有水封區(qū)域，在安裝導水機構之后，仍有一部分空間可用于試驗時的水封密封，以保證空化和壓力脈動試驗時蝸殼的整體氣密性完好。座環(huán)和蝸殼之間同樣由兩圈螺栓固定，以避免試驗過程中因移動、安裝、試驗振動等產(chǎn)生的錯位問題。座環(huán)與蝸殼之間的配合及連接如圖5所示。

圖5 座環(huán)與蝸殼之間的配合與連接Fig.5 The fit and connection between the seat ring and the volute

1.4 座 環(huán)

座環(huán)全部由不銹鋼材料制作?？勺h(huán)中設有固定導葉，為水流提供初步的導向作用。座環(huán)三維模型及加工成品如圖6所示。

圖6 座環(huán)三維模型及加工成品Fig.6 3D model of seat ring and finished products

以往座環(huán)的傳統(tǒng)加工工藝采用的是固定導葉和上、下座環(huán)體分別進行加工，之后采用螺栓把合的形式，這種形式的主要缺點是固定導葉定位的位置不精確。在進入高精度加工機床之后，采用的是固定導葉與下座環(huán)的一體化加工，再與上座環(huán)以螺桿孔位連接，一體化的下座環(huán)結(jié)構如圖7所示。

圖7 一體化的下座環(huán)結(jié)構Fig.7 Integrated lower seat ring structure

上座環(huán)設置有臺階以便與上蝸殼的凹槽相對應，以保證裝配的精確度。在保證單件尺寸的同時，也保證了固定導葉各自位置的準確性，提高了安裝精度，減少了加工過程中的誤差。固定導葉型線根據(jù)三維模型IGS格式文件編程加工得到，這樣可以提高導葉葉片型線的加工質(zhì)量。

1.5 導水機構

導水機構是水輪機中重要的控制機構[14]，主要作用為引流和調(diào)節(jié)流量，其三維模型如圖8所示。對導水機構，整體采用分部件精加工、再統(tǒng)一裝配的形式，這樣可以保證加工精度，避免焊接工藝帶來的變形。導流錐由黃銅制作，剩余部位都采用不銹鋼材料制作。導水機構主要由頂蓋、底環(huán)、控制環(huán)、導葉、導葉臂、導流錐等結(jié)構組成。通過推拉電機來帶動連桿操控控制環(huán)，聯(lián)動導葉同步開啟和關閉以控制流量。頂蓋和底環(huán)起到承載和固定導葉位置的作用，導流錐可以改變流向，以便使高壓水從徑向平滑地過渡到軸向，再流向轉(zhuǎn)輪。

圖8 導水機構三維模型Fig.8 3D model of distributor

(1) 頂蓋和底環(huán)。頂蓋和底環(huán)采用鑄件精加工的工藝，在精銑床上準確地加工出導葉對應的孔位，保證導葉在孔位中可以穩(wěn)定流暢地轉(zhuǎn)動，同時也可以使密封性和穩(wěn)定性得到保障。頂蓋和底環(huán)的加工成品如圖9所示。

圖9 頂蓋和底環(huán)的加工成品Fig.9 Finished products of top cover and bottom ring

(2) 活動導葉和特殊活動導葉。因為模型試驗中有導葉水力矩測量的項目，因此在導葉位置基礎上按照IEC要求，還需增設特殊活動導葉的孔位，其布置如圖10所示。

圖10 特殊活動導葉布置示意Fig.10 Layout of special active guide vane

特殊導葉孔位一般需要按照IEC標準的相關要求，在第四象限布置3個，在其他象限相同位置各布置1個。對孔位進行加大加深處理，以使其能適應導葉水力矩測量設備的安裝。在底環(huán)上設有軸承安裝孔位，可以減少轉(zhuǎn)動阻力給導葉水力矩測量帶來的誤差。

活動導葉是導水機構中最精密和最重要的部分?；顒訉~需要嚴格按照真機研發(fā)的導葉布置圖中的型線拉伸三維建模，上、下增設足夠長的連桿以保證安裝和轉(zhuǎn)動時候的平穩(wěn)；在導葉的上下斷面各增設0.05 mm厚的臺階，以減少精加工面面積，保證加工質(zhì)量，同時減小導葉轉(zhuǎn)動時和頂蓋、底環(huán)的接觸面積，可以減少轉(zhuǎn)動時的阻力?；顒訉~、特殊活動導葉三維模型以及加工成品如圖11所示。

圖11 活動導葉、特殊活動導葉三維模型以及加工成品Fig.11 3D model of active guide vane，special active guide vane and finished products

活動導葉是由導葉、導葉臂、銷釘組成的連桿機構。導葉和頂蓋之間用O型密封圈予以密封。導葉通過上端的導葉臂和銷釘連接到控制環(huán)；導葉臂采用U型結(jié)構并用撥叉鎖緊，以保證在與導葉充分固定的同時對銷釘起到穩(wěn)定的導向作用。

(3) 控制環(huán)及附件。控制環(huán)也采用不銹鋼材料制作，配合導葉臂起到聯(lián)動所有導葉打開和關閉的作用?？刂骗h(huán)上設有通過螺母和雙頭螺栓固定的U型耳柄，用來連接推拉電機。控制環(huán)的三維模型如圖12所示。

圖12 控制環(huán)三維模型Fig.12 3D model of control ring

圖13 導流錐三維模型Fig.13 3D model of diversion cone

(4) 導流錐。導流錐由黃銅制作，按照三維模型提供的型線，該型線由車床車削制成，主要是起到改變水流方向的作用。導流錐的三維模型如圖13所示。

1.6 轉(zhuǎn) 輪

轉(zhuǎn)輪是整套模型機最核心的部分，是決定模型機性能的關鍵部件[15]。本文涉及的軸流轉(zhuǎn)槳式6葉片水輪機模型，其轉(zhuǎn)輪直徑為350 mm。轉(zhuǎn)輪三維模型以及加工成品如圖14所示。

圖14 轉(zhuǎn)輪三維模型以及加工成品Fig.14 3D model of runner and finished products

轉(zhuǎn)輪裝配主要由轉(zhuǎn)輪體、葉片和泄水錐組成。其中，轉(zhuǎn)輪體和葉片整體都依據(jù)三維模型IGS格式文件編程加工。因為受空間條件限制，沒有設置聯(lián)動轉(zhuǎn)槳機構，因此在進行水輪機模型試驗時需要人工調(diào)整各槳葉的角度。

(1) 轉(zhuǎn)輪體。轉(zhuǎn)輪體由不銹鋼鍛造后精加工制成，采用整體工藝，轉(zhuǎn)輪體中心球面直徑為182 mm。在葉片位置留有相應的高精度以配合孔位，在內(nèi)部設計有腔體便于螺栓把合，并留有和靜壓軸承連接的螺栓孔。

(2) 泄水錐。泄水錐由不銹鋼材料制成，按照型線車削加工。在泄水錐上部配有與轉(zhuǎn)輪體準確配合的精加工面。

(3) 葉片。葉片由片體設計文件縫合成三維實體[16]，在添加連接部位之后生成IGS格式文件編程進行加工，由三軸機床加工并出成品。

葉片由錫青銅鑄件材料洗削加工而成，錫青銅擁有不易生銹、加工殘余應力小以及不易變形等優(yōu)點。采用錫青銅材料制作葉片的工藝成熟，制作經(jīng)驗豐富。

在葉片與轉(zhuǎn)輪連接部分設置了有配合面的基座，曲面半徑和轉(zhuǎn)輪體一致。每張葉片和孔位均與編號一一對應，裝配完成后，需修平臺階和葉片外緣尺寸，以保證在葉片裝配過程中能始終保持與同編號的孔位對應。

轉(zhuǎn)輪體、泄水錐、葉片的三維模型如圖15所示。

(4) 槳葉角度工裝裝配。在轉(zhuǎn)輪裝配的同時，制作出專門的槳葉角度調(diào)整工裝，槳葉角度調(diào)整如圖16所示。

圖15 轉(zhuǎn)輪體、泄水錐、葉片三維模型Fig.15 3D model of runner，runner cone，blade

圖16 槳葉角度調(diào)整示意Fig.16 Diagram of blade angle adjustment

將槳葉角度工裝裝配在轉(zhuǎn)輪體與泄水錐的配合面上。在轉(zhuǎn)輪裝配建模時設立了相應的基準面，在模型試驗所要求的對應槳葉角度上分別測量葉片最低點到基準面的距離，以及該最低點距轉(zhuǎn)輪中心線的徑向長度，根據(jù)這2個數(shù)據(jù)，分別制作出高度不等的標準塊。在轉(zhuǎn)輪模型試驗過程中，將對應角度的標準塊裝配在工裝對應距離的位置，再將葉片的最低點放置在標準塊上，即為對應轉(zhuǎn)槳角度，其他葉片同理。

1.7 轉(zhuǎn)輪室

轉(zhuǎn)輪室由單線圖中轉(zhuǎn)輪室和尾水直錐段2個部分組成。轉(zhuǎn)輪室的三維模型及其加工成品如圖17所示。

圖17 轉(zhuǎn)輪室三維模型以及加工成品Fig.17 3D model of runner chamber and finished products

在試驗過程中，需要在空化試驗的過程中來觀測轉(zhuǎn)輪葉片上的空化現(xiàn)象，以及在壓力脈動試驗過程中觀察渦帶的情況，因此轉(zhuǎn)輪室需要采用透明材料來制作。本文轉(zhuǎn)輪室采用的是有機玻璃材料，這種材料具有重量輕、結(jié)構強度高、易加工以及透明度高等特點。轉(zhuǎn)輪室的上、下法蘭采用的是不銹鋼材料制作，在壓緊有機玻璃管之后，再通過雙頭螺栓拉緊，可以保證整體的結(jié)構強度以及其穩(wěn)定性。

1.8 尾水管

尾水管由直錐段、彎肘段和擴散段3個部分組成。為了便于觀察渦帶，直錐段采用有機玻璃管制作。通常情況下，直錐段與擴散段的分界面處于單線圖中彎肘段的第一個截面處，但是由于彎肘段和擴散段因流道存在偏心現(xiàn)象，而導致兩者之間存在一個轉(zhuǎn)角型的過渡段。彎肘段屬于鑄造-精加工件，可以對復雜的曲面進行高精度的加工，因此可以將彎肘段和過渡段合并成肘管一個部件，連帶支墩頭部統(tǒng)一進行加工。擴散段一般采用板件焊接的形式制作。

(1) 肘管。尾水管的肘管三維模型及其加工成品如圖18所示。

圖18 肘管三維模型以及加工成品Fig.18 3D model of elbow tube and finished products

以往尾水管肘管采用的是傳統(tǒng)的分半-螺栓把合結(jié)構。本文在考慮到肘管本身把合線較短以及彎曲程度低、空間大的特點之后，確定采用分半-焊接的形式，并應用了新的冷焊技術，以使其形變量小、合縫面打磨之后光滑無臺階，整體強度和重量均優(yōu)于傳統(tǒng)的分半結(jié)構；同時，取消了把合面，使得后續(xù)支墩頭部的焊接的一體性更好。在軸管的兩側(cè)為補氣裝置預留了加工接口。對肘管焊接件的上、下法蘭均留有一定厚度的余量，這樣在把合焊接后加工至實際尺寸時，能夠最大程度地減小焊接帶來的尺寸誤差。

(2) 擴散段。尾水管擴散段三維模型及其加工成品如圖19所示。

對尾水管擴散段采用的是板件焊接的形式。采用8 mm的不銹鋼板制作流道及支墩，并運用10 mm的筋板進行多重加固。對兩側(cè)法蘭采用的是45號鋼，并保留了5 mm的加工余量，在整體焊接成型后，上機床進行精加工，直到對應的尺寸為止。

圖19 擴散段三維模型以及加工成品Fig.19 3D model of outlet part and finished products

2 測點孔布置

在模型試驗過程中，需要對多個位置的多個壓力及壓力脈動測點進行數(shù)據(jù)采集，因而對測點的孔位布置也是模型機結(jié)構設計的一個重要組成部分。測點孔位一般按照IEC-60193中的相關內(nèi)容要求進行布置。測點孔位布置通常是分為壓力測點布置、壓力脈動測點布置。

2.1 壓力測點布置

(1) 蝸殼進口壓力測點。按照IEC的要求，蝸殼進口壓力測點布置在距離X-X斷面581 mm處，按斷面45°方向均布4個。蝸殼進口斷面面積為0.158 055 m2。

(2) 擴散段出口壓力測點。按照IEC的要求，擴散段出口壓力測點布置在距離X-X斷面1 937 mm處，均布8個。擴散段出口斷面面積為0.354 307 m2。

(3) 頂蓋壓力測點。頂蓋壓力測點布置在頂蓋直徑360 mm的圓周上，距坐標軸45°方向均布4個。

(4) 蝸殼壓差測點。按照IEC的要求，在第四象限距X軸45°和60°截面上，分別設立一對蝸殼壓差孔位。

(5) 轉(zhuǎn)輪室壓力測點。轉(zhuǎn)輪室的壓力測點布置在距離槳葉中心線105 mm(0.3D1)處，并在上下游各設置一個。

2.2 壓力脈動測點布置

壓力脈動測點有4處，分別為蝸殼進口壓力脈動測點、頂蓋導葉后轉(zhuǎn)輪前壓力脈動測點、轉(zhuǎn)輪室壓力脈動測點和肘管壓力脈動測點。

(1) 蝸殼進口壓力脈動測點。蝸殼進口壓力脈動測點布置在距離X-X斷面581 mm處正上方，以及距離X-X斷面560 mm(1.6D1)處。

(2) 頂蓋導葉后轉(zhuǎn)輪前壓力脈動測點。在頂蓋直徑360 mm的圓周上的上、下游，各按照順時針方向偏3°處布置一個頂蓋導葉后轉(zhuǎn)輪前壓力脈動測點。

(3) 轉(zhuǎn)輪室壓力脈動測點。轉(zhuǎn)輪室壓力脈動測點布置在距離槳葉中心線227.5 mm (0.65D1)處，上、下游側(cè)各布置一個。

(4) 肘管壓力脈動測點。肘管壓力脈動測點布置在肘管45°平分面上，上、下游側(cè)各布置1個。

3 尺寸測量

在部件制造完成之后，需要對各部件的關鍵尺寸進行尺寸檢查并做好記錄。依據(jù)IEC-60193的標準規(guī)定來判斷是否合格，只有滿足標準要求的部件才能正式接受并進行裝配工作。

(1) 利用鋼板尺測量進口管、蝸殼、擴散段等部件的進出口尺寸。

(2) 對轉(zhuǎn)輪直徑、轉(zhuǎn)輪室進出口、肘管進口等尺寸，則利用內(nèi)徑、外徑千分尺進行測量。

(3) 對活動導葉高度、座環(huán)開檔尺寸等，采用游標卡尺進行測量。

(4) 對轉(zhuǎn)輪和活動導葉，采用紅外線掃描工具對整體外觀進行掃描后，再與建模進行比對。

最后，對測量數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一的評估和記錄，并在驗收試驗時由驗收方現(xiàn)場復核。

4 結(jié) 論

在水輪機模型設計及制造領域，軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機相較于其他模型的水輪機而言制造工藝更為復雜。本文詳細介紹了軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機模型各個部件的制造工藝及要求，并采用三維技術，通過本文建立的三維模型所生成的IGS格式文件，對關鍵過流部件的內(nèi)表面直接進行編程、精確設計和加工，保證了水輪機模型的加工質(zhì)量；同時，使得復雜的水輪機流道以及抽象的葉片的空間曲面變得直觀、具體，有利于制造單位進行加工制造。

本文借助于三維技術，對水輪機模型進行了參數(shù)化設計，這樣大大提高了模型水輪機設計和加工的效率，縮短了開發(fā)周期，展示出了三維技術在水輪機模型設計及制造領域的巨大優(yōu)勢。