基于参数化技术的中、小型水轮机设计

2011-08-26刘敬花胡桂川

制造业自动化 2011年1期

关键词：水轮机部件关联

刘敬花，胡桂川

LIU Jing-hua, HU Gui-chuan

（重庆科技学院机械工程学院，重庆 401331）

0 引言

水轮机是水电站关键设备，将水流能量转换为机械能。由于各个电站的水头、流量等水力参数，泥沙含量等水质参数不同，采取的机组类型和结构形式不同，必须根据各种参数的要求，进行机组设计并组织生产。

水轮机设计包括水轮机的水力设计和结构设计两大部分。中、小型水轮机的水力设计主要选择比转速相同在模型转轮，不单独进行针对该电站的水力参数进行水力设计，本文讨论的设计是针对水轮机的结构设计。水轮机设计主要参考已经投入运行的机组进行继承式设计，真正的全新结构很少。为了降低成本，缩短机组设计周期，各生产企业都在探索水轮机的标准化、通用化、系列化工作，但由于机组结构复杂，各零部件间结构尺寸相互影响，难以一应惧全，难度很大本文拟就利用参数化技术建立中、小型混流式水轮机设计进行探索。

1 水轮机零部件的参数化设计

参数化设计是指设计对象的结构形状比较定型，可以用一组参数来约定尺寸关系，参数与设计对象的控制尺寸是显式的对应，参数驱动图形修改，通过尺寸驱动来修改设计结果，图形改变时尺寸发生改变。

1.1 实体分解思想的复杂零件参数化设计

水轮机零部件结构形式多样、复杂，很难用一个模型来概括所有的结构形式。利用模型分解思想将复杂零部件间约束关系进行分解，将所有控制水轮机结构的参数分为内部参数(单个特征的参数化)和关联参数(特征之间的约束参数化)。内部参数是指零件中与上一级模型无关的参数，不存在零件间的关联；关联参数是指构成某一级拼装模型的若干零部件间与拼装相关的参数，这些参数必须进行关联。

在进行水轮机复杂零部件参数化设计时，首先将复杂零部件分解，其次引入模块拼合关系，从而实现复杂三维零部件实体模型的参数化。在参数化的零件、组件、部件的基础上，利用拼合关系进行零部件间的约束，最终实现整个复杂零件及部件的参数化。

1.2 零部件间参数分析与关联

对于水轮机，零、部件的约束十分复杂，可变参数数目很多，由于水轮机的结构设计是采用相似理论进行设计，即在已有的模型水轮机流道基础上通过几何相似、水流在流道内流动的运动相似进行水轮机的结构设计。将机组零部件的尺寸参数分为水轮机过流部件尺寸、影响水轮机结构刚、强度和动力学性能的尺寸和零件的工程特征尺寸两类，对两类参数采用不同的方法进行处理。

零部件参数分析是实现水轮机参数化设计的前提。包括产品总体参数分析、零件参数分析和参数间的关联分析。

1）产品总体参数分析目的是分析影响整个产品功能、结构的主要性能参数，从而能从产品整体上把握。如水轮机转轮的结构尺寸，导叶分布圆直径，主轴直径等。

2）零件参数分析目的在于对零件参数进行分类，并在零件参数中提取能直接驱动结构的主参数。可将参数分为三种类型：主参数(直接驱动参数)，可以直接控制模型的结构形状特性；基本不必作改动的参数和附加参数(间接驱动参数)，它是自定义的参数，不能直接控制尺寸，但可以通过在参数间建立某种关联以间接控制某些结构特性。

3）关联分析目的是建立参数间的关联，主要分零部件之间的参数关联和零件内的参数关联两部分。零部件间的参数关联通过模型本身的装配来保证，而零件内的参数关联可以通过CAD系统的功能来保证。

在零件级参数化实现的基础上，利用模块拼合实现部件级的参数化，充分考虑到装配中各个零件尺寸的相互关系，避免部件与部件，部件与零件，零件与零件间发生干涉。

1.3 零部件间数据库参数表

参数之间的关系是参数化设计的关键,建立全局参数表和零件参数表，用数据库参数表之间的关系来表示产品中零件变量参数间的关系。建立水轮机数据库参数表的方法和步骤如下：1）分析结构和参数，建立参数间的关系；2）提取驱动参数，利用数学关系表达式来反映对象间的几何关系；3）建立设计规则，即变量名命名规则和参数表格式。用产品全局参数表与零件参数表相结合的方法，来解决复杂产品尺寸变量众多的问题。

2 水轮机零、部件库建立

水轮机设计具有其自身的特点，如何对企业现有的设计制造经验进行收集、整理；提炼各个不同机组零、部件的共同性与特殊性是进行水轮机参数化设计的前提。通过建立各个零件的3D模型，进行装配设计。充分考虑零、部件间的装配关系，提取关联尺寸；实现知识与经验的共享，建立零部件库是整个设计工作的关键。图1为零、部件模型库建立流程图。

图1 零、部件模型库建立流程图

3 基于参数化的水轮机设计

水轮机结构设计可以分为总体方案设计和结构设计。设计人员根据设计参数，确定水轮机整机及主要零、部件的布局与结构形式，主要尺寸，以满足水轮机能量特性，效率，结构刚、强度，振动等特性要求。根据设计工作的实施情况，建立水轮机开发平台如图2所示。

在进行水轮机设计时，根据机组设计参数，水轮机设计规范和企业设计经验，推理出水轮机及关键零、部件的结构形式和主要尺寸与性能参数（如转轮直径，主轴转速，主轴直径，流道曲线，蜗壳型线图，导叶开口布置图等）。从零、部件产品数据库中选择包括轴承、主轴密封等通用部件；从库中提取满足要求的或相近的转动部件、导水机构、埋人部件、控制部分等部件的零、部件模型，修改模型特征尺寸，得到设计机组的零件，完成总体方案设计。

根据制定的总体方案，从模型库中调入各部件的三维实体模型，利用各部件间的装配关系，定位关系，构建各零、部件3D装配和水轮机整机装配模型，输出总体设计方案，总体布置设计及相关参数。对各装配部件内的零件与零件之间，装配件与零件之间，装配与装配之间进行全面的干涉检查，检查水轮机运行过程中是否有干涉发生，计算相邻零、部件之间的最小间隙。若发生干涉，或根据设计、制造经验进行判断最小间隙不能满足要求，确定需要修改的零件或装配，修改零、部件后，对装配进行更新，重新进行干涉检查，直到满足设计要求。

利用有限元分析方法，对水轮机的关键零、部件进行刚、强度分析，分析水轮机在各种运行工况下，各关键零、部件的应力、变形及其分布规律；对关键零、部件进行动力学分析，计算各阶固有模态；利用转子动力学理论，分析转动部件的临界转速，涡动频率等。对分析结果，利用企业的经验建立的基于知识的辅助分析系统进行评价，判断结构是否满足要求，并根据分析结果，对水轮机各个关键零、部件提出优化方案。对设计的结构供企业专家进行审核、工艺审查，若不满足要求或工艺部门提出改进意见，则通过修改零、部件类型，结构尺寸，材料等方法对模型进行修改，直到满足要求。