CATIA在水輪發電機組設計中的運用

朱 潔

（中國東方電氣集團有限公司中央研究院，四川成都，611731）

運用TOP-DOWN設計方法將參數模型建立在骨架基礎上，使零件設計基于參數和骨架定位的關系。TOP-DOWN設計首先采用三維空間坐標點、樣條線、多截面曲面把整機框架設計好，然后結合幾何體骨架技術設計相關部套骨架，最后進行零件實體設計。在預裝配的數字樣機上即可檢查干涉和修改設計中的不協調，使設計不斷優化。

1 總體骨架設計

設計水輪機總體骨架，機組參數設置方案有制定水機流道圖、大部套之間配合面、導葉布置圖、接口尺寸、重要關聯尺寸。確定機組的主要參數包括轉輪直徑D(mm)、額定出力Nt(kW)、額定轉速n(r/min)、主軸參數、抬機量(mm)、主軸密封參數、水導軸承參數、導葉布置圖參數、部套間緊固件參數。

發電機總體骨架，采用Insert Body骨架Publication設計方法，機組參數設置方案包括計算發電機總裝高層位置、各部套位置尺寸及各部套把合螺栓位置。確定機組的主要參數包括總裝參數、重要高程參數、定子參數、轉子參數、軸承參數、上機架參數、下機架參數、輔助部套參數。

（左）水輪機骨架（右）發電機骨架

2 主要部套設計

2.1 水輪機部套

2.1.1 轉輪裝配三維模板設計

利用CATIA的參數化設計，以混流式為例在同型號轉輪三維模板的設計中流道、葉片的三維實體模型可進行比例縮放；在不同型號轉輪三維模板的設計中主軸根據傳遞扭矩，采用參數化關聯設計，在公式編輯器中做修改便能快速生成新的三維模型。上冠、下環采用對截面草圖及Design Table進行調整的方法就能快捷、直觀地完成新的上冠、下環模型。

2.1.2 主軸的計算

通過添加Parameters和Relations計算得到主軸直徑，當轉輪直徑改變時通過CATIA公式編輯器計算，便得到相應參數驅動模型變形。主軸計算參數：額定出力Nt（KW）、額定轉速、主軸軸徑上限、主軸軸徑下限、主軸軸徑修正值等。

主軸計算公式編輯為：

主軸傳遞扭矩

f(x)=round(97400*‘主軸計算參數額定出力Nt(KW)’/‘主軸計算參數額定轉速’/1000)/100

主軸軸徑（Dz）

f(x)=round((‘主軸計算參數主軸軸徑上限’+‘主軸計算參數主軸軸徑下限’)/2mm)*1mm+‘主軸計算參數主軸軸徑修正值’

主軸法蘭轉輪端直徑（Df）

f(x)=‘主軸參數主軸軸徑（Dz）’+‘主軸參數主軸轉輪把合螺栓直徑’*5-15mm

主軸設計運用主軸參數關聯EXCEL設計表，添加了參數關系的尺寸由設計表數據控制就可以逐漸在EXCEL設計表中存放一系列的數據，使模板設計內容不斷豐富起來。

主軸扭矩曲線和參數設計表

2.1.3 轉輪葉片模型

轉輪葉片模型設計是由幾百個空間坐標點連成樣條線構成多截面曲面后生成零件實體。空間坐標點輸入Excel表，用Visual Basic及宏命令導入CATIA。當坐標點連成樣條線時便能清晰地看出截面形線的光順度，這時可以對曲面設計進行優化。為了提高葉片曲面模型設計中葉片表面質量為數控加工做準備，需要建立幾何圖形集把多截面曲面化分出更細致的輪廓線和引導線，構成網狀曲面。最后由優化后的曲面橋接、結合成封閉曲面生成實體葉片。

混流式和軸流轉漿式轉輪三維模型

2.1.4 導水機構

Catia在導水機構設計時可使用參數修改，觀察導葉在不同開度時大耳孔行程，并做出大耳孔行程和導葉開度的關系曲線圖。通過Product Engineering Optimizer和Run Optimization產生活動導葉立面密封的最佳搭接位置，當調節活動導葉轉角參數時活動導葉會旋轉到全關或全開位置。三維動態分析實現了空間尺寸的精確測量和工藝的優化。

軸流式水輪機導水機構

貫流式水輪機導水機構

2.2 發電機部套

2.2.1 定子轉子模型設計

定子機座采用Generative Sheetmetal Design設計，可方便鈑金展開后在數控機床上進行下料。定子鐵芯沖片、轉子磁軛采用單實體建模，節省軟件占用內存。定子線圈采用Generative Shape Design和知識模板建模，通過Knowledge Advisor的Loop命令將visual basic設計程序融入產品模型設計。轉子主軸承受額定轉矩。轉子支架主要承受額定轉矩、重力、磁極及磁軛、轉子支架本身離心力及熱打鍵徑向配合力。catia模型的建立直接影響強度和剛度分析的結果。

定子和轉子三維模型

2.1.2 上機架、下機架模型設計

機架定位面在總體骨架設計時便已確定，將publish的高程面載入部套設計。發電機上、下機架、推力軸承、導軸承可建立通用件模型庫。在top-down設計中，產品結構的改變通過控制結構中關鍵參數實現，參數改變將由Formula計算被自動傳遞到子系統設計。

上下機架及軸承三維模型

3 產品設計知識庫

CATIA的Catalog Browser可以將軸承、閥門、標準件、通用件等在庫編輯器形成不同型號參數的session document，形成知識模板User Feature輸出，可以優化產品結構，提高產品質量，提升設計手段，縮短設計周期。

運用CATIA三維設計軟件的用戶定義的知識模板和Knowledge Advisor設計重要部套，通過用戶交互模型建立知識工程庫。利用由Knowledgeware模塊提供的函數功能、高級測量、方程式建立和參數關系管理工具獲取的知識可以用在協同產品開發中，豐富產品開發流程。Knowledge Advisor模塊下Parameters Explore在設計中的靈活使用，使產品的優化設計及技術革新在產品開發階段得以實現。

燈泡貫流式水輪發電機組

軸流轉漿式水輪發電機組（左）水機部分 （右）電機部分

4 結論

CATIA三維top-down設計把結構的設計用參數的形式進行控制，在不同的型號的零部件設計中，不用重新繪制三維模型，只須輸入變化的控制數據就可以進行變形設計，節約設計時間，從而達到把更多設計時間用于優化設計方面。CATIA三維建模使結構分析、重量計算、干涉檢測、運動仿真和數字加工在設計過程中模擬完成，節省了材料和生產費用。Catalog Browser和design table的使用為設計數據庫的建立打下了基礎，CATIA三維軟件建立的設計技術交流共享平臺，適時更新的數據為相互關聯的部套設計提供更好的參照，為企業的新產品開發節約了成本。

[1]程良駿.水輪機.北京：機械工業出版社，1981.

[2]杜黎蓉，林博正.CATIA V5三維零件設計[M].北京：人民郵電出版社，2005.

[3]毛君，陳洪月，謝苗.基于pro/E的自頂向下的產品參數化設計[J].機械研究與應用，2007.