CAD技術在水輪機輪轉方面的應用研究

梁晨

摘 要：CAD技術在水輪機輪轉方面有著廣泛的應用，如水輪機在過流部件部分的水力設計涉及到與CAD軟件結合的設計方法，進而建立起了分析計算、優化、水輪機設計與繪圖以及數據庫系統等現代水輪機輪轉設計的CAD系統，該技術主要用于水輪機轉輪、導葉等部件的設計。

關鍵詞：CAD技術；水輪機；輪轉；應用研究

作為計算機的主要輔助設計技術——CAD技術，在近年來得到了飛速的發展和應用。該技術主要應用于工程的產品設計以及工程設計等各個方面。技術的體現方式有計算、分析和繪圖等等，其中計算機的輔助繪圖功能是CAD的核心內容。繪圖能夠作為一個相對獨立的系統，為工程設計提供直接的服務。一般而言，描述一個完整的CAD系統主要包括專業分析、專業計算以及優化程序和建立數據系統等。

1 CAD技術在水輪機輪轉方面應用概述

雖然CAD技術的發展速度非?？?，但此技術在開發應用的初級階段，不論是在工程上還是技術上，大都是從計算機輔助功能繪圖問題的解決上開始的，也就是使用計算機進而代替手繪進行工程圖紙的設計工作。從設計的整個過程來看，計算機輔助繪圖只是工程設計的一個階段，完成這一任務之后方可實現專業繪圖與專業計算的連接工作，進而能夠完成設計的整個過程。CAD作為一種繪圖軟件得到快速的發展，特別是在連接與圖形有關數據的各個方面。

CAD技術在水輪機輪轉方面有著廣泛的應用，下面筆者將從水輪機輪轉的設計方法、圖形元素、速度矩以及轉輪葉片等方面進行詳細分析。

1.1 水輪機輪轉設計方法

通常來講，水輪機輪轉設計方法有兩種，即一元設計法和二元設計法。所謂一元設計法，是在水輪機輪轉的上冠和下環所謂兩條流線之間，構造出多條斷流面積的曲線，該曲線是一條圓弧形的曲線，上冠和下環曲線非別與其兩端呈垂直。所以，按照流體力學的理論，上冠和下環是主要的流線，所以圓弧曲線就相當于等勢線。在一元設計的理論方法看來，在一個圓弧曲線上，也就是在等勢線上，在軸面上的水流速度是相等的。所以，軸面流動存在勢能的變化。對于二元設計方法，在軸面流動是有勢流動時，最基本的要求是在兩個相鄰的流面間其流量要相等。還需要根據給定的尺寸大小，在流道的起始斷面部分，水流的速度方向要與坐標軸Z軸互相平行。在出口的斷面部分，水流的流速方向與Z軸也要平行。在水輪機的轉輪區域與兩個斷面之間的距離要求足夠遠，斷面上各個軸面有均勻分布的流速。所以，按照一元方法能夠確定出口斷面和起始斷面上的具體位置。但是，由于下環線的圓弧形線以及近似直線的曲線，在連接點線上的曲線處有很大的變化，所以，在曲線處的附近需要按照一元的方法先找到軸面流線的具體位置，然后結合出口斷面流線和起始斷面流線的位置。

1.2 水輪機輪轉中的圖形元素

兩點能夠決定一條直線，點是由坐標軸的縱坐標和橫坐標來確定的，在點和點之間需要用空格鍵來區分，另外，結束直線的命令是用空格鍵同時按住回車鍵結束，還可以使用封閉的折線命令再按住回車鍵來結束?？傮w來講，直線的主要形式有兩點、三點和四點。在繪圖的過程中，畫圓的方法有多重多樣，使用最多的是圓心與半徑的方法，畫圓是比較簡單的，結構圖的尺寸標注也有三種，即圓尺寸、直線尺寸以及圓弧尺寸。

1.3 水輪機輪轉速度矩

水輪機的輪轉速度矩主要是沿轉輪的葉片出口邊、進口邊以及在葉片的整個區域內進行取值，得出變化的規律，同時對于水輪機的氣蝕特性和工作的穩定性有很大的影響。另外，速度矩有一定的原則和方法。水輪機轉輪的葉片理論上來講，在出口處的速度矩取值應該為零，所以對于水輪機的轉輪來說，主要有三種能夠選擇的方案，經過整體的分析研究，在長江三峽的水輪機，設計原則是，上冠處的速度矩是負值，而且從上冠延續到下環其速度矩是逐漸增加的，所以，下環的速度值是正值。經過試驗得出結果，按照轉輪出口處的速度矩分布來看，在上冠流線處是負值，在中間的流線會趨近于零，在下環線處流速趨于正值，這樣設計的轉輪能夠具有很好的工作穩定性。在轉輪的葉片繪型時，需要采用逐點積分的方法，還要給出速度矩沿軸面上的流線分布規律。

1.4 水輪機轉輪葉片厚度改進

一般而言，水輪機轉輪葉片的強度計算都需要核算和校對，因此在轉輪葉片工程設計的階段，大都需要使用一些實用、簡便的公式來估算轉輪的大概厚度，需要改進厚度來增強其性能。

2 CAD在水輪機轉輪設計中的應用

2.1 水輪機轉輪設計的繪圖設計

水輪機大部分是由蝸殼，固定的導葉以及活動的導葉、轉輪、尾水管四個主要過流部件組成。水輪機的幾何形狀一般會隨著應用水頭以及裝機容量的不同而發生很大的變化。并且，近年來隨著計算機的廣泛應用以及計算機技術的飛速發展，水輪機過流部件的設計逐漸采用反問題計算和優化的方法進行設計，因此，需要將CAD技術和水輪機過流部件的優化設計相結合，再將優化計算的結果用相關的文件進行貯存，然后再運行CAD，就能十分方便地將計算結果繪成設計制造所需要的圖形。

2.2 水輪機轉輪引水室的設計應用

水輪機的引水室作為水流進入的第一個部件發生很大的作用，主要是通過它將水引向導水機構，然后進入轉輪區，再從尾水管流出。水輪機的引水室一般可以分為四種形式，即開敞式、罐式、蝸殼式。由于引水室的外形像蝸牛殼，所以被稱為蝸殼。為了保證能夠向導水機構均勻的供水，蝸殼的斷面需要逐漸減小，同時它可在導水機構前形成環量。另外，蝸殼根據適用的范圍不同，將其劃分為混凝土蝸殼和金屬蝸殼兩種類型，其中混凝土蝸殼這一類型一般適用于水頭機組，因為混凝土結構不能承受過大的壓力，高水頭時能采用金屬蝸殼。

2.3 水輪機轉輪利用CAD計算

水輪機轉輪的計算，CAD的計算過程大都有自己的判斷和循環運算方式，如果能夠滿足條件會進入下一個過程。本程序應用特定的程序語言，而且在計算過程中需要多次使用“函數”對數據進行插值計算，進而保證其計算的準確性。CAD的應用能夠很簡便的得到研究成果及計算程序，所以只需要確定水輪機轉輪設計的準確輸入參數，就能夠完成不同比轉數的混水輪機轉輪CAD設計和計算結果，并提供計算的相關公式。利用CAD繪圖技術系統能進行快速計算，并確定水輪機的工作參數、繪制水輪機的工作特性曲線以及在運轉過程中的綜合特性曲線，計算調節保證、選擇計算輔助設備、計算繪制蝸殼和尾水管以及其水力單線圖等一系列水輪機初步設計工作。另一方面，這一系統可以在很短的時間內得到包括計算結果數表、設計打印文件、圖紙等一套設計成果。還可以進行水輪機特性曲線的處理加工、相關特性數據的存貯、有效管理和及時維護等工作。

3 結束語

本研究主要應用在CAD軟件進行水輪機轉輪設計和計算機輔助繪圖方面做了深入探究，通過特定的程序語言進行編程計算分析并建立合理的數據庫系統，進而獲得CAD能夠接收的數據文件，進而利用計算機進行自動繪圖。水輪機轉輪的優化設計和CAD技術相結合，能夠建立一個計算、分析、數據庫系統和計算機輔助繪圖系統于一體的水輪機轉輪設計CAD系統。

參考文獻

[1]王萍，陳月林.混流式水輪機轉輪CAD[J].教育探索，2007（11）.

[2]廖偉麗，張海平，梁武科.AutoCAD在水輪機設計中的應用[J].陜西水力發電，2001（5）.

[3]石勇，劉文濤，于紅英.汽輪機葉片CAD/CAM軟件開發[J].機械設計，2011（8）.