混流式水轮机转轮叶片三维造型的研究

２００８年７月　农机化研究　第７期　混流式水轮机转轮叶片三维造型的研究　曾永忠，陈波，陈果，黄煌　（西华大学能源与环境学院，成都６１００３９）　摘要：传统的水轮机转轮设计包括流体动力学设计和几何设计，在几何设计中采用二维木模图来表示叶片，无　法满足数字化设计与制造的要求。为了解决这一不足之处，介绍了利用ＣＡＤ和Ｇａｍｂｉｔ进行叶片三维造型的方法。　在叶片的三维造型完成后，可以实现转轮的三维造型，为转轮内流动ＣＦＤ分析、性能预测和ＣＡＭ提供基础。　关键词：转轮叶片；仿真；混流式；Ｇａｍｂｉｔ；三维造型　中图分类号：ＴＰ３９１．９　文献标识码：Ａ　文章编号：１００３—１８８Ｘ（２００８）０７—００３６—０２　

０　引言　目前，建于２０世纪五六十年代的大部分农村中　小型水电站都在进行技术改造。水轮机转轮作为能　量转换部件是水电站水轮发电机组的心脏，其性能决　定了电站的经济效益；同时，转轮的三维造型也是实　现数字化的关键。目前，水轮机的设计与制造均采用　数字化，在进行数字化设计与制造中的流体动力学数　值分析（ＣＦＤ）和性能预测、刚强度计算分析（ＣＡＥ）、　数控加工（ＣＡＭ），以及三维坐标测量（ＣＭＭ）等都需　要精确的三维数字化模型；而以前的电站大多数都只　有木模图，因而基于木模图的三维造型是很有意义　的。因混流式机组应用广泛，故本文以混流式水轮机　转轮叶片为例进行三维造型分析。　如果直接利用木模图的二维线条为边界来生成　三维模型，由于软件的本身缺陷可能造成叶片模型的　不正常凹凸现象，不能提供精确有效的三维模型。　１　混流式转轮叶片三维造型的原理　木模截面图直接生成的３Ｄ图形，如图１所示。　Ｆｌｕｅｎｔ中的Ｇａｍｂｉｔ可进行流体机械的实体造型以及　图形、图像处理等。　本文中先是利用ＡｕｔｏＣＡＤ将已知某电站的混流　式水轮机转轮木模图的二维线条表示出来，再调入　Ｇａｍｂｉｔ中生成三维模型。先找出叶片的几组轴面截　线；在此基础上用一元理论绘制出水流过叶片工作　面和背面的类流线；用类流线组成叶片工作面和背面，　收稿日期：２００７—１０一ｌ６　基金项目：西华大学“两重”建设基金项目（ＳＢＺＤ０７０４）；西华大学　学生学术作品基金项目（２００７）　作者简介：曾永忠（１９６９一），男，四川峨眉人，讲师，（Ｅ—ｍａｉｌ）　ｚｙｚｚｙｚｈｏｍｅ＠１６３．ｃｏｒｎ。　３６·　然后组成叶片的三维模型。根据此方法可以得到比　较理想的叶片三维模型，并且能够避免由于软件自　身缺陷而造成模型的不正常凹凸。　

图１木模截面图直接生成的３Ｄ图形　２　混流式转轮叶片三维造型的步骤　２．１　绘制及读入叶片曲线　·　先在ＡｕｔｏＣＡＤ中绘制出木模图，通用的木模图在　表示叶片时一般都给出等高面上的叶片截线的图形　或者是ｘ与ｙ数据，如图２所示。然后，再将各截面　图形生成按照对应的几何关系叠加，并将各截面图形　生成面域以．ｓａｔ文件输出。打开Ｇａｍｂｉｔ直接读人从　ＡｕｔｏＣＡＤ中输出的．ｓａｔ文件，将各断面按照木模图中　关系在ｚ轴方向移动到对应位置。主要过程为：在　ＣＡＤ中绘制木模图一截面图形叠加一生成面域一以　ｓａｔ文件输出一打开Ｇａｍｂｉｔ读人．ｓａｔ文件一移动截　面图形到对应位置。　２００８年７月　农机化研究　第７期　图２混流式转轮木模图　２．２确定叶片上冠最高点和叶片尖点　由于叶片的上冠处的翼型及叶片形状变化不大，　且已经给出了３个截面的形状，故对最高点采取了把　１～１截面直接在Ｚ方向移动的方法，取１—１截面移　动后的头部顶点作为最高点。而叶片下缘处的尖点，　按照木模图中给出的关系可以求出，在Ｇａｍｂｉｔ中移动　对应的　与ｚ距离可以得到。分别连接叶片工作面　和背面的前缘点和后缘点，可以得到工作面和背面的　边界曲线，如图３所示。其主要过程为：确定上冠最　高点一确定叶片尖点一连接工作面前缘点和后缘点　一组成工作面曲线连接背面前缘点和后缘点组成背　面曲线。　

图３木模截面图　２．３绘制类流线　如果就依照得到的工作面和背面曲线进行叶片　的三维造型，有可能出现不正常的凹凸现象。采用两　组过叶片表面的类流线来组成叶片表面，再进行三维　造型就可以避免这种现象的出现。其主要操作为：确　定转轮轴线　绘制轴面　绘制轴面截线　按照一元　理论绘制类流线。结果如图４和图５所示。　２．４叶片模型的完成　根据上一步绘制出来的类流线，可以在Ｇａｍｂｉｔ中　完成对转轮叶片的三维造型。其主要操作为：类流线　组成叶片的工作面、背面，生成三维模型。生成的模　

３７·　

型如图６所示。　图４叶片上的轴面截线　图５叶片上的类流线　

图６转轮叶片三维模型　３结论　本文在已知某混流式水轮机转轮木模图的条件　下，利用Ａｕ￣ＣＡＤ和Ｇａｍｂｉｔ对转轮叶片进行三维造　型。首先，ＡｕｔｏＣＡＤ和Ｇａｍｂｉｔ之间数据的传递比较方　便，这是本文的一个优点；其次，在确定叶片表面的曲　面时，　（下转第４０页）　２００８年７月　农机化研究　第７期　参考文献：　［１］Ｋｃ史密斯．光生物学［Ｍ］．沈恂，译．北京：科学出版　社．１９９４：４０１—４０２．　［２］廉世勋．植物最佳生长作用光谱的模拟［Ｊ］．发光学报，　１９９６，１７（３）：１４４—１４５．　［３］余宪恩。实用发光材料与光致发光的机理［Ｍ］．北京：中　国轻工业出版社，１９９７．　

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葛大勇，徐景智．ＭｇＡｓＯ：Ｍｎ发光材料制备方法的改进　［Ｊ］．河北大学学报（自然科学版），２００１，２１（３）：２５１—　２５３．　许碧琼，吴玉道．新型发光材料［Ｊ］．华侨大学学报（自然　科学版），１９９５，１６（３）：３３３—３３７．　徐长远．发光材料的研究进展［Ｊ］．光电子技术与信息，　１９９７。１０（１）：１７—１９．　

Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｆ　Ｓｐｅｃｔｒｕｍ　Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｔｏ　Ｓｐｅｃｉａｌ　Ｌｉｇｈｔ　Ｓｏｕｒｃｅ　ｆｏｒ　Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ　Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒｅ　ＬＩ　Ｔｏｎｇ—ｋａｉ．ＱＩＡＯ　Ｚｈｉ，ＺＨＡＮＧ　Ｂｉａｎ—ｆａｎｇ，ＺＨＡＮＧ　Ｙａｎ—ｌｉ，ＣＵＩ　Ｊｉａｎ—ｐｏ　（Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ　ｏｆ　Ｍａｔｈｍａｔｉｃｓ　ａｎｄ　Ｐｈｙｓｉｃｓ，Ｓｈｉｊｉａｚｈｕａｎｇ　Ｒａｉｌｗａｙ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｓｈｉｊｉａｚｈｕａｎｇ　０５００４３，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　ｔｈｅ　ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ　ｓｐｅｃｔｒｕｍ　ｏｆ　ｃｈｌｏｒｏｐｈｙｌ１．Ｔｈｅ　ｓｐｅｃｉａｌ　ｌｉｇｈｔ　ｓｏｕｒｃｅ　ｆｏｒ　ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ　ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒｅ　ｗａｓ　ｄｅ　ｖｅｌｏｐｅｄ．Ｉｔ　ｃｏｎｓｉｓｔｅｄ　ｏｆ　ｐｈｏｓｐｈｏｒｓ　Ｍｇ６Ａｓ２０　Ｍｎ，（Ｙｏ９６５Ｅｕｏ０３５）（Ｐｏ．６Ｖｏ４）０．１Ａ１２Ｏ３　ａｎｄ（Ｂａ、Ｍｇ、Ｅｕ）３Ａ１１４０２４．Ｔｈｅ　

ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｉｎｄｉｃａｔｅｄ　ｔｈｅ　ｌｉｇｈｔ　ｓｏｕｒｃｅ　ｃｏｕｌｄ　ｍａｋｅ　ｔｈｅ　ｃｒｏｐｓ　ｇｒｏｗ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｅｎｖｉｒｏｍｅｎｔ　ｏｆ　ｆｕｎｃｔｉｏｎ　ｓｐｅｃｔｒｕｍ　ｏｆ　ｂｅｓｔ　ｇｒｏｗｔｈ　ｏｆ　ｐｌａｎｔｓ，ａｎｄ　ｐｒｏｍｏｔｅｄ　ｉｔｓ　ｇｒｏｗｔｈ　ｏｒ　ｉｎｃｒｅａｓｅｄ　ｙｉｅｌｄ．Ｉｎ　ｓｈｏｒｔ　ｉｔ　ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ　ｅｃｏｌｏｇｉｃａｌ　ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒｅ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｃｈｌｏｒｏｐｈｙｌｌ；ｓｐｅｃｉａｌ　ｌｉｇｈｔ　ｓｏｕｒｃｅ；ｐｈｏｓｐｈｏｒｓ；ｆｕｎｃｔｉｏｎ　ｓｐｅｃｔｒｕｍ　

（上接第３７页）　采用两组类流线来组成叶片的表面，避免了直接由叶　片截面图形的外缘线组成表面可能出现的不正常凹　凸；最后，转轮叶片的三维造型出来后，进行转轮流场　的流体动力学数值分析（ＣＦＤ），也可以继续进行转轮　的三维造型以便于进行刚强度计算分析（ＣＡＥ）、数控　加工（ＣＡＭ）以及三维坐标测量（ＣＭＭ）。　参考文献：　［１］　阮劲松，王春林，袁春元，等．基于Ｂｅｚｉｅｒ函数的混流泵　

［２］　［３］　［４］　叶片造型研究［Ｊ］．农机化研究，２００５（６）：１０４—１０５，　１０８．　蔡彬，程新群，付强，等．低比速离心泵叶轮内不　同叶片数流场计算及分析［Ｊ］．农机化研究，２００６（４）：　８３—８５．　侯祠；华，齐学义，常一乐，等．基于ｐｒｏ／ｅ的水轮机三维造　型［Ｊ］．排灌机械，２００６，２４（１）：ｌ４一ｌ６，２６，　梁武科，罗兴镝，吴广宽．混流式水轮机叶片自由曲面的　延展［Ｊ］．水利学报，２００３（５）：６９—７３．　

Ａｂｓｔｒａｃｔ　ＩＤ：１ＯＯ３—１８８Ｘ（２００８）０７－００３６一ＥＡ　３一Ｄ　Ｍｏｄｅｌｉｎｇ　ｏｆ　Ｆｒａｎｃｉｓ　Ｔｕｒｂｉｎｅ’Ｒｕｎｎｅｒ　Ｂｌａｄｅ　ＺＥＮＧ　Ｙｏｎｇ—ｚｈｏｎｇ，ＣＨＥＮ　Ｂｏ，ＣＨＥＮ　Ｇｕｏ，ＨＵＡＮＧ　Ｈｕａｎｇ　（Ｓｃｈｏｄ　ｏｆ　Ｅｎｅｒｇｙ　ａｎｄ　Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ，Ｘｉｈｕａ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈｅｎｇｄｕ　６１００３９，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ　ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ｒｕｎｎｅｒ　ｉｎｃｌｕｄｅｓ　ｈｙｄｒａｕｌｉｃ　ａｎｄ　ｇｅｏｍｅｔｒｉｃａｌ　ｄｅｓｉｇｎ．Ｉｔ　ｃａｎｎｏｔ　ｓａｔｉｓｆｙ　ｗｉｔｈ　ｄｉｓｔａｌ　ｄｅｓｉｇｎ　ａｎｄ　ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ　２Ｄ　ｐａｔｔｅｒｎ　ｄｒａｗｉｎｇｓ　ｕｓｅｄ　ｆｏｒ　ｄｅｆｉｎｉｎｇ　ｔｕｒｂｉｎｅ　ｂｌａｄｅ　ｉｎ　ｇｅｏｍｅｔｒｉｃａｌ　ｄｅｓｉｇｎ．Ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ，ａ　ｗａｙ　ｏｆ　３　Ｄ　ｍｏｄｅｌｉｎｇ　ｕｓｉｎｇ　ＣＡＤ　ａｎｄ　Ｇａｍｂｉｔ　ｉｎ　ｍｏｄｅｌｉｎｇ　ｏｆ　ｒｕｎｎｅｒ　ｂｌａｄｅ　ｉｓ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ａｆｔｅｒ　３　Ｄ　ｍｏｄｅｌｉｎｇ　ｆｉｎ．　ｉｓｈｅｄ，ｉｔ　Ｃａｎ　ｅａｓｉｌｙ　ｄｏ　ｔｈｅ　３　Ｄ　ｍｏｄｅｌｉｎｇ　ｏｆ　ｒｕｎｎｅｒ　ｔｏ　ｍａｋｅ　ｔｈｅ　ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｆｕｔｕｒｅ　ＣＦＤ　ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｃａｐａｂｉｌｉｔｙ　ｆｏｒｅｃａｓｔ　

ａｎｄ　ＣＡＭ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｒｕｎｎｅｒ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｒｕｎｎｅｒ　ｂｌａｄｅ；ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；ｆｒａｎｃｉｓ；ｇａｍｂｉｔ；３一Ｄ　ｍｏｄｅｌｉｎｇ　

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