水轮发电机的三维仿真研究

三峡大学科技学院 朱新春

河北丰宁抽水蓄能有限公司 岳明奕

依据工程实践及虚拟现实系统的设计方法，分析了系统的功能需求，确定了系统功能的组成。根据收集的半伞式立式混流水轮发电机组影像等实际资料，利用3ds max软件建立水轮发电机模型。为能细致、逼真的三维可视化展示水轮发电机，并具良好的场景沉浸感，对模型贴图材质做了进一步丰富和后期模型处理。然后对仿真系统的功能进行了细分设计，分为水轮发电机结构与原理、安装与检修、各运行工况仿真三大模块子功能。每项功能由后台SQL server数据库和C#脚本控制前台unity3d显示，以文字、图片、声音、动画等手段，实现对操作人员的三维仿真培训。

三维仿真具有视、听、触、味等多种感知的虚拟环境，用户可以通过其自然技能使用各种传感设备同虚拟环境中的实体相互作用的一种技术。采用三维仿真技术软件进行三维可视化建模不仅能真实反映水轮发电机组的的结构特征，还可以对其进行“透视功能”，观察设备内部的运行过程和了解设备内部结构等功能，而且可以模拟水轮机发电机的正常工况、非正常运行状态、故障工况，使学员能在与实际水轮机近似的环境中进行正常操作、事故处理。所以三维虚拟仿真技术非常适用于水电站运维人员的培训学习和考核演习。

1 水轮发电机的三维建模

1.1 主要部件建模

水轮发电机的部件众多，其中有大量基本的零部件是重复的，如螺丝，螺丝垫、螺母、弹簧，法兰等。为了提高建模效率，首先对他们进行建模，下面以法兰的建模以为，简述三维建模的过程：①3DSMAX命令面板中“创建”法兰的剖面线，然后进入修改面板“样条线”子层级做轮廓线，然后进入“顶点”子层级，点击“切角”按钮，把直角变为圆角。②在编辑完完轮廓线后，在“修改列表”中执行“车削”命令，通过车削(Lathe)修改器旋转轮廓线成几何体。然③通过布尔运算完成打孔。通过“标准几何体”创建大小适当的的圆柱体并复制成所需数量，通过“编辑网格”将这些圆柱体组成一个整体，后对法兰的基本体和圆柱体整体做布尔运算。④最后将两者组装成一个整体。这样就完成了一个基本零部件—法兰的三维建模工作。依据上述步骤，建好的法兰模型如图1所示。

图1 法兰模型

（1）推导联合轴承的建模

刚性支柱式推导联合轴承布置在中心体内，其冷却器布置在支臂间。从结构上看，可以圆柱体为基本体，所以其主体部分采用“编辑多边形”的方法建模。首先，创建一个圆柱体并把它转换为可编辑的多边形，然后通过调整顶点、边、多边形等子对象，并配合挤出、缩放、切角等命令，最终完成联合轴承的下导轴的三维模型建立，如图2所示。

图2 推导联合轴承模型

（2）定子基座的建模

主体结构采用复合建模方法建立其三维模型，主要采用线工具绘制形状线条，再通过放样、Bzier平滑、布尔运算等操作，完成定子机座的三维模型建立，如图3所示。

图3 定子机座模型

（3）下机架的建模

主体结构建模方法兼用用多边形建模和复合建模的方法，结果如图4所示。

图4 下机架三维模型图

1.2 模型的后期处理

模型初步建立后，为了更加真实清晰地还原发电机实物的原貌，需要进行后续处理。材质主要用于体现物体的颜色、质地、文理、透明度和光泽，是赋予模型真实感的重要手段和途径。本文中主要应用了3DSMAX中的“（M）”金属材质如果说材质是用来描述物体在光线照射下如何反射和传播光线的，那材质中的贴图则是用来模拟对象的质地、纹理图案以及反射、折射效果的，通过不同的贴图可以完善材质的表现效果。贴图包括2D平面贴图和3D程序贴图，2D贴图是将图像文件直接包裹到对象表面或者作为场景的背景环境；3D贴图则会产生如木纹、水纹等多种纹理效果。本文发电机模型在表现发电机定转子发热故障时，采用了2D贴图的方法，表现绝缘体发热老化由材质纹理逐步发红最后变黑老化的一系列视觉效果。

1.3 模型的整体优化

本文在发电机模型建模时，采用实例技术构造了很多结构相同的模型，这样节省很多绘制片面的资源；使用粒子系统模拟冒烟的效果，使效率进一步提高。水轮发电机的整体模型如图5所示。

图5 水轮发电机模型

2 水轮发电机三维仿真系统

首先采用3DSMAX建模，根据图纸资料建立各种元件模型，设置各种模型的贴图、材质等，并以*.Max格式保存该文件，再将3DSMAX中的三维模型导出为*.Fbx文件再导入Unity3D软件中。

登陆界面。登陆界面中显示“水轮机发电机三维仿真培训练系统”的字样，还包含用户登录入口，如图6所示。

图6 系统登录界面

一级结构。承接欢迎界面，进入程序的第一层结构。一层分为水轮发电机的结构及理论知识学习、安装和检修、各种工况仿真等基本功能模块，如图7所示。

图7 仿真系统一级界面

二级结构：点击“各工况仿真”，进入二级界面。二层界面中显示水轮发电机正常运行、特殊运行、电气故障及处理等进一步细分的功能模块，并提供向上一层返回的操作选项，如图8所示。点击“安装与检修”，进入检修界面，如图9所示。

图8 零件(下机架)的结构知识图

图9 系统的检修界面图

三级结构，点击水轮发电机“电气故障及处理”，进入第三层结构，三层界面显示发电机的非同期并列、发电机定子绕组故障、发电机定子回路单相接地故障、转子一点接地故障、转子两点接地故障、转子磁极线圈故障、定子过电压，发电机失磁、发电机震荡及失步、发电机-变压器组非全相等更细致的分类模块。如图10、图11所示。

图10 转子两点接地故障发生前

图11 转子两点接地放电

本系统对水轮发电机的常见故障进行归类总结，列出了常见的几种故障，每种故障相应的设计了故障现象描述，故障原因分析和故障发生后的操作指导三块培训内容，每块功能又配合文字讲解、声音告警、动画演示等的方式，使操作人身临其境地学习处理故障情况。

本文在参阅前人研究的基础上，设计了三维变电站仿真培训系统，让受训人员学习水轮发电机及相关电气设备的结构及原理等基础理论知识，水轮发电机的安装检修过程，各种运行状态的现象及应对方法，并能够达到良好的培训的效果。具体成果如下：

（1）根据收集的三峡水电站700mw半伞式立式混流水轮发电机组影像等实际资料，利用3ds max软件建立水轮发电机模型。为能细致、逼真的三维可视化展示水轮发电机，并具良好的场景沉浸感，对模型贴图材质做了进一步丰富和后期处理。总结了水轮发电机的各种实际运行工况的现象、原因、相应操作等，尤其是各种故障工况。

（2）对仿真系统的功能进行了三级结构的设计，主要分为水轮发电机结构与原理、安装与检修、各运行工况仿真、三项功能。每块功能由后台SQL server数据库和C#脚本控制三维模型前台unity3d显示，以文字、图片、声音、动画等手段，实现对操作人员的三维仿真培训。