CATIA在水轮发电机组设计中的运用

朱 洁

（中国东方电气集团有限公司中央研究院，四川成都，611731）

运用TOP-DOWN设计方法将参数模型建立在骨架基础上，使零件设计基于参数和骨架定位的关系。TOP-DOWN设计首先采用三维空间坐标点、样条线、多截面曲面把整机框架设计好，然后结合几何体骨架技术设计相关部套骨架，最后进行零件实体设计。在预装配的数字样机上即可检查干涉和修改设计中的不协调，使设计不断优化。

1 总体骨架设计

设计水轮机总体骨架，机组参数设置方案有制定水机流道图、大部套之间配合面、导叶布置图、接口尺寸、重要关联尺寸。确定机组的主要参数包括转轮直径D(mm)、额定出力Nt(kW)、额定转速n(r/min)、主轴参数、抬机量(mm)、主轴密封参数、水导轴承参数、导叶布置图参数、部套间紧固件参数。

发电机总体骨架，采用Insert Body骨架Publication设计方法，机组参数设置方案包括计算发电机总装高层位置、各部套位置尺寸及各部套把合螺栓位置。确定机组的主要参数包括总装参数、重要高程参数、定子参数、转子参数、轴承参数、上机架参数、下机架参数、辅助部套参数。

（左）水轮机骨架（右）发电机骨架

2 主要部套设计

2.1 水轮机部套

2.1.1 转轮装配三维模板设计

利用CATIA的参数化设计，以混流式为例在同型号转轮三维模板的设计中流道、叶片的三维实体模型可进行比例缩放；在不同型号转轮三维模板的设计中主轴根据传递扭矩，采用参数化关联设计，在公式编辑器中做修改便能快速生成新的三维模型。上冠、下环采用对截面草图及Design Table进行调整的方法就能快捷、直观地完成新的上冠、下环模型。

2.1.2 主轴的计算

通过添加Parameters和Relations计算得到主轴直径，当转轮直径改变时通过CATIA公式编辑器计算，便得到相应参数驱动模型变形。主轴计算参数：额定出力Nt（KW）、额定转速、主轴轴径上限、主轴轴径下限、主轴轴径修正值等。

主轴计算公式编辑为：

主轴传递扭矩

f(x)=round(97400*‘主轴计算参数额定出力Nt(KW)’/‘主轴计算参数额定转速’/1000)/100

主轴轴径（Dz）

f(x)=round((‘主轴计算参数主轴轴径上限’+‘主轴计算参数主轴轴径下限’)/2mm)*1mm+‘主轴计算参数主轴轴径修正值’

主轴法兰转轮端直径（Df）

f(x)=‘主轴参数主轴轴径（Dz）’+‘主轴参数主轴转轮把合螺栓直径’*5-15mm

主轴设计运用主轴参数关联EXCEL设计表，添加了参数关系的尺寸由设计表数据控制就可以逐渐在EXCEL设计表中存放一系列的数据，使模板设计内容不断丰富起来。

主轴扭矩曲线和参数设计表

2.1.3 转轮叶片模型

转轮叶片模型设计是由几百个空间坐标点连成样条线构成多截面曲面后生成零件实体。空间坐标点输入Excel表，用Visual Basic及宏命令导入CATIA。当坐标点连成样条线时便能清晰地看出截面形线的光顺度，这时可以对曲面设计进行优化。为了提高叶片曲面模型设计中叶片表面质量为数控加工做准备，需要建立几何图形集把多截面曲面化分出更细致的轮廓线和引导线，构成网状曲面。最后由优化后的曲面桥接、结合成封闭曲面生成实体叶片。

混流式和轴流转浆式转轮三维模型

2.1.4 导水机构

Catia在导水机构设计时可使用参数修改，观察导叶在不同开度时大耳孔行程，并做出大耳孔行程和导叶开度的关系曲线图。通过Product Engineering Optimizer和Run Optimization产生活动导叶立面密封的最佳搭接位置，当调节活动导叶转角参数时活动导叶会旋转到全关或全开位置。三维动态分析实现了空间尺寸的精确测量和工艺的优化。

轴流式水轮机导水机构

贯流式水轮机导水机构

2.2 发电机部套

2.2.1 定子转子模型设计

定子机座采用Generative Sheetmetal Design设计，可方便钣金展开后在数控机床上进行下料。定子铁芯冲片、转子磁轭采用单实体建模，节省软件占用内存。定子线圈采用Generative Shape Design和知识模板建模，通过Knowledge Advisor的Loop命令将visual basic设计程序融入产品模型设计。转子主轴承受额定转矩。转子支架主要承受额定转矩、重力、磁极及磁轭、转子支架本身离心力及热打键径向配合力。catia模型的建立直接影响强度和刚度分析的结果。

定子和转子三维模型

2.1.2 上机架、下机架模型设计

机架定位面在总体骨架设计时便已确定，将publish的高程面载入部套设计。发电机上、下机架、推力轴承、导轴承可建立通用件模型库。在top-down设计中，产品结构的改变通过控制结构中关键参数实现，参数改变将由Formula计算被自动传递到子系统设计。

上下机架及轴承三维模型

3 产品设计知识库

CATIA的Catalog Browser可以将轴承、阀门、标准件、通用件等在库编辑器形成不同型号参数的session document，形成知识模板User Feature输出，可以优化产品结构，提高产品质量，提升设计手段，缩短设计周期。

运用CATIA三维设计软件的用户定义的知识模板和Knowledge Advisor设计重要部套，通过用户交互模型建立知识工程库。利用由Knowledgeware模块提供的函数功能、高级测量、方程式建立和参数关系管理工具获取的知识可以用在协同产品开发中，丰富产品开发流程。Knowledge Advisor模块下Parameters Explore在设计中的灵活使用，使产品的优化设计及技术革新在产品开发阶段得以实现。

灯泡贯流式水轮发电机组

轴流转浆式水轮发电机组（左）水机部分 （右）电机部分

4 结论

CATIA三维top-down设计把结构的设计用参数的形式进行控制，在不同的型号的零部件设计中，不用重新绘制三维模型，只须输入变化的控制数据就可以进行变形设计，节约设计时间，从而达到把更多设计时间用于优化设计方面。CATIA三维建模使结构分析、重量计算、干涉检测、运动仿真和数字加工在设计过程中模拟完成，节省了材料和生产费用。Catalog Browser和design table的使用为设计数据库的建立打下了基础，CATIA三维软件建立的设计技术交流共享平台，适时更新的数据为相互关联的部套设计提供更好的参照，为企业的新产品开发节约了成本。

[1]程良骏.水轮机.北京：机械工业出版社，1981.

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[3]毛君，陈洪月，谢苗.基于pro/E的自顶向下的产品参数化设计[J].机械研究与应用，2007.