基于MVBA的水轮机转轮等部件参数化建模方法

弓路家

摘要：为解决水利水电工程水力机械专业设备在设备细节信息不全、建模操作复杂、灵活度不足等情况下的三维信息化建模难题，基于MVBA语言，进行了Bentley通用软件平台参数化建模二次开发工作。运用插件程序融合水力过流部件设计理论、已有部件实例类比等方法，实现了抽水蓄能机组、常规混流机组转轮、蜗壳、尾水管、座环及活动导叶部件的参数化一体建模功能。工程设计实例中已应用该插件完成水轮机部件建模工作，成果模型可满足精度和信息完备性要求，大大提高了建模高效性和修改便利性。

关键词：MVBA； 水轮机； 转轮； 二次开发； 参数化建模

中图法分类号：TV734文献标志码：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2023.09.014

文章编号：1006-0081（2023）09-0086-06

0引言

随着互联网与数字化、信息化技术的飞速发展，水力发电行业进入了数字化建设新时代。BIM模型的多维应用是实现数字化进程的基础之路［1］，工程设备三维模型的信息准确性和建模高效性越来越受到关注。水轮发电机组是水力发电工程中的关键设备，其中水轮机是将水能转换为电能的源动力部件［2］。为了充分发掘水轮机设备的水能转换效率及提高运行稳定特性，水轮机设备的过流部件空间扭曲程度愈加严重，尤其是水泵水轮机。但是，高度扭曲的空间结构给设备部件三维建模带来了挑战，也在一定程度上限制了三维设计在水力机械工程的应用推广。

在水利水电设计人员长期采用CAD开展设计工作的背景下，三维设计软件的构架思路和操作理念对传统CAD设计方法产生了一定的颠覆，其繁复的操作命令、冗杂的逻辑关系和固定的层级体系提高了三维软件在工程设计应用中的上手门槛。中国各大水利水电设计院基于Autodesk、Bentley和Catia平台各自开展数字化设计工作，但机电设备建模工作均依托通用软件的自身堆砌式建模构架完成，设备建模灵活度过低。针对水利水电行业通用三维商业软件本地化和专业化不足的缺陷，邓玉星等［3］、曹阳［4］、成蕾等［5］基于Revit平台二次开发完成了蜗壳、尾水管设备部件的参数化建模；黄克戬［6］联合Catia和Abaqus尝试了蜗壳部件建模；喻智锋等［7］基于UG平台，利用木模图数据完成了转轮叶片的建模及优化；李端阳等［8-9］、张阳明［10］均将Bentley平台GC方法应用在尾水管参数化三维配筋、尾水管参数建模、Y型岔管参数化建模中；苏婷婷等［11］以C#代码编程的开发方式在Microstation平台研究水工挡墙结构的参数化建模并实施设计应用。

在日常工程设计工作中，笔者依托于Bentley平台MVBA编程方法进行了水轮机主要部件（蜗壳、座环、活动导叶、转轮和尾水管）的参数化建模尝试，利用交互式窗体控件开发了水轮机部件参数化建模插件，交互建模方式遵从工程习惯参数及表达方式，脱离通用建模软件底层命令操作，以便专业设计人员建模应用。

MVBA语言是Bentley公司授权使用VBA宏语言体系开发的一种适用于自身系列软件的自动化二次开发语言［12］，其风格和语法体系完全继承自Visual Basic语言，具有丰富的图形界面工具，且提供了完整的可调用Microstation操作命令集，为实现水轮机部件参数化建模提供了开发基础。

1建模需求分析

水电站设計流程中，预可行性研究和可行性研究是项目决策环节的两个关键节点，此时机电设备的特性参数、尺寸参数多是通过经验公式框定和参考厂家询厂资料及以往类似规模工程参数综合确定，虽然水轮机设备的控制尺寸能满足当前阶段方案设计深度需求，但尺寸信息量仍难以满足三维建模信息需求，同时该阶段机组厂家的询厂资料也是以框定方案为主，暂无完整的细节信息。随着工程数字化的加快推进，各阶段的信息模型越来越受到重视，同时信息完备性和准确性也不容忽视。在设备细节信息缺乏的初期方案阶段，水轮机设备建模应充分发掘过流部件设计理论中的细节信息，并结合项目方案控制尺寸完成完整信息模型，或利用已有同等规模设备信息修正完成。

2各部件建模路线

2.1金属蜗壳参数化建模

根据《水电站机电设计手册水力机械》［13］及文献［3］、［9］中有关方法，按照vur为常数时，各断面水力设计信息为

Qi=φi360Qsj（1）

ρi=Qivpjπ（2）

Ri=r0+ρi（3）

式中：Qsj为水轮机设计流量，m3/s；φi为个断面包角，（°）；Qi为各断面流量，m3/s；vpj为进口断面平均流速，m/s；r0为座环外缘半径，m；ρi为各断面圆形半径，m；Ri为各断面圆心距轴距离，m。

根据设计方案中的蜗壳特征控制尺寸，对上述理论计算的各断面信息进行修正后即可作为蜗壳部件三维建模依据信息。基于以上断面信息，利用MVBA代码实现遍历断面、调用CreateEllipseElement（）命令创建断面圆弧，捕获各断面圆弧特征，调用CreateBsplineSurfaceElement（）放样生成蜗壳节段模型。蜗壳部件参数化建模主要输入参数见表1。

2.2座环及活动导叶参数化建模

在混流式水电设备座环设计中，固定导叶骨线就是蜗壳中水流流线的对数螺旋线的延续，叶型以骨线为中心两侧加厚［14］，因此不同机组的固定导叶型相似性很高。在活动导叶设计中，其流量调节的功能主要由活动导叶出口角实现，对活动导叶的叶型敏感度不强。工程实际中，不同混流机组活动导叶的叶型相似性也很高，行业推荐了标准正曲度叶型和标准对称叶型［14］。因此座环、活动导叶部件在初期细节信息不全的情况下可参照已有近似设备数据信息修正建模。

根据设计方案中的座环、活动导叶设备控制尺寸，对已有近似设备的固定导叶单线图、活动导叶单线图进行修正。基于单线图数据信息及叶片安放角度参数，利用程序封装命令CreateCurveElement（）生成特定角度叶型轮廓，调用ExtrudeClosedPlanarCurve（）生成叶片实体并完成环形阵列。表2为座环、活动导叶部件的参数化建模主要输入参数。

2.3转轮部件参数化建模

转轮部件是水轮机设备的核心部件，叶片形状为顺应水流特征，为高度空间扭曲面，尤其水泵水轮机转轮叶片非常狭长。在初期方案设计及转轮设计未完成的情况下，无法获得叶片翼型真实数据及转轮真实特性曲线信息。在设计实践中，对转轮部件选型设计通常采用与同类型、同水头段已建电站转轮类比的方法，此类比选型方法可满足工程应用精度，如决策阶段调节保证设计均选择已建电站同类型、同水头段转轮综合特性曲线进行计算。因此，在无转轮翼型数据的情况下，可采用对已有同类型、同水头段翼型数据进行近似保角变换，保证转轮流线的空间曲率小幅度变化，实现转轮部件参数化建模。

对已有转轮叶片，在其本身以导叶中心线所交轴点为原点的三维直角坐标系中，按其叶片正面、背面流线，采集离散数据点作为叶片翼型控制网格点，如图1所示。将离散点按照叶高方向流线号、网格点号编成空间点二维数组Pts2（［］，［］），将同一条流线上的网格点编成空间点一维数组Pts1（）。

对于数组Pts2（）遍历求取已有叶片的转轮进、出口直径d1=Sqrt（Pts2（m，n）.X2+Pts2（m，n）.Y2）、d2=Sqrt（Pts2（p，q）.X2+Pts2（p，q）.Y2）及进、出口直径点数组索引值（m，n）、（p，q）；对于数组Pts2（）遍历求取已有叶片的转轮高度H叶片及其数组索引值；对于数组Pts2（）遍历求取每个网格点的单位向量数组Vcts（［］，［］）及相对于进口直径d1的无量纲距离数组Lng（［］，［］）；对于方案设计的新转轮控制参数进口直径D1、出口直径D2，按照缩放比例求取进、出口缩放率D1/d1、D2/d2，并对流线上的网格点缩放比率进行线性插值，形成新转轮各条流线网格点缩放比率数组Ratios（［］，［］），通过数组Lng（）、Ratios（）、Vcts（）和D1、D2间的乘积运算可求出新转轮映射的流线网格点坐标。

对于Z轴方向，同样采用前述线性插值比率思想，并按照设计方案中进口高度和转轮高度参数进行矢量缩放转轮轴向高度。转轮部件的参数化建模主要输入参数见表3。

由于转轮空间扭曲特性和水头特性相关性很大，已有转轮参数的适用性受限于设计方案转轮的应用水头参数，方案转轮与已有转轮的应用水头特性越接近，参数化建模的模型可信度越高，当两者跨越水头段区间时，甚至会出现不合常理的建模结果。转轮部件的参数化建模关键在于對已有转轮离散网格点进行空间变换时，该已有转轮与方案转轮的应用水头相似性，为此应尽可能收集各水头段已有转轮数据，充分发挥转轮部件的参数化建模优势。

2.4尾水管部件参数化建模

尾水管部件是水轮机能量回收的关键部件，大型水电站常用的是弯肘形尾水管，其由进口锥管、肘管和出口扩散管组成，弯肘形尾水管的3个关键参数是尾水管深度h、肘管形式和尾水管水平长度L。设计方案时，可按照设计经验计算确定h和L，肘管形式一般采用标准形式［14］，确定关键参数后，可根据拟定断面特性、参考近似尾水管完成尾水管单线图。根据单线图中完整的各断面信息，调用CreateLineElement（）生成各断面轮廓线，最后调用CreateBsplineSurfaceElement（）完成尾水管多截面实体建模。尾水管单线图表征了尾水管部件建模的完整信息，因此本部件建模在导入格式化底层数据后，无需额外参数即可完成一键式参数化建模。

3参数化建模功能实现

参数化建模是以底层数据驱动，通过内嵌封装的数据处理逻辑自动生成模型的过程［15］，水轮机各部件建模逻辑如图2所示。内嵌数据处理逻辑对底层数据格式有较严格的要求，同时数据格式应兼顾工程设计的数据习惯，以保证设计人员的使用便利性。插件中的数据格式完全遵照水轮机设计表达习惯，如采用蜗壳、尾水管单线图表达、转轮关键尺寸表达等，交互界面遵从水力机械传统设计习惯，增强设计人员的操作简便性和建模高效性。

3.1代码工具

代码工具采用Bentley软件二次开发语言MVBA，提供完整的窗体控件，以便操作者直观地交互使用，且包含所有Bentley建模命令支撑完成模型元素创建、删除及相关的修改操作。采用MVBA完成的建模插件可直接通过Bentley软件Utilities—Macros—Play进行宏运行使用。

3.2建模实施方案

根据各部件建模方法和已梳理的底层数据格式，分析生成部件模型所需的数据处理逻辑，并将处理逻辑采用代码命令表达及固化，封装成各模块建模方法。例如蜗壳、尾水管的数据处理逻辑是首先生成断面轮廓，再通过轮廓放样成多截面实体，转轮部件的数据处理逻辑为将流线网格点进行空间矢量缩放，通过流线网格点生成叶片流，再由流线放样成空间扭曲叶片实体。

运行程序后，通过程序的数据读取接口读入相应建模部件的底层格式数据，并按照建模插件界面输入相应的参数，如导叶个数、导叶安放角、转轮叶片个数等，确定生成即完成部件模型建模。水轮机建模中，各部件相对位置关系已固定逻辑，可直接生成组装完整的水轮机一体化模型。

3.3插件展示

按照水轮机部件参数化建模需求，本建模插件分为6个页签，各页签界面如图3所示，其中第一个页签为首页界面，用于选择建模机组类型（抽蓄机组/常规混流机组）、尾水管形式（圆截面尾水管/圆变方截面尾水管）、键入水轮机基本参数，图3（b）～（f）页签为蜗壳、转轮、尾水管等的建模模块。其中程序插件还设置了帮助弹窗，用以提示用户规范操作，防止出错。

4参数化建模实例应用

本实例针对某抽水蓄能电站工程，在该工程可行性研究阶段，水轮机设备各部件基本尺寸参数通过理论方法计算或者主机厂家咨询均有初步数据，并根据已有水轮机资料，修正整理出本工程推荐方案中各建模部件的格式化底层数据，运行建模插件完成各部件参数化建模，建模成果实例如图4所示。图4（a）和（b）为参数化建模的蜗壳和转轮部件，蜗壳部件以单线图数据为基础，建模准确度高；转轮部件以叶片流线上的离散网格点为基础，建模完成后叶片空间曲率的保真度较高，转轮流道符合抽蓄电站转轮实际空间曲面扭曲特征，且提高了建模效率；图4（c）和（d）为水轮机整体建模成果，模型装配准确度及部件信息完整，满足设计阶段信息模型建模要求。

插件程序還集成常规混流机组部件参数化建模功能。在常规混流机组大流量设计工况时，尾水管截面多采用圆形渐变方形的结构形式，程序插件对该尾水管结构形式进行了整合封装。以某常规混流电站可研阶段推荐方案设计参数为基础，采用本参数化建模程序完成设备部件建模，该常规电站水轮机模型如图5所示。图5（a）为转轮模型，转轮叶片形式符合大流量混流机组特征，表面曲率光顺；图5（b）为水轮机组装完整模型，蜗壳断面饱满，过渡圆滑，尾水管为圆变方截面，渐变截面光顺，符合实际部件特征。

5结语

本文基于Bentley三维设计平台，以MVBA语言进行了水轮机设备参数化建模的二次开发，将异形空间的水力过流部件建模处理逻辑进行了封装固化，形成了以底层参数控制的参数化建模程序。程序界面以窗体控件对话为交互方式，交互习惯遵从工程人员专业设计习惯，建模操作脱离软件自身命令流模式，集成了抽蓄电站、常规混流电站水轮机部件建模功能，基本实现水轮机设备参数化一键建模。模型信息以底层设计数据为基础，可充分保证三维模型信息的准确性和完备性，同时参数化建模过程为计算机自动执行，大幅度提高了建模效率和修改效率，为BIM技术在水力机械设备建模及多维拓展应用上提供了新的思路。

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（编辑：唐湘茜）

Parameterized modeling method of hydraulic turbine equipment based on MVBA

GONG Lujia

（Shanghai Investigation，Design ＆ Research Institute Co.，Ltd.，Shanghai 200434，China）

Abstract： To overcome the difficulties of constructing 3D models of hydraulic equipment of lacking the details，complex and inflexible modeling operations with common soft-wares in water conservancy and hydropower engineering，a kind of plug-in program based on MVBA language had been secondary developed for Bentley platform to create parametric modeling of hydraulic equipment.Designing theory of hydraulic flow components and method of analogy of existing components were integrated in the program to model turbine runner，spiral case，draft tube，stray ring of pumped storage unit or Francis turbine unit.The plug-in was applied in a pumped storage project and generated the turbine unit equipment successfully.Precision and information completeness of the models constructed with MVBA program can totally meet the requirement，the modeling efficiency and convenience of modification were greatly improved.

Key words： MVBA； hydraulic turbine； runner； secondary development； parametric modeling