切擊式水輪機轉輪的三維模型建立

許晉邦

摘 要：切擊式水輪機是利用水流的動能改變做功的水輪機，其工作射流中心線與轉輪節圓相切，故名切擊式水輪機。轉輪是水輪機能量轉換的核心，高落差水流在過轉輪水斗表面時將能量傳遞給水斗，進而推動轉輪，水斗的表面形狀、背面形狀、切口形狀是十分重要的，它們將影響水輪機的出力和效率。與傳統水輪機轉輪設計不同，文章利用uG等軟件進行轉輪的三維模型的建立。

關鍵詞：切擊式水輪機；水斗形狀；轉輪的三維模型建立

引言

近年，我國的水能資源開發已由過去的模式進入向低水頭小容量和高水頭大容量發展階段。隨著工業水平與國民經濟的快速發展，我們對水能清潔能源的需求越來越高，中、低水頭的水力資源已經得到廣泛開發且趨于飽和。而剩余的大量水力資源多是處于交通不便的山區中的高水頭大容量水利資源。切擊式水輪機主要應用在種工況下，其結構簡單、適用水頭高、轉輪直徑小、效率高、對流量變化不敏感、在較大的流量出力范圍內具有較高的效率?？蓮V泛應用在河川上游、山區等高水頭地區，如今我國大力提倡西部大開發，水電開發是西部大開發的重點，對在西部應用廣泛的切擊式水輪機進行研究是很必要的。

1 UG軟件概述

UG即計算機輔助制造與交互式計算機輔助設計（CAM/CAD） 軟件，采用基于約束的傳統幾何建模和特征建模一體的復合建模技術，可很容易的實現各類型的復雜實體及各種造型的建構。UG數學方面的基礎是NURBS、B樣條、Bezier曲線曲面，并保留了解析幾何實體上的建模方法，其造型能力很強。它的曲面建模過程完全集成在實體建模上，大部分曲面建模操作可直接修改或產生實體模型，實體、曲面殼體與定義它們的幾何體完全相關。可獨立生成自由形狀形體，以備實體設計時使用。UG軟件實現了體與面非常完美精準的集成，可在實體上縫合無厚度曲面殼，總得來說，UG強大的實體化曲面處理能力是其重要優勢和特征。

2 三維模型建立的基本思想

當我們為復雜實體造型時，一般采用的方法是“片體縫合法”，這是一種用大量的面去包裹來形成框架實體的方法，完成面包裹后還需通過UG軟件里的命令縫合成實體。要完成模型建立首先是需要根據經驗與研究掌握對象的各種信息，把復雜實體分解為幾部分，要求好造型，并且用的面盡量不要太多。若包裹面在經過分面后仍然十分繁復，應進一步將其再分成幾個相對容易造型的面，直到包裹面十分簡潔優美，然后我們對包裹面來分別進行造型，接這時需要檢查各個造型面的縫合、相交狀況，用UG的剪切命令切去造型上多余的面。接著檢查各面的光滑性，看其分面曲率的一致性是否符合要求，能否做到光滑連接。最后我們在一定的公差下把各個面縫合連接在一起，形成我們需要的實體，完成復雜實體造型。

3 轉輪的三維造型過程

3.1 單個水斗三維造型

切擊式水輪機與其他水輪機不同，它的轉輪并不包含葉片而是以很多狀完全相同的水斗等角度排列來組成的，我們在建立切擊式水輪機轉輪模型時就可以只先建立一個斗葉的三維模型，再將建成的這個斗葉模型用UG軟件命名旋轉，這樣我們就能得到轉輪的三維模擬圖。

在笛卡爾坐標系中，我們一旦確定了斗葉表面上控制點的具體三維坐標，就可以繪出斗葉的三維圖形。在木模圖中，曲面的X、Y、Z坐標分別由軸面視圖及等高線給出，前者為我們提供了具體柱坐標，后者則提供了X、Y坐標，將二維圖形轉換到三維圖形，就是把兩個視圖中同一個曲線上的X、Y、Z坐標轉換到一起。

對于橫縱斷面線的定位，我們是利用AUTOCAD軟件等平面軟件完成切擊式式水輪機轉輪木模圖的繪制的。利用AUTOCAD來分解出縱截面線與橫截面線。橫縱截面線的分解圖坐標全部設為同樣的一個基準點并把這個基準點設置到原點。再通過UG的導入命令導入格式成DXF/DWG格式，然后通過平移、旋轉等變換命令，把橫縱斷面線放到相對應的等高切面線上。

對于工作面與背面的造型，首先將刃口封閉，通過對比平面以及軸面視圖，先繪制出斗葉中的水碗部分，通過UG中網格曲線命令通過曲線組構建出整個的工作面與背面。在曲面生成的過程中，斗葉出水邊、背面缺口、正面根部、根部曲率的變化都非常大，在曲面造型過程中會發生畸變，為了應對這種情況我們應采用UG命令中的裁減片體命令剪掉多余部分。對于那些生成曲面嚴重失真的面或者那些曲率變化過大的面，我們需要繼續把這種面切分成幾個小面再進行分別的造型。將各個縫合面縫合成切擊式水輪機水斗實體時，應注意在使用FLUENT等分析軟件時要求縫合公差不可大于0.001mm。不然當我們將造型導入分析軟件時，該造型會無法識別成實體。

3.2 轉輪的三維造型

最后是構造出切擊式水輪機的轉輪實體，我們將水斗實體模型以輪轂中心線為中心進行截面線應用旋轉命令形成陣列得到所需水斗的斗葉，對水輪機輪轂和斗葉進行布爾運算求解出和，就這樣我們得了切擊式水輪機轉輪體。

4 結束語

現在我國切擊式水輪機的應用儲能非常之大，但是開發量比例甚少。我國是電力生產、裝備及流體機械設備使用大國，又是輸出大國，但在電力、流體機械相關行業的技術創新能力還不是的特別高，產品附加值低，缺乏核心競爭力。開發中國設計的有自主產權的切擊式水輪機轉輪，有著無比廣闊的工程應用前景和十分巨大的產業化價值。

參考文獻

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