基于MVBA的水輪機轉輪等部件參數化建模方法

弓路家

摘要：為解決水利水電工程水力機械專業設備在設備細節信息不全、建模操作復雜、靈活度不足等情況下的三維信息化建模難題，基于MVBA語言，進行了Bentley通用軟件平臺參數化建模二次開發工作。運用插件程序融合水力過流部件設計理論、已有部件實例類比等方法，實現了抽水蓄能機組、常規混流機組轉輪、蝸殼、尾水管、座環及活動導葉部件的參數化一體建模功能。工程設計實例中已應用該插件完成水輪機部件建模工作，成果模型可滿足精度和信息完備性要求，大大提高了建模高效性和修改便利性。

關鍵詞：MVBA； 水輪機； 轉輪； 二次開發； 參數化建模

中圖法分類號：TV734文獻標志碼：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2023.09.014

文章編號：1006-0081（2023）09-0086-06

0引言

隨著互聯網與數字化、信息化技術的飛速發展，水力發電行業進入了數字化建設新時代。BIM模型的多維應用是實現數字化進程的基礎之路［1］，工程設備三維模型的信息準確性和建模高效性越來越受到關注。水輪發電機組是水力發電工程中的關鍵設備，其中水輪機是將水能轉換為電能的源動力部件［2］。為了充分發掘水輪機設備的水能轉換效率及提高運行穩定特性，水輪機設備的過流部件空間扭曲程度愈加嚴重，尤其是水泵水輪機。但是，高度扭曲的空間結構給設備部件三維建模帶來了挑戰，也在一定程度上限制了三維設計在水力機械工程的應用推廣。

在水利水電設計人員長期采用CAD開展設計工作的背景下，三維設計軟件的構架思路和操作理念對傳統CAD設計方法產生了一定的顛覆，其繁復的操作命令、冗雜的邏輯關系和固定的層級體系提高了三維軟件在工程設計應用中的上手門檻。中國各大水利水電設計院基于Autodesk、Bentley和Catia平臺各自開展數字化設計工作，但機電設備建模工作均依托通用軟件的自身堆砌式建模構架完成，設備建模靈活度過低。針對水利水電行業通用三維商業軟件本地化和專業化不足的缺陷，鄧玉星等［3］、曹陽［4］、成蕾等［5］基于Revit平臺二次開發完成了蝸殼、尾水管設備部件的參數化建模；黃克戩［6］聯合Catia和Abaqus嘗試了蝸殼部件建模；喻智鋒等［7］基于UG平臺，利用木模圖數據完成了轉輪葉片的建模及優化；李端陽等［8-9］、張陽明［10］均將Bentley平臺GC方法應用在尾水管參數化三維配筋、尾水管參數建模、Y型岔管參數化建模中；蘇婷婷等［11］以C#代碼編程的開發方式在Microstation平臺研究水工擋墻結構的參數化建模并實施設計應用。

在日常工程設計工作中，筆者依托于Bentley平臺MVBA編程方法進行了水輪機主要部件（蝸殼、座環、活動導葉、轉輪和尾水管）的參數化建模嘗試，利用交互式窗體控件開發了水輪機部件參數化建模插件，交互建模方式遵從工程習慣參數及表達方式，脫離通用建模軟件底層命令操作，以便專業設計人員建模應用。

MVBA語言是Bentley公司授權使用VBA宏語言體系開發的一種適用于自身系列軟件的自動化二次開發語言［12］，其風格和語法體系完全繼承自Visual Basic語言，具有豐富的圖形界面工具，且提供了完整的可調用Microstation操作命令集，為實現水輪機部件參數化建模提供了開發基礎。

1建模需求分析

水電站設計流程中，預可行性研究和可行性研究是項目決策環節的兩個關鍵節點，此時機電設備的特性參數、尺寸參數多是通過經驗公式框定和參考廠家詢廠資料及以往類似規模工程參數綜合確定，雖然水輪機設備的控制尺寸能滿足當前階段方案設計深度需求，但尺寸信息量仍難以滿足三維建模信息需求，同時該階段機組廠家的詢廠資料也是以框定方案為主，暫無完整的細節信息。隨著工程數字化的加快推進，各階段的信息模型越來越受到重視，同時信息完備性和準確性也不容忽視。在設備細節信息缺乏的初期方案階段，水輪機設備建模應充分發掘過流部件設計理論中的細節信息，并結合項目方案控制尺寸完成完整信息模型，或利用已有同等規模設備信息修正完成。

2各部件建模路線

2.1金屬蝸殼參數化建模

根據《水電站機電設計手冊水力機械》［13］及文獻［3］、［9］中有關方法，按照vur為常數時，各斷面水力設計信息為

Qi=φi360Qsj（1）

ρi=Qivpjπ（2）

Ri=r0+ρi（3）

式中：Qsj為水輪機設計流量，m3/s；φi為個斷面包角，（°）；Qi為各斷面流量，m3/s；vpj為進口斷面平均流速，m/s；r0為座環外緣半徑，m；ρi為各斷面圓形半徑，m；Ri為各斷面圓心距軸距離，m。

根據設計方案中的蝸殼特征控制尺寸，對上述理論計算的各斷面信息進行修正后即可作為蝸殼部件三維建模依據信息?；谝陨蠑嗝嫘畔?，利用MVBA代碼實現遍歷斷面、調用CreateEllipseElement（）命令創建斷面圓弧，捕獲各斷面圓弧特征，調用CreateBsplineSurfaceElement（）放樣生成蝸殼節段模型。蝸殼部件參數化建模主要輸入參數見表1。

2.2座環及活動導葉參數化建模

在混流式水電設備座環設計中，固定導葉骨線就是蝸殼中水流流線的對數螺旋線的延續，葉型以骨線為中心兩側加厚［14］，因此不同機組的固定導葉型相似性很高。在活動導葉設計中，其流量調節的功能主要由活動導葉出口角實現，對活動導葉的葉型敏感度不強。工程實際中，不同混流機組活動導葉的葉型相似性也很高，行業推薦了標準正曲度葉型和標準對稱葉型［14］。因此座環、活動導葉部件在初期細節信息不全的情況下可參照已有近似設備數據信息修正建模。

根據設計方案中的座環、活動導葉設備控制尺寸，對已有近似設備的固定導葉單線圖、活動導葉單線圖進行修正。基于單線圖數據信息及葉片安放角度參數，利用程序封裝命令CreateCurveElement（）生成特定角度葉型輪廓，調用ExtrudeClosedPlanarCurve（）生成葉片實體并完成環形陣列。表2為座環、活動導葉部件的參數化建模主要輸入參數。

2.3轉輪部件參數化建模

轉輪部件是水輪機設備的核心部件，葉片形狀為順應水流特征，為高度空間扭曲面，尤其水泵水輪機轉輪葉片非常狹長。在初期方案設計及轉輪設計未完成的情況下，無法獲得葉片翼型真實數據及轉輪真實特性曲線信息。在設計實踐中，對轉輪部件選型設計通常采用與同類型、同水頭段已建電站轉輪類比的方法，此類比選型方法可滿足工程應用精度，如決策階段調節保證設計均選擇已建電站同類型、同水頭段轉輪綜合特性曲線進行計算。因此，在無轉輪翼型數據的情況下，可采用對已有同類型、同水頭段翼型數據進行近似保角變換，保證轉輪流線的空間曲率小幅度變化，實現轉輪部件參數化建模。

對已有轉輪葉片，在其本身以導葉中心線所交軸點為原點的三維直角坐標系中，按其葉片正面、背面流線，采集離散數據點作為葉片翼型控制網格點，如圖1所示。將離散點按照葉高方向流線號、網格點號編成空間點二維數組Pts2（［］，［］），將同一條流線上的網格點編成空間點一維數組Pts1（）。

對于數組Pts2（）遍歷求取已有葉片的轉輪進、出口直徑d1=Sqrt（Pts2（m，n）.X2+Pts2（m，n）.Y2）、d2=Sqrt（Pts2（p，q）.X2+Pts2（p，q）.Y2）及進、出口直徑點數組索引值（m，n）、（p，q）；對于數組Pts2（）遍歷求取已有葉片的轉輪高度H葉片及其數組索引值；對于數組Pts2（）遍歷求取每個網格點的單位向量數組Vcts（［］，［］）及相對于進口直徑d1的無量綱距離數組Lng（［］，［］）；對于方案設計的新轉輪控制參數進口直徑D1、出口直徑D2，按照縮放比例求取進、出口縮放率D1/d1、D2/d2，并對流線上的網格點縮放比率進行線性插值，形成新轉輪各條流線網格點縮放比率數組Ratios（［］，［］），通過數組Lng（）、Ratios（）、Vcts（）和D1、D2間的乘積運算可求出新轉輪映射的流線網格點坐標。

對于Z軸方向，同樣采用前述線性插值比率思想，并按照設計方案中進口高度和轉輪高度參數進行矢量縮放轉輪軸向高度。轉輪部件的參數化建模主要輸入參數見表3。

由于轉輪空間扭曲特性和水頭特性相關性很大，已有轉輪參數的適用性受限于設計方案轉輪的應用水頭參數，方案轉輪與已有轉輪的應用水頭特性越接近，參數化建模的模型可信度越高，當兩者跨越水頭段區間時，甚至會出現不合常理的建模結果。轉輪部件的參數化建模關鍵在于對已有轉輪離散網格點進行空間變換時，該已有轉輪與方案轉輪的應用水頭相似性，為此應盡可能收集各水頭段已有轉輪數據，充分發揮轉輪部件的參數化建模優勢。

2.4尾水管部件參數化建模

尾水管部件是水輪機能量回收的關鍵部件，大型水電站常用的是彎肘形尾水管，其由進口錐管、肘管和出口擴散管組成，彎肘形尾水管的3個關鍵參數是尾水管深度h、肘管形式和尾水管水平長度L。設計方案時，可按照設計經驗計算確定h和L，肘管形式一般采用標準形式［14］，確定關鍵參數后，可根據擬定斷面特性、參考近似尾水管完成尾水管單線圖。根據單線圖中完整的各斷面信息，調用CreateLineElement（）生成各斷面輪廓線，最后調用CreateBsplineSurfaceElement（）完成尾水管多截面實體建模。尾水管單線圖表征了尾水管部件建模的完整信息，因此本部件建模在導入格式化底層數據后，無需額外參數即可完成一鍵式參數化建模。

3參數化建模功能實現

參數化建模是以底層數據驅動，通過內嵌封裝的數據處理邏輯自動生成模型的過程［15］，水輪機各部件建模邏輯如圖2所示。內嵌數據處理邏輯對底層數據格式有較嚴格的要求，同時數據格式應兼顧工程設計的數據習慣，以保證設計人員的使用便利性。插件中的數據格式完全遵照水輪機設計表達習慣，如采用蝸殼、尾水管單線圖表達、轉輪關鍵尺寸表達等，交互界面遵從水力機械傳統設計習慣，增強設計人員的操作簡便性和建模高效性。

3.1代碼工具

代碼工具采用Bentley軟件二次開發語言MVBA，提供完整的窗體控件，以便操作者直觀地交互使用，且包含所有Bentley建模命令支撐完成模型元素創建、刪除及相關的修改操作。采用MVBA完成的建模插件可直接通過Bentley軟件Utilities—Macros—Play進行宏運行使用。

3.2建模實施方案

根據各部件建模方法和已梳理的底層數據格式，分析生成部件模型所需的數據處理邏輯，并將處理邏輯采用代碼命令表達及固化，封裝成各模塊建模方法。例如蝸殼、尾水管的數據處理邏輯是首先生成斷面輪廓，再通過輪廓放樣成多截面實體，轉輪部件的數據處理邏輯為將流線網格點進行空間矢量縮放，通過流線網格點生成葉片流，再由流線放樣成空間扭曲葉片實體。

運行程序后，通過程序的數據讀取接口讀入相應建模部件的底層格式數據，并按照建模插件界面輸入相應的參數，如導葉個數、導葉安放角、轉輪葉片個數等，確定生成即完成部件模型建模。水輪機建模中，各部件相對位置關系已固定邏輯，可直接生成組裝完整的水輪機一體化模型。

3.3插件展示

按照水輪機部件參數化建模需求，本建模插件分為6個頁簽，各頁簽界面如圖3所示，其中第一個頁簽為首頁界面，用于選擇建模機組類型（抽蓄機組/常規混流機組）、尾水管形式（圓截面尾水管/圓變方截面尾水管）、鍵入水輪機基本參數，圖3（b）～（f）頁簽為蝸殼、轉輪、尾水管等的建模模塊。其中程序插件還設置了幫助彈窗，用以提示用戶規范操作，防止出錯。

4參數化建模實例應用

本實例針對某抽水蓄能電站工程，在該工程可行性研究階段，水輪機設備各部件基本尺寸參數通過理論方法計算或者主機廠家咨詢均有初步數據，并根據已有水輪機資料，修正整理出本工程推薦方案中各建模部件的格式化底層數據，運行建模插件完成各部件參數化建模，建模成果實例如圖4所示。圖4（a）和（b）為參數化建模的蝸殼和轉輪部件，蝸殼部件以單線圖數據為基礎，建模準確度高；轉輪部件以葉片流線上的離散網格點為基礎，建模完成后葉片空間曲率的保真度較高，轉輪流道符合抽蓄電站轉輪實際空間曲面扭曲特征，且提高了建模效率；圖4（c）和（d）為水輪機整體建模成果，模型裝配準確度及部件信息完整，滿足設計階段信息模型建模要求。

插件程序還集成常規混流機組部件參數化建模功能。在常規混流機組大流量設計工況時，尾水管截面多采用圓形漸變方形的結構形式，程序插件對該尾水管結構形式進行了整合封裝。以某常規混流電站可研階段推薦方案設計參數為基礎，采用本參數化建模程序完成設備部件建模，該常規電站水輪機模型如圖5所示。圖5（a）為轉輪模型，轉輪葉片形式符合大流量混流機組特征，表面曲率光順；圖5（b）為水輪機組裝完整模型，蝸殼斷面飽滿，過渡圓滑，尾水管為圓變方截面，漸變截面光順，符合實際部件特征。

5結語

本文基于Bentley三維設計平臺，以MVBA語言進行了水輪機設備參數化建模的二次開發，將異形空間的水力過流部件建模處理邏輯進行了封裝固化，形成了以底層參數控制的參數化建模程序。程序界面以窗體控件對話為交互方式，交互習慣遵從工程人員專業設計習慣，建模操作脫離軟件自身命令流模式，集成了抽蓄電站、常規混流電站水輪機部件建模功能，基本實現水輪機設備參數化一鍵建模。模型信息以底層設計數據為基礎，可充分保證三維模型信息的準確性和完備性，同時參數化建模過程為計算機自動執行，大幅度提高了建模效率和修改效率，為BIM技術在水力機械設備建模及多維拓展應用上提供了新的思路。

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（編輯：唐湘茜）

Parameterized modeling method of hydraulic turbine equipment?based on MVBA

GONG Lujia

（Shanghai Investigation，Design ＆ Research Institute Co.，Ltd.，Shanghai 200434，China）

Abstract： To overcome the difficulties of constructing 3D models of hydraulic equipment of lacking the details，complex and inflexible modeling operations with common soft-wares in water conservancy and hydropower engineering，a kind of plug-in program based on MVBA language had been secondary developed for Bentley platform to create parametric modeling of hydraulic equipment.Designing theory of hydraulic flow components and method of analogy of existing components were integrated in the program to model turbine runner，spiral case，draft tube，stray ring of pumped storage unit or Francis turbine unit.The plug-in was applied in a pumped storage project and generated the turbine unit equipment successfully.Precision and information completeness of the models constructed with MVBA program can totally meet the requirement，the modeling efficiency and convenience of modification were greatly improved.

Key words： MVBA； hydraulic turbine； runner； secondary development； parametric modeling