切击式水轮机转轮的三维模型建立

许晋邦

摘 要：切击式水轮机是利用水流的动能改变做功的水轮机，其工作射流中心线与转轮节圆相切，故名切击式水轮机。转轮是水轮机能量转换的核心，高落差水流在过转轮水斗表面时将能量传递给水斗，进而推动转轮，水斗的表面形状、背面形状、切口形状是十分重要的，它们将影响水轮机的出力和效率。与传统水轮机转轮设计不同，文章利用uG等软件进行转轮的三维模型的建立。

关键词：切击式水轮机；水斗形状；转轮的三维模型建立

引言

近年，我国的水能资源开发已由过去的模式进入向低水头小容量和高水头大容量发展阶段。随着工业水平与国民经济的快速发展，我们对水能清洁能源的需求越来越高，中、低水头的水力资源已经得到广泛开发且趋于饱和。而剩余的大量水力资源多是处于交通不便的山区中的高水头大容量水利资源。切击式水轮机主要应用在种工况下，其结构简单、适用水头高、转轮直径小、效率高、对流量变化不敏感、在较大的流量出力范围内具有较高的效率。可广泛应用在河川上游、山区等高水头地区，如今我国大力提倡西部大开发，水电开发是西部大开发的重点，对在西部应用广泛的切击式水轮机进行研究是很必要的。

1 UG软件概述

UG即计算机辅助制造与交互式计算机辅助设计（CAM/CAD） 软件，采用基于约束的传统几何建模和特征建模一体的复合建模技术，可很容易的实现各类型的复杂实体及各种造型的建构。UG数学方面的基础是NURBS、B样条、Bezier曲线曲面，并保留了解析几何实体上的建模方法，其造型能力很强。它的曲面建模过程完全集成在实体建模上，大部分曲面建模操作可直接修改或产生实体模型，实体、曲面壳体与定义它们的几何体完全相关。可独立生成自由形状形体，以备实体设计时使用。UG软件实现了体与面非常完美精准的集成，可在实体上缝合无厚度曲面壳，总得来说，UG强大的实体化曲面处理能力是其重要优势和特征。

2 三维模型建立的基本思想

当我们为复杂实体造型时，一般采用的方法是“片体缝合法”，这是一种用大量的面去包裹来形成框架实体的方法，完成面包裹后还需通过UG软件里的命令缝合成实体。要完成模型建立首先是需要根据经验与研究掌握对象的各种信息，把复杂实体分解为几部分，要求好造型，并且用的面尽量不要太多。若包裹面在经过分面后仍然十分繁复，应进一步将其再分成几个相对容易造型的面，直到包裹面十分简洁优美，然后我们对包裹面来分别进行造型，接这时需要检查各个造型面的缝合、相交状况，用UG的剪切命令切去造型上多余的面。接着检查各面的光滑性，看其分面曲率的一致性是否符合要求，能否做到光滑连接。最后我们在一定的公差下把各个面缝合连接在一起，形成我们需要的实体，完成复杂实体造型。

3 轉轮的三维造型过程

3.1 单个水斗三维造型

切击式水轮机与其他水轮机不同，它的转轮并不包含叶片而是以很多状完全相同的水斗等角度排列来组成的，我们在建立切击式水轮机转轮模型时就可以只先建立一个斗叶的三维模型，再将建成的这个斗叶模型用UG软件命名旋转，这样我们就能得到转轮的三维模拟图。

在笛卡尔坐标系中，我们一旦确定了斗叶表面上控制点的具体三维坐标，就可以绘出斗叶的三维图形。在木模图中，曲面的X、Y、Z坐标分别由轴面视图及等高线给出，前者为我们提供了具体柱坐标，后者则提供了X、Y坐标，将二维图形转换到三维图形，就是把两个视图中同一个曲线上的X、Y、Z坐标转换到一起。

对于横纵断面线的定位，我们是利用AUTOCAD软件等平面软件完成切击式式水轮机转轮木模图的绘制的。利用AUTOCAD来分解出纵截面线与横截面线。横纵截面线的分解图坐标全部设为同样的一个基准点并把这个基准点设置到原点。再通过UG的导入命令导入格式成DXF/DWG格式，然后通过平移、旋转等变换命令，把横纵断面线放到相对应的等高切面线上。

对于工作面与背面的造型，首先将刃口封闭，通过对比平面以及轴面视图，先绘制出斗叶中的水碗部分，通过UG中网格曲线命令通过曲线组构建出整个的工作面与背面。在曲面生成的过程中，斗叶出水边、背面缺口、正面根部、根部曲率的变化都非常大，在曲面造型过程中会发生畸变，为了应对这种情况我们应采用UG命令中的裁减片体命令剪掉多余部分。对于那些生成曲面严重失真的面或者那些曲率变化过大的面，我们需要继续把这种面切分成几个小面再进行分别的造型。将各个缝合面缝合成切击式水轮机水斗实体时，应注意在使用FLUENT等分析软件时要求缝合公差不可大于0.001mm。不然当我们将造型导入分析软件时，该造型会无法识别成实体。

3.2 转轮的三维造型

最后是构造出切击式水轮机的转轮实体，我们将水斗实体模型以轮毂中心线为中心进行截面线应用旋转命令形成阵列得到所需水斗的斗叶，对水轮机轮毂和斗叶进行布尔运算求解出和，就这样我们得了切击式水轮机转轮体。

4 结束语

现在我国切击式水轮机的应用储能非常之大，但是开发量比例甚少。我国是电力生产、装备及流体机械设备使用大国，又是输出大国，但在电力、流体机械相关行业的技术创新能力还不是的特别高，产品附加值低，缺乏核心竞争力。开发中国设计的有自主产权的切击式水轮机转轮，有着无比广阔的工程应用前景和十分巨大的产业化价值。

参考文献

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