浅谈水轮机CAD系统的应用与发展

李一凤喆

【摘要】水轮机CAD系统的这种设计，它主要是用计算机进行绘图分析。这种水轮机CAD系统使用了集数据库系统和水轮机计算机图形化处理为一体的设计方法，不仅能表现出水轮机的流体动力、结构刚强度以及动力分析，更有其珍贵的应用价值，例如水轮机蜗壳、固定导叶、活动导叶 、转轮、尾水管等水力机械结构设计。

【关键词】水轮机；CAD技术；应用与发展

水轮机的四个主要过流部件几何由于应用水头和装机容量的变化而变化，再加上现如今计算机的高度发展和计算机技术的广泛应用，在设计水轮机过流部件的问题上，反问题计算和优化的这种设计逐步走入了人们的视野。再来说说CAD，它其实是Computer Aided Design的缩写，而CAD技术设计就是计算机辅助设计。其中心部分就是计算机辅助绘图，这种绘图软件的替换了原来的手工绘图，不仅节省了大量的时间，还实现了绘图工具的一大飞跃。现如今的CAD技术主要应用于工程和产品设计等方面。计算机辅助绘图只是迈出设计的一小步，应该要在此前提下将专业计算与绘图结合起来，才能更好的实现设计的完整性。由此可见，这种现代化高速发展的新兴领域其前景是非常可观的。而且我们国家对于水轮机CAD系统的应用发展，也给予了一定的重视，其中包括水轮机的初步设计、结构优化以及有限元分析。

1.水轮机CAD系统的介绍

1.1水轮机系统的结构

自80年代后期，对于水轮机CAD技术，我们国家首先针对水轮机的初步设计、结构优化以及有限元分析等部分做了探讨。华中理工大学曾开展过“水轮机CAD图形处理系统”课题，浙江大学在后一年也与杭州发电设备厂共同完成了“混流式卧轴式水轮机CAD系统”项目，哈尔滨电机厂等地方也举行了水轮机CAD的展开计划，都获得了一定的成功。但水轮机设计存在许多复杂的地方，怎么便捷、高效率地合成繁琐的装配图，以及快速得到零部件尺寸参数，一直是大家在开发这个系统中十分注意的地方。水轮机存在多种形式，在此篇文章中将以混流式水轮机CAD来举例分析，便于探讨。混流式水轮机包括：导水机构、转动部分、蜗壳、尾水管装配、调速机构、轴承座等部分，每一部分又包括很多个零件。水轮机的全套设计图样分总装图、部装图、分部装图以及零件图。水轮机系统的总体结构包括尺寸参数，它是指决定零件形状大小的变量，它是图形生成、处理的先决条件。本系统不仅能够由已有设计结果，直接输入尺寸参数数据，还可以根据数学函数式和模型快速得到尺寸参数数据。由尺寸参数，再调节基础图形软件，就能够得到想要的图形。再结合各割面区域定义点的坐标，识别割面轮廓，从而得到割面轮廓信息和割面线，并经零件间遮挡裁剪处理、图线与字符干涉处理、零件尺寸标注后完成所需要的装配图、零件图。

1.2关于装配图和零件参数处理

装配图在处理时必须要注意是否与图表数据结构保持一致、零件间的遮挡、数据覆盖以及微机内存限制等等。CAD系统在1M内存微机上也能很好的实现水轮机总装图的处理与输出。而在零件尺寸参数处理这个方面上，由于每种零件都有其对应的尺寸参数，零件的每种系列规格也有其对应的尺寸数据。不同零件的尺寸参数数据生成及处理过程是大体一样的，但产生的数学模型是不相同的。如導水机构装配及其零部件的设计， 水轮机转轮叶片、上冠、下环通流形状总是由它的转速变化所控制的，这也同时决定了导叶、项盖、底环、控制环的布置。混流式水轮机导水机构布置的设计原则就是对已有水轮机型谱规定的型号，根据规格的变化，对导水机构的形式分别归档。而零件结构尺寸则是由功能、作用、强度、刚度等因素决定。CAD系统使用了标准系列的典型参数化表格图，创建起十分充足的数据和图形库，这样做的目的是想使其运行更加容易，系统更加合理，方便以后设计出新型号规格水轮机。例如，我们在模型实验时设计导叶时，主要依据水轮机型号，对于同一型式导叶，根据叶型相似原则，可根据数学模型来决定所设计导叶断面尺寸，而关于导叶其它相关的尺寸，可以使用数学关系式、表格数据方法，让计算机自动生成。

2.CAD水轮机系统的应用实例

将CAD技术与水轮机过流部件的优化设计相融合，将优化计算的结果用*.scR文件保存，再运行CAD，就能够便捷地将计算结果绘成设计制造的各种图形。而关于我国的水轮机CAD系统，不仅在给工程师和设计师在水轮机的设计方面提供了很多的灵感和方便，还大程度的节省了物质和人力资源，而且在全亚洲，甚至欧洲等地方也拥有一定的地位，已经很好的与CAE、CAM融合并为我们国家的二滩电站、三峡机组水轮机而服务。再来具体到以蜗壳为研究对象，首先将水流引入到蜗壳的引水室中，之后将其导入导水机构中，使之流入转轮区中，最后再从尾水管中流出，这种内部水流运动，在设计转轮的时候，最好沿着轴向均匀的流转，其流量应在转轮的切线方向平衡分布，最好沿着轴向均匀的流转。而蜗壳式水轮机被称为蜗牛的原因是它形似蜗牛壳。环量的出现必须由蜗壳那不断沿面变小的断面于导水机构前方回转，使导水组织结构水流平衡，这是它一个很具特色的地方。蜗壳并不只有一种，根据适应水头有40m以下机组的混凝土蜗壳和40m以上机组的高水头金属蜗壳。后一种金属蜗壳所能承受的压力显然大于前一种，由名字我们就能得出，这也为我们在选择蜗壳时提供了一个很好的参考依据。再来说说蜗壳是怎样来运行CAD系统，说到电脑程序，无非是创建数据、输入数据、绘图然后得到结果，当然CAD系统也不例外，但是在输入数据文件时应具体，例如水轮机的流量、转轮的直径以及导叶的长度等等，想要强调的是在使用绘图软件时，应要创建*.SCR文件类型，再用AutoCAD程序绘图，这样就能快速的得到想要的结果，大大的减少了时间。

结语

CAD水轮机系统已经得到了实际应用，由以往的传统设计图样转变成系统化产品，不同的产品参数都有不同规格的图样。采用数据搜盖、轮廓自动识别、自动裁剪，以往想要得到复杂的零件图、装配图，其过程是较为繁琐的，但此系统使用数据搜盖、轮廓自动识别、自动裁剪这种程序，能够让过程变得十分的简单，并且将计算机辅助绘图与水轮机设计相结合，创新的归纳出了水力计算、三维实。这种独特的系统不仅大幅度的提升水轮机CAD设计的质量，还完美的表现出了水轮机的水力设计、生成零件三维实体模型和实现虚拟设计，恰好迎合了软件工程的新思想，增加了它的可维护性和可扩展性，减少了开发新软件系统的所需时间。

参考文献

[1]夏泽政编著.微型机自动绘图系统.中国铁道出版社，2008.2.

[2]许耀昌，王昌禄编著.微型计算机辅助机械设计与绘图·电子工业出版社，2005.5.

[3]李伯虎.计算机集成制造系统约定、标准与实施指南[M].北京：兵器工业出版社，2009.10.