混流式水輪機蝸殼模型建立方法的探索

杜承　王旭　巴登軍

【摘 要】蝸殼是水輪機中的重要過流部件。其模型精度的高低，直接影響產品的生產加工質量、機組運行的水力特性。因此，建立質量較高的蝸殼模型，對于機組有著重要的意義。在此，通過對模型尺寸進行分析，并利用軟件UG對進行建模，探討了建模方法的可行性，為后續產品的加工提供了理論支持。

【關鍵詞】蝸殼；模型；UG；建模

【Abstract】The volute is important in water turbine flow components. The model precision， directly affect the hydraulic characteristics of the production of products unit processing quality， operation. Therefore， the volute models to build higher quality， has the vital significance regarding the unit. Then， based on the model of dimension analysis， and use the software UG to carry on modeling， discusses the feasibility of the modeling method， which provides theoretical support for the follow-up product processing.

【Key words】Volute；Model；UG；Modeling

1 蝸殼的模型分析

蝸殼模型的截面形狀和參數是建立三維模型的基礎。針對某電站混流式水輪機組蝸殼模型進行分析。已知該機組蝸殼的截面形狀為圓形。

如圖1所示，蝸殼的截面特點為：以一個點O為基準點，在與基準的相距為a的距離為圓心建立一個半徑為R的圓，圓的最遠點與基準的相距為Z，而圓需要需要切去上下直線對稱距離為b的圓弧。對于該形狀而言，建模過程并不困難，主需要確定圖示中的幾個尺寸即可。然而，模型建立的關鍵，還在于截面之間的相對位置關系。即所有的截面并不在同一個平面上。因此，在建模之前，必須要找準每個截面所在的平面，并且要精確定義所有平面之間的關系。

2 模型草圖建立與分析

在分析了模型特點的基礎上，運用UG的草圖繪制模塊對建立模型草圖。主要的步驟為：（1）先以基準坐標系xy平面為基準建一與其重合平面，再在所建平面畫平行X方向上的任意長度直線完成草圖；（2）通過角度創建平面，參考平面為1步所建平面，線性對象為1步所建線，角度為5°完成建平面；（3）以基準點為起點Y，在該方向上取的長度為L為距離的直線，再以直線的終點作半徑為R的圓，直線與圓靠近基準點的一方相交，在把與Y軸平行的線之間的圓部分剪除，在刪除三條所作的直線，在以直線把圓封畢，完成建立草圖；（4）重復2，3步驟，所需數據根據已知條件建立。直到完成所給數據為止建立出來草圖。三維空間內的草圖繪制，如圖2所示。

3 蝸殼三維模型的建立

建模的方式方法有多種多樣，而在此運用了UG中的兩種建模方式，一是通過直紋命令建模，第二種方法是曲線組建模。

3.1 直紋命令建模

通過直紋命令建立模型的步驟，主要有以下幾步：（1）選擇命令直紋，截面線串為相鄰封閉草圖，如從最小草圖開始，截面線串1選擇最小草圖，截面線串2選擇與它相鄰草圖，再看線串方向是否一致，一致就確定，完成直紋；（2）線串1選擇上一步的線串2，線串2選擇與上一步線串2相鄰的草圖 ，同樣再看線串方向是否一致，確定完成直紋；（3）重復上述步驟一直建完模型，得出模型；（4）在通過求和命令讓所有節殼成為一個整體。完成的模型如圖3所示。

3.2 曲線組命令建模

曲線組命令的建模方法，具體的操作方式為：（1）從最大的草圖開始，選擇命令通過曲線組，在選擇曲線為最大草圖，在添加新集，在選擇與上一曲線相鄰的曲線，在添加新集，在選擇與第二次的曲線的相鄰曲線，重復上述步驟直到最后的曲線選擇；（2）完成選擇確定完成建模；（3）隱藏草圖線框，得最終模型。部分生成的蝸殼模型如圖4所示。

4 模型質量對比

通過直紋命令和曲線組命令建模所得出的圖形進行對比，能夠明顯的看出兩者建模圖形的精度是不一樣的。

（1）先看兩種建模的外觀比較。通過直紋命令所建的模型，能夠看出在每一個草圖截面上部，不是完全光滑的，它存在許多的凹凸狀圖元素。然而，在相鄰草圖截面之間的曲面是比較光滑的。因此，從總體上來看，該模型的精度還是比較高的。

（2）再看通過曲線組命令所建模型，在草圖截面不存在突起，草圖截面之間也是光滑連接，彎曲部分也是呈現很好的流線型，整體結構也是完全呈現是一體，而且比較光順。

由此可見，雖然兩種模型是相同數據所建立出來的，但是最終的效果卻是不一樣的。模型的光滑度越低，對實際生產出來的蝸殼有很多的影響，比如說蝸殼的使用壽命，光滑度低的蝸殼在實際運用中水流會在不光滑部分產生相當大的沖擊力，對蝸殼造成一定的磨損，久而久之這種磨損日積月累就會使蝸殼的結構越來越不穩定，進而出現故障，減短使用的壽命。

5 結論

通過直紋命令和曲線組命令兩種方法，建立了某電站蝸殼的三維模型。并對模型質量進行了對比。由此可以知道，對于該電站而言，采用曲線命令組的建模方法，模型的質量更好，精度更高。對于后續指導產品的生產，有著重要的意義。

【參考文獻】

[1]程良駿.水輪機[M].北京：機械工業出版社，1981.

[2]湘南省水力發電工程學會，湖南省電力公司.水電站事故（障礙）案例與分析[M].北京：中國電力出版社，2004.

[3]辛喆，常近時.混流式水輪機全部通流元件的三維湍流流場分析與性能預測[D].北京：中國農業大學，2005.

[4]韓占忠，王敬，蘭小平.Fluent-流體工程仿真計算實例與應用[M].北京：北京理工大學出版社，2010.

[責任編輯：薛俊歌]