基于MVBA的水輪機轉(zhuǎn)輪等部件參數(shù)化建模方法

弓路家

摘要：為解決水利水電工程水力機械專業(yè)設(shè)備在設(shè)備細(xì)節(jié)信息不全、建模操作復(fù)雜、靈活度不足等情況下的三維信息化建模難題，基于MVBA語言，進行了Bentley通用軟件平臺參數(shù)化建模二次開發(fā)工作。運用插件程序融合水力過流部件設(shè)計理論、已有部件實例類比等方法，實現(xiàn)了抽水蓄能機組、常規(guī)混流機組轉(zhuǎn)輪、蝸殼、尾水管、座環(huán)及活動導(dǎo)葉部件的參數(shù)化一體建模功能。工程設(shè)計實例中已應(yīng)用該插件完成水輪機部件建模工作，成果模型可滿足精度和信息完備性要求，大大提高了建模高效性和修改便利性。

關(guān)鍵詞：MVBA； 水輪機； 轉(zhuǎn)輪； 二次開發(fā)； 參數(shù)化建模

中圖法分類號：TV734文獻標(biāo)志碼：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2023.09.014

文章編號：1006-0081（2023）09-0086-06

0引言

隨著互聯(lián)網(wǎng)與數(shù)字化、信息化技術(shù)的飛速發(fā)展，水力發(fā)電行業(yè)進入了數(shù)字化建設(shè)新時代。BIM模型的多維應(yīng)用是實現(xiàn)數(shù)字化進程的基礎(chǔ)之路［1］，工程設(shè)備三維模型的信息準(zhǔn)確性和建模高效性越來越受到關(guān)注。水輪發(fā)電機組是水力發(fā)電工程中的關(guān)鍵設(shè)備，其中水輪機是將水能轉(zhuǎn)換為電能的源動力部件［2］。為了充分發(fā)掘水輪機設(shè)備的水能轉(zhuǎn)換效率及提高運行穩(wěn)定特性，水輪機設(shè)備的過流部件空間扭曲程度愈加嚴(yán)重，尤其是水泵水輪機。但是，高度扭曲的空間結(jié)構(gòu)給設(shè)備部件三維建模帶來了挑戰(zhàn)，也在一定程度上限制了三維設(shè)計在水力機械工程的應(yīng)用推廣。

在水利水電設(shè)計人員長期采用CAD開展設(shè)計工作的背景下，三維設(shè)計軟件的構(gòu)架思路和操作理念對傳統(tǒng)CAD設(shè)計方法產(chǎn)生了一定的顛覆，其繁復(fù)的操作命令、冗雜的邏輯關(guān)系和固定的層級體系提高了三維軟件在工程設(shè)計應(yīng)用中的上手門檻。中國各大水利水電設(shè)計院基于Autodesk、Bentley和Catia平臺各自開展數(shù)字化設(shè)計工作，但機電設(shè)備建模工作均依托通用軟件的自身堆砌式建模構(gòu)架完成，設(shè)備建模靈活度過低。針對水利水電行業(yè)通用三維商業(yè)軟件本地化和專業(yè)化不足的缺陷，鄧玉星等［3］、曹陽［4］、成蕾等［5］基于Revit平臺二次開發(fā)完成了蝸殼、尾水管設(shè)備部件的參數(shù)化建模；黃克戩［6］聯(lián)合Catia和Abaqus嘗試了蝸殼部件建模；喻智鋒等［7］基于UG平臺，利用木模圖數(shù)據(jù)完成了轉(zhuǎn)輪葉片的建模及優(yōu)化；李端陽等［8-9］、張陽明［10］均將Bentley平臺GC方法應(yīng)用在尾水管參數(shù)化三維配筋、尾水管參數(shù)建模、Y型岔管參數(shù)化建模中；蘇婷婷等［11］以C#代碼編程的開發(fā)方式在Microstation平臺研究水工擋墻結(jié)構(gòu)的參數(shù)化建模并實施設(shè)計應(yīng)用。

在日常工程設(shè)計工作中，筆者依托于Bentley平臺MVBA編程方法進行了水輪機主要部件（蝸殼、座環(huán)、活動導(dǎo)葉、轉(zhuǎn)輪和尾水管）的參數(shù)化建模嘗試，利用交互式窗體控件開發(fā)了水輪機部件參數(shù)化建模插件，交互建模方式遵從工程習(xí)慣參數(shù)及表達方式，脫離通用建模軟件底層命令操作，以便專業(yè)設(shè)計人員建模應(yīng)用。

MVBA語言是Bentley公司授權(quán)使用VBA宏語言體系開發(fā)的一種適用于自身系列軟件的自動化二次開發(fā)語言［12］，其風(fēng)格和語法體系完全繼承自Visual Basic語言，具有豐富的圖形界面工具，且提供了完整的可調(diào)用Microstation操作命令集，為實現(xiàn)水輪機部件參數(shù)化建模提供了開發(fā)基礎(chǔ)。

1建模需求分析

水電站設(shè)計流程中，預(yù)可行性研究和可行性研究是項目決策環(huán)節(jié)的兩個關(guān)鍵節(jié)點，此時機電設(shè)備的特性參數(shù)、尺寸參數(shù)多是通過經(jīng)驗公式框定和參考廠家詢廠資料及以往類似規(guī)模工程參數(shù)綜合確定，雖然水輪機設(shè)備的控制尺寸能滿足當(dāng)前階段方案設(shè)計深度需求，但尺寸信息量仍難以滿足三維建模信息需求，同時該階段機組廠家的詢廠資料也是以框定方案為主，暫無完整的細(xì)節(jié)信息。隨著工程數(shù)字化的加快推進，各階段的信息模型越來越受到重視，同時信息完備性和準(zhǔn)確性也不容忽視。在設(shè)備細(xì)節(jié)信息缺乏的初期方案階段，水輪機設(shè)備建模應(yīng)充分發(fā)掘過流部件設(shè)計理論中的細(xì)節(jié)信息，并結(jié)合項目方案控制尺寸完成完整信息模型，或利用已有同等規(guī)模設(shè)備信息修正完成。

2各部件建模路線

2.1金屬蝸殼參數(shù)化建模

根據(jù)《水電站機電設(shè)計手冊水力機械》［13］及文獻［3］、［9］中有關(guān)方法，按照vur為常數(shù)時，各斷面水力設(shè)計信息為

Qi=φi360Qsj（1）

ρi=Qivpjπ（2）

Ri=r0+ρi（3）

式中：Qsj為水輪機設(shè)計流量，m3/s；φi為個斷面包角，（°）；Qi為各斷面流量，m3/s；vpj為進口斷面平均流速，m/s；r0為座環(huán)外緣半徑，m；ρi為各斷面圓形半徑，m；Ri為各斷面圓心距軸距離，m。

根據(jù)設(shè)計方案中的蝸殼特征控制尺寸，對上述理論計算的各斷面信息進行修正后即可作為蝸殼部件三維建模依據(jù)信息?；谝陨蠑嗝嫘畔ⅲ肕VBA代碼實現(xiàn)遍歷斷面、調(diào)用CreateEllipseElement（）命令創(chuàng)建斷面圓弧，捕獲各斷面圓弧特征，調(diào)用CreateBsplineSurfaceElement（）放樣生成蝸殼節(jié)段模型。蝸殼部件參數(shù)化建模主要輸入?yún)?shù)見表1。

2.2座環(huán)及活動導(dǎo)葉參數(shù)化建模

在混流式水電設(shè)備座環(huán)設(shè)計中，固定導(dǎo)葉骨線就是蝸殼中水流流線的對數(shù)螺旋線的延續(xù)，葉型以骨線為中心兩側(cè)加厚［14］，因此不同機組的固定導(dǎo)葉型相似性很高。在活動導(dǎo)葉設(shè)計中，其流量調(diào)節(jié)的功能主要由活動導(dǎo)葉出口角實現(xiàn)，對活動導(dǎo)葉的葉型敏感度不強。工程實際中，不同混流機組活動導(dǎo)葉的葉型相似性也很高，行業(yè)推薦了標(biāo)準(zhǔn)正曲度葉型和標(biāo)準(zhǔn)對稱葉型［14］。因此座環(huán)、活動導(dǎo)葉部件在初期細(xì)節(jié)信息不全的情況下可參照已有近似設(shè)備數(shù)據(jù)信息修正建模。

根據(jù)設(shè)計方案中的座環(huán)、活動導(dǎo)葉設(shè)備控制尺寸，對已有近似設(shè)備的固定導(dǎo)葉單線圖、活動導(dǎo)葉單線圖進行修正?；趩尉€圖數(shù)據(jù)信息及葉片安放角度參數(shù)，利用程序封裝命令CreateCurveElement（）生成特定角度葉型輪廓，調(diào)用ExtrudeClosedPlanarCurve（）生成葉片實體并完成環(huán)形陣列。表2為座環(huán)、活動導(dǎo)葉部件的參數(shù)化建模主要輸入?yún)?shù)。

2.3轉(zhuǎn)輪部件參數(shù)化建模

轉(zhuǎn)輪部件是水輪機設(shè)備的核心部件，葉片形狀為順應(yīng)水流特征，為高度空間扭曲面，尤其水泵水輪機轉(zhuǎn)輪葉片非常狹長。在初期方案設(shè)計及轉(zhuǎn)輪設(shè)計未完成的情況下，無法獲得葉片翼型真實數(shù)據(jù)及轉(zhuǎn)輪真實特性曲線信息。在設(shè)計實踐中，對轉(zhuǎn)輪部件選型設(shè)計通常采用與同類型、同水頭段已建電站轉(zhuǎn)輪類比的方法，此類比選型方法可滿足工程應(yīng)用精度，如決策階段調(diào)節(jié)保證設(shè)計均選擇已建電站同類型、同水頭段轉(zhuǎn)輪綜合特性曲線進行計算。因此，在無轉(zhuǎn)輪翼型數(shù)據(jù)的情況下，可采用對已有同類型、同水頭段翼型數(shù)據(jù)進行近似保角變換，保證轉(zhuǎn)輪流線的空間曲率小幅度變化，實現(xiàn)轉(zhuǎn)輪部件參數(shù)化建模。

對已有轉(zhuǎn)輪葉片，在其本身以導(dǎo)葉中心線所交軸點為原點的三維直角坐標(biāo)系中，按其葉片正面、背面流線，采集離散數(shù)據(jù)點作為葉片翼型控制網(wǎng)格點，如圖1所示。將離散點按照葉高方向流線號、網(wǎng)格點號編成空間點二維數(shù)組Pts2（［］，［］），將同一條流線上的網(wǎng)格點編成空間點一維數(shù)組Pts1（）。

對于數(shù)組Pts2（）遍歷求取已有葉片的轉(zhuǎn)輪進、出口直徑d1=Sqrt（Pts2（m，n）.X2+Pts2（m，n）.Y2）、d2=Sqrt（Pts2（p，q）.X2+Pts2（p，q）.Y2）及進、出口直徑點數(shù)組索引值（m，n）、（p，q）；對于數(shù)組Pts2（）遍歷求取已有葉片的轉(zhuǎn)輪高度H葉片及其數(shù)組索引值；對于數(shù)組Pts2（）遍歷求取每個網(wǎng)格點的單位向量數(shù)組Vcts（［］，［］）及相對于進口直徑d1的無量綱距離數(shù)組Lng（［］，［］）；對于方案設(shè)計的新轉(zhuǎn)輪控制參數(shù)進口直徑D1、出口直徑D2，按照縮放比例求取進、出口縮放率D1/d1、D2/d2，并對流線上的網(wǎng)格點縮放比率進行線性插值，形成新轉(zhuǎn)輪各條流線網(wǎng)格點縮放比率數(shù)組Ratios（［］，［］），通過數(shù)組Lng（）、Ratios（）、Vcts（）和D1、D2間的乘積運算可求出新轉(zhuǎn)輪映射的流線網(wǎng)格點坐標(biāo)。

對于Z軸方向，同樣采用前述線性插值比率思想，并按照設(shè)計方案中進口高度和轉(zhuǎn)輪高度參數(shù)進行矢量縮放轉(zhuǎn)輪軸向高度。轉(zhuǎn)輪部件的參數(shù)化建模主要輸入?yún)?shù)見表3。

由于轉(zhuǎn)輪空間扭曲特性和水頭特性相關(guān)性很大，已有轉(zhuǎn)輪參數(shù)的適用性受限于設(shè)計方案轉(zhuǎn)輪的應(yīng)用水頭參數(shù)，方案轉(zhuǎn)輪與已有轉(zhuǎn)輪的應(yīng)用水頭特性越接近，參數(shù)化建模的模型可信度越高，當(dāng)兩者跨越水頭段區(qū)間時，甚至?xí)霈F(xiàn)不合常理的建模結(jié)果。轉(zhuǎn)輪部件的參數(shù)化建模關(guān)鍵在于對已有轉(zhuǎn)輪離散網(wǎng)格點進行空間變換時，該已有轉(zhuǎn)輪與方案轉(zhuǎn)輪的應(yīng)用水頭相似性，為此應(yīng)盡可能收集各水頭段已有轉(zhuǎn)輪數(shù)據(jù)，充分發(fā)揮轉(zhuǎn)輪部件的參數(shù)化建模優(yōu)勢。

2.4尾水管部件參數(shù)化建模

尾水管部件是水輪機能量回收的關(guān)鍵部件，大型水電站常用的是彎肘形尾水管，其由進口錐管、肘管和出口擴散管組成，彎肘形尾水管的3個關(guān)鍵參數(shù)是尾水管深度h、肘管形式和尾水管水平長度L。設(shè)計方案時，可按照設(shè)計經(jīng)驗計算確定h和L，肘管形式一般采用標(biāo)準(zhǔn)形式［14］，確定關(guān)鍵參數(shù)后，可根據(jù)擬定斷面特性、參考近似尾水管完成尾水管單線圖。根據(jù)單線圖中完整的各斷面信息，調(diào)用CreateLineElement（）生成各斷面輪廓線，最后調(diào)用CreateBsplineSurfaceElement（）完成尾水管多截面實體建模。尾水管單線圖表征了尾水管部件建模的完整信息，因此本部件建模在導(dǎo)入格式化底層數(shù)據(jù)后，無需額外參數(shù)即可完成一鍵式參數(shù)化建模。

3參數(shù)化建模功能實現(xiàn)

參數(shù)化建模是以底層數(shù)據(jù)驅(qū)動，通過內(nèi)嵌封裝的數(shù)據(jù)處理邏輯自動生成模型的過程［15］，水輪機各部件建模邏輯如圖2所示。內(nèi)嵌數(shù)據(jù)處理邏輯對底層數(shù)據(jù)格式有較嚴(yán)格的要求，同時數(shù)據(jù)格式應(yīng)兼顧工程設(shè)計的數(shù)據(jù)習(xí)慣，以保證設(shè)計人員的使用便利性。插件中的數(shù)據(jù)格式完全遵照水輪機設(shè)計表達習(xí)慣，如采用蝸殼、尾水管單線圖表達、轉(zhuǎn)輪關(guān)鍵尺寸表達等，交互界面遵從水力機械傳統(tǒng)設(shè)計習(xí)慣，增強設(shè)計人員的操作簡便性和建模高效性。

3.1代碼工具

代碼工具采用Bentley軟件二次開發(fā)語言MVBA，提供完整的窗體控件，以便操作者直觀地交互使用，且包含所有Bentley建模命令支撐完成模型元素創(chuàng)建、刪除及相關(guān)的修改操作。采用MVBA完成的建模插件可直接通過Bentley軟件Utilities—Macros—Play進行宏運行使用。

3.2建模實施方案

根據(jù)各部件建模方法和已梳理的底層數(shù)據(jù)格式，分析生成部件模型所需的數(shù)據(jù)處理邏輯，并將處理邏輯采用代碼命令表達及固化，封裝成各模塊建模方法。例如蝸殼、尾水管的數(shù)據(jù)處理邏輯是首先生成斷面輪廓，再通過輪廓放樣成多截面實體，轉(zhuǎn)輪部件的數(shù)據(jù)處理邏輯為將流線網(wǎng)格點進行空間矢量縮放，通過流線網(wǎng)格點生成葉片流，再由流線放樣成空間扭曲葉片實體。

運行程序后，通過程序的數(shù)據(jù)讀取接口讀入相應(yīng)建模部件的底層格式數(shù)據(jù)，并按照建模插件界面輸入相應(yīng)的參數(shù)，如導(dǎo)葉個數(shù)、導(dǎo)葉安放角、轉(zhuǎn)輪葉片個數(shù)等，確定生成即完成部件模型建模。水輪機建模中，各部件相對位置關(guān)系已固定邏輯，可直接生成組裝完整的水輪機一體化模型。

3.3插件展示

按照水輪機部件參數(shù)化建模需求，本建模插件分為6個頁簽，各頁簽界面如圖3所示，其中第一個頁簽為首頁界面，用于選擇建模機組類型（抽蓄機組/常規(guī)混流機組）、尾水管形式（圓截面尾水管/圓變方截面尾水管）、鍵入水輪機基本參數(shù)，圖3（b）～（f）頁簽為蝸殼、轉(zhuǎn)輪、尾水管等的建模模塊。其中程序插件還設(shè)置了幫助彈窗，用以提示用戶規(guī)范操作，防止出錯。

4參數(shù)化建模實例應(yīng)用

本實例針對某抽水蓄能電站工程，在該工程可行性研究階段，水輪機設(shè)備各部件基本尺寸參數(shù)通過理論方法計算或者主機廠家咨詢均有初步數(shù)據(jù)，并根據(jù)已有水輪機資料，修正整理出本工程推薦方案中各建模部件的格式化底層數(shù)據(jù)，運行建模插件完成各部件參數(shù)化建模，建模成果實例如圖4所示。圖4（a）和（b）為參數(shù)化建模的蝸殼和轉(zhuǎn)輪部件，蝸殼部件以單線圖數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，建模準(zhǔn)確度高；轉(zhuǎn)輪部件以葉片流線上的離散網(wǎng)格點為基礎(chǔ)，建模完成后葉片空間曲率的保真度較高，轉(zhuǎn)輪流道符合抽蓄電站轉(zhuǎn)輪實際空間曲面扭曲特征，且提高了建模效率；圖4（c）和（d）為水輪機整體建模成果，模型裝配準(zhǔn)確度及部件信息完整，滿足設(shè)計階段信息模型建模要求。

插件程序還集成常規(guī)混流機組部件參數(shù)化建模功能。在常規(guī)混流機組大流量設(shè)計工況時，尾水管截面多采用圓形漸變方形的結(jié)構(gòu)形式，程序插件對該尾水管結(jié)構(gòu)形式進行了整合封裝。以某常規(guī)混流電站可研階段推薦方案設(shè)計參數(shù)為基礎(chǔ)，采用本參數(shù)化建模程序完成設(shè)備部件建模，該常規(guī)電站水輪機模型如圖5所示。圖5（a）為轉(zhuǎn)輪模型，轉(zhuǎn)輪葉片形式符合大流量混流機組特征，表面曲率光順；圖5（b）為水輪機組裝完整模型，蝸殼斷面飽滿，過渡圓滑，尾水管為圓變方截面，漸變截面光順，符合實際部件特征。

5結(jié)語

本文基于Bentley三維設(shè)計平臺，以MVBA語言進行了水輪機設(shè)備參數(shù)化建模的二次開發(fā)，將異形空間的水力過流部件建模處理邏輯進行了封裝固化，形成了以底層參數(shù)控制的參數(shù)化建模程序。程序界面以窗體控件對話為交互方式，交互習(xí)慣遵從工程人員專業(yè)設(shè)計習(xí)慣，建模操作脫離軟件自身命令流模式，集成了抽蓄電站、常規(guī)混流電站水輪機部件建模功能，基本實現(xiàn)水輪機設(shè)備參數(shù)化一鍵建模。模型信息以底層設(shè)計數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，可充分保證三維模型信息的準(zhǔn)確性和完備性，同時參數(shù)化建模過程為計算機自動執(zhí)行，大幅度提高了建模效率和修改效率，為BIM技術(shù)在水力機械設(shè)備建模及多維拓展應(yīng)用上提供了新的思路。

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（編輯：唐湘茜）

Parameterized modeling method of hydraulic turbine equipment?based on MVBA

GONG Lujia

（Shanghai Investigation，Design ＆ Research Institute Co.，Ltd.，Shanghai 200434，China）

Abstract： To overcome the difficulties of constructing 3D models of hydraulic equipment of lacking the details，complex and inflexible modeling operations with common soft-wares in water conservancy and hydropower engineering，a kind of plug-in program based on MVBA language had been secondary developed for Bentley platform to create parametric modeling of hydraulic equipment.Designing theory of hydraulic flow components and method of analogy of existing components were integrated in the program to model turbine runner，spiral case，draft tube，stray ring of pumped storage unit or Francis turbine unit.The plug-in was applied in a pumped storage project and generated the turbine unit equipment successfully.Precision and information completeness of the models constructed with MVBA program can totally meet the requirement，the modeling efficiency and convenience of modification were greatly improved.

Key words： MVBA； hydraulic turbine； runner； secondary development； parametric modeling