混流式水轮机蜗壳模型建立方法的探索

杜承　王旭　巴登军

【摘 要】蜗壳是水轮机中的重要过流部件。其模型精度的高低，直接影响产品的生产加工质量、机组运行的水力特性。因此，建立质量较高的蜗壳模型，对于机组有着重要的意义。在此，通过对模型尺寸进行分析，并利用软件UG对进行建模，探讨了建模方法的可行性，为后续产品的加工提供了理论支持。

【关键词】蜗壳；模型；UG；建模

【Abstract】The volute is important in water turbine flow components. The model precision， directly affect the hydraulic characteristics of the production of products unit processing quality， operation. Therefore， the volute models to build higher quality， has the vital significance regarding the unit. Then， based on the model of dimension analysis， and use the software UG to carry on modeling， discusses the feasibility of the modeling method， which provides theoretical support for the follow-up product processing.

【Key words】Volute；Model；UG；Modeling

1 蜗壳的模型分析

蜗壳模型的截面形状和参数是建立三维模型的基础。针对某电站混流式水轮机组蜗壳模型进行分析。已知该机组蜗壳的截面形状为圆形。

如图1所示，蜗壳的截面特点为：以一个点O为基准点，在与基准的相距为a的距离为圆心建立一个半径为R的圆，圆的最远点与基准的相距为Z，而圆需要需要切去上下直线对称距离为b的圆弧。对于该形状而言，建模过程并不困难，主需要确定图示中的几个尺寸即可。然而，模型建立的关键，还在于截面之间的相对位置关系。即所有的截面并不在同一个平面上。因此，在建模之前，必须要找准每个截面所在的平面，并且要精确定义所有平面之间的关系。

2 模型草图建立与分析

在分析了模型特点的基础上，运用UG的草图绘制模块对建立模型草图。主要的步骤为：（1）先以基准坐标系xy平面为基准建一与其重合平面，再在所建平面画平行X方向上的任意长度直线完成草图；（2）通过角度创建平面，参考平面为1步所建平面，线性对象为1步所建线，角度为5°完成建平面；（3）以基准点为起点Y，在该方向上取的长度为L为距离的直线，再以直线的终点作半径为R的圆，直线与圆靠近基准点的一方相交，在把与Y轴平行的线之间的圆部分剪除，在删除三条所作的直线，在以直线把圆封毕，完成建立草图；（4）重复2，3步骤，所需数据根据已知条件建立。直到完成所给数据为止建立出来草图。三维空间内的草图绘制，如图2所示。

3 蜗壳三维模型的建立

建模的方式方法有多种多样，而在此运用了UG中的两种建模方式，一是通过直纹命令建模，第二种方法是曲线组建模。

3.1 直纹命令建模

通过直纹命令建立模型的步骤，主要有以下几步：（1）选择命令直纹，截面线串为相邻封闭草图，如从最小草图开始，截面线串1选择最小草图，截面线串2选择与它相邻草图，再看线串方向是否一致，一致就确定，完成直纹；（2）线串1选择上一步的线串2，线串2选择与上一步线串2相邻的草图 ，同样再看线串方向是否一致，确定完成直纹；（3）重复上述步骤一直建完模型，得出模型；（4）在通过求和命令让所有节壳成为一个整体。完成的模型如图3所示。

3.2 曲线组命令建模

曲线组命令的建模方法，具体的操作方式为：（1）从最大的草图开始，选择命令通过曲线组，在选择曲线为最大草图，在添加新集，在选择与上一曲线相邻的曲线，在添加新集，在选择与第二次的曲线的相邻曲线，重复上述步骤直到最后的曲线选择；（2）完成选择确定完成建模；（3）隐藏草图线框，得最终模型。部分生成的蜗壳模型如图4所示。

4 模型质量对比

通过直纹命令和曲线组命令建模所得出的图形进行对比，能够明显的看出两者建模图形的精度是不一样的。

（1）先看两种建模的外观比较。通过直纹命令所建的模型，能够看出在每一个草图截面上部，不是完全光滑的，它存在许多的凹凸状图元素。然而，在相邻草图截面之间的曲面是比较光滑的。因此，从总体上来看，该模型的精度还是比较高的。

（2）再看通过曲线组命令所建模型，在草图截面不存在突起，草图截面之间也是光滑连接，弯曲部分也是呈现很好的流线型，整体结构也是完全呈现是一体，而且比较光顺。

由此可见，虽然两种模型是相同数据所建立出来的，但是最终的效果却是不一样的。模型的光滑度越低，对实际生产出来的蜗壳有很多的影响，比如说蜗壳的使用寿命，光滑度低的蜗壳在实际运用中水流会在不光滑部分产生相当大的冲击力，对蜗壳造成一定的磨损，久而久之这种磨损日积月累就会使蜗壳的结构越来越不稳定，进而出现故障，减短使用的寿命。

5 结论

通过直纹命令和曲线组命令两种方法，建立了某电站蜗壳的三维模型。并对模型质量进行了对比。由此可以知道，对于该电站而言，采用曲线命令组的建模方法，模型的质量更好，精度更高。对于后续指导产品的生产，有着重要的意义。

【参考文献】

[1]程良骏.水轮机[M].北京：机械工业出版社，1981.

[2]湘南省水力发电工程学会，湖南省电力公司.水电站事故（障碍）案例与分析[M].北京：中国电力出版社，2004.

[3]辛喆，常近时.混流式水轮机全部通流元件的三维湍流流场分析与性能预测[D].北京：中国农业大学，2005.

[4]韩占忠，王敬，兰小平.Fluent-流体工程仿真计算实例与应用[M].北京：北京理工大学出版社，2010.

[责任编辑：薛俊歌]