CAD技术在水轮机轮转方面的应用研究

梁晨

摘 要：CAD技术在水轮机轮转方面有着广泛的应用，如水轮机在过流部件部分的水力设计涉及到与CAD软件结合的设计方法，进而建立起了分析计算、优化、水轮机设计与绘图以及数据库系统等现代水轮机轮转设计的CAD系统，该技术主要用于水轮机转轮、导叶等部件的设计。

关键词：CAD技术；水轮机；轮转；应用研究

作为计算机的主要辅助设计技术——CAD技术，在近年来得到了飞速的发展和应用。该技术主要应用于工程的产品设计以及工程设计等各个方面。技术的体现方式有计算、分析和绘图等等，其中计算机的辅助绘图功能是CAD的核心内容。绘图能够作为一个相对独立的系统，为工程设计提供直接的服务。一般而言，描述一个完整的CAD系统主要包括专业分析、专业计算以及优化程序和建立数据系统等。

1 CAD技术在水轮机轮转方面应用概述

虽然CAD技术的发展速度非常快，但此技术在开发应用的初级阶段，不论是在工程上还是技术上，大都是从计算机辅助功能绘图问题的解决上开始的，也就是使用计算机进而代替手绘进行工程图纸的设计工作。从设计的整个过程来看，计算机辅助绘图只是工程设计的一个阶段，完成这一任务之后方可实现专业绘图与专业计算的连接工作，进而能够完成设计的整个过程。CAD作为一种绘图软件得到快速的发展，特别是在连接与图形有关数据的各个方面。

CAD技术在水轮机轮转方面有着广泛的应用，下面笔者将从水轮机轮转的设计方法、图形元素、速度矩以及转轮叶片等方面进行详细分析。

1.1 水轮机轮转设计方法

通常来讲，水轮机轮转设计方法有两种，即一元设计法和二元设计法。所谓一元设计法，是在水轮机轮转的上冠和下环所谓两条流线之间，构造出多条断流面积的曲线，该曲线是一条圆弧形的曲线，上冠和下环曲线非别与其两端呈垂直。所以，按照流体力学的理论，上冠和下环是主要的流线，所以圆弧曲线就相当于等势线。在一元设计的理论方法看来，在一个圆弧曲线上，也就是在等势线上，在轴面上的水流速度是相等的。所以，轴面流动存在势能的变化。对于二元设计方法，在轴面流动是有势流动时，最基本的要求是在两个相邻的流面间其流量要相等。还需要根据给定的尺寸大小，在流道的起始断面部分，水流的速度方向要与坐标轴Z轴互相平行。在出口的断面部分，水流的流速方向与Z轴也要平行。在水轮机的转轮区域與两个断面之间的距离要求足够远，断面上各个轴面有均匀分布的流速。所以，按照一元方法能够确定出口断面和起始断面上的具体位置。但是，由于下环线的圆弧形线以及近似直线的曲线，在连接点线上的曲线处有很大的变化，所以，在曲线处的附近需要按照一元的方法先找到轴面流线的具体位置，然后结合出口断面流线和起始断面流线的位置。

1.2 水轮机轮转中的图形元素

两点能够决定一条直线，点是由坐标轴的纵坐标和横坐标来确定的，在点和点之间需要用空格键来区分，另外，结束直线的命令是用空格键同时按住回车键结束，还可以使用封闭的折线命令再按住回车键来结束。总体来讲，直线的主要形式有两点、三点和四点。在绘图的过程中，画圆的方法有多重多样，使用最多的是圆心与半径的方法，画圆是比较简单的，结构图的尺寸标注也有三种，即圆尺寸、直线尺寸以及圆弧尺寸。

1.3 水轮机轮转速度矩

水轮机的轮转速度矩主要是沿转轮的叶片出口边、进口边以及在叶片的整个区域内进行取值，得出变化的规律，同时对于水轮机的气蚀特性和工作的稳定性有很大的影响。另外，速度矩有一定的原则和方法。水轮机转轮的叶片理论上来讲，在出口处的速度矩取值应该为零，所以对于水轮机的转轮来说，主要有三种能够选择的方案，经过整体的分析研究，在长江三峡的水轮机，设计原则是，上冠处的速度矩是负值，而且从上冠延续到下环其速度矩是逐渐增加的，所以，下环的速度值是正值。经过试验得出结果，按照转轮出口处的速度矩分布来看，在上冠流线处是负值，在中间的流线会趋近于零，在下环线处流速趋于正值，这样设计的转轮能够具有很好的工作稳定性。在转轮的叶片绘型时，需要采用逐点积分的方法，还要给出速度矩沿轴面上的流线分布规律。

1.4 水轮机转轮叶片厚度改进

一般而言，水轮机转轮叶片的强度计算都需要核算和校对，因此在转轮叶片工程设计的阶段，大都需要使用一些实用、简便的公式来估算转轮的大概厚度，需要改进厚度来增强其性能。

2 CAD在水轮机转轮设计中的应用

2.1 水轮机转轮设计的绘图设计

水轮机大部分是由蜗壳，固定的导叶以及活动的导叶、转轮、尾水管四个主要过流部件组成。水轮机的几何形状一般会随着应用水头以及装机容量的不同而发生很大的变化。并且，近年来随着计算机的广泛应用以及计算机技术的飞速发展，水轮机过流部件的设计逐渐采用反问题计算和优化的方法进行设计，因此，需要将CAD技术和水轮机过流部件的优化设计相结合，再将优化计算的结果用相关的文件进行贮存，然后再运行CAD，就能十分方便地将计算结果绘成设计制造所需要的图形。

2.2 水轮机转轮引水室的设计应用

水轮机的引水室作为水流进入的第一个部件发生很大的作用，主要是通过它将水引向导水机构，然后进入转轮区，再从尾水管流出。水轮机的引水室一般可以分为四种形式，即开敞式、罐式、蜗壳式。由于引水室的外形像蜗牛壳，所以被称为蜗壳。为了保证能够向导水机构均匀的供水，蜗壳的断面需要逐渐减小，同时它可在导水机构前形成环量。另外，蜗壳根据适用的范围不同，将其划分为混凝土蜗壳和金属蜗壳两种类型，其中混凝土蜗壳这一类型一般适用于水头机组，因为混凝土结构不能承受过大的压力，高水头时能采用金属蜗壳。

2.3 水轮机转轮利用CAD计算

水轮机转轮的计算，CAD的计算过程大都有自己的判断和循环运算方式，如果能够满足条件会进入下一个过程。本程序应用特定的程序语言，而且在计算过程中需要多次使用“函数”对数据进行插值计算，进而保证其计算的准确性。CAD的应用能够很简便的得到研究成果及计算程序，所以只需要确定水轮机转轮设计的准确输入参数，就能够完成不同比转数的混水轮机转轮CAD设计和计算结果，并提供计算的相关公式。利用CAD绘图技术系统能进行快速计算，并确定水轮机的工作参数、绘制水轮机的工作特性曲线以及在运转过程中的综合特性曲线，计算调节保证、选择计算辅助设备、计算绘制蜗壳和尾水管以及其水力单线图等一系列水轮机初步设计工作。另一方面，这一系统可以在很短的时间内得到包括计算结果数表、设计打印文件、图纸等一套设计成果。还可以进行水轮机特性曲线的处理加工、相关特性数据的存贮、有效管理和及时维护等工作。

3 结束语

本研究主要应用在CAD软件进行水轮机转轮设计和计算机辅助绘图方面做了深入探究，通过特定的程序语言进行编程计算分析并建立合理的数据库系统，进而获得CAD能够接收的数据文件，进而利用计算机进行自动绘图。水轮机转轮的优化设计和CAD技术相结合，能够建立一个计算、分析、数据库系统和计算机辅助绘图系统于一体的水轮机转轮设计CAD系统。

参考文献

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