混流式水轮机结构设计中的参数化技术及应用

1、 作者简介 :邓炯汉 (1973 , 男 , 工程师 , 设计部部长 , 主要从事水轮机设计 。 收稿日期 :2006-05-12混流式水轮机结构设计中的参数化技术及应用邓炯汉(南宁发电设备总厂 , 广西 南宁 530031摘要 :对混流式水轮机结构参数化设计所涉及到的水轮机专业技术 、 计算机 CAD 图形技术 、 数据库技术 、 结构 优化技术以及参数化设计的应用实例作了系统性论述 。 关键词 :水轮机 ; 参数化 ; CAD 图形中图分类号 : 文献标识码 : 文章编号 :1672-545X (2006 03-03前言, , 一 , 很少有一套产品图可用 于若干个水电站的情况 ; 二是水

2、轮机尺寸一般比较庞大 , 结 构复杂 , 产品设计出图量非常大 。 随着市场竞争的日趋激烈 , 水轮机的交货期越来越短 , 而用户对水轮机产品的技术要求 又越来越高 , 如何有效地缩短水轮机产品图设计周期 、 提高 设计质量以适应市场要求 , 已为各水轮机制造企业所关注 。 为此目的 , 必须采用参数化技术将水轮机专业技术与 CAD 图形技术结合在一起 , 即将产品参数计算与产品图自动生成 结合起来 , 实现水轮机全参数化设计 , 才能做到既缩短周期 又能提高准确性 。 一般而言 , 实现参数化设计有两种途径 , 一 种是在通用 CAD 软件如 A utoCAD 基础上进行二次开发 , 这 种

3、方法对简单单个零件的设计是可行的 , 但对水轮机这样的 大型复杂产品的整套产品图而言 , 参数化设计仅仅依靠二次 开发是非常困难的 ; 另一种方法是针对混流式水轮机单独 “定制开发” 一套 CAD 软件 , 即开发混流式水轮机专用参数 化设计软件 , 实践证明这种方法是可行的 。水轮机结构参数化设计是一项系统性非常强的大型软 件工程项目 , 它是水轮机专业技术 、 计算机 CAD 图形技术 、 数据库技术等交叉运用的结果 , 是一项科技含量非常高的综 合性课题 , 本文仅从水轮机专业技术 , 计算机 CAD 图形技 术 、 数据库技术 、 结构优化技术以及参数化在水轮机产品设 计中的实际运用等

4、方面作系统性论述 。1水轮机结构参数化网络图参数化设计与一般的结构设计不同 , 参数化设计的核心。 在 , 我们需要根据水轮机的结构特点绘制 参数化网络图 , 见图 1, 绘制水轮机结构参数化网络图的目的 是为了将各部套之间的衔接尺寸清晰地表达出来 , 以便能快 速查找和设置相关尺寸 。图 1水轮机结构参数化网络图2对水轮机通用件的处理水轮机零部件一般分通用件和非通用件两大部分 , 在结 构设计中 , 合理使用通用件将提高水轮机的模块化设计水 平 , 这对提高效率 , 节约成本 , 减少费用都大有好处 。 在进行 水轮机参数化时 , 必须对通用件进行单独模块化处理 , 即对 其设立独立的代号

5、(具有惟一性 , 并对其模块数据进行单独 保存和调用 。78 装备制造技术 2006年第 3期图 2混流式水轮机参数设计界面之一因通用件数据模块具有相对独立性 , 它可以用来实现多 人数据共享 。 一般中小型水轮机的结构设计是由多人共同设 计完成的 , 即需要将一台水轮机的不同部套 (如导水机构和 埋入部分等 分开在不同的计算机上进行设计 , 比如设计员 甲在 A 计算机上进行埋入部分设计 , 设计员乙在 B 计算机 上进行导水机构设计 , 最后由主任设计师在 C 计算机上组装 成一台完整的水轮机 , 其中的数据交换就是通过通用件数据 模块来实现的 。3界面设计技术因参数化设计与一般的交互式绘

6、图不同 , 参数化设计采 用界面参数直接驱动生成图形 (一般不需要人 、 机交互绘 图 , 因此 , 界面设计是参数化技术的关键 , 对参数化设计成 功与否起着至关重要的作用 。 我们知道 , 混流式水轮机由总 图 、 埋入部分 、 导水机构 、 转动部分 、 密封 、 轴承 、 控制机构等 部套组成 , 各部套之间相互关联 , 为了尺寸查找方便 , 一般应 根据部套名称来设置对话框 , 如总图对话框 , 埋入部分对话 框等 , 同时还要依据前面的水轮机参数化网络图对结构参数 进行精心组织 , 合理安排 。现代大型 W indow s 应用软件的界面开发工具是非常丰 富的 , 其中主流工具有

7、Bo rland 公司的 C +Builder 和微软 公司的 V isual Studi o 等 , 对水轮机参数化设计的界面开发而 言 , 选择 C +Builder 会更加高效 、 快捷 。 另外 , 为了界面切 换方便 , 应广泛使用图 2所示的多页面对话框技术 。4计算机 CAD 图形技术参数化涉及到的计算机 CAD 图形技术主要有三维图形 和二维图形之间的转换技术等 。 一般而言 , 将二维图形转换 成三维图形所需的约束条件远多于三维向二维转换时所需 的条件 , 故应较多采用三维向二维转换技术 。 在三维图形向 二维转换时 , 采用平面截交法获得剖切交点 , 对二维主视图 一般可直

8、接进行 , 但对局部视图 、 放大图等还需单独处理 。 参数化对二维图形的要求是能够方便地对二维图形进 行编辑或修改 , 因 A utoCAD 是结构设计中使用最为广泛的 通用 CAD 软件 , 我们在将三维图形转化为二维图形时采用 了与 A utoCAD 的 DW G 兼容的文件格式 。参数化对三维图形的要求除了直观的立体图形外 , 还应 具有以下功能 :对结构进行任意拆分和组装 ; 装配尺寸 检测和干涉检查 ; 对传动机构 , 如导水机构 、 进人门等进行 运动模拟等 。5计算机数据库技术水轮机的结构数据是很庞大的 , 除了大量的计算数据外 (如蜗壳 、 固定导叶计算数据等 , 还有数量众

9、多的结构尺寸 。 例如 , HLA 5512L J 2220水轮机的蜗壳数据共有 28个断面 , 计 算数据具体如下表 :为了节省计算机内存资源 , 在我们的参数化中 , 所有数 据包均采用二进制数据文件压缩格式 , 当需要与外部数据库 如 O racle 等作数据交换时 , 只能通过单独的数据接口进行 。 为了数据存储安全 , 也为了与一般的数据文件区别 , 在保存 和加载数据时 , 采用专用数据存储通道技术 , 即不同的数据 包只能通过特定文件路径和文件格式进行保存和调用 。88 Equ i pm en t M anufactu ring T echno logy N o 13, 2006

10、 A i 244223932341R e 33553262267724636大型复杂结构的优化设计问题一般属于非线性规划问 题 , 其目标函数是非 “凸” 函数 , 因而存在局部最优解与整体 最优解 。 整体最优解一般不易获得 , 而局部最优解可能不是 我们希望的最优值 , 因此在对水轮机进行结构优化时 , 应计 算多个局部最优解后对优化结果进行比较 , 从中选出最佳方 案 。因混流式水轮机结构变量众多 , 而在进行优化计算时 , 设计变量越多就越不易获得最优解 , 因此 , 一般应从结构参 数中选择若干个典型参数作为设计变量 。 以导水机构为例 , 有 5个主要结构控制尺寸 :导叶分布圆直径

11、 D 0; 控制环 小耳孔分布圆直径 D c ; 导叶臂 (或连板 长度 L H ; 连杆 长度 L c ; 导叶臂 (或连板 中心线与导叶孔径向轴线间的 夹角 。这 5个主要结构控制尺寸的变化将决定接力器对导 水机构的操作力大小 , 因此应选择上述 5个参数作为设计变 量 , 以计算接力器操作力矩最小为目标函数 。 7应用实例及前景展望南宁发电设备总厂从 2003年开始分阶段实施混流式水 轮机参数化设计 , 自今已应用于十多个电站 , 设计周期从原 来的 6个月缩短为现在的 12个月 。从以上可看出 , 采用参数化设计缩短了水轮机的设计周 期 , 取得了显著效果 。 从发展趋势看 , 为了节

12、约成本 , 缩短产 品制造周期 , 往往要求将某些部套或零件进行模块化处理 , 即模块化设计 、 模块化生产 , 都必然涉及到参数化设计问题 。 总之 , 参数化设计是水轮机结构设计的发展趋势和必然选 择 , 推广参数化设计具有广阔的应用前景和实用价值 。 参考文献 :1程良骏 1水轮机 M 1北京 :机械工业出版社 , 19811 2徐纪方 , 等 1水力机械强度计算 M 1北京 :机械工业 出版社 , 199013宋天霞 , 等 1大型复杂结构优化设计计算 M 1武汉 :华中理工大学出版社 , 19921Param eter ization Technology of Franc is t

13、urbi neStructure D esign and its ApplicationD EN G J i ong 2han(N ann ing Generating Equ i pem en t General Facto ry , N ann ing 530031, Ch ina Abstract :In th is p aper , m any techno logies that relate to francis tu rb ine structu re param eter design are system atically discu ssed , invo lving sp ecial techno logy of w ater tu rb ine , co