水輪發(fā)電機(jī)的三維仿真研究

三峽大學(xué)科技學(xué)院 朱新春

河北豐寧抽水蓄能有限公司 岳明奕

依據(jù)工程實(shí)踐及虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，分析了系統(tǒng)的功能需求，確定了系統(tǒng)功能的組成。根據(jù)收集的半傘式立式混流水輪發(fā)電機(jī)組影像等實(shí)際資料，利用3ds max軟件建立水輪發(fā)電機(jī)模型。為能細(xì)致、逼真的三維可視化展示水輪發(fā)電機(jī)，并具良好的場(chǎng)景沉浸感，對(duì)模型貼圖材質(zhì)做了進(jìn)一步豐富和后期模型處理。然后對(duì)仿真系統(tǒng)的功能進(jìn)行了細(xì)分設(shè)計(jì)，分為水輪發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)與原理、安裝與檢修、各運(yùn)行工況仿真三大模塊子功能。每項(xiàng)功能由后臺(tái)SQL server數(shù)據(jù)庫(kù)和C#腳本控制前臺(tái)unity3d顯示，以文字、圖片、聲音、動(dòng)畫(huà)等手段，實(shí)現(xiàn)對(duì)操作人員的三維仿真培訓(xùn)。

三維仿真具有視、聽(tīng)、觸、味等多種感知的虛擬環(huán)境，用戶可以通過(guò)其自然技能使用各種傳感設(shè)備同虛擬環(huán)境中的實(shí)體相互作用的一種技術(shù)。采用三維仿真技術(shù)軟件進(jìn)行三維可視化建模不僅能真實(shí)反映水輪發(fā)電機(jī)組的的結(jié)構(gòu)特征，還可以對(duì)其進(jìn)行“透視功能”，觀察設(shè)備內(nèi)部的運(yùn)行過(guò)程和了解設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)等功能，而且可以模擬水輪機(jī)發(fā)電機(jī)的正常工況、非正常運(yùn)行狀態(tài)、故障工況，使學(xué)員能在與實(shí)際水輪機(jī)近似的環(huán)境中進(jìn)行正常操作、事故處理。所以三維虛擬仿真技術(shù)非常適用于水電站運(yùn)維人員的培訓(xùn)學(xué)習(xí)和考核演習(xí)。

1 水輪發(fā)電機(jī)的三維建模

1.1 主要部件建模

水輪發(fā)電機(jī)的部件眾多，其中有大量基本的零部件是重復(fù)的，如螺絲，螺絲墊、螺母、彈簧，法蘭等。為了提高建模效率，首先對(duì)他們進(jìn)行建模，下面以法蘭的建模以為，簡(jiǎn)述三維建模的過(guò)程：①3DSMAX命令面板中“創(chuàng)建”法蘭的剖面線，然后進(jìn)入修改面板“樣條線”子層級(jí)做輪廓線，然后進(jìn)入“頂點(diǎn)”子層級(jí)，點(diǎn)擊“切角”按鈕，把直角變?yōu)閳A角。②在編輯完完輪廓線后，在“修改列表”中執(zhí)行“車(chē)削”命令，通過(guò)車(chē)削(Lathe)修改器旋轉(zhuǎn)輪廓線成幾何體。然③通過(guò)布爾運(yùn)算完成打孔。通過(guò)“標(biāo)準(zhǔn)幾何體”創(chuàng)建大小適當(dāng)?shù)牡膱A柱體并復(fù)制成所需數(shù)量，通過(guò)“編輯網(wǎng)格”將這些圓柱體組成一個(gè)整體，后對(duì)法蘭的基本體和圓柱體整體做布爾運(yùn)算。④最后將兩者組裝成一個(gè)整體。這樣就完成了一個(gè)基本零部件—法蘭的三維建模工作。依據(jù)上述步驟，建好的法蘭模型如圖1所示。

圖1 法蘭模型

（1）推導(dǎo)聯(lián)合軸承的建模

剛性支柱式推導(dǎo)聯(lián)合軸承布置在中心體內(nèi)，其冷卻器布置在支臂間。從結(jié)構(gòu)上看，可以圓柱體為基本體，所以其主體部分采用“編輯多邊形”的方法建模。首先，創(chuàng)建一個(gè)圓柱體并把它轉(zhuǎn)換為可編輯的多邊形，然后通過(guò)調(diào)整頂點(diǎn)、邊、多邊形等子對(duì)象，并配合擠出、縮放、切角等命令，最終完成聯(lián)合軸承的下導(dǎo)軸的三維模型建立，如圖2所示。

圖2 推導(dǎo)聯(lián)合軸承模型

（2）定子基座的建模

主體結(jié)構(gòu)采用復(fù)合建模方法建立其三維模型，主要采用線工具繪制形狀線條，再通過(guò)放樣、Bzier平滑、布爾運(yùn)算等操作，完成定子機(jī)座的三維模型建立，如圖3所示。

圖3 定子機(jī)座模型

（3）下機(jī)架的建模

主體結(jié)構(gòu)建模方法兼用用多邊形建模和復(fù)合建模的方法，結(jié)果如圖4所示。

圖4 下機(jī)架三維模型圖

1.2 模型的后期處理

模型初步建立后，為了更加真實(shí)清晰地還原發(fā)電機(jī)實(shí)物的原貌，需要進(jìn)行后續(xù)處理。材質(zhì)主要用于體現(xiàn)物體的顏色、質(zhì)地、文理、透明度和光澤，是賦予模型真實(shí)感的重要手段和途徑。本文中主要應(yīng)用了3DSMAX中的“（M）”金屬材質(zhì)如果說(shuō)材質(zhì)是用來(lái)描述物體在光線照射下如何反射和傳播光線的，那材質(zhì)中的貼圖則是用來(lái)模擬對(duì)象的質(zhì)地、紋理圖案以及反射、折射效果的，通過(guò)不同的貼圖可以完善材質(zhì)的表現(xiàn)效果。貼圖包括2D平面貼圖和3D程序貼圖，2D貼圖是將圖像文件直接包裹到對(duì)象表面或者作為場(chǎng)景的背景環(huán)境；3D貼圖則會(huì)產(chǎn)生如木紋、水紋等多種紋理效果。本文發(fā)電機(jī)模型在表現(xiàn)發(fā)電機(jī)定轉(zhuǎn)子發(fā)熱故障時(shí)，采用了2D貼圖的方法，表現(xiàn)絕緣體發(fā)熱老化由材質(zhì)紋理逐步發(fā)紅最后變黑老化的一系列視覺(jué)效果。

1.3 模型的整體優(yōu)化

本文在發(fā)電機(jī)模型建模時(shí)，采用實(shí)例技術(shù)構(gòu)造了很多結(jié)構(gòu)相同的模型，這樣節(jié)省很多繪制片面的資源；使用粒子系統(tǒng)模擬冒煙的效果，使效率進(jìn)一步提高。水輪發(fā)電機(jī)的整體模型如圖5所示。

圖5 水輪發(fā)電機(jī)模型

2 水輪發(fā)電機(jī)三維仿真系統(tǒng)

首先采用3DSMAX建模，根據(jù)圖紙資料建立各種元件模型，設(shè)置各種模型的貼圖、材質(zhì)等，并以*.Max格式保存該文件，再將3DSMAX中的三維模型導(dǎo)出為*.Fbx文件再導(dǎo)入U(xiǎn)nity3D軟件中。

登陸界面。登陸界面中顯示“水輪機(jī)發(fā)電機(jī)三維仿真培訓(xùn)練系統(tǒng)”的字樣，還包含用戶登錄入口，如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)登錄界面

一級(jí)結(jié)構(gòu)。承接歡迎界面，進(jìn)入程序的第一層結(jié)構(gòu)。一層分為水輪發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)及理論知識(shí)學(xué)習(xí)、安裝和檢修、各種工況仿真等基本功能模塊，如圖7所示。

圖7 仿真系統(tǒng)一級(jí)界面

二級(jí)結(jié)構(gòu)：點(diǎn)擊“各工況仿真”，進(jìn)入二級(jí)界面。二層界面中顯示水輪發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行、特殊運(yùn)行、電氣故障及處理等進(jìn)一步細(xì)分的功能模塊，并提供向上一層返回的操作選項(xiàng)，如圖8所示。點(diǎn)擊“安裝與檢修”，進(jìn)入檢修界面，如圖9所示。

圖8 零件(下機(jī)架)的結(jié)構(gòu)知識(shí)圖

圖9 系統(tǒng)的檢修界面圖

三級(jí)結(jié)構(gòu)，點(diǎn)擊水輪發(fā)電機(jī)“電氣故障及處理”，進(jìn)入第三層結(jié)構(gòu)，三層界面顯示發(fā)電機(jī)的非同期并列、發(fā)電機(jī)定子繞組故障、發(fā)電機(jī)定子回路單相接地故障、轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地故障、轉(zhuǎn)子兩點(diǎn)接地故障、轉(zhuǎn)子磁極線圈故障、定子過(guò)電壓，發(fā)電機(jī)失磁、發(fā)電機(jī)震蕩及失步、發(fā)電機(jī)-變壓器組非全相等更細(xì)致的分類(lèi)模塊。如圖10、圖11所示。

圖10 轉(zhuǎn)子兩點(diǎn)接地故障發(fā)生前

圖11 轉(zhuǎn)子兩點(diǎn)接地放電

本系統(tǒng)對(duì)水輪發(fā)電機(jī)的常見(jiàn)故障進(jìn)行歸類(lèi)總結(jié)，列出了常見(jiàn)的幾種故障，每種故障相應(yīng)的設(shè)計(jì)了故障現(xiàn)象描述，故障原因分析和故障發(fā)生后的操作指導(dǎo)三塊培訓(xùn)內(nèi)容，每塊功能又配合文字講解、聲音告警、動(dòng)畫(huà)演示等的方式，使操作人身臨其境地學(xué)習(xí)處理故障情況。

本文在參閱前人研究的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了三維變電站仿真培訓(xùn)系統(tǒng)，讓受訓(xùn)人員學(xué)習(xí)水輪發(fā)電機(jī)及相關(guān)電氣設(shè)備的結(jié)構(gòu)及原理等基礎(chǔ)理論知識(shí)，水輪發(fā)電機(jī)的安裝檢修過(guò)程，各種運(yùn)行狀態(tài)的現(xiàn)象及應(yīng)對(duì)方法，并能夠達(dá)到良好的培訓(xùn)的效果。具體成果如下：

（1）根據(jù)收集的三峽水電站700mw半傘式立式混流水輪發(fā)電機(jī)組影像等實(shí)際資料，利用3ds max軟件建立水輪發(fā)電機(jī)模型。為能細(xì)致、逼真的三維可視化展示水輪發(fā)電機(jī)，并具良好的場(chǎng)景沉浸感，對(duì)模型貼圖材質(zhì)做了進(jìn)一步豐富和后期處理。總結(jié)了水輪發(fā)電機(jī)的各種實(shí)際運(yùn)行工況的現(xiàn)象、原因、相應(yīng)操作等，尤其是各種故障工況。

（2）對(duì)仿真系統(tǒng)的功能進(jìn)行了三級(jí)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，主要分為水輪發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)與原理、安裝與檢修、各運(yùn)行工況仿真、三項(xiàng)功能。每塊功能由后臺(tái)SQL server數(shù)據(jù)庫(kù)和C#腳本控制三維模型前臺(tái)unity3d顯示，以文字、圖片、聲音、動(dòng)畫(huà)等手段，實(shí)現(xiàn)對(duì)操作人員的三維仿真培訓(xùn)。